Submitted : 29 Maret 2021 Revised : 21 April 2021 Accepted : 10 Mei 2021

## PENGARUH KADAR AIR DAN KONSENTRASI METANA TERHADAP UNJUK KERJA REAKTOR BOLAK BALIK DENGAN UMPAN EMISI GAS TAMBANG BATUBARA
Novan Prihasa 1,2 , Teguh Kurniawan *1,2 , Anton Irawan 1,2
1 Program Studi Magister Teknik Kimia, Pascasarjana, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa Jalan Raya Jakarta Km. 4, Serang, 42124, Indonesia
2 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa Jalan Jenderal Sudirman Km. 3, Cilegon, 42435, Indonesia
* Email: teguh@untirta.ac.id

## Abstrak
Proses ekstraksi batubara dalam setiap penambangan batubara melepaskan sejumlah emisi gas buang ke udara berupa gas metana sebesar 0,1 – 1%. Emisi gas metana pada tambang batubara merupakan salah satu kontributor efek rumah kaca dalam pemanasan global. Ketahanan gas metana berada di atmosfer rata-rata sekitar 12 tahun. Gas metana mampu menangkap panas dengan kemampuan 20 kali lipat lebih besar dari karbondioksida. Salah satu solusi yang dapat digunakan untuk mengoksidasi gas metana menjadi karbondioksida dengan konsentrasi rendah di bawah 1% adalah menggunakan Reverse Flow Reactor (RFR) . Dalam penelitian ini dipaparkan mengenai pengaruh konsentrasi gas umpan metana, kandungan kadar air pada aliran gas umpan metana, dan pemilihan nilai switching time terhadap unjuk kerja reaktor terkait sifat auto-thermal dan kestabilan panas RFR, dengan metode simulasi  pengamatan  kelakuan  dinamik  berupa  profil  temperatur  reaktor  dan  konversi  metana  menggunakan software FlexPDE versi 7. Nilai konsentrasi gas umpan metana berbanding lurus terhadap nilai temperatur yang dihasilkan  reaktor.  Namun,  nilai  komposisi  air  pada  gas  umpan  metana  dan  nilai switching  time berbanding terbalik terhadap nilai temperatur yang dihasilkan reaktor. Nilai konversi metana sangat dipengaruhi oleh kondisi operasi auto-thermal dan kestabilan panas dari RFR. Jika kondisi operasi auto-thermal dapat terjadi maka nilai konversi metana mampu mencapai 100%.
Kata Kunci : Emisi Metana, Reaktor Bolak Balik, Ototermal, Waktu Peralihan, Penghambatan Air

## Abstract
The coal extraction process in every coal mining releases a number of exhaust gas emissions into the air in the form of methane gas of 0.1 - 1%. Methane emissions from coal mines are one of the contributors to the greenhouse effect in global warming. Methane gas resistance in the atmosphere for an average of about 12 years. Methane gas is capable of  trapping heat  with  the  ability  20  times greater  than  carbon  dioxide.  One  solution  that  can  be  used to  oxidize methane gas to carbon dioxide with a low concentration of less than 1% is to use a Reverse Flow Reactor (RFR). This research will explain the effect of methane feed gas concentration, moisture content in the methane feed gas stream, and the selection of switching time on reactor performance related to auto-thermal properties and heat stability of RFR,  with  a  simulation  method  of  observing  dynamic  behavior  in  the  form  of  a  reactor  temperature  profile  and methane  conversion  using FlexPDE  version  7.  The  methane  feed  gas concentration  is directly  proportional  to  the temperature of reactor. Meanwhile, the water composition in the methane feed gas and the selection of switching time are inversely proportional to the temperature of reactor. The methane conversion is strongly influenced by the auto-thermal operating conditions and the heat stability of RFR. If the auto-thermal operating conditions can occur, the methane conversion can reach 100%.
Keywords : Coal Mine Methane, Reverse Flow Reactor, Auto-thermal, Switching Time, Water Inhibitor

## JURNAL INTEGRASI PROSES
Website: http://jurnal.untirta.ac.id/index.php/jip

## 1. PENDAHULUAN
Pemanasan  global  merupakan  salah  satu permasalahan  lingkungan  yang  paling  mendapat perhatian serius dalam beberapa tahun terakhir. Salah satu bagian dari pemanasan global adalah efek rumah kaca. Efek rumah kaca disebabkan oleh meningkatnya konsentrasi  gas  karbondioksida  (CO 2 )  dan  gas-gas lainnya  seperti  metana  (CH 4 ),  dinitrogenmonoksida (N 2 O),  dan  klorofluorokarbon  (CFC)  di  atmosfer.  Efek rumah  kaca  membuat  temperatur  udara  lebih  hangat sekitar 1-3 o C dari yang seharusnya (Houghton, 2009). Penambangan batubara adalah salah satu kegiatan yang  memberikan  dampak  bagi  lingkungan.  Dalam setiap  penambangan  batubara  terdapat  proses ekstraksi batubara. Selama proses ekstraksi, batubara akan  melepaskan  sejumlah  emisi  gas  buang  ke  udara berupa gas metana sebesar 0,1 – 1 %v. Emisi gas buang berupa  gas  metana  yang  berasal  dari  kegiatan penambangan batubara menjadi salah satu kontributor efek  rumah  kaca  dalam  pemanasan  global  (Díaz, Fernández, Ordóñez, Canto, & González, 2012).
Gas metana yang berada di atmosfer terakumulasi dan  akhirnya  teroksidasi  menjadi  karbondioksida, tetapi  dengan  proses  kinetika  yang  sangat  lambat. Ketahanan  gas  metana  berada  di  atmosfer  rata-rata sekitar  12  tahun.  Gas  metana  mampu  menangkap panas dengan kemampuan 20 kali lipat lebih besar dari karbondioksida (atau setara dengan 100 tahun) dapat menjadi potensi pemanasan global (Karakurt, Aydin, & Aydiner, 2011). Oksidasi katalitik gas metana menjadi karbondioksida  sebelum  dilepaskan  ke  udara  dan atmosfer  merupakan  proses  yang  dapat  dilakukan untuk  mengurangi  efek  jangka  panjang  rumah  kaca yang disebabkan oleh gas metana.
Salah  satu  solusi  yang  dapat  digunakan  untuk mengoksidasi  gas  metana  menjadi  karbondioksida yang  dihasilkan  dari  penambangan  batubara  dengan konsentrasi  rendah  di  bawah  1  %v  adalah menggunakan  reaktor  bolak  balik  atau  yang  biasa disebut dengan r everse flow reactor (RFR) . Reaktor ini merupakan  jenis  reaktor  katalitik  unggun  tetap un- steady state , yang arah aliran umpannya dibalik secara berkala.  Reaktor  ini  memungkinkan  operasi  dapat berlangsung secara auto-thermal meskipun konsentrasi gas metana sangat rendah. Reaksi maupun pertukaran  panas  dapat  berlangsung  dengan  efisiensi termal yang tinggi (Marín, Ordóñez, & Díez, 2009).
Dalam operasi auto-thermal tidak ada penambahan  energi  panas  ke  reaktor  dan  tidak  ada penghilangan  energi  panas  yang  disengaja  dengan proses  pendinginan  melalui  dinding  reaktor  (kecuali untuk  kehilangan  panas  ke  lingkungan),  dan  atau penghilangan  energi  panas  dengan  menggunakan aliran  umpan  dingin  secara  konvektif.  Dalam  operasi auto-thermal diperlukan prosedur start-up yang tepat yaitu  dengan  memanaskan  unggun  katalis  dan  atau
unggun inert terlebih dahulu pada temperatur tertentu, serta  pemilihan  variabel  kondisi  umpan  yang  tepat, sehingga  tidak  terjadi  energi  panas  berlebih  pada katalis dan reaktor (Balakotaiah, Sun, & West, 2019).
Prinsip  dasar  RFR  terdiri  dari  unggun  tetap  dan satu  set  katup  yang  mempunyai  fungsi  untuk mengubah arah aliran (Gambar 1). Unggun tetap dapat menggunakan  satu  jenis  bahan  atau  lapisan  padatan yang  berbeda,  seperti  bahan  katalis, inert ,  dan  atau adsorben.  RFR  katalitik  terdiri  dari  unggun  katalitik yang berada di bagian tengah dan di antara dua unggun inert yang berada di kedua sisi reaktor.  Unggun tetap yang  berbeda  di  dalam  RFR  dapat  mempunyai  fungsi yang berbeda-beda, diantaranya adalah sebagai katalis pada reaksi kimia, penyimpanan energi sebagai panas sensible ,  dan  penyimpanan  zat  kimia  melalui  fungsi adsorpsi (Marín, Díez, & Ordóñez, 2019).
RFR memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan reaktor satu arah ketika diterapkan pada aliran umpan  dengan  konsentrasi  dan  temperatur  yang rendah.  Konversi metana  diketahui  mampu mencapai 99%  pada  RFR  (Kurniawan,  Budhi,  &  Bindar,  2018). Selain  itu,  kondisi  dinamis  pada  RFR  mampu meningkatkan  aktivitas  katalis  sehingga  konversi semakin tinggi (Effendy, Wardhono, & Arsana, 2019) .
Gas  metana  dengan  konsentrasi  sekitar  5 – 16  %v mudah teroksidasi di udara. Namun gas metana dengan konsentrasi  rendah  di  bawah  5  %v  hanya  mampu dilakukan  oksidasi  dengan  menggunakan  media katalis.  Oksidasi  katalitik  memungkinkan  oksidasi metana  terjadi  pada  rentang  konsentrasi  yang  lebih besar  (Kurniawan  et  al.,  2018).  Diketahui  oksidasi katalitik  gas  metana  dapat  dicapai  pada  temperatur sekitar  400 ° C  untuk  mendapatkan  nilai  konversi  di atas 99 % (Setiawan, Kennedy, & Stockenhuber, 2017).
Kandungan  air  dalam  emisi  tambang  batubara seperti gas metana biasanya cukup tinggi. Kandungan air ini dapat menurunkan kinerja katalis terutama pada katalis  dari  golongan  logam  mulia.  Kandungan  air dalam  gas  metana  selain  dapat  merusak  katalis,  juga berpengaruh  terhadap  sifat auto-thermal dan kestabilan panas dari RFR  (Fernández, Marín,  Díez, & Ordóñez, 2015a).
Switching  time (ST)  merupakan  salah  satu parameter  paling  penting  dalam  penentuan  kondisi operasi  RFR.  Pemilihan  nilai  ST sangat  berpengaruh terhadap unjuk kerja RFR terkait sifat auto-thermal dan kestabilan panas dari RFR (Kurniawan et al., 2018).
Dalam  penelitian  ini  akan  dipaparkan  mengenai pengaruh  konsentrasi  gas umpan metana,  kandungan kadar air pada aliran gas umpan metana, dan pemilihan nilai ST terhadap unjuk kerja reaktor terkait sifat auto- thermal dan  kestabilan  panas  RFR,  dengan  metode simulasi  pengamatan  kelakuan  dinamik berupa  profil temperatur reaktor dan konversi metana menggunakan perangkat lunak FlexPDE versi 7.
Gambar 1. Ilustrasi aliran RFR, a) aliran dari kiri ke kanan, b) aliran dari kanan ke kiri

## 2. METODE
Untuk  keperluan  perancangan  dan  memahami karakterisitik  RFR  perlu  dilakukan  pemodelan matematik. Beberapa model sederhana mampu untuk mendeskripsikan  secara  kuantitatif  kelakuan  dinamik berupa  profil  temperatur  reaktor  dan  konsentrasi metana  selama  proses  pembolak-balikan  arah  aliran. Pemodelan  harus  mencakup  ketentuan  perpindahan massa, perpindahan panas, dan kinetika reaksi (Matros & Bunimovich, 1996).
Pemodelan  matematik  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  menggunakan  pendekatan  model  1D pseudohomogeneous untuk  neraca  massa  dan heterogen  untuk  neraca  energi.  Karena  perpindahan massa  tidak  menjadi  hambatan  dalam reaksi  oksidasi katalitik gas metana pada reaktor unggun tetap untuk aliran  yang  dibolak-balik  secara  periodik.  Teori pemodelan kondisi batas Danckwerts digunakan untuk menyelesaikan persamaan-persamaan yang ada. Zona RFR terdiri dari dua unggun katalis, dua unggun inert , dan satu zona ruang kosong (Gambar 2).
Neraca Massa (Kurniawan et al., 2018). 𝜕𝐶 𝑔 𝜕𝑡 =   𝐷 𝑒𝑓𝑓 𝜕 2 𝐶 𝑔 𝜕𝑧 2 − 𝑢 𝜕𝐶 𝑔 𝜕𝑧 − 𝑟 𝐶𝐻 4 (𝑥,𝑇 𝑠 ) (1)
Neraca Energi (Kurniawan et al., 2018).
𝜖𝜌 𝑔 𝑐 𝑝𝑔 𝜕𝑇 𝑔 𝜕𝑡 = −𝑢𝜌 𝑔 𝑐 𝑝𝑔 𝜕𝑇 𝑔 𝜕𝑧 − 𝛼𝑎(𝑇 𝑔 − 𝑇 𝑠 ) − 4𝑈 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑎𝑙𝑙 𝑑 (𝑇 𝑔 − 𝑇 𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔 ) (2) [𝜖 𝑠 𝜌 𝑠 𝑐 𝑝𝑠 + (1 − 𝜖)𝜖 𝑝 𝑐 𝑝𝑔 𝜌 𝑔 ] 𝜕𝑇 𝑠 𝜕𝑡 =   𝑘 𝑒𝑓𝑓 𝜕 2 𝑇 𝑠 𝜕𝑧 2 +  𝛼𝑎(𝑇 𝑔 − 𝑇 𝑠 ) + (−∆𝐻 𝑟 ) (𝑟 𝐶𝐻 4 (𝑥,𝑇 𝑠 ) ) (3)
Mekanisme  oksidasi  katalitik  gas  metana  secara sempurna  adalah  sebagai  berikut  (Karakurt  et  al., 2011).
CH 4 + 2O 2 ⇌ CO 2 + 2H 2 O ∆H (298) = – 802,7 kJ/mol
Penelitian  secara  eksperimental  yang  telah dilakukan  oleh  Fernández,  Marín,  Díez,  and  Ordóñez (2015b) memperlihatkan persamaan laju reaksi untuk oksidasi  gas  metana  menggunakan  jenis  katalis monolithic based dan memperhitungkan penghambatan  yang  disebabkan  oleh  air  dengan menggunakan pemodelan kinetika Langmuir – Hinshelwood adalah sebagai berikut.
−𝑟 𝐶𝐻 4 = 𝑘 𝑤 .𝑝 𝐶𝐻4 1+𝐾 𝑖𝑛ℎ .𝑝 𝐻2𝑂 (mol/kg.s) (4)
Nilai  konstanta  kinetika  gas  metana  (k w )  dan konstanta  kesetimbangan  adsorpsi  air  pada  jenis katalis monolithic based (K inh ) adalah sebagai berikut. 𝑘 𝑤 = 1,56𝑒 −80000/𝑅𝑇 (mol/kg.s.Pa) (5) 𝐾 𝑖𝑛ℎ = 8,07𝑥10 −9 𝑒 67600/𝑅𝑇 (Pa -1 ) (6)
Dengan  nilai  R  =  8,314  J/mol.K,  serta 𝑝 𝐶𝐻 4 merupakan  tekanan  parsial  metana,  dan 𝑝 𝐻 2 𝑂 merupakan  tekanan  parsial  air.  Nilai  persamaan  laju reaksi  pada  persamaan  (4) perlu  diturunkan  kembali dengan  menyamakan  satuannya  (menjadi  mol/m 3 .s) agar  dapat  digunakan  pada  persamaan  neraca  massa dan neraca energi pada persamaan (1) dan (3).
Sedangkan untuk nilai-nilai dimensi reaktor (skala laboratorium),  serta  sifat  fisik  unggun  katalis  dan unggun inert diambil  dari  literatur  yang  dijelaskan dalam Tabel 1 sebagai berikut.
Tabel 1. Dimensi reaktor, sifat fisik katalis, dan inert (Kurniawan et al., 2018)
Diameter reaktor, d 0,108 m Panjang total reaktor, L total 0,26 m Panjang zona inert , L int 0,1 m Panjang zona katalis, L kat 0,01 m Panjang zona ruang kosong, L kos 0,04 m Koefisien perpindahan panas, U 131 W/m 2 .K Material unggun katalis Pt/Al 2 O 3 Diameter katalis, d kat 1 x 10 -5 m Fraksi kosong, є kat 0,36 Densitas , ρ kat 1082 kg/m 3
Kapasitas panas, c pkat 836 J/kg.K Konduktivitas termal, k cat 0,042 W/m.K Material unggun inert Alumina Diameter inert, d int 0,003 m Fraksi kosong , є int 0,4 Densitas, ρ int 1440 kg/m 3 Kapasitas panas, c pint 1040 J/kg.K Konduktivitas termal, k int 1,46 W/m.K
Dengan  nilai  faktor  effektivitas  internal  katalis  jenis monolithic based adalah sebesar 66% (Parentis, Bonini, & Gonzo, 2011).
Gambar 2. Ilustrasi zona RFR untuk neraca massa dan energi

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Pengaruh Konsentrasi Umpan CH 4
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Fernández  et  al.  (2015b),  S.  Wang,  Gao,  and  Wang (2014),  dan  Y.  Wang,  Man,  and  Che  (2010)  diketahui untuk  konsentrasi  gas  metana  pada  kegiatan penambangan  batubara  adalah  0,1 – 0,75  %v.  Dalam penelitian  ini  diberikan  beberapa  variasi  konsentrasi gas umpan metana yaitu sebesar 0,4 ; 0,5 ; 0,6 ; dan 0,7 %v pada temperatur 30 ° C, laju alir gas umpan 0,7 m/s, dan  tekanan  operasi  1,5  atm,  dengan  tanpa  adanya kandungan  air  dalam  gas  umpan  metana,  serta pemilihan nilai ST sebesar 250 detik.
(a) (b) (c)
(d)
Gambar 3. Pengaruh konsentrasi umpan CH 4 terhadap profil temperatur RFR pada: a) ujung reaktor, b) interface inert – katalis, c) interface katalis – ruang kosong, dan d) ruang kosong
Untuk  mendapatkan  operasi auto-thermal pada simulasi RFR , diperlukan prosedur start-up yang tepat. Dalam simulasi ini pemanasan awal unggun inert dan unggun  katalis  dilakukan  pada  temperatur  500 ° C. Terlihat  dalam  hasil  simulasi  yang  telah  dilakukan, bahwa nilai konsentrasi gas umpan metana berbanding lurus  terhadap  nilai  temperatur  yang  dihasilkan reaktor.  Semakin  besar  nilai  konsentrasi  gas  umpan metana yang diberikan, maka akan semakin besar pula nilai temperatur yang dihasilkan reaktor, atau dengan kata  lain  mampu  meningkatkan  unjuk  kerja  reaktor terkait  sifat auto-thermal dan  kestabilan  panas  RFR (Gambar 3).
Nilai maksimum temperatur yang dihasilkan oleh reaktor  yaitu  sebesar  1700  K  pada interface  inert – katalis dengan konsentrasi gas umpan metana sebesar 0,7%v.  Untuk  nilai  konsentrasi  gas  umpan  metana sebesar 0,6%v didapatkan nilai maksimum temperatur yang  dihasilkan  oleh  reaktor  sebesar  1500  K  pada interface  inert – katalis.  Sedangkan  untuk  nilai konsentrasi  gas  umpan  metana  sebesar  0,5  %v didapatkan  nilai  maksimum  temperatur  yang dihasilkan oleh reaktor sebesar 1400 K pada interface inert – katalis.  Sedangkan  untuk  nilai  konsentrasi umpan  metana  di  bawah  atau  sama  dengan  0,4  %v, operasi auto-thermal pada  RFR  tidak  dapat  terjadi (reaktor padam) jika dengan pemilihan nilai switching time sebesar 250 detik.
a b c  d
(a) (b) (c) (d)
Gambar 4. Pengaruh konsentrasi umpan CH 4 terhadap konversi metana pada: a) ujung reaktor, b) interface inert – katalis, c) interface katalis – ruang kosong, dan d) ruang kosong
Selain dilakukan simulasi terkait profil temperatur reaktor,  dilakukan  pula  simulasi  terhadap  profil konversi  metana.  Terlihat  dalam  hasil  simulasi  yang telah dilakukan, bahwa nilai konversi metana mampu mencapai  100  %  dengan  nilai  konsentrasi  umpan metana  di  atas  atau  sama  dengan  0,5  %v,  sementara untuk nilai konsentrasi umpan metana  di bawah atau sama dengan 0,4 %v didapatkan nilai konversi metana
cenderung  tidak  berubah  (0%)  atau  masih  sama dengan nilai konsentrasi awal (Gambar 4).
Hal  ini  dikarenakan  nilai  konversi  metana dipengaruhi oleh unjuk kerja reaktor terkait sifat auto- thermal dan kestabilan panas RFR yang dapat berakibat pada  padamnya  reaktor  dengan  nilai  konsentrasi umpan  metana  di  bawah  atau  sama  dengan  0,4  %v. Salah  satu  parameter  terpenting  dalam  penentuan terjadinya  kondisi  operasi auto-thermal pada  RFR adalah pemilihan nilai switching time . Sehingga untuk nilai  konsentrasi  umpan  metana  di  bawah  atau  sama dengan  0,4  %v  perlu  dilakukan  pemilihan  nilai switching time yang  paling optimal  agar  dapat  terjadi kondisi  operasi auto-thermal yang  diharapkan  pada RFR.
Nilai  konsentrasi  umpan  metana  sebesar  0,5  %v akan  digunakan  untuk  variasi  pada  variabel  simulasi berikutnya,  karena  nilai  konsentrasi  ini  mampu menghasilkan  operasi  secara auto-thermal dan  tidak menghasilkan  nilai  temperatur  yang  terlalu  tinggi sehingga  dapat  menjaga lifetime dari  reaktor  dengan material stainless  steel ,  serta  nilai  konversi  metana yang dihasilkan mampu mencapai 100 %.
3.2. Pengaruh Komposisi H 2 O pada Gas Umpan CH 4 Berdasarkan data penelitian yang telah dilakukan oleh  Fernández,  Marín,  Díez,  and  Ordóñez  (2016) diketahui komposisi air pada aliran gas umpan metana tambang  batubara  adalah  sebesar  2 – 5  %v.  Dalam penelitian ini diberikan beberapa variasi komposisi air pada aliran gas umpan metana yaitu sebesar 2, 3, 4, dan 5 %v, dengan konsentrasi gas umpan metana sebesar 0,5 %v (asumsi tetap/konstan). Temperatur gas umpan sebesar  30 ° C,  tekanan  operasi  1,5  atm,  laju  alir  gas umpan  0,7  m/s,  dan  pemilihan  nilai switching  time sebesar  250  detik,  serta  temperatur  pemanasan  awal unggun inert dan  unggun  katalis  dilakukan  pada temperatur 500 ° C.
Terlihat dalam hasil simulasi yang telah dilakukan, bahwa  nilai  komposisi  air  pada  gas  umpan  metana berbanding  terbalik  terhadap  nilai  temperatur  yang dihasilkan  reaktor.  Semakin  besar  nilai  komposisi  air pada  gas  umpan  metana  yang  diberikan,  maka  akan semakin menurunkan nilai temperatur yang dihasilkan reaktor. Selain itu, dengan adanya komposisi air pada gas  umpan  metana  berpengaruh  juga  terhadap penurunan  unjuk  kerja  reaktor  terkait  sifat auto- thermal dan kestabilan panas RFR yang dapat berakibat pada padamnya reaktor dengan komposisi air pada gas umpan metana di atas atau sama dengan 4 %v (Gambar 5).
(a) (b) (c) (d)
Gambar 5. Pengaruh komposisi H 2 O pada umpan CH 4 terhadap profil temperatur RFR pada: a) ujung reaktor, b) interface inert – katalis, c) interface katalis – ruang kosong, dan d) ruang kosong
Selain dilakukan simulasi terkait profil temperatur reaktor,  dilakukan  pula  simulasi  terhadap  profil konversi  metana.  Terlihat  dalam  hasil  simulasi  yang telah dilakukan, bahwa nilai konversi metana mampu mencapai 100 % dengan nilai komposisi air pada gas umpan  metana  di  bawah  atau  sama  dengan  3  %v, sementara  untuk  nilai  komposisi  air  pada  gas  umpan metana di atas atau sama dengan 4 %v didapatkan nilai
konversi metana cenderung tidak berubah (0 %) atau masih sama dengan nilai konsentrasi awal (Gambar 6).
(a) (b) (c) (d)
Gambar 6. Pengaruh komposisi H 2 O pada umpan CH 4 terhadap konversi metana pada: a) ujung reaktor, b) interface inert – katalis, c) interface katalis – ruang kosong, dan d) ruang kosong
Hal  ini  dikarenakan  nilai  konversi  metana dipengaruhi oleh unjuk kerja reaktor terkait sifat auto- thermal dan kestabilan panas RFR yang dapat berakibat pada padamnya reaktor dengan komposisi air pada gas umpan  metana  di  atas  atau  sama  dengan  4  %v. Sehingga jika ditemukan komposisi air pada gas umpan
metana lebih tinggi dari atau sama dengan 4 %v, maka perlu dilakukan upaya untuk mengurangi komposisi air pada  gas  umpan  metana  agar  tidak mengganggu  atau menurunkan unjuk kerja dari RFR.
Nilai komposisi air sebesar 3 %v pada gas umpan metana  dengan  nilai  konsentrasi  gas  metana  sebesar 0,5  %v  akan  digunakan  untuk  variasi  pada  variabel simulasi  berikutnya,  karena  nilai  komposisi  dan konsentrasi  ini  mampu  menghasilkan  operasi  secara auto-thermal dan tidak menghasilkan nilai temperatur yang  terlalu  tinggi  (nilai  maksimum  temperatur  yang dihasilkan oleh reaktor sebesar 1400 ° K pada interface inert – katalis)  sehingga  dapat  menjaga lifetime dari reaktor  dengan  material stainless  steel ,  serta  nilai konversi  metana  yang  dihasilkan  mampu  mencapai 100%.

## 3.3. Pengaruh Switching Time
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Kurniawan  et  al.  (2018)  diketahui  bahwa  nilai switching time berpengaruh terhadap unjuk kerja RFR terkait  sifat auto-thermal ,  kestabilan  panas  RFR,  dan juga  nilai  konversi  metana  yang  dihasilkan.  Dalam penelitian ini diberikan beberapa variasi nilai switching time yaitu  sebesar  150,  200,  250,  dan  300  detik. Konsentrasi gas umpan metana sebesar 0,5 %v, dengan nilai  komposisi  air  sebesar  3  %v  pada  gas  umpan metana  (asumsi  konsentrasi  gas  umpan  metana  dan komposisi  air  pada  gas  umpan  metana  adalah tetap/konstan). Temperatur gas umpan sebesar 30 ° C, laju  alir  gas  umpan  0,7  m/s,  dan  tekanan  operasi  1,5 atm,  serta  temperatur  pemanasan  awal  unggun inert dan unggun katalis dilakukan pada temperatur 500 ° C. Terlihat dalam hasil simulasi yang telah dilakukan, bahwa  nilai switching  time mempunyai  pengaruh terhadap  profil  temperatur  RFR.  Nilai switching  time berbanding  terbalik  terhadap  nilai  temperatur  yang dihasilkan reaktor. Semakin kecil nilai switching time , maka  akan  semakin  meningkatkan  nilai  temperatur yang dihasilkan reaktor, atau dengan kata lain mampu meningkatkan  unjuk  kerja  reaktor  terkait  sifat auto- thermal dan kestabilan panas RFR (Gambar 7). Dalam  penelitian  ini  didapatkan  bahwa  jika  RFR diberikan  nilai switching time di  atas  250  detik  dapat menyebabkan  operasi auto-thermal pada  RFR  tidak dapat  terjadi  (reaktor  padam),  sedangkan  jika  RFR diberikan  nilai switching  time di  bawah  atau  sama dengan 250 detik operasi auto-thermal pada RFR masih dapat  terjadi.  Sehingga  dapat  dikatakan  bahwa  nilai switching  time sebesar  250  detik  merupakan  nilai maksimum switching  time untuk  konsentrasi  gas umpan metana sebesar 0,5 %v, dengan nilai komposisi air sebesar 3 %v pada gas umpan metana.
(a) (b) (c) (d)
Gambar 7. Pengaruh switching time terhadap profil temperatur RFR pada: a) ujung reaktor, b) interface inert – katalis, c) interface katalis – ruang kosong, dan d) ruang kosong
Selain dilakukan simulasi terkait profil temperatur reaktor,  dilakukan  pula  simulasi  terhadap  profil konversi  metana.  Terlihat  dalam  hasil  simulasi  yang telah dilakukan, bahwa nilai konversi metana mampu mencapai 100 % jika RFR diberikan nilai switching time di bawah atau sama dengan 250 detik (Gambar 8).
Karena  seperti  yang  telah  dibahas  sebelumnya, bahwa nilai konversi metana sangat dipengaruhi oleh temperatur  yang  dihasilkan  reaktor  terkait  kondisi
operasi auto-thermal dan  kestabilan  panas  dari  RFR. Jika  kondisi  operasi auto-thermal dapat  terjadi  atau dengan  kata  lain  reaktor  tidak  padam,  maka  nilai konversi  metana  mampu  mencapai  100%.  Namun parameter  yang  perlu  diperhatikan  adalah  terkait temperatur  yang  dihasilkan  oleh  reaktor,  karena semakin tinggi nilai temperatur yang dihasilkan, maka akan  semakin  mengurangi lifetime dari  reaktor, terutama jika reaktor menggunakan material berbahan steel yang cenderung tidak tahan terhadap temperatur panas yang cukup ekstrim.
(a) (b) (c) (d)
Gambar 8. Pengaruh switching time terhadap konversi metana pada: a) ujung reaktor, b) interface
inert – katalis, c) interface katalis – ruang kosong, dan d) ruang kosong.

## KESIMPULAN
Konsentrasi gas umpan metana, komposisi air pada gas  umpan  metana,  dan  pemilihan  nilai  ST  pada  RFR menjadi parameter paling penting dalam pengoperasian  RFR  terhadap  unjuk  kerja  reaktor terkait  sifat auto-thermal dan  kestabilan  panas  RFR. Nilai konsentrasi gas umpan metana berbanding lurus terhadap  nilai  temperatur  yang  dihasilkan  reaktor. Namun, nilai komposisi air pada gas umpan metana dan ST berbanding terbalik terhadap nilai temperatur yang dihasilkan  reaktor.  Nilai  konversi  metana  sangat dipengaruhi oleh temperatur yang dihasilkan reaktor.
4. NOTASI LAMBANG a = luas permukaan spesifik (m 2 /m 3 ) C g = konsentrasi molar fase gas (mol/m 3 ) c pg = kapasitas panas fase gas (J/kg.K) c ps = kapasitas panas fase solid (J/kg.K) D eff = koefisien difusi efektif (m 2 /s) d = diameter reaktor (m) K inh = konstanta kesetimbangan air pada katalis (/Pa) k eff = konduktifitas panas efektif (W/m.K) k w = konstanta kinetika metana (mol/kg.s.Pa) p CH4 = tekanan parsial metana (Pa) p H2O = tekanan parsial air (Pa)
R = konstanta gas ideal (J/mol.K) r CH4 = laju reaksi metana  (mol/m 3 .s)
T g = temperatur fase gas (K) T ruang = temperatur ruang (K)
T s = temperatur fase solid (K) t = waktu (s) U overall = koefisien perpindahan panas total (W/m 2 .K) u = kecepatan superficial (m/s)
x = konversi metana z = jarak axial (m) α = k oefisien perpindahan panas (W/m 2 .K) ϵ = fraksi kosong unggun ϵ p = fraksi kosong partikel katalis ϵ s = fraksi fase solid ∆ H r = perubahan energi panas (J/mol) ρ g = densitas fase gas (kg/m 3 ) ρ s = densitas fase solid (kg/m 3 )

## 5. DAFTAR PUSTAKA
Balakotaiah,  V.,  Sun,  Z.,  &  West,  D.  H.  (2019). Autothermal  reactor  design  for  catalytic  partial oxidations.  Chemical  Engineering  Journal,  374,
1403-1419.
Díaz, E., Fernández, J., Ordóñez, S., Canto, N., & González,
A. (2012). Carbon and ecological footprints as tools for  evaluating  the  environmental  impact  of  coal mine ventilation air. Ecological indicators, 18, 126- 130.
Effendy, M., Wardhono, E., & Arsana, I. (2019). Effect of intraparticle  diffusion-reactions  at  reverse  flow reactors. Cases study: Methane catalytic oxidation.
Paper  presented  at  the  IOP  Conference  Series: Materials Science and Engineering.
Fernández,  J.,  Marín,  P.,  Díez,  F.  V.,  &  Ordóñez,  S. (2015a).  Coal  mine  ventilation  air  methane combustion  in  a  catalytic  reverse  flow  reactor: Influence  of  emission  humidity.  Fuel  Processing Technology, 133, 202-209.
Fernández,  J.,  Marín,  P.,  Díez,  F.  V.,  &  Ordóñez,  S.
(2015b). Experimental demonstration and modeling  of  an  adsorption-enhanced  reverse  flow reactor  for  the  catalytic  combustion  of  coal  mine ventilation  air  methane.  Chemical  Engineering Journal, 279, 198-206.
Fernández, J., Marín, P., Díez, F. V., & Ordóñez, S. (2016). Combustion of coal mine ventilation air methane in a  regenerative  combustor  with  integrated adsorption:  Reactor  design  and  optimization. Applied Thermal Engineering, 102, 167-175.
Houghton,  J.  (2009).  Global  warming:  the  complete briefing: Cambridge university press.
Karakurt,  I.,  Aydin,  G.,  &  Aydiner,  K.  (2011).  Mine ventilation  air  methane  as  a  sustainable  energy source. Renewable and Sustainable Energy Reviews,
15(2), 1042-1049.
Kurniawan,  T.,  Budhi,  Y.  W.,  &  Bindar,  Y.  (2018). Reverse  Flow  Reactor  for  Catalytic  Oxidation  of Lean Methane. World Chemical Engineering Journal,
2(1), 21-26.
Marín, P., Díez, F. V., & Ordóñez, S. (2019). Reverse flow reactors  as  sustainable  devices  for  performing exothermic reactions: Applications and engineering aspects.  Chemical  Engineering  and  Processing- Process Intensification, 135, 175-189.
Marín, P., Ordóñez, S., & Díez, F. V. (2009). Procedures for heat recovery in the catalytic combustion of lean methane – air  mixtures  in  a  reverse  flow  reactor.
Chemical Engineering Journal, 147(2-3), 356-365. Matros, Y. S., & Bunimovich, G. A. (1996). Reverse-flow operation  in  fixed  bed  catalytic  reactors.  Catalysis Reviews, 38(1), 1-68.
Parentis,  M.  L.,  Bonini,  N.  A.,  &  Gonzo,  E.  E.  (2011).
Effectiveness  factor  calculation  and  monolith reactor simulation with non-uniform washcoat and arbitrary catalytic activity distribution.
Setiawan,  A.,  Kennedy,  E.  M.,  &  Stockenhuber,  M.
(2017). Development of Combustion Technology for Methane  Emitted  from  Coal‐Mine  Ventilation  Air Systems. Energy Technology, 5(4), 521-538.
Wang,  S.,  Gao,  D.,  &  Wang,  S.  (2014).  Steady  and transient  characteristics  of  catalytic  flow  reverse reactor  integrated  with  central  heat  exchanger. Industrial  &  Engineering  Chemistry  Research, 53(32), 12644-12654.
Wang,  Y.,  Man,  C.,  &  Che,  D.  (2010).  Catalytic combustion of ventilation air methane in a reverse- flow reactor. Energy & fuels, 24(9), 4841-4848.