pemodelan reaktor terstruktur gauze untuk …repository.unugha.ac.id/162/1/document.pdf · program...

PEMODELAN REAKTOR TERSTRUKTUR GAUZE UNTUK

PRODUKSI NANOKARBON DAN HIDROGEN MELALUI

REAKSI DEKOMPOSISI KATALITIK METANA

MENGGUNAKAN

HERRY

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA




MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

SKRIPSI

HERRY PRASETYO ANGGORO

0606076444

UNIVERSITAS INDONESIA

FAKULTAS TEKNIK


DEPOK

JULI 2010




COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

Pemodelan reaktor..., Herry Prasetyo Anggoro, FT UI, 2010




MENGGUNAKAN

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana.

HERRY





MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

SKRIPSI


HERRY PRASETYO ANGGORO

0606076444

UNIVERSITAS INDONESIA

FAKULTAS TEKNIK


DEPOK

JULI 2010




COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS



ii

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri,

dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk

telah saya nyatakan dengan benar.

Nama : Herry Prasetyo Anggoro

NPM : 0606076444

Tanda Tangan :

Tanggal : 13 Juli 2010


iii

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh :


NPM : 0606076444

Program Studi : Teknik Kimia

Judul Skripsi : Pemodelan Reaktor Terstruktur Gauze untuk Produksi

Nanokarbon dan Hidrogen Melalui Reaksi

Dekomposisi Katalitik Metana Menggunakan

Computational Fluid Dynamics

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima

sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar

Sarjana pada Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas

Indonesia.

DEWAN PENGUJI

Pembimbing 1 : Dr. rer. nat. Ir. Yuswan Muharam, MT ( )

Pembimbing 2 : Prof. Dr. Ir. Widodo Wahyu Purwanto, DEA ( )

Penguji : Dr. Ir. Asep Handaya Saputra, M. Eng ( )

Penguji : Ir. Dijan Supramono, M. Sc ( )

Ditetapkan di : Depok

Tanggal : 2 Juli 2010


iv

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur saya panjatkan kepada Allah SWT atas berkat,

rahmat, penyertaan, dan bimbingan-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan

skripsi ini tepat pada waktunya. Skripsi dengan judul “Pemodelan Reaktor

Terstruktur Gauze untuk Produksi Nanokarbon dan Hidrogen Melalui

Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana Menggunakan Computational Fluid

Dynamics” ini disusun sebagai salah satu persyaratan akademis untuk meraih

gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Kimia FTUI.

Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang

sebesar-besarnya kepada Dr. rer. nat. Ir. Yuswan Muharam, MT dan Prof. Dr. Ir.

Widodo W. Purwanto, DEA, selaku dosen pembimbing, yang selalu sabar dan

bersedia meluangkan waktu, tenaga, dan pikiran dalam membimbing dan

mengarahkan selama proses penyusunan skripsi ini. Pada kesempatan ini, penulis

juga ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1. Prof. Dr. Ir. Widodo W. Purwanto, DEA, selaku Ketua Departemen Teknik

Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

2. Dr. Ir. Asep Handaya Saputra, MT selaku penguji.

3. Ir. Yuliusman M.Eng., selaku kordinator mata kuliah skripsi.

4. Pembimbing Akademis, Ir. Dijan Supramono, M. Sc dan seluruh staff

pengajar yang telah bersedia membimbing dan memberikan ilmu yang sangat

berguna bagi penulis.

5. Bu Wulan atas diskusi-diskusi dan bimbingannya selama mengerjakan skripsi

ini.

6. Mang Ijal, Mbak Tiwi, Mas Sriyono, dan semua karyawan DTK yang selalu

membantu dalam penyelesaian penelitian dan penyusunan skripsi ini.

5. Ibu dan Ayah yang selalu mendampingi, memberikan nasihat, dan membantu,

baik secara moril maupun materiil.

6. Diandra Novita yang selalu memberikan semangat dan membantu dalam

melakukan penyusunan skripsi ini.


v

7. Partner penelitian saya, Peter Firstian, serta teman-teman Teknik Kimia UI

angkatan 2006 yang selalu memberi semangat, mendukung, dan menghibur

pada masa-masa sulit.

8. Semua pihak yang telah membantu, baik secara langsung maupun tidak

langsung, yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Terima kasih atas segala

bantuan, pengorbanan, dan usaha yang telah diberikan.

Penulis berharap tulisan ini dapat bermanfaat bagi setiap orang yang

membacanya. Disadari masih banyak terdapat kekurangan dalam penulisan skripsi

ini. Oleh karena itu, saran dan kritik sangat penulis harapkan agar perbaikan dapat

terus dilakukan untuk mencapai hasil yang lebih baik lagi.

Depok, 13 Juli 2010

Penulis


vi

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di

bawah ini:


NPM : 06060676444


Departemen : Teknik Kimia

Fakultas : Teknik

Jenis karya : Skripsi

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada

Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty-

Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul :

Pemodelan Reaktor Terstruktur Gauze untuk Produksi Nanokarbon dan Hidrogen

Melalui Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana Menggunakan Computational

Fluid Dynamics beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas

Royalti Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan,

mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database),

merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama

saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Depok

Pada tanggal : 13 Juli 2010

Yang menyatakan

( Herry Prasetyo Anggoro )


vii Universitas Indonesia

ABSTRAK



Judul : Pemodelan Reaktor Terstruktur Gauze untuk Produksi

Nanokarbon dan Hidrogen Melalui Reaksi Dekomposisi

Katalitik Metana Menggunakan Computational Fluid Dynamics

Reaktor terstruktur gauze digunakan sebagai solusi dari masalah yang ditemukan

pada penggunaan reaktor fixed bed untuk reaksi dekomposisi katalitik metana.

Reaktor terstruktur gauze memiliki beberapa kelebihan, yaitu memiliki pressure

drop yang rendah dan konversi lebih tinggi. Pada penelitian ini, dilakukan

pemodelan dan simulasi reaktor terstruktur gauze menggunakan Computational

Fluid Dynamics yang mengacu pada kinetika Snoeck, 1997. Pemodelan hanya

mempertimbangkan neraca massa dan momentum, di mana reaktor diasumsikan

bersifat isotermal. Simulasi dilakukan dengan mengubah-ubah variabel proses

seperti temperatur reaktor, komposisi masukkan, tekanan masukkan, dan

kecepatan masuk. Melalui simulasi variasi proses, dapat diketahui pengaruh

perubahan kondisi operasi terhadap kinerja reaktor, seperti pada kenaikan

temperatur akan menyebabkan konversi reaktor semakin meningkat.

Kata kunci:

Reaktor terstruktur gauze, pemodelan, simulasi, CFD

ABSTRACT

Name : Herry Prasetyo Anggoro

Study Program : Chemical Engineering

Title : Modeling Gauze Structured Reactor for the Production of

Hydrogen and Nanocarbon Through Catalytic Decomposition of

Methane Reaction Using Computational Fluid Dynamics

Gauze structured reactors are used as the solution of problems found in the use of

fixed bed reactor for reaction of catalytic decompotition methane. Gauze

structured reactor has several advantages, having a low pressure drop and higher

conversion. In this study, the modeling and simulation of structured gauze reactor

using Computational Fluid Dynamics refers to the kinetic Snoeck, 1997.

Modelling only consider the mass balance and momentum, where the reactor is

assumed to be isothermal. Simulations carried out by varying process variables

such as reactor temperature, inlet composition, inlet pressure and inlet velocity.

Through the simulation process variations, we can know the effect of changing

operating conditions on reactor performance, such as the rise in temperature will

cause the reactor conversion increases.

Key words:

Gauze structured reactors, modelling, simulation, CFD


viii Universitas Indonesia

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................................ i

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS.................................................... ii

HALAMAN PENGESAHAN................................................................................ iii

KATA PENGANTAR ........................................................................................... iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ............................. vi

ABSTRAK ............................................................................................................ vii

DAFTAR ISI ........................................................................................................ viii

DAFTAR GAMBAR ...............................................................................................x

DAFTAR TABEL .................................................................................................. xi

BAB 1 PENDAHULUAN .......................................................................................1

1.1 Latar Belakang Masalah ........................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah .................................................................................... 3

1.3 Tujuan Penelitian ...................................................................................... 3

1.4 Batasan Masalah ....................................................................................... 4

1.5 Sistematika Penulisan ............................................................................... 4

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ..............................................................................6

2.1 Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana ..................................................... 6

2.2 Reaktor Gauze Untuk Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana ................. 7

2.3 Kondisi Operasi Dekomposisi Katalitik Metana ...................................... 9

2.4 Katalis Terstruktur .................................................................................. 10

2.5 Peristiwa Perpindahan dan Reaksi yang Terjadi di sepanjang Reaktor

(Nauman, 2001)................................................................................................. 11

2.6 Neraca Massa, Energi, dan Momentum (Bird, 2003) ............................. 13

2.6.1 Neraca Massa .................................................................................. 13

2.6.2 Neraca Energi Panas ....................................................................... 14

2.6.3 Neraca Momentum .......................................................................... 16

2.6.4 Computational Fluid Dynamics (Coker, 2001) ............................... 17

BAB 3 METODE PENELITIAN ..........................................................................20

3.1 Diagram Alir Prosedur Penelitian .......................................................... 20

3.2 Prosedur Penelitian ................................................................................. 21

3.2.1 Studi Literatur ................................................................................. 21

3.2.2 Melakukan Penentuan Batasan pada Model ................................... 21


ix Universitas Indonesia

3.2.3 Pembuatan Geometri ....................................................................... 21

3.2.4 Penyusunan Model .......................................................................... 22

3.2.5 Pengecekan Model .......................................................................... 22

3.2.6 Pengecekan Geometri...................................................................... 22

3.2.7 Simulasi ........................................................................................... 23

3.2.8 Analisis Hasil Simulasi ................................................................... 23

BAB 4 PEMODELAN DAN SIMULASI REAKTOR GAUZE ...........................24

4.1 Pemodelan Reaktor Gauze ..................................................................... 24

4.1.1 Skala Reaktor .................................................................................. 25

4.1.2 Lapisan Batas (Perpindahan Antar Fasa) ........................................ 26

4.1.3 Skala Partikel Katalis ...................................................................... 27

4.2 Kondisi Batas ......................................................................................... 29

4.2.1 Kondisi Batas Reaktor..................................................................... 29

4.3 Simulasi Reaktor Gauze dengan Menggunakan Computational Fluid

Dynamics ........................................................................................................... 30

4.3.1 Pemodelan Reaktor ......................................................................... 31

BAB 5 ANALISIS HASIL SIMULASI.................................................................49

5.1 Analisis Hasil Simulasi Reaktor Gauze .................................................. 49

5.2 Pengaruh Perubahan Variabel Proses ..................................................... 60

5.2.1 Pengaruh Tekanan Terhadap Konversi CH4 ................................... 61

5.2.2 Pengaruh Temperatur Terhadap Konversi CH4 .............................. 63

5.2.3 Pengaruh Kecepatan Terhadap Konversi CH4 ................................ 64

5.2.4 Pengaruh Komposisi Masukan Terhadap Konversi ........................ 65

BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................67

6.1 Kesimpulan ............................................................................................. 67

6.2 Saran ....................................................................................................... 68

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................69

LAMPIRAN ...........................................................................................................71


x Universitas Indonesia

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1 (a) Substrat anyaman kawat (gauze) baja sebelum (b) setelah

dibentuk (c) Reaktor katalis terstruktur sebelum reaksi (d) dan (e) setelah reaksi

(f) hasil nanotube karbon ........................................................................................ 7

Gambar 2. 2 Tampak depan dan tampak samping reaktor gauze (Yulianti, 2008) . 9

Gambar 2. 3 Beberapa contoh katalis terstruktur: (a) Katalis monolitik, (Heibel,

2001) (b) Katalis dengan paten KATAPAK ........................................................ 11

Gambar 2. 4 Ilustrasi pori-pori katalis dan tahanan film di partikel katalis

(Nauman, 2001)..................................................................................................... 12

Gambar 3. 1 Diagram penelitian ........................................................................... 20

Gambar 4. 1 Tampilan awal COMSOL ................................................................ 32

Gambar 4. 2 Tampilan multiphysics di dalam COMSOL..................................... 33

Gambar 4. 3 Tampak penampang reaktor gauze ................................................... 34

Gambar 4. 4 Silinder katalis .................................................................................. 35

Gambar 4. 5 Persilangan katalis ............................................................................ 36

Gambar 4. 6 a. Model persilangan katalis; b. Penampang persilangan katalis ..... 37

Gambar 4. 7 Subdomain setting pada modul convection and diffusion ................ 39

Gambar 4. 8 Boundary Settings pada Convection and Conduction ...................... 43

Gambar 4. 9 Boundary settings pada incompressible navier stokes ..................... 45

Gambar 4. 10 Profil CH4 di sepanjang reaktor ..................................................... 48

Gambar 5. 1 Profil konsentrasi metana di sepanjang reaktor................................ 52

Gambar 5. 2 Konsentrasi hidrogen di sepanjang reaktor ...................................... 53

Gambar 5. 3 Konsumsi metana di sepanjang reaktor ............................................ 54

Gambar 5. 4 Produksi hidrogen di sepanjang reaktor ........................................... 54

Gambar 5. 5 Profil kecepatan di potongan pertama reaktor.................................. 56

Gambar 5. 6 Profil kecepatan rata-rata arah y di sepanjang reaktor ..................... 57

Gambar 5. 7 Profil kecepatan di sepanjang reaktor pada titik x ........................... 58

Gambar 5. 8 Profil aliran Fluida di sepanjang bagian reaktor potongan pertama. 58

Gambar 5. 9 Bilangan Reynold di sepanjang bagian reaktor potongan pertama .. 59

Gambar 5. 10 Profil kecepatan di sekitar dinding katalis ..................................... 60

Gambar 5. 11 Profil konsentrasi CH4 dengan tekanan 1 atm (��), 5 atm (��), dan 10

atm (��) terhadap panjang reaktor, L .................................................................... 61

Gambar 5. 12 Hubungan antara laju reaksi terhadap tekanan parsial (Snoeck,

1997) ..................................................................................................................... 62

Gambar 5. 13 Profil konsentrasi CH4 dengan temperatur 923 K (��), 973 K (��),

dan 1023 K (��) terhadap panjang reaktor, L ........................................................ 63

Gambar 5. 14 Profil konsentrasi CH4 dengan kecepatan masuk 1e-3 m/s (��),

7.734e-3 m/s (��), dan 15e-3 m/s (��) terhadap panjang reaktor, L ....................... 65

Gambar 5. 15 Profil konsentrasi metana dengan komposisi masukan CH4=0.9

H2=0.1 (��), CH4=0.5 H2=0.5 (��), dan CH4=1 H2=0 (��) terhadap panjang reaktor,

L ............................................................................................................................ 66


xi Universitas Indonesia

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1 Rangkuman hasil penggunaan reaktor ................................................... 8

Tabel 4. 1 Kondisi batas yang digunakan pada multiphysic convection and

diffusion ................................................................................................................. 41

Tabel 4. 2 Kondisi batas yang digunakan pada multiphysic incompressible navier

stokes ..................................................................................................................... 43

Tabel 4. 3 Variabel-variabel konstanta ................................................................. 46

Tabel 4. 4 Variabel-variabel persamaan di dalam scalar expressions ................... 47

Tabel 5. 1 Hasil simulasi reaktor gauze ................................................................ 50


1 Universitas Indonesia

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Pada bidang teknologi, penelititan tentang nanoteknologi menjadi sorotan

karena peningkatan kemampuan fisikal dan kemampuan modifikasi dari material

nano. Nanokarbon, khususnya yang berbentuk tabung (tube) adalah contoh

nanopartikulat material paling terkenal untuk mewujudkan nanoteknologi karena

memiliki karakteristik yang luar biasa sebagai material sehingga menjanjikan

pemanfaatan yang luas. Produksi nanokarbon secara komersial umumnya

menggunakan proses arch-discharge penguapan graphite dan dekomposisi plasma

yang menghasilkan karbon berbentuk amorph. Namun, proses tersebut

membutuhkan energi yang sangat besar dan memerlukan pemurnian produk

sehingga biaya produksinya sangat mahal dan sulit di scale-up (Li, 2000).

Pada bidang lingkungan, pemanasan global menjadi permasalahan yang

mendapat sorotan. Konsumsi energi besar-besaran, terutama yang berasal dari

fosil adalah salah satu sumber timbulnya gas rumah kaca penyebab pemanasan

global. Hidrogen merupakan salah satu alternatif sumber energi yang dapat

menghasilkan energi yang besar dan efisien serta ramah lingkungan. Penggunaan

hidrogen dilakukan melalui aplikasi H2-O2 fuel cell yang menuntut tingkat

kemurnian hidrogen sangat tinggi dari senyawa CO karena bersifat meracuni

anode-elektrokatalis pada fuel cell tesebut. Proses produksi hidrogen yang banyak

digunakan saat ini adalah reformasi kukus metana: (CH4 + H2O � CO + 3 H2,

∆H298K = +206 kJ/mol). Proses ini menghasilkan senyawa CO melebihi toleransi

yang diperkenankan untuk aplikasi fuel cell (10-20 ppm), sehingga membutuhkan

unit tambahan untuk proses pemurnian yang terbilang cukup kompleks dan tidak

ekonomis.

Dekomposisi katalitik metana telah terbukti sebagai salah satu alternatif

untuk memproduksi hidrogen dan nanokarbon bermutu tinggi secara ekonomis

dan simultan dengan reaksi sebagai berikut:

CH4 � C + 2H2 ∆H298= + 75 kJ/mol (1.1)


2

Universitas Indonesia

Pada reaksi ini, hidrogen yang dihasilkan bebas kontaminan CO dan berlangsung

pada temperatur yang lebih rendah sehingga proses pemurnian CO tidak

diperlukan dan kebutuhan energi lebih sedikit dibandingkan proses steam

reforming (Li, 2000, Ermakova, 2000). Produk lain yang berupa produk

nanokarbon juga sekaligus dapat dihasilkan melalui reaksi ini. Dengan demikian,

dekomposisi katalitik metana menjadi solusi menarik untuk menjawab kedua

permasalahan yang telah dipaparkan sebelumnya.

Pengembangan reaktor dekomposisi katalitik metana merupakan salah satu

opsi selain pengembangan katalis. Beberapa penelitian telah dilakukan dalam

merancang reaktor untuk produksi skala besar dengan menggunakan jenis reaktor

fixed bed, spouted bed atau fluidized bed, diantaranya adalah Muradov, 2000;

Wang, 2002 , Weizhong, 2004; dan Morancais, 2007. Penggunaan reaktor jenis

fixed bed (unggun diam) untuk reaksi dekomposisi metana akan mengalami

penyumbatan dikarenakan deposisi karbon pada katalis yang menyebabkan

kenaikan pressure drop (Purwanto, 2005). Muradov, 2001 menggunakan spouted

bed reactor, dimana metana dialirkan dari dasar reaktor dengan kecepatan tinggi

sehingga menimbulkan spouting zone di tengah reaktor. Proses ini dapat

dilakukan dengan menetapkan kecepatan superfisial gas 2 cm/s dan rasio tinggi

reaktor terhadap diameternya 5 sampai 6 yang menghasilkan pencampuran katalis

tidak homogen sehingga konversi metana yang dihasilkan sangat kecil, 7%.

Reaktor jenis lainnya yaitu fluidized bed telah diteliti oleh Muradov, 2001, Wang,

2002, Weizhong, 2004 dan Morancais, 2007. Dari beberapa penelitian ini, reaktor

fluidized bed memberikan konversi metana yang rendah pula < 40% karena waktu

tinggal raektan yang singkat sehingga tidak mendapatkan hidrogen murni,

disamping itu sulit mengontrol laju alir umpan dikarenakan perubahan ukuran

partikel katalis selama reaksi dan terjadi aglomerasi dan sticking dari partikel-

partikel nano karbon.

Perkembangan teknologi berbantuan komputer telah demikian pesat.

Dalam ilmu kimia, khususnya teknik kimia, penggunaannya telah meluas mulai

dari hal-hal yang sederhana hingga hal-hal yang cukup kompleks misalnya

pemodelan dari suatu alat atau sistem seperti reaktor.


3


Reaktor adalah bagian yang sangat vital dalam proses kimia. Hal ini

disebabkan karena reaktor merupakan alat di mana proses reaksi kimia untuk

membuat suatu produk berlangsung. Oleh karena itu perancangan suatu reaktor

yang sesuai dengan proses yang akan terjadi sangat penting dan memerlukan

perhatian yang besar, sehingga menghasilkan konfigurasi yang maksimum.

Dalam penelitian ini, akan dilakukan pemodelan reaktor dengan katalis

terstruktur berbentuk wire gauze. Hal ini dikarenakan dalam melakukan

perancangan reaktor perlu dilakukan prediksi dan estimasi untuk mengetahui

berbagai parameter yang terlibat di dalam sistem sehingga kita dapat

mempersiapkan atau merekayasa sistem pada kondisi yang seefisien mungkin.

Untuk keperluan perancangan ini, dibutuhkan sebuah model serta simulasi

komputer yang dapat mewakili karakteristik reaktor dengan katalis terstruktur

berbentuk wire gauze tersebut.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan di atas, maka rumusan

masalah dari penelitian ini adalah bagaimana melakukan pemodelan reaktor gauze

untuk produksi nanokarbon melalui reaksi dekomposisi katalitik metana yang

kemudian dibuat simulasi berbantuan komputer agar dapat diketahui interaksi dari

berbagai parameter yang berpengaruh terhadap kinerja sistem. Simulasi dilakukan

dengan menggunakan metode finite elemen yang dibantu dengan software

COMSOL.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Mendapatkan informasi hidrodinamika, pola aliran, dan juga peristiwa

perpindahan yang terjadi di dalam reaktor.

2. Membuat model matematis yang dapat mewakili reaktor gauze

dengan memperhitungkan kinetika, perpindahan massa dan perubahan

momentum ke arah memanjang reaktor maupun ke arah penampang

reaktor pada skala reaktor dan skala partikel katalis.


4


3. Mensimulasikan model yang dibuat untuk mengetahui pengaruh

kondisi operasi terhadap kinerja reaktor.

1.4 Batasan Masalah

Batasan pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Reaktor yang digunakan adalah reaktor berbentuk tubular.

2. Katalis yang digunakan berbentuk silinder.

3. Sistem yang digunakan steady-state.

4. Aliran di dalam reaktor bergerak pada arah x, y, dan z.

5. Tekanan tidak berubah secara signifikan di sepanjang reaktor.

6. Sistem isotermal karena perubahan temperatur tidak begitu signifikan.

7. Konstanta difusi ke arah x, y, dan z besarnya sama.

8. Sistem ditinjau menjadi dua bagian, yaitu skala reaktor dan skala partikel

katalis.

9. Reaksi hanya terjadi di permukaan eksternal katalis (padat).

10. Data kinetika intrinsik didapatkan dari penelitian yang dilakukan oleh

Snoeck, 1997.

11. Metode numerik yang digunakan adalah metode finite elemen yang

dibantu dengan software COMSOL.

12. Reaktor dibagi-bagi menjadi unit geometri keci atau persilangan katalis

yang dianggap sama untuk setiap persilangan katalis.

13. Kinerja reaktor yang dievaluasi adalah profil konsentrasi metana dan

hidrogen, temperatur, kecepatan, dan tekanan.

1.5 Sistematika Penulisan

BAB 1 Pendahuluan

Berisi latar belakang, rumusan masalah, tujuan penulisan,

batasan masalah, dan sistematika penulisan.

BAB 2 Tinjauan Pustaka

Berisi tinjauan literatur mengenai reaksi dekomposisi metana,

reaktor gauze untuk reaksi dekomposisi metana, kondisi


5


operasi dekomposisi metana, katalis terstruktur, peristiwa

perpindahan, dan reaksi yang terjadi di sepanjang reaktor

BAB 3 Metode Penelitian

Berisi diagram alir penelitian, prosedur penelitian yang di

dalamnya menjelaskan mengenai langkah-langkah yang

dilakukan untuk mencapai tujuan penelitian.

BAB 4 Pemodelan dan Simulasi Reaktor Gauze

Berisi mengenai pemodelan dan simulasi reaktor yang di

dalamnya menjelaskan mengenai langkah-langkah

pembuatan model matematis dan simulasi reaktor dengan

menggunakan COMSOL Multiphysics.

BAB 5 Analisis Hasil Simulasi

Berisi tentang analisis dari hasil simulasi. Simulasi dilakukan

dengan mengubah-ubah tekanan masuk, temperatur reaktor,

komposisi masukkan, dan kecepatan masuk.

BAB 6 Kesimpulan dan Saran

Berisi tentang kesimpulan dari penelitian mengenai pengaruh

perubahan variabel operasi terhadap konversi reaktor dan

saran untuk menghasilkan hasil simulasi yang lebih baik dan

lebih representatif terhadap reaktor yang sebenarnya.



BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana

Dekomposisi didefinisikan sebagai salah satu dari reaksi kimia yang

menguraikan atau memutuskan ikatan rantai suatu senyawa menjadi unsur-unsur

atau senyawa yang lebih sederhana (Muradov, 2001). Dekomposisi metana atau

yang dikenal dengan methane decomposition reaction (MDR) memutuskan

ikatan H-C dari metana menjadi komponen yang lebih sederhana yaitu hidrogen

dan karbon. Reaksinya (Muradov, 2001):

CH4 � C + 2H2, kJ/mol75298 +=∆H (2.1)

Nilai ∆Hro

yang positif membuktikan bahwa reaksi tersebut bersifat

endotermis. Pada reaksi yang endotermis, konversi akan meningkat seiring dengan

meningkatnya suhu reaksi sehingga reaksi ini harus dilakukan pada suhu yang

tinggi. Oleh karena itu, untuk memperoleh temperatur reaksi yang tidak terlalu

tinggi perlu ditambahkan katalis yang dapat menurunkan energi aktivasi. Dengan

turunnya energi aktivasi, energi yang dibutuhkan oleh reaksi akan berkurang

sehingga temperaturnya akan menurun.

Proses ini menghasilkan dua produk yang memiliki nilai tinggi yaitu gas

hidrogen free CO-CO2 dan material karbon dengan berbagai jenis yang berbeda.

Methane decomposition reaction pertama kali dikembangkan dengan tujuan

mendapatkan gas H2 murni dan memiliki konsentrasi yang besar. Namun setelah

diketahui produk samping dari reaksi ini adalah material nano, maka

perkembangan tentang dekomposisi metana pun semakin pesat.

Reaksi perengkahan metana (methane cracking) dapat dibedakan menjadi

dua, yaitu perengkahan metana secara langsung (direct methane cracking) dan

perengkahan metana secara tidak langsung (indirect methane cracking). Reaksi

dekomposisi metana tergolong dalam reaksi perengkahan metana secara langsung.


2.2 Reaktor Gauze

Dari beberapa penelit

Muradov dan Qian Weizhon

rendah karena waktu tinggal r

hidrogen murni, disamping itu

perubahan ukuran partikel katalis selama reaksi dan terjadi aglomerasi dan

sticking dari partikel

permasalan jenis reaktor diatas, Muharam dan Purwanto, 2007 telah menginisiasi

riset menggunakan reaktor katalitik terstruktur skala kecil

untuk reaksi dekomposisi

(Muharam & Purwanto, 2007)

(c) (d)

Gambar 2. 1 (a) Substrat anyaman kawat (gauze) baja sebelum (b) setelah dibentuk

katalis terstruktur sebelum reaksi


Gauze Untuk Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana

Dari beberapa penelitian perancangan reaktor yang dilakukan

Muradov dan Qian Weizhong, 2001, konversi metana yang dihasilkan masih

rendah karena waktu tinggal reaktan yang singkat sehingga tidak mendapatkan

rni, disamping itu sulit untuk mengontrol laju alir umpan dikarenakan


dari partikel-partikel nano karbon. Dalam rangka mencari solusi


riset menggunakan reaktor katalitik terstruktur skala kecil atau reaktor gauze

untuk reaksi dekomposisi katalitik metana, seperti terlihat pada

(Muharam & Purwanto, 2007).

(a)

(e) (f)

(a) Substrat anyaman kawat (gauze) baja sebelum (b) setelah dibentuk

katalis terstruktur sebelum reaksi (d) dan (e) setelah reaksi (f) hasil nanotube

7


Metana

yang dilakukan Nazim

konversi metana yang dihasilkan masih

ktan yang singkat sehingga tidak mendapatkan

trol laju alir umpan dikarenakan


partikel nano karbon. Dalam rangka mencari solusi


atau reaktor gauze

rti terlihat pada Gambar 2.1

(b)

(a) Substrat anyaman kawat (gauze) baja sebelum (b) setelah dibentuk (c) Reaktor

nanotube karbon


8


Hasil penelitian menunjukkan bahwa katalis Ni-Cu-Al mampu bertahan

sampai 1400 menit (24 jam) dengan penurunan laju alir yang relatif kecil sekitar

10% sehingga dapat disimpulkan reaktor gauze dapat mengatasi permasalahan

penyumbatan (pressure drop) pada reaktor unggun diam dan ketinggian wire

mesh (gauze) dan laju alir umpan dapat diatur dengan mudah tanpa mempengaruhi

hidrodinamika sehingga dapat menambah waktu tinggal reaktan yang pada

akhirnya meningkatkan konversi. Disamping itu kualitas nanotube yang

dihasilkan cukup baik dengan diameter 30-50 nm dan ketebalan dinding 10-20 nm

dan kemurnian hidrogen mencapai 99%. Dikarenakan voidage yang besar

kelemahan reaktor jenis ini loading katalis per satuan volume kecil namun dengan

hidrodinamika fluida yang tidak terlalu kompleks akan memudahkan dalam

scaling up ke skala industri.

Tabel 2. 1 Rangkuman hasil penggunaan reaktor

Peneliti Tahun Jenis

Reaktor

Konversi Pressure

drop

Lifetime

katalis

Aglomerasi

&

penyumbatan

Muradov 2000 Spouted

bed

7% Rendah - Tidak

2001 Fluidized

bed

20% Rendah - Tidak

Qian, dkk 2003 2-stage

fluidized

bed

20-40% Rendah ~ 17 jam Tidak

Siang-

Pao, dkk 2006 Fixed bed 47% Tinggi ~ 1 jam Ya

Muharam

dan

Purwanto

2007 Reaktor

katalis

terstruktur

59,57% Rendah ~ 24 jam Ya setelah

waktu yang

lama


9


Gambar 2. 2 Tampak depan dan tampak samping reaktor gauze (Yulianti, 2008)

2.3 Kondisi Operasi Dekomposisi Katalitik Metana

Selain aspek katalis, yang mempengaruhi produk akhir dari reaksi

dekomposisi metana adalah kondisi operasi pada saat uji kinerja katalis dilakukan.

1. Temperatur Operasi

Reaksi dekomposisi katalitik metana terjadi pada suhu yang tinggi.

Temperatur terbukti mempengaruhi hasil reaksi baik kualitas maupun

kuantitas nanokarbonnya. Semakin tinggi temperatur maka metana akan

semakin cepat terdekomposisi, tetapi pada suhu yang tinggi katalis juga

lebih mudah mengalami sintering dan semakin banyak karbon yang

terbentuk maka deaktivasi katalis juga semakin cepat terjadi. Walaupun

masa aktif dari katalis berkurang secara signifikan, secara garis besar

jumlah karbon yang terbentuk menjadi lebih banyak.

Hasil uji produk membuktikan bahwa karbon jenis nanotube hanya

akan terbentuk pada temperatur lebih tinggi daripada temperatur

terbentuknya karbon nanofiber pada umumnya. Selain itu, karbon yang

terbentuk pada temperatur yang lebih tinggi akan mempunyai bentuk yang

lebih teratur dengan ketebalan yang seragam (Siregar, 2005).

Penambahan temperatur juga akan menyebabkan diameter dan

ketebalan dinding dari nanotube yang telah terbentuk semakin mengecil

(Grujicic, 2002), sedangkan yang diharapkan adalah nanotube karbon


10


dengan dinding yang tebal. Semua hal ini membuat tidak ada temperatur

tertentu yang mutlak untuk reaksi ini. Temperatur optimal untuk reaksi

dekomposisi metana agar terbentuk produk karbon nanotube yang

diharapkan berada pada temperatur antara 650-750oC.

2. Tekanan Operasi

Tekanan operasi untuk reaksi ini adalah tekanan rendah atau

tekanan atmosferik.

2.4 Katalis Terstruktur

Katalis terstruktur adalah katalis yang dibentuk dengan struktur tertentu

sebagai alternatif pengganti katalis bentuk konvensional yang masih mempunyai

kekurangan dalam aplikasinya. Susunan, bentuk, dan ukuran katalis terstruktur

menentukan dinamika aliran dan pressure drop. Secara umum kriteria yang harus

dipenuhi dalam merancang struktur katalis adalah sebagai berikut (Trubac, 2001):

1. luas permukaan yang besar agar kontak interfacial menjadi tinggi

2. struktur yang “terbuka” agar hambatan terhadap aliran fluida menjadi kecil

3. memungkinkan aliran gas yang seragam pada cross-section kolom

Penggunaan katalis terstruktur mempunyai keunggulan dibanding dengan

katalis bentuk konvensional seperti bubuk, antara lain:

1. pressure drop yang rendah

2. luas permukaan spesifik yang tinggi

3. distribusi katalis yang teratur

Ada beberapa jenis katalis terstruktur yang umum digunakan:

1. Katalis Monolitik

Katalis ini mempunyai struktur yang mempunyai kesatuan yang seragam,

dengan saluran-saluran sempit-sempit yang teratur baik paralel maupun

zig-zag. Katalis ini memungkinkan untuk mengontrol selektivitas dari

reaksi yang kompleks, mempunyai hambatan difusi internal yang kecil,

pressure drop yang lebih kecil 2-3 kali dari reaktor fixed bed, dan aliran

yang seragam. Unsur yang aktif secara katalitik terdispersi di seluruh

struktur monolitik. Nama yang umum dipakai untuk model ini adalah


11


(a)

(b)

struktur sarang tawon (honeycomb). Katalis ini sering diaplikasikan

sebagai katalitik konverter pada kendaraan bermotor.

2. Katalis Membran

Katalis jenis ini tidak hanya mempunyai interaksi terhadap dinding akan

tetapi juga perpindahan massa melewati dinding yang permeable (difusi)

yang memiliki pori-pori kecil.

3. Arranged Katalis

Katalis terstruktur yang memberikan perpindahan massa yang relatif

cepat melalui zona reaksi yang tegak lurus terhadap aliran dan biasanya

untuk reaksi katalitik dua fasa.

Gambar 2. 3 Beberapa contoh katalis terstruktur: (a) Katalis monolitik, (Heibel, 2001) (b) Katalis

dengan paten KATAPAK

2.5 Peristiwa Perpindahan dan Reaksi yang Terjadi di sepanjang Reaktor

(Nauman, 2001)

Molekul reaktan memasuki reaktor dengan konsentrasi seragam ain dan

meninggalkan reaktor dengan konsentrasi aout. Di antara masuk dan keluarnya

molekul reaktan tersebut mengalami peristiwa-peristiwa sebagai berikut :


12


1. Peristiwa perpindahan reaktan di fasa bulk (gas) sampai ke sekitar partikel

katalis.

2. Peristiwa perpindahan melewati tahanan film dari fasa bulk (gas) ke

permukaan eksternal katalis.

3. Peristiwa perpindahan reaktan ke dalam partikel katalis melalui difusi

melewati pori-pori katalis.

4. Adsorpsi molekul reaktan di atas permukaan internal katalis.

5. Reaksi antar komponen teradsorpsi di atas permukaan katalis.

6. Desorpsi molekul produk dari permukaan ke pori-pori katalis.

7. Difusi molekul produk keluar dari pori-pori katalis ke permukaan eksternal

katalis.

8. Peristiwa perpindahan produk melewati tahanan film menuju ke fasa bulk

(gas).

9. Peristiwa perpindahan produk di fasa bulk (gas) sampai ke outlet reaktor.

Gambar 2. 4 Ilustrasi pori-pori katalis dan tahanan film di partikel katalis (Nauman, 2001)

Setiap peristiwa perpindahan yang disebutkan di atas dapat diubah ke

dalam bentuk persamaan matematis.


13


Namun dalam penelitian ini katalis yang digunakan tidak memiliki pori-

pori, sehingga tidak terjadi peristiwa perpindahan reaktan ke dalam partikel katalis

melalui difusi melewati pori-pori katalis melainkan langsung terjadi reaksi di

permukaan eksternal katalis.

2.6 Neraca Massa, Energi, dan Momentum (Bird, 2003)

2.6.1 Neraca Massa

Neraca massa merupakan aplikasi dari hukum kekekalan massa, di mana

massa tidak dapat diciptakan ataupun dihancurkan. Untuk membuat sebuah

kesetimbangan massa, pertama-tama harus didefinisikan lebih dahulu sistemnya,

kemudian menguraikan batas-batasnya. Pada neraca massa, ada beberapa istilah

yang digunakan, yaitu (1) sistem, merupakan bagian atau keseluruhan proses

untuk analisis; (2) kondisi batas merupakan suatu kumpulan kondisi yang

ditentukan untuk menyelesaikan suatu persamaan diferensial di batas domain; (3)

sistem terbuka merupakan sistem dengan adanya massa yang keluar dan masuk

melalui kondisi batas; (4) sistem tertutup merupakan sistem tanpa adanya

perpindahan massa selama jangka waktu yang diinginkan.

Neraca massa sendiri dibagi menjadi dua menurut alirannya, yaitu (1)

unsteady state (keadaan tidak tunak) dimana nilai variabel-variabel yang berkaitan

berubah berdasarkan waktu; dan (2) steady state (keadaan tunak) dimana nilai dari

variabel-variabel yang berkaitan tidak berubah terhadap waktu. Keadaan tunak

menyebabkan tidak adanya nilai dari akumulasi sehingga akan mempermudah

persamaan tersebut.

Fenomena-fenomena yang terjadi pada neraca massa adalah konveksi,

difusi dan generasi massa dengan persamaan pada koordinat silinder: ��

�� 1� ��

� �� 1� �� 1��

(2.2)


14


dimana,

1 = suku difusi

2 = suku konveksi

3 = suku difusi

4 = suku generasi massa ��= konsentrasi A = kecepatan superficial �� = koefisien difusivitas gas A terhadap B � = arah aksial � = arah radial � = arah angular

Sedangkan untuk koordinat lainnya,

• Koordinat persegi: �� ! � " ��# � � �� !� � ��# � �� (2.3)

• Koordinat bola: �� $�� 1� �$�� % 1� sin � �$��) �� 1�� 1�� sin � �� sin � �� 1�� sin� � ��)��

(2.4)

2.6.2 Neraca Energi Panas

Fenomena-fenomena yang terjadi pada neraca energi adalah konveksi dan

konduksi dengan persamaan pada koordinat silinder :


15


*$+ �,�� *$+ �.

�,�� .�� ,�� .� �,��

� / 01� �� ,�� 1�� ,�� ,��1�� 23 4��.��

� � 51� ��.�� 6� � ��.��

�7� 3 8��.�� 1� �.��

� � ��.�� .�� 91� �.�� :�� ;<

�=��

(2.5)

dimana,

1 = suku akumulasi

2 = suku konveksi

3 = suku konduksi

4 = suku transformasi kecepatan alian menjadi energi * = massa jenis campuran $+ = kapasitas panas , = temperatur / = konduktivitas termal 3 = viskositas campuran Sedangkan untuk koordinat lainnya,

• Koordinat persegi:

*$+ ��,�� . �,�! � ." �,�# � .� �,�� / 0��,�!� � ��,�#� � ��,��1 � 23 >��. �! �

� � ��."�# �� .��

�?� 3 >��. �# � �."�! �

� � ��. �� .��! �� ."�� .��# �

�? (2.6)


16


• Koordinat bola:

*$+ ��,�� . �,�� .�� ,�� .%� sin � �,�)�� / 0 1�� ,�� 1�� sin � �� sin � �,@�� 1�� sin� � ��,�)�1� 23 >��.��

� � �1� �.��

� � 1� sin � �.%�) � � � � cot �� 7

� 3 >5� �� :�� ; � 1� �� 6� � 5 1� sin � ��) � � �� :%� ;6

�

� 0sin �� %sin �� 1� sin � ��) 1�7

(2.7)

2.6.3 Neraca Momentum

Fenomena-fenomena yang terjadi pada neraca momentum digambarkan

dengan persamaan pada koordinat silinder:

Komponen r

* �� D �� D�E�� 3 F �� 91� �� G�H< � 1�� D 2�� I � *J

(2.8)


17


Komponen � * ��

� D1� �E�� 3 F �� 91� �� G��H< � 1�� D 2�� I� *J�

(2.9)

Komponen z

* �� D�E�� 3 01� �� 1�� 1 � *J�

(2.10)

Sedangkan untuk koordinat persegi :

Komponen x

* �� ! � " � �# � � � �� D�E�! � 3 0�� !� � �� #� � �� 1 � *J (2.11)

Komponen y

* ��"�� "�! � " �"�# � � �"�� D�E�# � 3 0��"�!� � ��"�#� � ��"�� 1 � *J" (2.12)

Komponen z

* �� ! � " ��# � � �� D�E�� 3 0��!� � ��#� � �� 1 � *J� (2.13)

2.6.4 Computational Fluid Dynamics (Coker, 2001)

Komputasi dinamika fluida adalah analisis sistem yang melibatkan aliran

fluida, perpindahan energi, dan asosiasi fenomena seperti pembakaran dan reaksi

kimia dengan berbasis pada simulasi komputer. CFD memecahkan persamaan


18


kontinuitas massa melalui metode numerik. CFD banyak digunakan pada berbagai

aplikasi industri. Contoh di bidang teknik kimia adalah sebagai berikut :

• Polimerisasi

• Aliran multi-fasa di dalam reaktor

• Modeling Reaction

• Sedimentasi

• Pemisahan

• Jaringan pipa yang kompleks

• Pencampuran

Solusi numerik dari neraca energi, massa, dan momentum dapat

dikombinasikan dengan persamaan aliran untuk menggambarkan perpindahan

panas, dan juga reaksi kimia. Hasil simulasi dari CFD terdapat dalam berbagai

bentuk seperti numerik, grafik, dan juga gambar.

CFD mengandung tiga unsur utama, yaitu pra-proses (input/definisi

masalah), solver (melakukan penyelesaian), post-proses (hasil simulasi).

Pra-proses meliputi memasukkan atau mendefinisikan masalah ke dalam

bahasa CFD dengan menggunakan friendly interface, sehingga format menjadi

berupa persamaan yang siap untuk dipecahkan. Berikut ini beberapa kegiatan

dalam mendefinisikan masalah ke dalam CFD :

• Menentukan geometri daerah atau sistem yang akan disimulasikan.

• Melakukan pemilihan fenomena-fenomena fisik dan kimia yang

terjadi di dalam sistem yang dibuat geometrinya.

• Menentukan sifat fisik fluida yang digunakan dalam simulasi.

• Menentukan kondisi batas sesuai dengan kebutuhan atau keadaan

dari sistem tersebut.

Keakuratan dari CFD bergantung pada jumlah sel/mesh yang ada pada

grid. Semakin kecil mesh yang dibuat, berarti akan semakin akurat perhitungan

yang dilakukan oleh CFD. Akan tetapi semakin kecil mesh berarti akan semakin

banyak pula perhitungan yang akan dilakukan oleh CFD, sehingga membuat

sistem perhitungan komputasi membutuhkan waktu yang lebih lama dibandingkan

dengan menggunakan mesh/sel yang besar tetapi sedikit.


19


Di dalam perhitungannya CFD menggunakan tiga metode numerik,

metode finite different, metode elemen hingga, dan metode spektral. Ketiga

metode ini dalam melakukan perhitungannya mengikuti langkah-langkah berikut :

• Pendekatan dari aliran-aliran yang tidak diketahui secara sederhana.

• Diskritisasi atau pemotongan-pemotongan menjadi beberapa elemen

yang setiap elemennya memiliki persamaan.

• Memanipulasi persamaan elemen atau persamaan diferensial menjadi

persamaan aljabar, di mana persamaan aljabar ini kemudian akan

diselesaikan dengan merubahnya menjadi matriks dengan ukuran yang

sangat besar, akan tetapi dengan sistem komputasi dapat diselesaikan

dengan mudah dan cepat.



BAB 3

METODE PENELITIAN

Penyusunan model matematis dan simulasi dari sistem reaktor dengan

katalis wire gauze yang terdiri dari neraca massa dan neraca momentum yang

memperhitungkan faktor konveksi dan difusi sehingga didapatkan sistem

persamaan diferensial yang dapat diselesaikan secara serentak. Pemodelan dan

simulasi ini mengacu pada subbab 3.1.

3.1 Diagram Alir Prosedur Penelitian

Gambar 3. 1 Diagram penelitian

Studi literatur

Penentuan batasan model

Running?

Pengecekan geometri

Analisis

Mulai

Selesai

Simulasi Pembuatan geometri

Penyusunan model

Pengecekan model

Running?


21


3.2 Prosedur Penelitian

Untuk mencapai tujuan yang diharapkan dalam penelitian ini maka pada

bagian ini akan dijelaskan mengenai langkah-langkah yang dilakukan. Dengan

demikian akan mempermudah untuk menyelesaikan permasalahan yang dihadapi.

Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi :

3.2.1 Studi Literatur

Dalam studi literatur dilakukan pengumpulan-pengumpulan data-data dan

parameter yang diperlukan dalam menyusun model diantaranya teori pendukung

tentang teori pemodelan pada reaktor dan data-data sifat fisik fluida baik metana

maupun hidrogen yang dibutuhkan dalam melakukan simulasi.

3.2.2 Melakukan Penentuan Batasan pada Model

Sebelum menentukan pemodelan reaktor, maka harus ditentukan terlebih

dahulu batasan-batasan yang digunakan dalam model. Batasan-batasan ini

dibutuhkan karena dalam memodelkan suatu reaktor sering kali ditemukan

kesulitan-kesulitan seperti rumitnya bentuk geometri yang sesungguhnya. Dengan

adanya batasan-batasan ini maka semakin mengurangi tingkat kerumitan dalam

melakukan pemodelan reaktor.

3.2.3 Pembuatan Geometri

Melakukan pembuatan geometri sesuai dengan ukuran reaktor yang

sesungguhnya. Ukuran reaktor yang sesungguhnya didapatkan dari penelitian

yang dilakukan oleh Francy, 2010. Pembuatan geometri ini disesuaikan dengan

kemampuan memori komputer dalam menyelesaikan masalah. Dalam pembuatan

geometri ini disesuaikan dengan batasan-batasan yang telah ditentukan

sebelumnya. Di dalam penelitian ini dilakukan pemodelan di bagian persilangan

katalis.


22


3.2.4 Penyusunan Model

Melakukan penyusunan model dari hasil penurunan persamaan neraca

massa dan neraca momentum yang sudah disederhanakan sesuai dengan batasan-

batasan yang digunakan. Model ini dimasukkan dan disesuaikan ke dalam ruang

kerja COMSOL Multiphysics sehingga model hasil penurunan tersebut dapat

dijalankan pada program COMSOL Multiphysics. Persamaan-persamaan ini

dimasukkan dalam beberapa bagian dalam COMSOL Multiphysics, yaitu

subdomain settings untuk persamaan neraca massa dan momentum, boundary

settings untuk kondisi batas neraca massa energi dan momentum, serta constants

dan scalar expressions untuk persamaan-persamaan lainnya seperti koefisien

difusi, konduktifitas termal dan lainnya.

3.2.5 Pengecekan Model

Melakukan pengecekan terhadap model yang telah dibuat, yaitu apakah

dengan model yang telah dimasukkan program COMSOL Multiphysics dapat

disimulasikan. Jika simulasi dapat berjalan, maka langkah-langkah dalam

metodologi penelitian ini dapat dilanjutkan. Namun jika tidak, maka kembali ke

langkah penyusunan model untuk memperbaiki kesalahan dalam pemasukan

model ke dalam COMSOL. Kesalahan-kesalahan ini biasanya terjadi karena

kesalahan tanda model, adanya variabel yang belum dimasukkan, pemasukan

terkaan awal (initial value), serta faktor satuan. Ketika kesalahan terjadi karena

adanya variabel yang belum dimasukkan, COMSOL Multiphysics akan berhenti

melakukan perhitungan dan memberitahukan bahwa suatu variabel tidak ada

dalam ruang kerjanya.

3.2.6 Pengecekan Geometri

Melakukan pengecekan terhadap geometri yang dibuat. Di mana geometri

yang dibuat tidak selalu dapat disimulasikan. Biasanya geometri yang dibuat di

dalam COMSOL harus disederhanakan terlebih dahulu untuk menghindari

gagalnya perhitungan akibat ketidakmampuan memori komputer dalam

menyelesaikan masalah. Dalam melakukan penyederhanaan geometri ini biasanya


23


dilakukan penyederhanaan dengan memodelkan geometri yang lebih kecil atau

lebih sederhana atau dengan cara memperbesar mesh atau diskretisasi sehingga

menjadi lebih besar, akan tetapi menghasilkan hasil perhitungan atau simulasi

dengan nilai kesalahan yang lebih besar.

3.2.7 Simulasi

Melakukan simulasi setelah geometri dan model selesai diverifikasi.

Simulasi dilakukan dengan mengubah-ubah variabel proses seperti temperatur

masukan, tekanan masukan, komposisi masukan, dan kecepatan masukan

sehingga dapat diketahui pengaruh perubahan variabel proses terhadap kinerja

reaktor.

3.2.8 Analisis Hasil Simulasi

Melakukan analisis terhadap hasil simulasi yang berupa profil. Hasil

simulasi pemodelan berupa profil konsentrasi dan profil temperatur di sepanjang

reaktor dan di sepanjang partikel katalis. Dilakukan juga analisis terhadap

simulasi pengaruh parameter proses yaitu temperatur dan konsentrasi umpan

masuk ke dalam reaktor terhadap parameter kinerja reaktor berupa konversi CH4.



BAB 4

PEMODELAN DAN SIMULASI REAKTOR GAUZE

4.1 Pemodelan Reaktor Gauze

Dalam persamaan model, tentunya harus diperhitungkan berbagai aspek

yang terlibat di dalam sistem dan kemudian merepresentasikannya ke dalam

persamaan matematis. Secara umum, untuk proses yang melibatkan proses

perpindahan maka akan melibatkan prinsip tiga kesetimbangan yaitu neraca

massa, neraca energi, dan neraca momentum. Ketiga aspek tersebut bersama-sama

membentuk sebuah fenomena perpindahan yang secara simultan mempengaruhi

profil sepanjang reaktor. Pada pemodelan reaktor ini, reaktor diasumsikan

isotermal sehingga persamaan yang ditinjau adalah persamaan neraca massa dan

neraca momentum tanpa melibatkan persamaan neraca energi panas. Model

reaktor yang digunakan adalah model heterogen di tiga dimensi.

Dalam persamaan model akan dibedakan antara fasa fluida (gas), dan fasa

solid atau padatan (katalis gauze), di mana reaksi hanya terjadi di permukaan

eksternal katalis. Namun pada neraca momentum tidak ada persamaan di partikel

katalis karena fluida hanya mengalir di skala reaktor dan peristiwa perubahan

momentum tidak terjadi di dalam partikel katalis.

Sistem akan dibagi menjadi 2 bagian, yaitu skala reaktor dan skala partikel

katalis. Di dalam skala partikel terjadi reaksi pada permukaan eksternal katalis.

Reaksi yang terjadi adalah reaksi dekomposisi katalitik metana yang bersifat

endotermis sehingga dibutuhkan panas dari luar reaktor (dalam hal ini panas

disediakan oleh furnace). Pada skala reaktor terjadi aliran gas di antara padatan

katalis, sehingga dalam pemodelan skala reaktor dipertimbangkan tentang difusi

ke setiap arah (x, y, dan z) pada fasa gas.

Seperti yang dijabarkan pada Tinjauan Pustaka, Bird, 1994 telah

menurunkan persamaan di mana persamaan model tersebut dapat digunakan di

berbagai koordinat. Maka dalam pembuatan model baik untuk skala reaktor

ataupun skala katalis digunakan persamaan-persamaan yang telah diturunkan oleh

Bird, 1994 dengan modifikasi yang didasarkan pada asumsi-asumsi yang


25


digunakan. Modifikasi yang dilakukan pada persamaan-persamaan berdasarkan

asumsi yang digunakan dijabarkan pada subbab berikut ini.

4.1.1 Skala Reaktor

Pada skala reaktor ini persamaan dibagi menjadi dua bagian, yaitu

persamaan neraca massa dan neraca momentum. Persamaan ini menggambarkan

fenomena-fenomena perpindahan yang ada pada skala reaktor dalam bentuk

persamaan matematis.

4.1.1.1 Neraca Massa Skala Reaktor

Dalam persamaan neraca massa berlaku persamaan umum : ��KLM�� KLM�! � " ��KLM�# � � ��KLM�� KLM�!� � ��KLM��# � ��KLM��

� �N� (4.1)

Di mana :

1. Akumulasi 3. Suku difusif

2. Suku konvektif 4. Suku generasi massa

Sistem ada pada kondisi steady state, di mana pada kondisi steady state, ��KLM�� 0 sehingga persamaan di atas berubah menjadi :

� ��KLM�! � " ��KLM�# � � ��KLM�� KLM�!� � ��KLM��# � ��KLM�� (4.2)

dengan y adalah jarak untuk arah aksial atau memanjang reaktor, sedangkan x dan

z untuk arah penampang reaktor. Masing-masing suku di atas mewakili fenomena

konvektif ke setiap arah, difusi ke setiap arah, dan generasi massa.

Di dalam reaktor terjadi perpindahan massa dari skala reaktor ke skala

padatan akan tetapi suku generasi massa di persamaan ini dianggap nol, dan


26


persamaan untuk mewakili perpindahan massa dari skala reaktor ke skala partikel

katalis dimasukkan di persamaan kondisi batas. Sehingga pada persamaan skala

reaktor suku generasi massa menjadi seperti pada persamaan 4.3. � � 0 (4.3) Persamaan akhir neraca massa di skala reaktor menjadi :

� ��KLM�! � " ��KLM�# � � ��KLM�� KLM�!� � ��KLM��# � ��KLM�� (4.4)

4.1.1.2 Neraca Momentum

Dalam persamaan neraca momentum berlaku persamaan : * ��"�� "�! � " �"�# � � �"�� D�E�# � 3 0��"�!� � ��"�#� � ��"�� 1 � *J" G4.5)

Pengaruh gravitasi yang ada di dalam sistem dianggap terlalu kecil karena fluida

yang mengalir ada dalam fasa gas dan fluida mengalir secara horizontal sehingga

suku *J� di dalam persamaan dapat dihilangkan dan persamaan menjadi sebagai berikut :

* ��"�� "�! � " �"�# � � �"�� D�E�# � 3 0��"�!� � ��"�#� � ��"�� 1 (4.6)

Sistem yang digunakan adalah steady state sehingga tidak ada akumulasi

di dalam sistem. Maka suku P+QPR dapat dihilangkan dan persamaan menjadi sebagai

berikut :

* � �"�! � " �"�# � � �"�� D�E�# � 3 0��"�!� � ��"�#� � ��"�� 1 (4.7)

4.1.2 Lapisan Batas (Perpindahan Antar Fasa)

Interaksi antara skala reaktor dan skala partikel katalis terjadi melalui

sebuah lapisan batas yang merupakan media perpindahan massa antara fasa gas di


27


skala reaktor dengan fasa padatan di partikel katalis. Melalui lapisan film inilah

terjadi kesetimbangan antara suku perpindahan antar fasa di skala reaktor dengan

fluks difusif yang berada di permukaan katalis (skala partikel). Pada lapisan batas

ini juga terjadi suatu tahanan yang disebut sebagai tahanan film (Fogler, 1992).

Tahanan inilah yang menyebabkan terjadinya gradien konsentrasi di lapisan batas.

4.1.2.1 Neraca Massa di Lapisan Batas

Neraca massa di lapisan batas mewakili transfer massa antara skala reaktor

dan skala partikel katalis. Persamaan inilah yang menyebabkan profil di skala

reaktor juga dipengaruhi oleh perubahan profil di skala katalis. Di mana terjadi

fluks massa masuk secara konvektif dan difusi melalui lapisan batas sampai pada

permukaan katalis, di mana terjadi reaksi di permukaan eksternal katalis.

Sehingga dalam persamaan matematis, neraca massa pada lapisan batas adalah

sebagai berikut : D��S�KLM�� T�KLM�� U�� (4.8) Keterangan :

1. Transfer massa antar fasa difusif 3. Laju reaksi

2. Transfer massa antar fasa konvektif

4.1.3 Skala Partikel Katalis

Setelah reaktan melalui lapisan batas terjadi reaksi di permukaan katalis.

Di skala partikel ini terjadi konsumsi atau generasi massa akibat adanya reaksi.

Pada umumnya sebelum terjadi reaksi di dalam katalis terjadi peristiwa

perpindahan massa secara difusi dari permukaan katalis ke dalam inti aktif katalis

karena katalis memiliki pori-pori. Akan tetapi, katalis yang digunakan pada

penelitian ini tidak memiliki pori-pori sehingga tidak terjadi peristiwa

perpindahan massa secara difusif dari permukaan katalis ke dalam inti aktif katalis

melainkan langsung terjadi reaksi di permukaan katalis.


28


4.1.3.1 Neraca Massa Skala Partikel Katalis

Partikel katalis berbentuk silinder dengan jari-jari rp. Persamaan umum

neraca massa adalah sebagai berikut : �� 1�U ��U ��U ��U� � 1�U� �

�� U��

(4.9)

Di mana :

1. Akumulasi 3. Suku generasi massa

2. Suku difusif

Sistem yang digunakan adalah steady state, sehingga suku akumulasi

dapat diabaikan. Selama reaktan ada pada skala partikel katalis, reaktan tidak

mengalami perpindahan maupun secara difusi. Sehingga suku difusif dan suku

konvektif dapat dihilangkan dari persamaan 4.9, dan persamaan menjadi :

0=pR

(4.10)

Reaksi tidak terjadi di dalam katalis, melainkan terjadi di permukaan eksternal

katalis. Persamaan laju reaksi yang digunakan pada penelitian ini adalah

persamaan laju reaksi untuk dekomposisi katalitik metana yang didapatkan dari

penelitian yang dilakukan oleh Snoeck, 1997.

�U � VWXYZ[MUZ[M\]W^_`" Ub[b��c d_`"Ue/b[bcYZ[MUZ[M�b (4.11) Di mana :

/gc � 23444 j klmnopq.st . u^vwxeejyz{|t}.~ (4.12)

KLM � 4389 0 klmnopq.dbs1 . u^xvbbj yz{|t}.~ (4.13)

/g\ � 0,21�\�. u^dMej yz{|t}.~ (4.14) " � 1,109.10�\�. u^deedMj yz{|t}.~ (4.15)


29


4.2 Kondisi Batas

Persamaan pada kondisi batas merupakan persamaan di titik di mana

persamaan yang akan diselesaikan memiliki rentang minimal dan rentang

maksimal di sepanjang intervalnya. Persamaan neraca massa dan momentum yang

telah diturunkan di atas merupakan persamaan diferensial parsial di mana terdapat

masing-masing tiga kondisi batas untuk masing-masing arah x, y, dan z. Batasan-

batasan yang ditentukan berdasarkan spesifikasi kasus ini baik pada skala reaktor

maupun skala partikel katalis, meliputi hal-hal berikut ini :

4.2.1 Kondisi Batas Reaktor

Pada arah aksial atau memanjang reaktor umpan masuk adalah tetap.

Posisi umpan masuk berada pada y = 0 dan temperatur masuk adalah konstan,

sehingga berlaku hubungan :

pada masukan reaktor,

C = Cin

u = uin (4.16)

Untuk kondisi batas di posisi lainnya berlaku hubungan bahwa turunan

pertama di posisi tersebut adalah nol. Hubungan ini berarti bahwa pada posisi

tersebut diasumsikan sudah tidak ada gradien konsentrasi.

Pada ujung reaktor atau keluaran reaktor :

dC/dy = 0

P=P0 (4.17)

Pada lapisan batas terjadi perpindahan massa di mana terjadi perpindahan

dari skala reaktor ke dalam katalis, sehingga kondisi batas untuk lapisan batas

persamaannya seperti pada persamaan : D��S�KLM � T�KLM � �U (4.18)


30


4.3 Simulasi Reaktor Gauze dengan Menggunakan Computational Fluid

Dynamics

Simulasi dilakukan dengan menggunakan software COMSOL 3.5.

Perangkat lunak ini menggunakan FEM (finite element method) untuk melakukan

perhitungan yang hasilnya adalah berupa profil variable terikat (dependent

variable) di sepanjang geometri.

Dalam melakukan simulasi dengan COMSOL Multiphysics, maka hal-hal

utama yang perlu dilakukan adalah melakukan penyusunan geometri dan

melakukan input baik berupa persamaan maupun nilai yang dibutuhkan dalam

simulasi. Banyak hal yang perlu dipertimbangkan dalam melakukan suatu

simulasi dengan menggunakan COMSOL (CFD), seperti memikirkan bentuk

geometri yang harus mewakili reaktor yang sesungguhnya. Dalam melakukan

penyusunan geometri masih ada hal-hal lain yang perlu dipertimbangkan untuk

mendukung simulasi berjalan dan menghasilkan profil yang sesuai dengan data

eksperimen. Dalam penelitian ini terdapat beberapa hal yang menyebabkan

penyusunan geometri gagal sehingga hasil yang didapatkan tidak sesuai dengan

data eksperimen atau tidak masuk akal, seperti tidak mampunya komputer atau

terbatasnya memori komputer dalam menyelesaikan masalah dinamika fluida

yang ada di dalam simulasi.

Permasalahan selanjutnya adalah sulitnya menduga nilai awal yang harus

dimasukkan ke dalam simulasi untuk menyelesaikan pemecahan secara numerik.

Di dalam penyelesaiannya perangkat lunak akan meminta nilai awal untuk

melakukan percobaan perhitungan dengan basis nilai awal tersebut, sehingga

apabila nilai awal yang dimasukkan menghasilkan nilai yang tidak terbatas, maka

secara otomatis perangkat lunak akan berhenti melakukan trial karena nilai

errornya telah melebihi kriteria konvergensi yang ditentukan (1e-6).

Sehingga dalam penelitian ini diperlukan adanya asumsi-asumsi yang

setidaknya mewakili reaktor sesungguhnya dengan nilai hasil simulasi yang tidak

terlalu jauh berbeda apabila dibandingkan dengan reaktor yang sesungguhnya.


31


4.3.1 Pemodelan Reaktor

Seperti yang dijelaskan pada subbab 4.3, maka dibutuhkan

penyederhanaan dalam penyusunan geometri dan asumsi untuk melakukan

pemodelan dan simulasi reaktor. Setelah melakukan percobaan terhadap berbagai

bentuk geometri, maka dilakukan pemodelan dalam bentuk persilangan katalis

untuk semakin mengurangi beban dalam perhitungan komputasi. Pemodelan

persilangan katalis ini dilakukan karena adanya keterbatasan dalam melakukan

simulasi dengan geometri satu reaktor penuh. Pemodelan ini dilakukan dengan

asumsi bahwa profil ke arah panjang reaktor dan profil ke arah penampang reaktor

sama untuk setiap persilangan katalis. Pemodelan reaktor ini dipotong ke arah

panjang reaktor sebanyak 21 kali sehingga yang dimodelkan hanyalah 1/21 dari

panjang reaktor sesungguhnya.

Pada model persilangan katalis ini, fenomena yang dimodelkan adalah

fenomena perpindahan massa dan perubahan momentum. Reaktor ini dianggap

isotermal karena pada data eksperimen ditunjukkan bahwa profil suhu di

sepanjang reaktor tidak berubah secara signifikan dan pemodelan dimulai di mana

suhu telah mencapai 7000C, sehingga pada pemodelan ini dapat diasumsikan

bahwa temperatur di dalam reaktor tetap, merata, dan tidak berubah-ubah di

sepanjang reaktor yaitu sebesar 7000C. Pada pemodelan ini, tekanan masuk

reaktor sama dengan tekanan keluar reaktor karena dengan menggunakan katalis

terstruktur wire, reaktor memiliki pressure drop yang rendah.

Berikut ini langkah-langkah dalam pemodelan di dalam perangkat lunak

COMSOL Multiphysics :

1. Menentukan dimensi geometri yang akan dimodelkan di dalam COMSOL.

Di dalam perangkat lunak ini, geometri dapat berupa satu dimensi, dua

dimensi, ataupun tiga dimensi. Pada pemodelan ini dilakukan simulasi

dengan menggunakan geometri 3 dimensi.


32


Gambar 4. 1 Tampilan awal COMSOL

2. Melakukan penentuan fenomena-fenomena yang terjadi di dalam reaktor.

Pada simulasi ini, fenomena yang ada di dalam reaktor adalah peristiwa

perpindahan massa dan perubahan momentum. Peristiwa perpindahan

massa meliputi perpindahan massa yang terjadi secara konvektif dan

peristiwa perpindahan massa secara difusif sehingga untuk peristiwa

perpindahan massa diwakili oleh multiphysics convection and diffusion.

Peristiwa perubahan momentum diwakili oleh multiphysics incompressible

navier stokes. Pada setiap multiphysics, harus ditentukan dependent

variables (variabel terikat) yang ada. Pada multiphysics convection and

diffusion, variabel terikatnya adalah konsentrasi metana (ditulis c_ch4 di

COMSOL) dan konsentrasi hidrogen (ditulis c_h2 di COMSOL). Pada

multiphysics incompressible navier stokes, variabel terikatnya adalah


33


tekanan (tertulis p di COMSOL), kecepatan ke berbagai arah (tertulis u

untuk arah x, v untuk arah y, dan w untuk arah z).

Gambar 4. 2 Tampilan multiphysics di dalam COMSOL

3. Setelah melakukan penentuan fenomena-fenomena dengan menggunakan

multiphysics, langkah selanjutnya adalah membuat geometri dari model

yang sekiranya mewakili reaktor yang ingin dimodelkan. Untuk membuat

model yang mewakili reactor yang sesungguhnya, maka dibutuhkan

ukuran-ukuran dari reactor yang sesungguhnya. Data-data mengenai

geometri reaktor yang sesungguhnya didapatkan dari penelitian yang

dilakukan oleh Francy, 2009.

Spesifikasi dari reaktornya adalah sebagai berikut :

� Laju alir metana = 140 L/h

� Diameter reaktor = 8 cm


34


� Panjang reaktor = 32 cm

� Jarak antar dua buah wire = 1,89 mm

� Diameter wire = 0,65 mm

� Meshes/inch = 10

� Panjang wiremesh = 3497 mm

� Jumlah wire sheet = 63

� Separating gap = 5,161 mm

Pada pemodelan ini geometri yang digambarkan hanyalah

persilangan katalis. Sehingga ukuran yang dibutuhkan hanyalah diameter

wire (0.65 mm), jarak antar kawat (1,89 mm), dan jarak antar lapisan

katalis (separating gap) (5,161 mm).

Gambar 4. 3 Tampak penampang reaktor gauze

a. Geometri untuk substrat katalis (stainless steel)

Menentukan geometri substrat dari ukuran-ukuran yang telah

ditentukan. Pembuatan geometri substrat digambarkan sebagai berikut :

Variabel-variabel yang diperlukan adalah :

• Radius silinder (jari-jari wire)


35


• Tinggi/panjang silinder (jarak antar kawat)

• Titik basis axis dari silinder

• Vektor arah axis

Gambar 4. 4 Silinder katalis

Setelah membuat silinder vertikal membuat silinder horizontal

dengan ukuran radius dan tinggi yang sama di titik arah y yang sama, dan

merubah letak koordinat silinder, sehingga gambar silinder menjadi,


36


Gambar 4. 5 Persilangan katalis

b. Geometri untuk reaktor

Menentukan geometri reaktor berdasarkan ukuran yang ditentukan,

di mana untuk geometri reaktor ini dibatasi hanya sepanjang silinder

katalis yang dimodelkan. Sehingga pada pembuatan geometri reaktor,

ukuran yang dibutuhkan hanyalah panjang silinder kawat yang dimodelkan

(jarak antar wire, 1,89 mm) dan separating gap (5,161 cm). Pada

pemodelan ini, hanya dimodelkan untuk 3 lapis katalis sehingga gambar

keseluruhan menjadi seperti Gambar 4.6.


37


a.

b.

Gambar 4. 6 a. Model persilangan katalis; b. Penampang persilangan katalis

Setelah semua geometri reaktor terbentuk, melakukan composite

untuk membedakan antara reaktor dan padatan.

4. Setelah membuat geometri, langkah selanjutnya adalah memasukkan

variabel-variabel sifat fisik fluida dalam subdomain setting. Pada


38


pemodelan persilangan katalis ini, diasumsikan bahwa peristiwa

perpindahan massa dan peristiwa perubahan momentum tidak terjadi di

dalam substrat katalis. Sehingga pada pemodelan persilangan katalis ini

tidak perlu memasukkan sifat fisik substrat katalis (stainless steel) di

dalam subdomain setting. Pada modul convection and diffusion, data

variabel yang diperlukan adalah Diffusifitas fluida (metana dan hidrogen),

sedangkan pada modul incompressible navier stokes, data sifat fisik yang

diperlukan adalah densitas fluida dan viskositas dinamik fluida. Tampilan

subdomain setting ada pada Gambar 4.7.


39


Gambar 4. 7 Subdomain setting pada modul convection and diffusion

dan incompressible navier stokes

Sifat fisik yang dimasukkan ke dalam pemodelan ini merupakan

sebuah persamaan di mana nilai sifat fisik itu sendiri akan berubah-ubah

seiring dengan berubahnya temperatur dan konsentrasi di sepanjang

reaktor. Berikut ini dijabarkan mengenai persamaan-persamaan yang

digunakan dalam menentukan sifat fisik dari fluida :

• Koefisien difusi (Bird, 1994)

Difusivitas atau koefisien difusi merupakan konstanta proporsional

antara fluks molar karena difusi molekul dan gradien konsentrasi dari

suatu campuran. Umumnya koefisien difusi berpasangan, dimana

semakin tinggi difusivitasnya (dari suatu bahan terhadap bahan lain),

semakin cepat bahan tersebut berdifusi satu sama lain.

UGUoUoHdeGooH vdb� dWc dW�

db � � oo� (4.19) Di mana :


40


E = tekanan �� = koefisien difusivitas E�,� = tekanan kritis senyawa , = suhu ,�,� = temperatur kritis senyawa �,� = massa molekul relatif = 2,745 x 10-4 = 1,823

• Viskositas (Coulson, 2001)

Viskositas adalah pengukuran dari ketahanan fluida yang dapat

dideformasi oleh tegangan geser dan tegangan tensil. Semakin besar

viskositasnya, suatu bahan akan lebih sulit mengalir dibandingkan

dengan bahan yang memiliki viskositas rendah.

3k � ∑"g∑"g (4.20) Di mana:

3k = viskositas campuran 3 = viskositas komponen # = fraksi mol komponen = massa molekul relatif komponen

• Densitas (Persamaan Gas Ideal)

Densitas bahan didefinisikan sebagai massa dari bahan tersebut dibagi

dengan volumenya. Secara umum, densitas dapat berubah seiring

dengan perubahan tekanan dan temperatur. Ketika tekanannya

dinaikkan maka densitas suatu bahan akan naik. Ketika temperatur

dinaikkan, pada umumnya densitas akan turun kecuali pada kasus

tertentu. Perubahan densitas yang dipengaruhi oleh tekanan dan

temperatur cukup kecil pada liquid dan solid, tetapi pada wujud gas,


41


densitasnya sangat dipengaruhi oleh tekanan. Densitas dari gas ideal

adalah,

* � g (4.21) Di mana : * = densitas = tekanan = massa molekul relatif � = konstanta ksetimbangan gas , = suhu

5. Selain subdomain setting, variabel-variabel operasi seperti temperatur

masukan, tekanan masukan, dan lain-lain harus dimasukan sebagai

informasi kondisi batas pada pemodelan di bagian boundary setting.

a. Pada multiphysic Convection and diffusion, kondisi batas yang

dibutuhkan adalah sebagai berikut :

Tabel 4. 1 Kondisi batas yang digunakan pada multiphysic convection and diffusion

Boundary Boundary condition c_ch4 c_h2

masukan konsentrasi 40.6 [mol/m3] 0 [mol/m

3]

keluaran convective flux

bagian potongan

reaktor

insulation/symmetry

permukaan katalis flux -rate [mol/m2 s] 2*rate

[mol/m2 s]

Boundary condition yang digunakan berikut persamaannya adalah:

• Insulation/symmetry . � 0; � D S� � �. T (4.22) Persamaan ini digunakan apabila pada permukaan tidak terjadi

perubahan konsentrasi atau dengan kata lain tidak terjadi peristiwa

perpindahan massa baik masuk ataupun keluar permukaan.


42


• Konsentrasi $ � $¡ (4.23) Dimana C0 adalah konsentrasi awal

Persamaan ini digunakan pada masukan reaktor di mana pada

masukkan rektor diinginkan bahwa metana ataupun hidrogen memiliki

konsentrasi sebesar C0.

• Convective Flux .D ¢c � 0 (4.24) Persamaan ini digunakan sebagai kondisi batas di ujung reaktor

dengan maksud bahwa di ujung reaktor sudah tidak terjadi perubahan

konsentrasi.

• Flux D. GH � ¡; � D ¢� � �. T (4.25) Persamaan ini digunakan sebagai kondisi batas pada permukaan

katalis, di mana terjadi reaksi di permukaan katalis, sehingga

menyebabkan adanya fluks massa masuk sebesar D ¢� � �. T yang menyebabkan fluks massa keluar sebesar (-rate) untuk CH4 dan

(2*rate) untuk H2.


43


Gambar 4. 8 Boundary Settings pada Convection and Conduction

Variabel rate yang dimasukkan pada kondisi batas di atas

merupakan persamaan laju reaksi pada dekomposisi katalitik metana

yang diadopsi dari penelitian yang dilakukan oleh Snoeck, 1997 di

mana persamaan laju reaksi tersebut ditunjukan pada Persamaan 4.11.

b. Sementara pada multiphysics incompressible navier stokes, kondisi

batas dibagi menjadi 4 kelompok, yaitu:

Tabel 4. 2 Kondisi batas yang digunakan pada multiphysic incompressible navier stokes

Boundary Boundary condition Nilai

bagian potongan

reaktor dan

dinding

symmetry boundary

masukan kecepatan masuk 7.73e-3m/s

keluaran pressure

permukaan katalis wall


44


Boundary condition yang digunakan berikut persamaannya adalah:

• Symmetry boundary . T � 0; DE£ � ¤GST � GSTHH � 0 (4.26) Persamaan ini digunakan apabila pada permukaan tidak terjadi

perubahan kecepatan atau dengan kata lain tidak terjadi peristiwa

perubahan momentum baik masuk ataupun keluar permukaan.

• Inlet Velocity T � D¥¡ (4.27) Dimana U0 adalah kecepatan awal.

Persamaan ini digunakan pada masukkan reaktor di mana pada

masukan reaktor diinginkan bahwa metana ataupun hidrogen memiliki

kecepatan sebesar U0 tegak lurus terhadap penampang reaktor.

• Outlet Pressure E � E¡ (4.28) Di mana po adalah tekanan yang ditentukan pada keluaran.

Sama halnya seperti kecepatan masukan, persamaan ini digunakan

pada masukkan reaktor di mana pada masukan reaktor diinginkan

bahwa metana ataupun hidrogen memiliki tekanan rata-rata sebesar p0.

• No Slip Wall

u=0 (4.29)

Persamaan ini digunakan ketika permukaan bersifat seperti

dinding, tidak ada reaksi, dan juga tidak memiliki kecepatan.


45


Gambar 4. 9 Boundary settings pada incompressible navier stokes

6. Setelah memasukkan seluruh variabel pada subdomain setting dan

boundary setting, selanjutnya harus mendefinisikan seluruh variabel yang

dimasukkan dalam Constant dan Scalar Expression. Pad

pemodelan reaktor terstruktur gauze untuk …repository.unugha.ac.id/162/1/document.pdf · program...

Documents