SIMULASI PRODUKSI HIDROGEN MELALUI CO2 METHANE REFORMING DENGAN MENGGUNAKAN REAKTOR MEMBRAN TESIS IRA SANTRINA JC NIM:

Transkripsi

1 SIMULASI PRODUKSI HIDROGEN MELALUI CO2 METHANE REFORMING DENGAN MENGGUNAKAN REAKTOR MEMBRAN TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh: IRA SANTRINA JC NIM: Program Studi Teknik Kimia INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

2 ABSTRAK SIMULASI PRODUKSI HIDROGEN MELALUI CO2 METHANE REFORMING DENGAN MENGGUNAKAN REAKTOR MEMBRAN Oleh Ira Santrina JC NIM: Hidrogen merupakan bahan bakar alternatif yang prosfektif untuk menggantikan bahan bakar konvensional seperti minyak, gas, dan batubara. Hal ini disebabkan karena hidrogen lebih ramah terhadap lingkungan, serta sumber bahan bakunya tersedia dalam jumlah besar baik dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui maupun yang tidak dapat diperbaharui. Salah satu pengelolaan produksi hidrogen adalah melalui reformasi metana dengan karbondioksida (CO2 Methane Reforming/CMR). CMR terdiri dari 2 reaksi utama yaitu reaksi reformasi yang berlangsung secara endotermis dan reaksi water-gas shift yang berlangsung secara eksotermis. Produksi hidrogen yang ada saat ini dilakukan secara konvensional melalui reaktor tubular. Saat ini telah dikembangkan proses baru menggunakan membran yang mampu meningkatkan laju produksi H2. Penelitian bertujuan untuk mempelajari unjuk kerja reaktor membran dalam melaksanakan CMR. Dua tipe reaktor membran tersebut yakni porous vycor dan nanosil. Sebagai pembanding, dilakukan juga evaluasi unjuk kerja reaksi CMR pada reaktor fixed-bed. Hasilnya, diperoleh bahwa reaktor nanosil dan porous vycor memiliki nilai konversi lebih besar dibanding reaktor fixed-bed. Sedangkan antar reaktor membran, nanosil lebih tinggi nilai produksi hidrogennnya dibanding dengan reaktor porous vycor. Kata kunci: reaktor membran, reformasi metana, produksi hidrogen i

3 ABSTRACT SIMULATION OF HIDROGEN PRODUCTION THROUGH CO2 METHANE REFORMING BY USING MEBRANE REACTOR By Ira Santrina JC NIM: Hydrogen is a promising alternative fuel for substituting conventional fuels such as oil, gas, and coal. This is because hydrogen is environmentally and its source can be supplied either from renewable or non-renewable sources. One of the methods for producing hydrogen is through CO2 methane reforming (CMR). CMR consists of two reactions. Reforming of methane is first reaction. This reaction is operated on endothermic condition. Second reaction is water-gas shift that is on exothermic condition. Conventionally the production of hydrogen is conducted in a tubular reactor. There is new innovation in production of hydrogen through membrane reactor to increase production flow of hydrogen. The evaluations were conducted by comparing the performance conventional process and membrane reactor at the same operation condition. The results show that the conversion value nanosil membrane reactor is higher than ones porous vycor obtained in membrane reactor and obtained in fixedbed. Keywords: membrane reactor, methane reforming, hydrogen production ii

4 PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung. iii

5 KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan pimpinan-nya, penulis dapat menyelesaikan laporan penelitian ini. Penelitian ini berjudul Simulasi Produksi Hidrogen melalui CO2 Methane Reforming dengan Menggunakan Reaktor Membran dan bertujuan untuk mengevaluasi unjuk kerja reaktor membran dan reaktor konvensional dalam produktifitas hidrogen dengan reaksi reformasi metana dengan CO2. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada bapak Prof. Dr. Herri Susanto sebagai Koordinator Program Pascasarjana Teknik Kimia ITB, bapak Dr. Azis Trianto selaku dosen pembimbing penulis, Tommi Hutapea sebagai suami tercinta yang setia memberikan doa dan dukungan, Mama, abang Ako, abang Jimmy, dan Hanche sebagai orang tua, abang dan adik penulis yang memberi dorongan dan kasih sayang, Fauzan, Lelyana, Mba Dini, Pak Patrik, Fitri, dan Riri sebagai rekanrekan diskusi penulis, serta rekan-rekan S2 angkatan 2004 dan 2005 yang sudah memberikan semangat, dukungan serta bantuannya dan masih banyak pihak-pihak lain yang tidak kecil keterlibatannya dalam penyelesaian penelitian ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa laporan penelitian ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis senantiasa terbuka terhadap kritik dan saran dari pembaca. Semoga laporan ini bermanfaat bagi pembaca. Terima kasih. Penulis, (Ira Santrina J.C) iv

6 DAFTAR ISI ABSTRAK.. i ABSTRACK ii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS. iii KATA PENGANTAR iv DAFTAR ISI.. v DAFTAR LAMPIRAN... vii DAFTAR GAMBAR viii DAFTAR TABEL x DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG xi Bab I Pendahuluan 1 I.1 Latar Belakang 1 I.2. Rumusan Masalah... 4 I.3. Tujuan Penelitian... 4 I.4. Ruang Lingkup Penelitian.. 4 Bab II Tinjauan Pustaka. 5 II.1 II.2 II.3 II.4 II.5 II.6 Aplikasi Hidrogen.... Steam Methane Reforming... CO2 Methane Reforming... Proses Konvensional dan Membran..... Reaktor Membran... Proses Transport dalam Reaktor Membran... II. 6.1 Neraca Material pada Shell... II. 6.1 Neraca Material pada Tube... II.6.3 Difusi... II.6.4 Tekanan Parsial... II.6.5 Beda Tekanan... II.6.6 Kinetika Reaksi v

7 Bab III Rancangan Penelitian.. 23 III.1 III.2 III.3 III.4 Metodologi Penelitian..... Reaktor FixedBed... Reaktor Membran Porous Vycor... Reaktor Nanosil Bab IV Hasil dan Pembahasan. 27 IV.1 IV.2 IV.3 IV.4 IV.5 Model Reaksi Model Reaktor Fixed-Bed... Model Reaktor Membran Porous Vycor... Model Reaktor Membran Nanosil... Pengaruh Temperatur dan Laju Molar Inlet Terhadap Konversi Metana Bab V Kesimpulan dan Saran. 41 V.1. Kesimpulan. 41 V.2. Saran DAFTAR PUSTAKA. 42 Lampiran A Data Reaktor FixedBed Lampiran B Data Reaktor Membran Porous Vycor Lampiran C Data Reaktor Membran Nanosil vi

8 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Lampiran B Lampiran C Data Reaktor FixedBed... Data Reaktor Membran Porous Vycor... Data Reaktor Membran Nanosil vii

9 DAFTAR GAMBAR Gambar I.1 Gambar I.2 Gambar I.3 Gambar I.4 Gambar II.1 Gambar II.2 Gambar II.3 Gambar II.4 Gambar II.5 Gambar II.6 Gambar II.7 Gambar II.8 Gambar II.9 Gambar II.10 Gambar II.11 Gambar II.12 Gambar II.13 Gambar II.14 Gambar II.15 Gambar II.16 Gambar II.17 Gambar II.18 Gambar III.1 Gambar III.2 Gambar IV.1 Efek rumah kaca, Ani K. Prabhu (2003)... Kontribusi terhadap efek rumah kaca, Ani K. Prabhu (2003)... Steam methane reforming menggunakan reaktor membran, Glimt (2004)... Konfigurasi pemisahaan dalam membran, Glimt (2004)... Aplikasi hidrogen sebagai fuell cell... Proses steam methane reforming, Attilio Pigneri (2004) Steam methane reforming, Arthur (2003) Proses water-gas shift dalam reaktor mebran Ukuran proses konvensional (kiri) dan membran (kanan)... contoh reaktor membran yang telah berkembang di jepang, JGA (2004)... Steam methane reforming secara konvensional, Masao Hori (2004)... Steam methane reforming secara membran, Masao Hori (2004)... Produksi hidrogen dengan menggunakan reaktor konvensional... Produksi hidrogen dengan menggunakan membran hidrogen... membran reformer dan convensional reformer, Masao Hori (2004)... Proses metana menjadi hidrogen pada reaktor membran... Struktur mikroskopik vycor dan nanosil, Andre Ayral (2005)... Struktur membran paladium... Modul palladium membran reformer... Proses pembuatan membran dengan Chemical Vapor Deposition... Konfigurasi reaktor membran, Ani K. Prabhu (2003)... Konfigurasi reaktor membran, Ani K. Prabhu (2003)... Tahap simulasi proses dalam reaktor fixed bed... Tahap simulasi proses dalam reaktor porous vycor dan nanosil... Skema Membrane Reactor viii

10 Gambar IV.2 Gambar IV.3 Gambar IV.4 Gambar IV.5 Gambar IV.6 Gambar IV.7 Gambar IV.8 Gambar IV.9 Gambar IV.10 Gambar IV.11 Gambar IV.12 Gambar IV.13 Gambar IV.14 Skema Reaktor Fixed-Bed... Laju alir molar untuk Model Fixed-Bed... Konversi metana dan kardondioksida... Karakteristik tekanan partial masing-masing komponen... Beda tekanan... Laju alir molar porous vycor di shell... Laju alir molar porous vycor di tube... Laju alir molar hidrogen di shell dan tube porous vycor... Laju alir molar di shell... Laju alir molar hidrogen di tube... Konversi kesetimbangan terhadap temperatur... Konversi terhadap variasi temperatur... Konversi vs laju alir volumetrik metana ix

11 DAFTAR TABEL Tabel II.1 Tabel II.2 Tabel II.3 Tabel IV.1 Tabel IV.2 Tabel IV.3 Tabel IV.4 Tabel IV.5 Tabel IV.6 Karakteristik Hidrogen, Attilio Pigneri (2004)... Neraca material masing-masing spesies di shell... Neraca material masing-masing spesies di tube... Variabel model Fixedbed... Variabel model reaktor Porous Vycor... Variabel reaktor membran Nanosil... Nilai awal laju alir volumetrik di shell dan tube... Pengaruh temperatur terhadap konversi metana... Pengaruh laju alir volumetrik terhadap konversi x

12 DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG CMR CO2 Methane Reforming 4 CVD Chemical Vapor Deposition 16 Q Fluks di shell 19 Q Fluks di tube 19 D i Difusitas Knudsen 20 P i Tekanan parsial di shell 19 ' P i Tekanan parsial di tube 19 R 1 Jari-jari tube 19 R 2 Jari-jari shell 19 r 1 Laju reaksi 1 22 r 2 Laju reaksi 2 22 μ s Viskositas campuran di shell 21 μ t Viskositas campuran di tube 21 ' v z Kecepatan superfisial di tube 21 v z Kecepatan superfisial di shell 21 xi