tugas membran

Download Tugas Membran

Post on 11-Jul-2016

229 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

simulasi transfer massa dengan lattice membran menggunakan membran komposit

TRANSCRIPT

SIMULASI TRANSPORT MASSA LATTICE BOLTMANN MELALUI MEMBRAN KOMPOSIT

dalam rangka memenuhi tugas dasar-dasar dan aplikasi membran

OlehWINDA INTAN NOVALIANIM: 121810301062

JURUSAN KIMIAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMUNIVERSITAS JEMBER2016

Abstrak

Membran komposit dengan lapisan penyokong berpori dan lapisan kulit padat secara ekstensif digunakan dalam proses pemisahan gas. Pendekatan simulasi lattice Boltzman mesoscale diusulkan dan digunakan untuk memodelkan aliran gas pore-scale dan transfer massa dalam matriks membran inhomogeneous. Kekuatan fisik dianggap. Kekuatan kimia ekuivalen dikonversi ke kekuatan fisik melalui waktu relaksasi. Selective permeationkelembaban melalui membran komposit dimodelkan. Keseluruhan permeabilitas dievaluasi. Hal tersebut ditemukan transfer massa inhomogeneous tidak hanya ada di media berpori tetapi juga di lapisan kulit padat yang seragam. Meningkatkan difusivitas pada lapisan kulit lebih efektif daripada penurunan ketebalan lapisan kulit dalam mengoptimalkan keseluruhan kinerja membran. Pendekatan baru memberikan wawasan yang lebih rinci ke arah untuk desain masa depan membran komposit untuk pemisahan gas seperti dehumidification udara. Kata kunci: membran komposit, lapisan penyokong berpori, lapisan kulit padat, simulasi lattice Boltzmann, pemisahan gas, transfer massa, analisis mesoscale

BAB 1. PENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangIndustri-industri pemisahan gas di era modern berkembang sangat pesat. Industri pemisahan gas hadir dengan menawarkan gas murni (seperti O2 dan N2) untuk dimanfaatkan dalam bidang kesehatan dan pendidikan. Banyak jenis gas lain yang berusaha dihasilkan seperti gas H2, yang berfungsi sebagai bahan bakar dengan kadar emisi yang rendah. Industri pemisahan gas sering mengeluarkan biaya yang mahal untuk memisahkan gas secara konvensional. Industri akan mengeluarkan biaya yang besar sekitar $22,200 untuk menghasilkan 1 ton oksigen. Produksi gas secara konvensional tidak hanya membutuhkan biaya tinggi namun, juga membutuhkan energi yang besar. Selain itu, dalam proses pembangunan teknologinya juga membutuhkan biaya yang tinggi (Rao et al., 2007). Proses pemisahan gas yang dapat digunakan dengan memanfaatkan energi dan biaya yang rendah sangat banyak jenisnya, salah satu diantaranya yaitu pemisahan menggunakan membran. Keuntungan pemisahan gas mengunakan membrane yaitu produk samping dapat dijual, selektifitasnya tinggi, produk yang dihasilkan berkualitas baik, biaya yang diguanakan tidak terlalu mahal, energi yang dikonsumsi rendah, tidak membutuhkan banyak ruang, teknologinya bersih dan pengoperasiannya mudah (Abedini et al., 2010).Membran yang digunakan dalam proses pemisahan gas sangat banyak jenisnya, diantaranya membran komposit. Memban komposit merupakan membrane yang terdiri dari materi membrane berbeda (heterogen), dan terdiri dua lapisan (porous support layer dan dense skin layer). Memban komposit diguanakan dalam proses pemisahan gas karena memiliki kelebihan yaitu kombinasi permeabilitas dan selektivitas yang tinggi. Membran komposit sangat menjanjikan dalam pemisahan gas, karena kondisi pengoperasian pada tekanan rendah membuat pengoperasiannya membutuhkan energi dan biaya yang rendah (Zhang, 2004).Kinerja membran dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya yaitu transfer massa. Pemodelan transfer massa dalam membrane telah menjadi fokus penelitian. Membran dengan dimensi mesoscale (m) dan struktur yang homogen sulit dalam perawatannya. Sehingga dibutuhkan pemodelan dalam dimensi mesoscale untuk mengetahui kondisi. Pemodelan sistem membran umumnya masih terbatas pada macroscale, sehingga dibutuhkan pendekatan pemodelan mesoscale supaya dapat diketahui transfer massa pada membran mesoscale yang dapat menunjukkan struktur kompleks dalam membran(Zhang, 2004). Simulasi Lattice Boltzman (LBM) merupakan pendekatan pemodelan menggunakan cara pandang mesoscale, melihat sistem secara statistic menggunakan fungsi distribusi (Akbar, 2015). LBM telah berhasil digunakan dalam pemodelan aliran fluida mesoscale, panas dan transfer massa dalam media berpori. Membran yang sudah diteliti dengan simulasi LBM merupakan membrane dengan struktur homogen sederhana (Zhang, 2004). Simulasi LBM sulit digunakan untuk struktur yang inhomogeneous dan membran komposit yang highperformance. Oleh karena itu, perlu dikethui pemodelan LBM pada dimensi mesoscale menggunakan membrane komposit (heterogen).

1.2 Rumusan Masalah1. Bagaimana hasil aliran fluida dan profil massa berdasarkan pendekatan simulasi LBM dengan menggunakan membran komposit?

1.3 Tujuan1. Mengetahui hasil aliran fluida dan profil massa berdasarkan pendekatan simulasi LBM dengan menggunakan membran komposit?

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pemisahan GasPemisahan gas merupakan tugas utama dalam energi dan teknik Kimia. Proses seperti pemisahan H2/ CO2, pemisahan N2/O2, dehumidifikasi udara /humidifikasi, lapisan difusi gas, dan sebagainya. Proses memiliki aplikasi yang luar biasa terkait energi dan produksi bahan kimia. Banyak variasi teknologi pemisahan gas, salah satunya yaitu membran komposit yang secara luas digunakan untuk memenuhi objektif ini. Keuntungan membran ini yaitu mampu menggabungkan permeabilitas dan selektivitas yang tinggi. Struktur membran komposit khas ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. SEM (Scanning Electron Micrograph) potong melintang (cross section) membrane komposit dengan porous support layer (lapisan penyokong berpori) dan dense skin layer (lapisan kulit padat). a. seluruh membran; b. diperkuat dengan potongan dalam lapisan berpori.Membrane komposit terdiri dari dua lapisan, satu lapisan penyokong yang tebal dan satu lapisan kulit yang tipis. Lapisan penyokong, biasanya memiliki ketebalan sekitar 100 m, sangat berpori, yang berfungsi untuk memberikan kekuatan mekanik untuk lapisan kulit. Pengamatan diperkuat dengan gambar yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Lapisan kulit, selalu memiliki ketebalan hanya beberapa mikron, padat dan berfungsi untuk menyediakan selektivitas bagi membran. Pemisahan gas yang diinginkan, misalnya uap air di udara. Uap air akan diizinkan berdifusi melalui lapisan kulit. Gas lain yang tidak diinginkan, seperti udara, dilarang berdifusi melalui lapisan kulit. Proses ini yang menyebabkan dua gas dapat dipisahkan. Membran komposit memiliki lapisan kulit sangat tipis dan tahanan lapisan penyokong rendah, namun permeabilitas seluruh membrane agak tinggi. Akibatnya, membran ini sangat menjanjikan dalam proses pemisahan gas. Membran komposit memiliki kondisi pengoperasian pada tekanan rendah, sehingga dalam pengoperasiannya hanya membutuhkan energi dan biaya yang minimum.Transfer massa dalam membran adalah kunci faktor yang mempengaruhi kinerja sistem. Pemodelan dari transfer massa dalam membran telah lama menjadi fokus penelitian. Membran yang digunakan umumnya, membrane dengan ketebalan sekitar 100 m dan struktur yang sangat inhomogeneous. Akibat sifat mesoscale (m) dalam dimensi dan sulitnya menjaga struktur homogen, membuat pemodelan sistem membran terbatas pada macroscale. Review literatur menemukan bahwa dalam 20 tahun terakhir, studi yang relevan dapat diklasifikasikan ke dalam empat kategori:1. Model parameter lapisan potong tunggal. Pendekatan ini, Model kotak hitam yang digunakan dalam kebanyakan simulasi sistem membran. Berdasarkan metode ini, difusi massa dalam membran dievaluasi dengan parameter empiris difusivitas efektif. Model empiris diringkas untuk menghubungkan difusivitas efektif dengan parameter struktural. Membran berpori, model Fick, model dusty-gas, dan model Stefan-Maxwell digunakan untuk menggambarkan proses transport dalam membran. Membran padat, model solution-difusi digunakan untuk menganalisis difusi massa dalam membrane. Metode ini sederhana dan mudah untuk menyelesaikan, namun perbedaan dalam struktur membrane diabaikan. Fenomena transport dalam membran matriks secara detail tidak diketahui.2. Model parameter dua-lapisan potong. Ini merupakan langkah maju. Membran komposit (seluruh membrane) dibagi menjadi dua lapisan, satu lapisan penyokong berpori, dan satu lapisan kulit padat. lapisan dialiri rangkaian listrik analog dalam rangkaian seri. Keseluruhan hambatan dihitung dengan menjumlahkan hambatan dari dua lapisan. Pendekatan ini, menurut Zhang et al. memperjelas peranan lapisan berpori dan lapisan kulit dalam membran dehumidification udara. Metode ini sebenarnya serangkaian dua kotak hitam, sehingga dapat disebut model dua kotak hitam.3. Modeling makroskopik CFD. Pembelajaran media berpori, persamaan Navies-Stroke dalam matriks diselesaikan dengan memberikan aliran fluida dan profil tranfer massa dalam struktur. Pendekatan volume rata-rata biasanya digunakan untuk mendapatkan sifat makroskopik seperti permeabilitas (melalui Hukum Darcy), dan difusivitas efektif. Pembelajaran struktur berpori dilengkapi packed beds, pasir, dan tanah Meskipun populer dalam media berpori umum, pendekatan ini jarang digunakan dalam membran. Alasannya yaitu jika dibandingkan dengan media berpori umum, ketebalan membran sangat kecil (10-100 m). Meskipun dimensi in-plane serupa dengan media berpori umum, namun melalui dimensi plane dalam mesoscale, membuat penggunaan persamaan N-S macroscale tidak tepat.4. Simulasi Dinamika Molekuler (MDS). MDS adalah pendekatan microscale. Baru-baru ini, MDS telah digunakan untuk mensimulasikan difusi gas dalam media berpori. Transportasi dalam media nanoporous dimodelkan oleh simulate Monte Carlo. MDS Nonequilibrium digunakan untuk menyelidiki sifat transport aliran air pressure-driven yang lewat melalui membran carbon nanotube. Meskipun pendekatan ini dapat menjelaskan mekanisme secara sangat rinci dalam microstructures. Keterbatasan dari metode ini yaitu beban perhitungan sangat berat bahkan untuk sebagian kecil fraksi membran. Oleh karena itu, hanya struktur sangat homogen sederhana dapat didekati.Ringkasan,