SIMULASI PROSES PADA SIKLUS TERMOKIMIA "UT-3"UNTUK PRODUKSI HIDROGEN DARI Am

Amir Rusli *

ABSTRAK

Para pakar dunia disibukan oleh pengembangan energi baru yang sarat dengan persyaratan dantuntutan zaman yang harus dipenuhi, antara lain; bebas polusi, tersedia dalam jumlah besar, fleksibeldalam penggunaan, mudah disimpan dan mudah ditransportasi seperti layaknya sumber energi fosil(minyak, gas alam). Hidrogen karena bebas dari unsur karbon (C), tersedia dalamjumlah yang melimpahsebagai molekul air dapat dipertimbangkan sebagai salah satu energi alternatif masa depan yang ramahterhadap Iingkungan. Persoalan selanjutnya adalah bagaimana memecah molekul air menjadi hidrogendan oksigen dengan teknologi murah. Pada saat itli produksi hidrogen dari air dapat dilakukan dengantermolisa, termokimia, fotolisa dan elektrolisa dan sebagai sumber panasnya dapat diperoleh dari reaktornuklir (HTGR), kolektor sinar matahari atau panas buangan pabrik baja. Dalam makalah ini dilaporkanhasil hidrogen dari air dengan metoda termokimia (UT-3) baik secara percobaan maupun simulasikomputer. Diagram alir dari sistem proses UT-3 telah dimodifikasi untuk mendapatkan kesinambunganproduksi hidrogen. Model reaktor pipa (tubular reactor) dua dimensi diusulkan untuk mengsimulasikanpenampilan reaktor (Fixed bed reactor). Kedua hasil simulasi dan percobaan dibandingkan.

PENDAHULUAN

Masalah Energi dan Energi Alternatif llidrogen

Dunia dikejutkan oleh embargo minyak bumi 'pada tahun 1973, dan kejadian inisekaligus mengingatkan kita semua bahwa sumber energi tersebut suatu saat nantibenar-benar akan habis. Negara-negara yang miskin sumberdaya alam dan energibanting stir ke sumber energi lain, Jepang, Perancis, Belgia, Swedia misalnyamenjadikan energi nuklir sebagai sumber utama pemasok kebutuhan energi (listrik)Nasiona1nya agar roda industri mereka tetap berputar. Pada sisi lain para pakar dibanyak negara diransang untuk mencari sumber energi baru dengan segalapersyaratan yang harus dipenuhi antara lain: bebas polusi, tersedia dalam jumlahbesar (tak terbatas), mempunyai tleksibilitas tinggi, mudah disimpan, mudahditransportasi, dengan kata lain energi baru tersebut hams memiliki kemudahanpenanganan persis seperti minyak bumi.

Energi hidrogen dengan segala kelebihannya antara lain: bebas unsur karbon,tersedia dalam jumlah tak terbatas sebagai molekul air, dapat diproduksi olehsiapapun dan dimanapun bahkan dinegara yang paling miskin sumber daya alam dan

* Pusat Pengkajian Teknologi Nuklir - SA TAN

647

energi nampakhya 'dapat dipertimbangkan sebagai salah satu energi alternatifpengganti fungsi minyak bumi untuk transportasi, industri dan rumah tangga.

Persoalan selanjutnya adalah bagaimana memecah molekul air menjadi unsurhidrogen dan oksigen dengan teknologi murah. Saat ini produksi hidrogen dari airdapat dilakukan dengan proses termolisa (2500 K - 3000 K), termokimia ( < 1000 K),fotolisa dan elektrolisa dengan mamnfaatkan sumber energi panas dari reaktor nuklir(HTR), kolektor sinar matahari atau panas buangan pabrik baja.

oj' ,

;",tt)!g

Sejak proses 'siklus termokimia pertama kali diperkenalka.p oleh J. Funk (USA)pada tahun 1950an;' hitusan siklus termokimia baru lahir di beberapa negara sepertiJerman, Jepang, Itali;J(China, USA dst. Kameyama dkk. (Jep~mg) memperkenalkan

siklus termokimia '~~j~g diberi qama University of Tokyo ke-3;~~tau UT-3. Siklus initerdiri dari senyawl,ll:u;pm, besi dan kalsium seperti terlihat pada tabel I.

Setelah melakukan studi fundamental seperti pengukuran kinetika dsb. [I]kemudian model percbbaall skala kecil (bench-scale) telah dibangun dan telah suksesdioperasikan selama 200 jam [2]. Secara palalel bersama dengan pengoperasiantersebut telah dilakukall pula evaluasi biaya produksi hidrogen oleh Toyo EngineeringCorp. [3] dibawah kOlltrak dengan JAERI. Sebagai hasilnya, biaya produksidiperkirakan 46.4 Nm-3 pada tahun 2007. Harga ini masih berada diatas biayaproduksi hidrogen dari sistem reforming gas alam 32.6 yen/Nm-3(l988).

Pad a penelitian ini proses termokimia (siklus UT-3) dipilih dengan beberapapertimballgan: pertama, energi panas yang diperlukall berkisart antara 473 sid 973 Kmasih dalam panas kerja dari HTR. Kedua, karena reaksi hallya terjadi antara zatpadat dan gas, proses pengoperasiallnya sangat mudah hanya dengan menutup danmembuka katup. untuk mengalirkan reaktan gas dari satu reaktor ke reaktor lainnya.Guna menunjang pengembangan ke skala yang lebih besar (scale up) siklustermokimia UT-3 dilakukan simulasi komputer, hasil simulasi ini dibandingkandengan hasil percobaan dengan reaktor Fixed bed.

MODIFlKASI BAGAN ALIR PROSES SKALA KECIL MASCOT PLANT

Bagan alir proses instalasi (plant) telah dimodifikasi dari bagan alir proseslama (a) ke bagan alir proses baru (b) sebagai mana terlihat pada gambar 1. Padabagan alir proses baru ini terlihat jelas bahwa hanya substansi gas yang dialirkan ke

reaktor fixed bed yang dihubungkan secara seri, dimana berlangsung reaksi kimia.Dengan loop seperti ini hidrogen dan oksigen dipisahkan sebagai produk oleh duaseparator.

648

Dimisalkan disini bahwa reaktor (1) dan (2) masing-masing berisi CaBr2 danCaO. dan reaktor (3) dan (4) masing-masing berisi Fe304 dan FeBr2' Pertama-tama,air dalam bentuk uap dialirkan ke reaktor (1) dan reaksi persamaan (I) berlangsung,kemudian gas produk reaksi langsung dialirkan ke reaktor (4) dan reaksi persamaan(4) berlangsung. Ini adalah prosedur yang dapat diterima karena konversikesetimbangan uap air dari persamaan reaksi (1) lebih rendah dari persamaan reaksi(4). Produk hidrogen dari persamaan reaksi (4) dipisahkan sebagai produk dan produkgas-gas lainnya hams dialirkan ke reaktor (3) sebagai reaktan gas. Gas brom dan airyang diproduksi dari persamaan reaksi (3) dialirkan langsung ke reaktor (2). Suatu halyang dikhawatirkan dan perlu diteliti lebih lanjut adalah adanya gangguan oleh HBrsisa. Pad a sistem operasi ini, HBr yang tidak ikut bereaksi hams dialirkan kereaktor (2); dan selanjutnya reaksi kebalikan dari persamaan reaksi (I) mudahberlangsung dan CaO akan dikonsumsikan tanpa produk 02.

SIMULASI PENAMPILAN REAKTOR

Pemodelan Simulasi

Pertama, asumsi-asumsi berikut digunakan dalam pemodelan:(1) Gas mengalir secara plug-flow

(2) Distribusi temperatur kearah radial reaktor, sedangkan kedalam pelet reaktandiabaikan.

(3) Turbulent transfer panas terjadi antara gas dan reaktan padat(4) Transfer panas melalui dinding reaktor.

Persamaan neraca massa dan neraca panas dari gas dan zat padat berikutbatasan-batasan yang digunakan dalam simulasi ini, terlihat pada tabel 2.

HasH Simulasi Percobaan

Gambar 2 memperlihatkan reaktor Fixed bed yang terbuat dari tube glas quartzpanjang 500 mm dan diameter 25 mm. Sejumlah yelet reactant padat senyawa besiberdiameter 2 mm di pack dalam reaktor sepanjang 50 mm. Produk gas dianalisadengan menggunakan teknik-teknik yang sudah umum dipakai.

Pada gambar 3 dan 4 terlihat masing-masing rentangan waktu konversi reaktanHBr dan produk Br2 baik hasil simulasi maupun hasil percobaan. Terlihat jelas bahwakedua hasil baik percobaan maupun hasil komputasi mempunyai hubungan yangharmonis. Dengan adanya kesesuaian antara hasil percobaan dan hasil komputasimaka dapatlah dikatakan bahwa simulator telah dapat dikembangkan dengan baik dan

649

benar, pada tahap selanjutnya bila dikehendaki simulator dapat digunakan untukperhitungan-perhitungan keskala yimg lebih besar (scale-up).

Pcnampilan Simulator Rcaktor Fixed Bed

,. Dengan menggunakan model simulasi diatas, penampilan reaktor sepanjang300 sid 1000 mm dibawah asumsi dan kondisi tertentu telah disimulasikan. Gambar 5

memperlihatkan rentangan waktu pembentukan konsentrasi Br2 dan konsentrasi HBrsisa reaksi sepanjang reaktor 300 mm dalam persamaan reaksi (3). Dari hasil inidisarankan adalah sangat mungkin memproduksi Br2 tanpa terganggu olehpembentukan HBr setelah 100 min dari sejak sejak reaksi mulai berlangsung.Gambar 6 memperlihatkankurva-kurva distribusi konversi HBr dalam reaktor Fixed

bed. Ditemukan bahwa zone reaksi bergerak maju dengan kecepatan tetap (konstan).Artinya dimungkinkan untuk mengambil hanya Br2 dan H20 tanpa dikotori oleh HBrdalam pengoperasian dengan sistem katup (valve).

KESIMPULAN

(I). Modifikasi yang telah dilakukan terhadap bagan alir instalasi percobaan skalakecil (bench-scale) siklus termokimia UT-3 telah memberikan hasil dengan baik.

(2). Model telah dikembangkan untuk mensimulasikan penampilan reaktor dan telahpula dibandingkan terhadap hasil percobaan dari siklus persamaan reaksi (4) dan(5) dengan menggunakan reaktor Fixed bed.

DAFTAR PUSTAKA

I. H. KAMEY AMA and K. YOSHIDA, "Proceeding 2nd World Hydrogen EnergyConference", Zurich, Switzerland, (1978),829-850.

2. H. KAMEY AMA and R. AMIR et aI., "Int. Journal of Hydrogen Energy", 14, 5(1989), 323-330.

3. Toyo engineering Corp., "Report prepared for JAERI", (1985).

650

Tabel ]. Siklus UT-3

CaBr2(S)

+ H2O(g)70d'C >CaO(s)+ 2HBr(g) (1)CaO(S)

+ Br2(g)55d'C >CaBr2(S)+ .]1202(g) (2)Fe304(S)

+ 8HBr(g)22d'C > 3Febr2(S) + 4H2O(g)+ Br2(g) (3)3FeBr2(S)

+ 4H2O(g)56d'C > Fe304(S)+ 6HBr(g)+ H2(g)(4)

H2O

)H2+]/2°2

Tabel 2. Equations of mass and heat balances

Gas:mass balance

de.e-IdS

dO.= __ I _dz

(1)

(2)

Pel1et: Homogeneous reaction model mass balance

f. =!n D3KCNCmI 6 p I S.l I

heat balance

Boundary conditions:

ts = 1, for z = 0 andS = 0

tg = 1, C; = 1for z = O(S)0)

ts = 1, Cj = 0,0; = OforS = O(z)O)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

65]

(.~),I,

I

II)" ,",

- CoO. 2 '10, ,,,(r,\

\ ,,,CoSrl • H~O

-CoO. 2 H8r3 Fe8,z • 4 HzO

-Fe,O •• 6H9, • HZ

HZO

HO,

3 Fe9,} • 4 H20

-re,O •• GH8r .Hl

ReaClor, ,, ,, ,(:3),,,,,,,,,

L ~C;:IO •. 8r2

-C09'2 • 1/2 O2Cc::J • 8'2

-(::;'("1 ...;/2 O2

F~~O< • e H;],

- :!. ~ C Sf 2 •.•.• ~":: .•'

Gambar 1. (a) Oldjlow sheet

(b) New jlow sheet of the UT-3 process.

1. HBr solution2. H20

3 Evaporater4. Quarz reactor5. Furnace6. Condensore7. Absorber

8. CaCb column

9. Deoxygen coulmn10. Stop valve11. Pressure regulator12. Pressure gauge13. Flow meter14. Mass flow valve

7

Gambar 2. Experimental apparatus(FL\:ed-bed reactor)

653

654

oxc:

2J.01 I

T =493( K)

sv = 535 (I h-l)

L = 0.05 (m)Op = 3.68 x 10-3(m)

15.01'-xHe..= 0.074kp = I 50 x 10-3(m3 mol s-i)

ks = 8.50 x 10-6(m4 mol S-I)

O( = 8 00 x 10-o(m2 $-1)

10.0'-

Key Count

0

10•

20

:.

30

- - -Colculated result

/0/•// i:>./' ~~ 1

1IL._..-"f0

10203.()405060

Time (min)

Gam bar 3 Time history of production of Br2-

1.0.a-v-~ T=493(K)'\ SV =535 (I /1"1), L= 0.05 (m)

, ,\ 3Op =3.68 x 10- (m)\\

XH5( = 0.074

~ ~0\\-\\

C)

\,0

-~< D0.5 Experimental

'\c

data ""00

'\.'\. ~C

•..~

Key Count--

<:.J

"e

>0

10~

c

•

0015

"-\u

20 "-i.

•"-

e 25 "--(.6.30

--- Colculated resu_li:

kp= l50xIO-.3 (rn3mol s-i)

ks = 8.50 x IC -'~(In':;;nol 5-1)

De = 8.00 X 10'-O(rn2 S-I)

I I l.o 10 20 30

Time (min)

.L40

150 60

Gambar 4 Time history of conversion of reaction HBr.

655

1.0

...IE-' 0.50

E-NcDU

cD

1U

o

L·0.3(m) 1<" • 1.50 )( 10·.3(rn3 mol S·I)

h,· 850 x 10-6(m<1rnol s·')0•• 8.00 x 10·e ( rn 2 s -I)

'"

/""\;';' H8rII

I

Time (min)

IRO

Gambar 5. Time histories of the concentration of produced Br2

1.0

<:;J

XCoV>'­(1)>coU

0.5

(I, )Y"u,· 0.07~U=OI(ms·')

o 0.2

Length (m)

03 04

Gambar 6. Distribution curves of the conversion of HBr in the fixed bed reactor

656