SIMULASI PROSES PADA SIKLUS TERMOKIMIA "UT-3" UNTUK PRODUKSI HIDROGEN DARI Am Amir Rusli *
ABSTRAK Para pakar dunia disibukan oleh pengembangan energi baru yang sarat dengan persyaratan dan tuntutan zaman yang harus dipenuhi, antara lain; bebas polusi, tersedia dalam jumlah besar, fleksibel dalam penggunaan, mudah disimpan dan mudah ditransportasi seperti layaknya sumber energi fosil (minyak, gas alam). Hidrogen karena bebas dari unsur karbon (C), tersedia dalamjumlah yang melimpah sebagai molekul air dapat dipertimbangkan sebagai salah satu energi alternatif masa depan yang ramah terhadap Iingkungan. Persoalan selanjutnya adalah bagaimana memecah molekul air menjadi hidrogen dan oksigen dengan teknologi murah. Pada saat itli produksi hidrogen dari air dapat dilakukan dengan termolisa, termokimia, fotolisa dan elektrolisa dan sebagai sumber panasnya dapat diperoleh dari reaktor nuklir (HTGR), kolektor sinar matahari atau panas buangan pabrik baja. Dalam makalah ini dilaporkan hasil hidrogen dari air dengan metoda termokimia (UT-3) baik secara percobaan maupun simulasi komputer. Diagram alir dari sistem proses UT-3 telah dimodifikasi untuk mendapatkan kesinambungan produksi hidrogen. Model reaktor pipa (tubular reactor) dua dimensi diusulkan untuk mengsimulasikan penampilan reaktor (Fixed bed reactor). Kedua hasil simulasi dan percobaan dibandingkan.
PENDAHULUAN Masalah Energi dan Energi Alternatif llidrogen Dunia dikejutkan oleh embargo minyak bumi 'pada tahun 1973, dan kejadian ini sekaligus mengingatkan kita semua bahwa sumber energi tersebut suatu saat nanti benar-benar akan habis. Negara-negara yang miskin sumberdaya alam dan energi banting stir ke sumber energi lain, Jepang, Perancis, Belgia, Swedia misalnya menjadikan energi nuklir sebagai sumber utama pemasok kebutuhan energi (listrik) Nasiona1nya agar roda industri mereka tetap berputar. Pada sisi lain para pakar di banyak negara diransang untuk mencari sumber energi baru dengan segala persyaratan yang harus dipenuhi antara lain: bebas polusi, tersedia dalam jumlah besar (tak terbatas), mempunyai tleksibilitas tinggi, mudah disimpan, mudah ditransportasi, dengan kata lain energi baru tersebut hams memiliki kemudahan penanganan persis seperti minyak bumi. Energi hidrogen dengan segala kelebihannya antara lain: bebas unsur karbon, tersedia dalam jumlah tak terbatas sebagai molekul air, dapat diproduksi oleh siapapun dan dimanapun bahkan dinegara yang paling miskin sumber daya alam dan *
Pusat Pengkajian Teknologi Nuklir - SA TAN
647
energi nampakhya 'dapat dipertimbangkan sebagai salah satu energi alternatif pengganti fungsi minyak bumi untuk transportasi, industri dan rumah tangga. Persoalan selanjutnya adalah bagaimana memecah molekul air menjadi unsur hidrogen dan oksigen dengan teknologi murah. Saat ini produksi hidrogen dari air dapat dilakukan dengan proses termolisa (2500 K - 3000 K), termokimia ( < 1000 K), fotolisa dan elektrolisa dengan mamnfaatkan sumber energi panas dari reaktor nuklir (HTR), kolektor sinar matahari atau panas buangan pabrik baja. oj' ,
;",tt)!g
Sejak proses 'siklus termokimia pertama kali diperkenalka.p oleh J. Funk (USA) pada tahun 1950an;' hitusan siklus termokimia baru lahir di beberapa negara seperti Jerman, Jepang, Itali;J(China, USA dst. Kameyama dkk. (Jep~mg) memperkenalkan siklus termokimia '~~j~g diberi qama University of Tokyo ke-3;~~tau UT-3. Siklus ini terdiri dari senyawl,ll:u;pm, besi dan kalsium seperti terlihat pada tabel I. Setelah melakukan studi fundamental seperti pengukuran kinetika dsb. [I] kemudian model percbbaall skala kecil (bench-scale) telah dibangun dan telah sukses dioperasikan selama 200 jam [2]. Secara palalel bersama dengan pengoperasian tersebut telah dilakukall pula evaluasi biaya produksi hidrogen oleh Toyo Engineering Corp. [3] dibawah kOlltrak dengan JAERI. Sebagai hasilnya, biaya produksi diperkirakan 46.4 Nm-3 pada tahun 2007. Harga ini masih berada diatas biaya produksi hidrogen dari sistem reforming gas alam 32.6 yen/Nm-3(l988). Pad a penelitian ini proses termokimia (siklus UT-3) dipilih dengan beberapa pertimballgan: pertama, energi panas yang diperlukall berkisart antara 473 sid 973 K masih dalam panas kerja dari HTR. Kedua, karena reaksi hallya terjadi antara zat padat dan gas, proses pengoperasiallnya sangat mudah hanya dengan menutup dan membuka katup. untuk mengalirkan reaktan gas dari satu reaktor ke reaktor lainnya. Guna menunjang pengembangan ke skala yang lebih besar (scale up) siklus termokimia UT-3 dilakukan simulasi komputer, hasil simulasi ini dibandingkan dengan hasil percobaan dengan reaktor Fixed bed.
MODIFlKASI
BAGAN ALIR PROSES SKALA KECIL MASCOT PLANT
Bagan alir proses instalasi (plant) telah dimodifikasi dari bagan alir proses lama (a) ke bagan alir proses baru (b) sebagai mana terlihat pada gambar 1. Pada bagan alir proses baru ini terlihat jelas bahwa hanya substansi gas yang dialirkan ke reaktor fixed bed yang dihubungkan secara seri, dimana berlangsung reaksi kimia. Dengan loop seperti ini hidrogen dan oksigen dipisahkan sebagai produk oleh dua separator.
648
Dimisalkan disini bahwa reaktor (1) dan (2) masing-masing berisi CaBr2 dan CaO. dan reaktor (3) dan (4) masing-masing berisi Fe304 dan FeBr2' Pertama-tama, air dalam bentuk uap dialirkan ke reaktor (1) dan reaksi persamaan (I) berlangsung, kemudian gas produk reaksi langsung dialirkan ke reaktor (4) dan reaksi persamaan (4) berlangsung. Ini adalah prosedur yang dapat diterima karena konversi kesetimbangan uap air dari persamaan reaksi (1) lebih rendah dari persamaan reaksi (4). Produk hidrogen dari persamaan reaksi (4) dipisahkan sebagai produk dan produk gas-gas lainnya hams dialirkan ke reaktor (3) sebagai reaktan gas. Gas brom dan air yang diproduksi dari persamaan reaksi (3) dialirkan langsung ke reaktor (2). Suatu hal yang dikhawatirkan dan perlu diteliti lebih lanjut adalah adanya gangguan oleh HBr sisa. Pad a sistem operasi ini, HBr yang tidak ikut bereaksi hams dialirkan ke reaktor (2); dan selanjutnya reaksi kebalikan dari persamaan reaksi (I) mudah berlangsung dan CaO akan dikonsumsikan tanpa produk 02.
SIMULASI PENAMPILAN REAKTOR Pemodelan Simulasi Pertama, asumsi-asumsi berikut digunakan dalam pemodelan: (1) Gas mengalir secara plug-flow (2) Distribusi temperatur kearah radial reaktor, sedangkan kedalam pelet reaktan diabaikan. (3) Turbulent transfer panas terjadi antara gas dan reaktan padat (4) Transfer panas melalui dinding reaktor. Persamaan neraca massa dan neraca panas dari gas dan zat padat berikut batasan-batasan yang digunakan dalam simulasi ini, terlihat pada tabel 2.
HasH Simulasi Percobaan Gambar 2 memperlihatkan reaktor Fixed bed yang terbuat dari tube glas quartz panjang 500 mm dan diameter 25 mm. Sejumlah yelet reactant padat senyawa besi berdiameter 2 mm di pack dalam reaktor sepanjang 50 mm. Produk gas dianalisa dengan menggunakan teknik-teknik yang sudah umum dipakai. Pada gambar 3 dan 4 terlihat masing-masing rentangan waktu konversi reaktan HBr dan produk Br2 baik hasil simulasi maupun hasil percobaan. Terlihat jelas bahwa kedua hasil baik percobaan maupun hasil komputasi mempunyai hubungan yang harmonis. Dengan adanya kesesuaian antara hasil percobaan dan hasil komputasi maka dapatlah dikatakan bahwa simulator telah dapat dikembangkan dengan baik dan
649
benar, pada tahap selanjutnya bila dikehendaki simulator dapat digunakan perhitungan-perhitungan keskala yimg lebih besar (scale-up).
untuk
Pcnampilan Simulator Rcaktor Fixed Bed ,. Dengan menggunakan model simulasi diatas, penampilan reaktor sepanjang 300 sid 1000 mm dibawah asumsi dan kondisi tertentu telah disimulasikan. Gambar 5 memperlihatkan rentangan waktu pembentukan konsentrasi Br2 dan konsentrasi HBr sisa reaksi sepanjang reaktor 300 mm dalam persamaan reaksi (3). Dari hasil ini disarankan adalah sangat mungkin memproduksi Br2 tanpa terganggu oleh pembentukan HBr setelah 100 min dari sejak sejak reaksi mulai berlangsung. Gambar 6 memperlihatkankurva-kurva distribusi konversi HBr dalam reaktor Fixed bed. Ditemukan bahwa zone reaksi bergerak maju dengan kecepatan tetap (konstan). Artinya dimungkinkan untuk mengambil hanya Br2 dan H20 tanpa dikotori oleh HBr dalam pengoperasian dengan sistem katup (valve).
KESIMPULAN (I). Modifikasi yang telah dilakukan terhadap bagan alir instalasi percobaan skala kecil (bench-scale) siklus termokimia UT-3 telah memberikan hasil dengan baik. (2). Model telah dikembangkan untuk mensimulasikan penampilan reaktor dan telah pula dibandingkan terhadap hasil percobaan dari siklus persamaan reaksi (4) dan (5) dengan menggunakan reaktor Fixed bed.
DAFTAR PUSTAKA I.
H. KAMEY AMA and K. YOSHIDA, "Proceeding 2nd World Hydrogen Energy Conference", Zurich, Switzerland, (1978),829-850.
2.
H. KAMEY AMA and R. AMIR et aI., "Int. Journal of Hydrogen Energy", 14, 5 (1989), 323-330.
3.
Toyo engineering Corp., "Report prepared for JAERI", (1985).
650
+CaBr2(S) Siklus UT-3 H2 ]/2°2 CaO(s) + ++ 8HBr(g) + (1) (4) H2O(g) (2) Tabel++ ].Br2(g) .]2HBr(g) 70d'C 1202(g) 4H2O(g) Br2(g) H2(g) (3) 55d'C 22d'C 56d'C > 6HBr(g) Fe304(S) 3Febr2(S) 4H2O(g)
)
S)
Tabel 2. Equations of mass and heat balances
Gas: mass balance
de. e-I dS
= __dO.I _ dz
(1)
(2) Pel1et: Homogeneous
reaction model mass balance f.
=!n 6
I
D3KCNCm p
I
S.l
I
(3)
heat balance
(4) Boundary conditions:
= 1, for z = 0 andS = 0 tg = 1, C; = 1 for z = O(S)0) ts = 1, Cj = 0,0; = OforS = O(z)O) ts
(5) (6) (7)
65]
,
(.~)
, I
I
CoSrl
-CoO.
• H~O 2 H8r
3 Fe8,z
-Fe,O ••
• 4 HzO 6H9,
• HZ
II)
" ,"
,
- CoO.
3 Fe9,}
HZO HO,
(r,\
\ ,, , ,,,
2 '10,
• 4 H20
-re,O ••
GH8r .Hl
,,, ,,, ,, ,,,, ,,, ReaClor (:3)
L C;:IO •. 8r2
-C09'2
~ Cc::J • 8'2
• 1/2 O2
-(::;'("1
F~~O< •
...;/2
O2
Gambar 1. (a) Oldjlow sheet (b) New jlow sheet of the UT-3 process.
-
:!. ~ C
e H;], Sf
2
•.•.•
~":: .•'
7 1. HBr solution
2. H20 3 Evaporater 4. Quarz reactor 5. Furnace 6. Condensore 7. Absorber
8. CaCb column 9. Deoxygen coulmn 10. Stop valve 11. Pressure regulator 12. Pressure gauge 13. Flow meter 14. Mass flow valve
Gambar 2. Experimental apparatus (FL\:ed-bed reactor)
653
2J.01
I
T =493( K) sv = 535 (I h-l) L = 0.05 (m) Op = 3.68 x 10-3(m)
0.074
15.01'-xHe..=
kp = I 50 x 10-3(m3 mol s-i)
o x
ks
=
8.50 x 10-6(m4 mol S-I)
O(
=
8 00 x 10-o(m2
$-1)
10.0'-
c:
Key
30 20 10 Count
•:.0
- - -Colculated
L._..-"f
0
/' ~//
i:>.
1
40 3.() 20 10 60 I50 1
result 0/ •
/
Time (min)
Gam bar 3 Time history of production of Br2-
654
,
--
,
30 C 100Experimental 25 15 XH5( i. \ =SV -( 1.0. ~<\(m) 000.074 = Count 535 /1"1)'\ "-D"Op x 10\ L= 0.05 data 20(m)(I3""T=493(K) Key '\.\- ~ ~ "'\ =3.68 '\. \,0 \ ~ 0~\
,
<:.J
\
"-
a-v-~
---
o
kp=
Colculated resu_li: l50xIO-.3 (rn3mol s-i)
ks
=
8.50
x IC -'~(In':;;nol
De
=
8.00
X
I
10
10'-O(rn2 I
20
•
"e
5-1)
S-I)
l.
30
.L 40
1
50
60
Time (min)
Gambar 4 Time history of conversion of reaction HBr.
655
1.0
L·0.3(m) 0
...
U-'E1IE N 0.5
1<" •
1.50 )( 10·.3(rn3 mol S·I) 850 x 10-6(m<1rnol s·')
h,· 0 •• 8.00
x
10·e ( rn 2
s -I)
cD
cD
'"
/""\ I
I
I
;';'
H8r
o
IRO
Time (min) Gambar 5. Time histories of the concentration of produced Br2
1.0
(I, ) Y"u,· 0.07~
<:;
J
X
U=OI(ms·')
C
o
0.5
V>
'(1)
>
oc U
o
0.2
03
Length (m) Gambar 6. Distribution curves of the conversion of HBr in the fixed bed reactor
656
04
