SIMULASI PRODUKSI HIDROGEN MELALUI CO2 METHANE REFORMING DENGAN MENGGUNAKAN REAKTOR MEMBRAN
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh:
IRA SANTRINA JC NIM: 23004021 Program Studi Teknik Kimia
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
ABSTRAK SIMULASI PRODUKSI HIDROGEN MELALUI CO2 METHANE REFORMING DENGAN MENGGUNAKAN REAKTOR MEMBRAN Oleh Ira Santrina JC NIM: 23004021 Hidrogen merupakan bahan bakar alternatif yang prosfektif untuk menggantikan bahan bakar konvensional seperti minyak, gas, dan batubara. Hal ini disebabkan karena hidrogen lebih ramah terhadap lingkungan, serta sumber bahan bakunya tersedia dalam jumlah besar baik dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui maupun yang tidak dapat diperbaharui. Salah satu pengelolaan produksi hidrogen adalah melalui reformasi metana dengan karbondioksida (CO2 Methane Reforming/CMR). CMR terdiri dari 2 reaksi utama yaitu reaksi reformasi yang berlangsung secara endotermis dan reaksi water-gas shift yang berlangsung secara eksotermis . Produksi hidrogen yang ada saat ini dilakukan secara konvensional melalui reaktor tubular. Saat ini telah dikembangkan proses baru menggunakan membran yang mampu meningkatkan laju produksi H2. Penelitian bertujuan untuk mempelajari unjuk kerja reaktor membran dalam melaksanakan CMR. Dua tipe reaktor membran tersebut yakni porous vycor dan nanosil. Sebagai pembanding, dilakukan juga evaluasi unjuk kerja reaksi CMR pada reaktor fixed-bed. Hasilnya, diperoleh bahwa reaktor nanosil dan porous vycor memiliki nilai konversi lebih besar dibanding reaktor fixed-bed. Sedangkan antar reaktor membran, nanosil lebih tinggi nilai produksi hidrogennnya dibanding dengan reaktor porous vycor. Kata kunci: reaktor membran, reformasi metana, produksi hidrogen
i
ABSTRACT SIMULATION OF HIDROGEN PRODUCTION THROUGH CO2 METHANE REFORMING BY USING MEBRANE REACTOR By Ira Santrina JC NIM: 23004021 Hydrogen is a promising alternative fuel for substituting conventional fuels such as oil, gas, and coal. This is because hydrogen is environmentally and its source can be supplied either from renewable or non-renewable sources. One of the methods for producing hydrogen is through CO2 methane reforming (CMR). CMR consists of two reactions. Reforming of methane is first reaction. This reaction is operated on endothermic condition. Second reaction is water-gas shift that is on exothermic condition. Conventionally the production of hydrogen is conducted in a tubular reactor. There is new innovation in production of hydrogen through membrane reactor to increase production flow of hydrogen. The evaluations were conducted by comparing the performance conventional process and membrane reactor at the same operation condition. The results show that the conversion value nanosil membrane reactor is higher than ones porous vycor obtained in membrane reactor and obtained in fixedbed.
Keywords: membrane reactor, methane reforming, hydrogen production
ii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
iii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan pimpinan-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan penelitian ini. Penelitian ini berjudul “Simulasi Produksi Hidrogen melalui CO2 Methane Reforming dengan Menggunakan Reaktor Membran” dan bertujuan untuk mengevaluasi unjuk kerja reaktor membran dan reaktor konvensional dalam produktifitas hidrogen dengan reaksi reformasi metana dengan CO2.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada bapak Prof. Dr. Herri Susanto sebagai Koordinator Program Pascasarjana Teknik Kimia ITB, bapak Dr. Azis Trianto selaku dosen pembimbing penulis, Tommi Hutapea sebagai suami tercinta yang setia memberikan doa dan dukungan, Mama, abang Ako, abang Jimmy, dan Hanche sebagai orang tua, abang dan adik penulis yang memberi dorongan dan kasih sayang, Fauzan, Lelyana, Mba Dini, Pak Patrik, Fitri, dan Riri sebagai rekanrekan diskusi penulis, serta rekan-rekan S2 angkatan 2004 dan 2005 yang sudah memberikan semangat, dukungan serta bantuannya dan masih banyak pihak-pihak lain yang tidak kecil keterlibatannya dalam penyelesaian penelitian ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa laporan penelitian ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis senantiasa terbuka terhadap kritik dan saran dari pembaca. Semoga laporan ini bermanfaat bagi pembaca. Terima kasih.
Penulis,
(Ira Santrina J.C)
iv
DAFTAR ISI
ABSTRAK ………………………………………………………………..
i
ABSTRACK ……………………………………………………………… ii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS ……………………………………. iii KATA PENGANTAR ……………………………………………………
iv
DAFTAR ISI ……………………………………………………………..
v
DAFTAR LAMPIRAN................................................................................
vii
DAFTAR GAMBAR …………………….....…...………………………..
viii
DAFTAR TABEL …………………………......…...……………………..
x
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG
xi
Bab I
1
Bab II
Pendahuluan …………………………………………………… I.1
Latar Belakang ………………………………………… 1
I.2.
Rumusan Masalah ……………………………………... 4
I.3.
Tujuan Penelitian ……………………………………....
4
I.4.
Ruang Lingkup Penelitian ……………………………..
4
Tinjauan Pustaka ……………………………………………….
5
II.1
Aplikasi Hidrogen ......................................……………. 5
II.2
Steam Methane Reforming............................................... 6
II.3
CO2 Methane Reforming.................................................
8
II.4
Proses Konvensional dan Membran......………………..
9
II.5
Reaktor Membran............................................................
14
II.6
Proses Transport dalam Reaktor Membran.....................
17
II. 6.1 Neraca Material pada Shell..................................
19
II. 6.1 Neraca Material pada Tube...................................
20
II.6.3 Difusi...................................................................... 20 II.6.4 Tekanan Parsial......................................................
21
II.6.5 Beda Tekanan......................................................... 21 II.6.6 Kinetika Reaksi......................................................
v
22
Bab III
Bab IV
Rancangan Penelitian …………………………………………..
23
III.1
Metodologi Penelitian.......…………………………….. 23
III.2
Reaktor FixedBed............................................................
23
III.3
Reaktor Membran Porous Vycor.....................................
23
III.4
Reaktor Nanosil...............................................................
24
Hasil dan Pembahasan …………………………………………. 27 IV.1
Model Reaksi................................ ..................................
27
IV.2
Model Reaktor Fixed-Bed ............................................... 28
IV.3
Model Reaktor Membran Porous Vycor.......................... 32
IV.4
Model Reaktor Membran Nanosil...................................
IV.5
Pengaruh Temperatur dan Laju Molar Inlet Terhadap
35
Konversi Metana.............................................................. 37 Bab V
Kesimpulan dan Saran …………………………………………. 41 V.1.
Kesimpulan …………………………………………….
41
V.2.
Saran …………………………………………………...
41
DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………….
42
Lampiran A
Data Reaktor FixedBed…………………………………....
45
Lampiran B
Data Reaktor Membran Porous Vycor...........…………….. 47
Lampiran C
Data Reaktor Membran Nanosil...………………………… 49
vi
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A
Data Reaktor FixedBed.......................................................................
45
Lampiran B
Data Reaktor Membran Porous Vycor................................................
47
Lampiran C
Data Reaktor Membran Nanosil.......................................................... 49
vii
DAFTAR GAMBAR Gambar I.1
Efek rumah kaca, Ani K. Prabhu (2003)……………….........................
1
Gambar I.2
Kontribusi terhadap efek rumah kaca, Ani K. Prabhu (2003)….............
2
Gambar I.3
Steam methane reforming menggunakan reaktor membran, Glimt (2004)......................................................................................................
3
Gambar I.4
Konfigurasi pemisahaan dalam membran, Glimt (2004)........................
3
Gambar II.1
Aplikasi hidrogen sebagai fuell cell........................................................
5
Gambar II.2
Proses steam methane reforming, Attilio Pigneri (2004)...….................
6
Gambar II.3
Steam methane reforming, Arthur (2003)……...................……............
7
Gambar II.4
Proses water-gas shift dalam reaktor mebran ……........………............
9
Gambar II.5
Ukuran proses konvensional (kiri) dan membran (kanan)......................
10
Gambar II.6
contoh reaktor membran yang telah berkembang di jepang, JGA (2004)......................................................................................................
11
Gambar II.7
Steam methane reforming secara konvensional, Masao Hori (2004).....
11
Gambar II.8
Steam methane reforming secara membran, Masao Hori (2004)............
12
Gambar II.9
Produksi hidrogen dengan menggunakan reaktor konvensional.............
13
Gambar II.10
Produksi hidrogen dengan menggunakan membran hidrogen …...........
13
Gambar II.11
membran reformer dan convensional reformer, Masao Hori (2004)......
14
Gambar II.12
Proses metana menjadi hidrogen pada reaktor membran........................
15
Gambar II.13
Struktur mikroskopik vycor dan nanosil, Andre Ayral (2005)...............
15
Gambar II.14
Struktur membran paladium....................................................................
16
Gambar II.15
Modul palladium membran reformer......................................................
16
Gambar II.16
Proses pembuatan membran dengan Chemical Vapor Deposition.........
17
Gambar II.17
Konfigurasi reaktor membran, Ani K. Prabhu (2003)............................
18
Gambar II.18
Konfigurasi reaktor membran, Ani K. Prabhu (2003)............................
18
Gambar III.1
Tahap simulasi proses dalam reaktor fixed bed.......................................
25
Gambar III.2
Tahap simulasi proses dalam reaktor porous vycor dan nanosil.............
26
Gambar IV.1
Skema Membrane Reactor......................................................................
27
viii
Gambar IV.2
Skema Reaktor Fixed-Bed......................................................................
28
Gambar IV.3
Laju alir molar untuk Model Fixed-Bed.................................................
30
Gambar IV.4
Konversi metana dan kardondioksida.....................................................
30
Gambar IV.5
Karakteristik tekanan partial masing-masing komponen........................
31
Gambar IV.6
Beda tekanan...........................................................................................
31
Gambar IV.7
Laju alir molar porous vycor di shell......................................................
33
Gambar IV.8
Laju alir molar porous vycor di tube.......................................................
34
Gambar IV.9
Laju alir molar hidrogen di shell dan tube – porous vycor.....................
34
Gambar IV.10
Laju alir molar di shell............................................................................
36
Gambar IV.11
Laju alir molar hidrogen di tube.............................................................
36
Gambar IV.12
Konversi kesetimbangan terhadap temperatur........................................
38
Gambar IV.13
Konversi terhadap variasi temperatur.....................................................
39
Gambar IV.14
Konversi vs laju alir volumetrik metana.................................................
39
ix
DAFTAR TABEL Tabel II.1
Karakteristik Hidrogen, Attilio Pigneri (2004)...................................
5
Tabel II.2
Neraca material masing-masing spesies di shell.................................
19
Tabel II.3
Neraca material masing-masing spesies di tube.................................. 20
Tabel IV.1
Variabel model Fixedbed....................................................................
Tabel IV.2
Variabel model reaktor Porous Vycor................................................. 32
Tabel IV.3
Variabel reaktor membran Nanosil.....................................................
35
Tabel IV.4
Nilai awal laju alir volumetrik di shell dan tube.................................
37
Tabel IV.5
Pengaruh temperatur terhadap konversi metana.................................. 38
Tabel IV.6
Pengaruh laju alir volumetrik terhadap konversi................................ 40
x
29
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG
CMR
CO2 Methane Reforming
4
CVD
Chemical Vapor Deposition
16
Q
Fluks di shell
19
Q’
Fluks di tube
19
Di
Difusitas Knudsen
20
Pi
Tekanan parsial di shell
19
Pi '
Tekanan parsial di tube
19
R1
Jari-jari tube
19
R2
Jari-jari shell
19
r1
Laju reaksi 1
22
r2
Laju reaksi 2
22
μs
Viskositas campuran di shell
21
μt
Viskositas campuran di tube
21
vz'
Kecepatan superfisial di tube
21
vz
Kecepatan superfisial di shell
21
xi
