SIMULASI KINERJA REAKTOR PELAT SEJAJAR UNTUK PRODUKSI CARBON NANOTUBE SEBAGAI MATERIAL ADI MELALUI REAKSI DEKOMPOSISI KATALITIK METANA

Transkripsi

1 SIMULASI KINERJA REAKTOR PELAT SEJAJAR UNTUK PRODUKSI CARBON NANOTUBE SEBAGAI MATERIAL ADI MELALUI REAKSI DEKOMPOSISI KATALITIK METANA Iene Aiani 1, Yuswan Muhaam, Paswasti PDK Wulan 1 Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Univesitas Indonesia, Depok 1644, Indonesia Riset Gup Enegi Bekelanjutan, Depatemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Univesitas Indonesia, Depok 1644, Indonesia iene.aiani@ui.ac.id, muhaam@che.ui.ac.id, wulan@che.ui.ac.id Abstak Pembuatan Cabon nanotube (CNT)sangat sulit dan mahal untuk dilakukan dalam skala industi. Oleh kaena itu, pada penelitian ini eakto dai skala laboatoium dimodelkan untuk menuunkan esiko kegagalan scale-up. Pesamaan yang dipeoleh dai penelitian kinetika dikombinasikan dengan pinsip peistiwa pepindahan menggunakan pogam Computational Fluid Dynamics (CFD) sehingga didapatkan sebuah model eakto. Model disimulasikan dengan vaiasi space-time, untuk melihat pengauh paamete-paamete tesebut tehadap suhu dan poduksi CNT. Hasil simulasi menunjukan pola alian fluida, pofil suhu, konsentasi, dan konvesi sebagai fungsi jaak dan waktu. Pola alian fluida dipengauhi tekanan dan fakto fiksi dengan dinding dan pelat; sedangkan pofil suhu dipengauhi oleh eaksi, panas funace dan kontak dengan lingkungan. Konvesi metana meningkat akibat peningkatan space-time sekita 9%. Bedasakan hasil simulasi didapatkan konvesi metana tetinggi pada space-time 0,006 g.min/ml. Abstact Poduction Cabon nanotubes (CNTs) ae expensive and had to do in industial scale. Theefoe, in this eseach the laboatoium scale eacto is being modeled to educe the scale-up isk of failue. The equations obtained fom kinetic studies combined with the pinciple of tanspot phenomenon using Computational Fluid Dynamics (CFD) to obtain a eacto model. Model simulated with space-time vaiation to study the effect of that paamete on the eacto tempeatue and CNT poduction. The esults obtained fom the simulation ae fluid flow patten, tempeatue, consetation and convesion pofile as a function of time and distance. The fluid flow patten affected by pessue dop and fiction facto between wall and plates. Meanwhile, the tempeatue pofile is affected due to the eaction, heat fom the funace and contact with envionment. Convesion of methane inceased due to enhancement in space-time aound 9%. The geatest convesion of methane on space-time g.min/ml. Keywods: computational fluid dynamics; catalytic decomposition of methane; paallel plate eacto 1. Pendahuluan Cabon nanotube (CNT) meupakan mateial yang banyak menjadi obyek penelitian di bidang teknologi nano. CNT memiliki stuktu yang unik, sifat mekanik dan sifat elektik yang unggul seta kekuatan yang tinggi. CNT telah banyak digunakan untuk bebagai kepeluan Bebeapa metode dapat digunakan untuk sintesis CNT, antaa lain chemical vapo deposition (CVD) [1], spay pyolysis maupun dekomposisi metana []. Dalam usaha untuk mengembangkan poduksi hidogen jangka pendek dan menengah melalui pendekatan dekabonisasi fosil, salah satu altenatif yang menaik adalah dekomposisi katalitik langsung metana (gas bumi) menjadi hidogen bebas dan kabon nanotube kualitas tinggi dengan eaksi sebagai beikut [3]: CH C + ΔΗ 98 = +75kJ / mol 4 H (1) Simulasi Kineja..., Iene Aiani, FT UI, 013

2 Poses ini belangsung pada suhu yang lebih endah dengan kebutuhan enegi yang lebih sedikit dibandingkan dengan poses steam efoming of methane [4], [5], [6]. Sejak petengahan tahun 008, tim iset CNT Univesitas Indonesia sudah mulai melakukan penelitian dengan eaksi pelat sejaja untuk eaksi dekomposisi katalitik metana dan penelitian pada tahap studi kinetika aga dapat digunakan pada ange kondisi opeasi yang lebih leba. Kemudian pesamaan yang dipeoleh dai penelitian kinetika dikombinasikan dengan pinsip pepindahan panas dengan metode Computational Fluid Dynamics (CFD), salah satu caa melakukan simulasi aga dapat dilihat fenomenafenomena yang tejadi pada suatu sistem. Metode ini digunakan untuk menghemat waktu dan biaya dalam usaha membuat eakto skala komesial [7]. Di lain pihak, pengembangan eakto dengan menggunakan ekspeimen membeikan hasil yang sangat bevaiasi tegantung dai pelaksananya. Selain itu, sangat sulit ditemukan posisi pada eakto yang memiliki gadien tempeatu tekecil. Oleh kaena itu analisis ini dilakukan melalui pemodelan eakto secaa tiga dimensi dengan menggunakan pogam computational fluid dynamics (CFD) benama COMSOL. Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan pengauh peubahan laju ali pada kineja eakto plat sejaja untuk mempoduksi CNT dengan eaksi dekomposisi katalitik metana sebagai fungsi jaak, dan waktu pada tekanan 1 atm dan suhu 700K.. Metode Penelitian Pemodelan dilakukan dengan bantuan pianti lunak COMSOL Multiphysics 4.3a. Penelitian yang dilakukan tedii dai tiga tahapan besa, petama adalah studi liteatu dan penentuan batasan model untuk daeah eaksi eakto pelat sejaja yang tedii dai neaca massa, neaca enegi, neaca momentum dan lapisan batas antaa fasa. Reaksi dekomposisi katalitik metana menggunakan data kinetika intinsik yang didapatkan dai efeensi [8]. Penentuan batasan model ini betujuan untuk menyedehanakan model dengan memasukkan asumsi-asumsi yang telah ditetapkan sebelumnya. Tahap kedua adalah simulasi. Metode penyelesaian yang digunakan oleh COMSOL adalah Finite Element Method (FEM), metode numeis yang membagi geometi pemodelan menjadi segmen-segmen kecil yang disebut mesh. Tahap ketiga adalah validasi. Validasi dilakukan dengan membandingkan data hasil simulasi dengan data hasil ekspeimen dai efeensi [9] dan [10]. Jika eo yang dihasilkan lebih dai 10% maka pemodelan di ulang kembali ke tahap petama. Gamba 1. Ilustasi geometi pemodelan Asumsi Pemodelan Asumsi pemodelan yang digunakan adalah pesamaan neaca dalam kondisi tak tunak. Geometi pemodelan 3D dengan geometi eakto dibagi secaa simeti menjadi empat bagian. Ilustasi geometi dapat dilihat pada Gamba 1. Pesamaan yang digunakan dalam COMSOL Neaca enegi (), massa (3), momentum (4), lapisan batas anta fasa (5), dan ekasi katalitik dekomposisi metana (6) : T ρ C p + ρc pu T = ( k T ) + Q + Qvh + Wp () ci + ( Di ci ) + u ci = Ri (3) u T ρ + ρ( u ) u = [ pι + µ ( u + ( u) )] + F (4) ( N i, 1 N i, ) = N 0 j n, + k M laju _ eaksi = 1 1+ " K CH4 3 H k M " K K + ' 1 1 H K K K H p H (5) (6) Laju massa, komposisi, tempeatu dan kecepatan alian masuk dianggap unifom ke aah adial dan menggunakan kondisi batas Diichlet. Laju kelua ditentukan denan kondisi batas Neumann yang menyatakan tidak ada peubahan jumlah alian massa dan momentum pada outlet. Pepindahan massa difusi dihitung dengan menggunakan hukum Ficks. 3. Hasil dan Pembahasan Hasil simulasi COMSOL bebentuk pofil konsentasi, tempeatu, dan kecepatan pada geometi eakto yang telah dibuat sebelumnya. Tujuan simulasi ini adalah untuk mengetahui pengauh peubahan komposisi umpan dan suhu opeasi pada kineja eakto plat sejaja untuk mempoduksi CNT dengan eaksi dekomposisi katalitik metana sebagai fungsi jaak, dan waktu pada tekanan 1 atm dan suhu 700K. Simulasi Kineja..., Iene Aiani, FT UI, 013

3 Pofil Kecepatan Hal ini sesuai dengan teoi kecepatan antaa dua pelat. Kecepatan yang naik disebabkan oleh adanya bounday laye. Bounday laye menyebabkan alian pada posisi dekat pelat menjadi melambat akibat fiksi yang disebabkan oleh gesekan antaa pelat dan alian fluida. Namun pada posisi tengah (tepat antaa dua buah pelat), kecepatan akan naik akibat esultan fluks momentum dai bounday laye Pofil Suhu (a) (b) Gamba. Pofil Kecepatan (a) dan Tekanan (b) Gamba. menunjukkan pofil kecepatan dan tekanan di sepanjang eakto, dimana kecepatan tebesa tejadi pada bagian yang diantaa pelat. Hal ini tejadi kaena bentuk pola alian yang dihasilkan lebih banyak mengali ke bagian yang lebih luas (di antaa dua pelat) di daeah yang dekat dengan inlet gas. Alian gas dapat mengali ke bagian antaa dua pelat disebabkan adanya pebedaan tekanan pada dua bagian eakto sepeti yang telihat pada Gamba.b. Hal ini sesuai dengan Hukum Benoulli yang menyebutkan bahwa fluida akan mengali apabila tejadi pebedaan tekanan. Untuk mengevaluasi kecepatan lebih mendalam tehadap aah adial, dibuat gafik kecepatan tehadap jai-jai eakto pada posisi tetentu sepeti yang telihat pada Gamba 3. Dai Gamba 11 dapat dilihat bahwa tempeatu semakin cepat mendekati tempeatu dinding pada bagian yang dekat dinding. Sedangkan ketika semakin menjauh dai bagian dinding menuju pusat eakto/eaksi, tempeatu semakin sulit untuk mendekati tempeatu dinding kaena enegi dai panas tesebut juga dikonsumsi oleh eaksi dekomposisi metana yang meupakan eaksi endotemis. Untuk mengevaluasi tempeatu lebih mendalam, dibuat gafik tempeatu sepanjang eakto pada posisi tetentu sepeti telihat pada Gamba 5. Gamba 5. menunjukkan peningkatan suhu sepanjang eakto hingga jaak 30 cm dai inlet, kemudian menuun akibat kontak dengan lingkungan. Peningkatan suhu ini disebabkan oleh pemanasan funace. Gamba ini juga menunjukkan bahwa pemanasa yang dilakukan oleh funace melebihi panas yang dikonsumsi eaksi endotemis, sehingga membuat suhu pada gas semakin meningkat. Hal ini disebabkan semakin menjauh dai pusat eaksi maka menyebabkan panas yang dikonsumsi menjadi jauh lebih kecil dibandingkan panas yang masuk dai funace. Gamba 4. Pofil Suhu Gamba 3. Pofil Kecepatan Sepanjang Jai-Jai Reakto Simulasi Kineja..., Iene Aiani, FT UI, 013

4 Gamba 5. Validasi Pofil Suhu Hasil Simulasi Tehadap Data Ekspeimen Pada Gamba 5. dapat dilihat pengukuan efektivitas panjang eakto yang telah dilakukan oleh Wandawa. Hasil pengukuan yang telah dilakukan oleh Wandawa dibandingkan dengan hasil dai simulasi pada COMSOL. Pembandingan ini dilakukan untuk memvalidasi simulasi pada COMSOL dengan paamete kesalahan yang dapat diteima lebih kecil dai 10%. Data validasi antaa ekspeimen dengan simulasi dapat dilihat pada Tabel 1. Hasil validasi menunjukkan bahwa model eakto yang dibuat membeikan hasil beupa pofil suhu yang sesuai dengan hasil ekspeimen yang telah dilakukan oleh Wandawa Tabel 1. Hasil Validasi Simulasi Tehadap Data Ekspeimen Jaak Pelat (cm) Ekspeimen Simulasi Eo ,67 4,18% ,413 1,7% ,353 0,48% ,574 0,46% ,035 6,3% (a) Gamba 6. Pofil Konsentasi Kabon (a) dan Metana (b) Pofil konsentasi juga dapat dilihat melalui pofil konvesi metana selama 5 jam ekspeimen. Pada Gamba 7. dapat dilihat konvesi metana pada suhu eaksi 700ºC dengan vaiasi space-time. Hal ini dilakukan untuk membandingkan hasil simulasi dengan ekspeimen yang telah dilakukan oleh Wandawa. Bedasakan Gamba 7. dapat diketahui bahwa semakin tinggi space-time maka semakin besa konvesi yang dihasilkan. Semakin besa space-time maka semakin lama waktu metana beada dalam eakto sehingga kemungkinan metana beeaksi di pemukaan eakto lebih banyak dai pada eakto dengan waktu space-time yang lebih kecil. (b) Pofil Konsentasi Gamba 6 (a) mempelihatkan peubahan konsentasi dai kabon bedasakan panjang eakto di bebeapa titik. Pada gamba ini telihat bahwa konsentasi kabon teus meningkat. Gamba 6 (b) menunjukkan penuunan konsentasi metana tehadap panjang eakto di bebeapa titik. Disini dapat dilihat bahwa konsentasi metana yang bekuang yang disebabkan oleh fakto-fakto sepeti laju difusi, konveksi, konduksi dan laju eaksinya. Konsentasi kabon yang tebentuk mendekati konsentasi metana yang tekonsumsi yang disebabkan oleh kesetaaan eaksi dimana satu mol metana akan menghasilkan satu mol kabon sesuai eaksi dekomposisi metana ( CH C + ). 4 H Gamba 7. Pofil Konvesi Metana Tehadap Waktu dengan Vaiasi Space-time 4. Kesimpulan Setelah melakukan penelitian ini, peneliti menyimpulkan bebeapa hal yaitu. Simulasi Kineja..., Iene Aiani, FT UI, 013

5 1. Pola alian setelah melewati daeah inlet eakto lebih dipengauhi oleh alian aah aksial (panjang eakto). Peistiwa ini disebabkan oleh pebedaan tekanan antaa tekanan didekat dinding dengan diantaa pelat pada daeah dekat inlet eakto.. Bedasakan hasil simulasi,tejadi peningkatan suhu sepanjang eakto hingga jaak 30 cm dai inlet, kemudian menuun akibat kontak dengan lingkungan. Pofil suhu eakto mulai stabil sejak menit ke Pofil konsentasi metana dan kabon secaa adial tejadi secaa meata akibat alian fluida dalam eakto. 4. Konsentasi metana menuun sepanjang eakto, sedangkan konsentasi kabon meningkat sepanjang eakto. 5. Konvesi metana meningkat seiing peningkatan space-time. Konvesi metana yang didapat beada pada entang 84% sampai 93% dengan vaiasi space-time. 6. Pembandingan antaa ekspeimen yang telah dilakukan oleh Wandawa (01) dengan hasil simulasi pada penelitian ini menunjukkan bahwa model mampu membeikan hasil yang sesuai dengan hasil ekspeimen beupa pofil suhu dan konvesi metana dengan eo ata-ata dibawah 10%. [7] WILSON, G., MCHUGH, P., HANSON, K., KLOCKE, J., GIBBONS, K. & RITZDORF, T Design and Simulation of the Semitool CFD Plating Reacto. In: MATERIALS, A. (ed.). [8] WULAN, P. P Intinsic Kinetic Model of Catalytic Decomposition of Methane to Poduce Cabon Nanotube on Ni-Cu-Al Catalyst. Jounal of Natual Gas Chemisty. [9] WANDAWA, R.A. 01. Uji Kineja Reakto Katalis Testuktu Pelat Skala Bench untuk Poduksi Cabon Nanotube dan Hidogen Melalui Reaksi Dekomposisi Katalitik Metana. S1, Univesitas Indonesia Dafta Acuan [1] Maghsoodi, S., KHODADADI, A. & MORTAZAVI, Y A novel continuous pocess fo synthesis of cabon nanotubes using ion floating catalyst and MgO paticles fo CVD of methane in a fluidized bed eacto. Applied Suface Science, 56, [] PINILLA, J. L., LLOBET, S. D., SUELVES, I., UTRILLA, R., LÁZARO, M. J. & MOLINER, R Catalytic decomposition of methane and methane/co mixtues to poduce synthesis gas and nanostuctued cabonaceous mateial. Fuel, 90, [3] GRUJICIC, M., CAO, G. & GERSTEN, B. 00. An atomic-scale analysis of catlitically-assisted chemical vapo deposition of cabon nanotubes. Mateials Science and Engineeing, B94, [4] ERMAKOVA, M. A. & ERMAKOVA, D. Y. 00. Ni/SO and Fe/SiO Catalysts fo Poduction of Hydogen and Filamentous Cabon via Methane Decomposition Catalysis Today, 77, [5] LI, Y Simultaneous Poduction of Hydogen and Nanocabon fom Decomposition of Methane on a Nickel-Based Catalyst. Enegy & Fuels, 14, [6] HUANG, H. J Pactical Compute Simulation of Chemical Pocesses. Chemical Industy Pess Simulasi Kineja..., Iene Aiani, FT UI, 013