bab vi formulasi pengetahuan proses melalui...
TRANSCRIPT
62
BAB VI FORMULASI PENGETAHUAN PROSES MELALUI
SIMULASI ALIRAN FLUIDA TIGA DIMENSI
VI.1 Pendahuluan
Sebelumnya telah dibahas pengetahuan mengenai konversi reaksi sintesis urea
dengan faktor-faktor yang mempengaruhinya. Selain dari suhu, perbandingan mol
NH3/CO2 dan perbandingan mol H2O/CO2 pencapaian konversi juga dibatasi oleh
ukuran dan tipe reaktor. Pada kondisi operasi di reaktor urea Kaltim-1, dengan
reaktor yang terdiri dari 10 sieve tray dan volume 270 m3, konversi yang mungkin
diperoleh adalah sekitar 90-95% dari konversi maksimum pada
kesetimbangannya.
Sejalan dengan tuntutan agar proses produksi urea dapat lebih efisien baik dalam
konsumsi bahan baku maupun pemakaian energi, maka studi pengembangan
teknologi proses urea terus dilakukan. Salah satu upaya adalah meningkatkan
efisiensi reaktor agar konversi yang dicapai makin mendekati batas konversi
kesetimbangan. Pencapaian konversi yang tinggi dapat didekati dari pemilihan
variabel proses yang optimal seperti yang telah diuraikan sebelumnya atau dari
pengembangan konstruksi reaktor urea.
Simulasi CFD dapat digunakan untuk mendapatkan penjelasan tentang
karakteristik aliran fluida pada alat proses, yang akan menjadi basis data alat
tersebut. Pada bab ini dibahas kajian pola aliran fluida dalam reaktor urea dengan
metode simulasi CFD berdasarkan pengaruh geometri tray reaktor yang sekarang
dengan model geometri tray yang berpotensi meningkatkan konversi urea.
VI.2. Model Geometri Tray Reaktor Urea
Sebagai langkah awal dalam melakukan simulasi CFD (computational fluid
dynamics) aliran fluida di dalam reaktor urea adalah membuat model geometri
reaktor yang berupa kolom dengan pelat berlubang. Untuk pembuatan model
geometri digunakan perangkat lunak grid generator. Untuk memudahkan dan
63
menyederhanakan pekerjaan, perhitungan model geometri tidak dibuat untuk
keseluruhan reaktor yang terdiri dari 10 sieve-tray untuk reaktor urea Kaltim-1,
melainkan dibuat model untuk satu kompartemen yang ada di antara dua tray
yang berurutan. Diharapkan dari model yang dibuat dapat menggambarkan pola
aliran fluida yang bisa mewakili tray reaktor lainnya.
Pada model geometri tray untuk simulasi diameter dan jumlah lubang per tray
tidak sama persis seperti tray sesungguhnya pada reaktor di pabrik untuk
memudahkan membuat model geometri. Ukuran diameter dalam reaktor dan jarak
antar tray pada model mengikuti ukuran sebenarnya pada reaktor urea pabrik
Kaltim-1. Dua model tray yang akan dibandingkan dalam simulasi CFD adalah
tray tipe konvensional yang umum digunakan hingga saat ini (Gambar VI.1 tray-
A) dan tipe tray baru dengan silinder draft tube [Mennen, 2001] seperti terlihat
pada Gambar VI.1 tray-B.
Tray-A
Tray-B
A. Dinding reaktor B. Sieve tray C. Downward flange D. Upright rim E. Draft tube
Gambar VI.1. Sketsa model tray dengan spesifikasi dimensi
Gambar VI.1 dan VI.2 menunjukkan model geometri tray yang dibuat masing-
masing untuk tray konvensional dan tray yang baru. Pada tray konvensional
A A
B
BC
D
E
C
64
terlihat konstruksi tray berlubang dengan anulus yang memberi jarak antara tray
dan dinding reaktor, sedangkan pada model tray yang kedua selain tray berlubang
dan anulus terdapat silinder di atas tray dan upright rim serta downward flange
pada tray. Rentang dimensi tray yang umum digunakan berdasarkan referensi
[Mennen, 2001] serta dimensi tray yang dipilih untuk model simulasi ditunjukkan
pada Tabel VI.1.
(a) Tray-A
(b) Tray-B
Gambar VI.2. Model mesh geometri tray reaktor urea untuk simulasi CFD
Tabel VI.1. Dimensi model tray reaktor urea (dalam meter)
Spesifikasi Referensi Tray-A Tray-BDiameter dalam reaktor Aktual 2,806 2.806 Jarak antar tray Aktual 2,300 2,300 Diameter tray v-liquid = 0.1 - 0.6 m/det 2,750 2,750 Jarak tray - dinding reaktor 0,028 0,028 Downward flange - tinggi 5-50% jarak antar tray 0,230 0,230 - diameter = diameter tray 2,750 Upright rim - tinggi 5-50% jarak antar tray - 0,230 - diameter (perforated area) 50-70% diameter tray 1,750 1,750 - jumlah lubang v-gas = 2.5 - 10 m/det 44 44 - diameter lubang (mm) v-gas, 0,003 – 0,010 m 0,100 0,100 Draft tube - tinggi 40-80% jarak antar tray - 2,000 - diameter 50-70% diameter tray ( > dia. Upright rim) - 1,7420 - jarak silinder - dinding min. 0.5 m - 0,530
65
VI.3 Definisi Model Dan Penyelesaian Dengan CFD solver
Komponen-komponen pada sistem reaksi sintesis urea di dalam reaktor terdiri dari
ammonia, karbonsioksida, air dan urea. Selain itu terdapat pula gas nitrogen dan
oksigen (yang berasal dari aliran udara untuk pasivasi reaktor, masuk bersama
aliran gas karbondioksida), serta sejumlah kecil biuret produk hasil samping
reaksi. Campuran komponen-komponen tersebut merupakan campuran dari aliran
fasa cair dan fasa gas. Fluida-fluida umpan reaktor terdiri dari aliran fasa cair
yaitu ammonia dan larutan karbamat, serta aliran gas karbonsioksida. Demikian
pula aliran keluar reaktor merupakan campuran aliran fasa cair (larutan urea hasil
reaksi) dan aliran fasa gas (campuran ammonia dan karbondioksida yang tidak
terkonversi, serta gas-gas inert). Model untuk perhitungan persamaan neraca
massa, energi dan momentum didefinisikan dan diselesaikan dengan Fluent untuk
model geometri tray reaktor yang telah dibuat sebelumnya.
Model campuran fasa cair dan fasa gas yang digunakan dalam simulasi ini adalah
model multifasa Eulerian yang sesuai untuk sistem seperti di reaktor urea,
campuran larutan fasa cair sebagai fasa primer dan campuran dari komponen gas
sebagai fasa sekunder. Untuk menyederhanakan permasalahan dan memudahkan
perhitungan model multifasa, pada simulasi ini belum dilibatkan persamaan
neraca energi dan reaksi kimia. Sifat-sifat fisika larutan dan campuran gas yang
diperlukan yaitu densitas dan viksositas dianggap harganya tetap.
Data-data komposisi komponen pada reaktor urea Kaltim-1 yang terdiri dari
campuran fasa cair dan fasa gas seperti terlihat pada Tabel B.1 Lampiran-B, pada
simulasi ini disederhanakan dan dikelompokkan menjadi campuran komponen
fasa cair dan fasa gas. Fasa cair yang terdiri dari ammonia dan larutan karbamat,
memiliki laju alir masa sebesar 78,10 kg/det. Data sifat fisik untuk campuran fasa
cair yaitu densitas dan viskositas masing-masing adalah 858,25 kg/m3 dan
0,000954 kg/m.s. Sedangkan untuk fasa gas memiliki laju alir massa sebesar
13,26 kg/det, dengan data densitasnya adalah 187,55 kg/m3 dan viskositas
3,35x10-5 kg/m.s.
66
Model solver yang digunakan adalah segregated dengan formulasi implisit, tiga
dimensi dan untuk keadaan tunak. Sedangkan model turbulen yang dipilih adalah
k-epsilon standar dengan konstanta standar dari CFD solver. Reaktor urea dengan
konstruksi vertikal dengan aliran umpan seluruhnya masuk dari bawah reaktor,
maka pada Fluent ditetapkan pada sumbu vertikal percepatan gravitasinya negatif.
Untuk kondisi batas pada inlet ditetapkan kecepatan fasa cair dan gas, serta fraksi
volume gas. Sedangkan kondisi batas outlet dipilih jenis outflow. Langkah-
langkah penyelesaian simulasi CFD secara rinci ditunjukkan pada Lampiran D.
VI.4 Hasil Simulasi CFD
VI.4.1 Profil Arah Aliran Fluida
Reaksi sintesis urea melibatkan campuran fasa cair dan gas dari komponen-
komponen yang bereaksi. Reaksi terjadi di sepanjang reaktor yang disekat-sekat
oleh tray. Sebuah kompartemen yang dibatasi oleh dua tray berurutan dapat
dibandingkan seperti sebuah unit reaktor tangki berpengaduk. Pencampuran dan
kontak yang baik dari campuran fasa cair dan fasa gas sangat menentukan bagi
berlangsungnya reaksi. Model rancangan tray di dalam reaktor akan menentukan
terbentuknya pola aliran fluida, yang berpengaruh terhadap intensitas kontak dan
pencampuran yang akan terjadi.
Pada Gambar VI.3 diperlihatkan hasil simulasi CFD untuk pathline aliran fluida
untuk kedua tipe tray. Gambar VI.3.(i) menunjukkan aliran untuk tray-A
(konvensional), sedangkan tray-B adalah model tray yang baru. Hasil yang sangat
berbeda dari kedua tray ditunjukkan dari gambar tersebut. Pada tray-B terlihat
cukup jelas terjadinya aliran resirkulasi fluida di dalam kompartemen, sedangkan
pada tray-A aliran resirkulasi tidak terlihat.
Kedua tray sama-sama memiliki sejumlah lubang yang dimaksudkan sebagai
tempat lewatnya aliran fasa gas dan annulus sebagai tempat lewatnya aliran fluida
fasa cair. Namun pada tray-B lubang-lubang lebih terpusat dibandingkan pada
67
tray-A yang relatif merata pada luasan tray. Dengan pengaturan lubang yang lebih
terpusat dan adanya silinder pada tray-B menyebabkan aliran gas yang lebih
terpusat pula, sehingga memberi efek yang menguntungkan terhadap aliran fluida
gas sebagai gaya penggerak sirkulasi fluida di dalam kompartemen. Dengan
kondisi yang demikian maka untuk tray-B terbentuk aliran ke atas di bagian
tengah kompartemen di dalam silinder, aliran dari bagian atas silinder sebagian
mengalir ke arah bawah di sisi luar silinder dan kemudian dari bagian bawah
kompartemen terjadi aliran masuk ke arah pusat di bagian dalam silinder (draft
tube) termasuk sebagian aliran dari annulus.
(i) Tray-A (ii) Tray-B
Gambar VI.3. Perbandingan profil arah aliran fluida dalam reaktor dari kedua tipe tray
VI.4.2 Profil Kecepatan
Hasil simulasi CFD yang menunjukkan profil kecepatan aliran fluida di dalam
sebuah kompartemen untuk kedua tipe tray reaktor terlihat pada Gambar VI.4 dan
kontur kecepatan fluida ditampilkan pada gambar VI.5.
Pada Gambar VI.4 terlihat bahwa dengan tray-B dihasilkan kecepatan aliran
fluida yang lebih tinggi dan terpusat dibandingkan pada tray-A. Terlihat pula arah
kecepatan aliran yang membentuk aliran resirkulasi di dalam kompartemen
reaktor seperti dijelaskan sebelumnya. Aliran ke atas dari annulus tray bawah
nampak bergabung dengan aliran balik dari bagian atas silinder menuju ke arah
68
tengah. Dengan pola resirkulasi yang demikian dan kecepatan aliran yang tinggi
memungkinkan terjadinya intensitas kontak antara fluida fasa cair dan fasa gas di
dalam kompartemen reaktor pada tray-B yang lebih baik dibandingkan dengan
tray-A. Hal ini berarti terjadinya efek pengadukan dan pencampuran antar fasa
yang lebih baik sehingga memungkinkan berlangsungnya reaksi yang melibatkan
fasa cair dan gas di dalam reaktor urea dengan lebih sempurna. Dengan demikian
akan dapat diperoleh peningkatan efisiensi reaktor sehingga lebih mendekati batas
konversi pada kesetimbangan.
(i) Tray-A (ii) Tray-B
Gambar VI.4. Perbandingan profil kecepatan fluida untuk kedua tipe tray reaktor
Kontur kecepatan aliran fluida ditunjukkan pada Gambar VI.5. Terlihat bahwa
pada tray-A kecepatan fasa gas yang tinggi lebih merata di sepanjang tray sesuai
disribusi lubang pada tray, sedangkan pada tray-B kecepatan yang tinggi lebih
terkonsentrasi di tengah. Pada tray-B diperoleh kecepatan fluida maskimum
hingga sekitar 1,7 m/detik, sedangkan pada tray-A kecepatan tertinggi hanya
sekitar 0,4 m/detik.
Berdasarkan referensi, kecepatan ideal untuk aliran fasa cair dan fasa gas agar
dihasilkan kontak yang intensif antara fasa cair dan gas adalah sekitar 0,1-0,6
m/detik untuk fasa cair, sedangkan untuk fasa gas kecepatannya diharapkan
berada dalam kisaran 2,5-10 m/detik [Mennen, 2001]. Kecepatan fluida fasa cair
69
dan gas yang dikehendaki tersebut menjadi acuan dalam menentukan dimensi luas
penampang untuk aliran fasa cair serta jumlah dan diameter lubang pada tray
untuk fasa gas.
(i) Tray-A (ii) Tray-B
Gambar VI.5. Perbandingan kontur kecepatan fluida dalam tray reaktor
VI.4.3 Distribusi Fasa Cair Dan Fasa Gas
Profil distribusi aliran fasa cair dan gas dari hasil simulasi CFD untuk kedua tray
ditunjukkan oleh kontur fraksi volume fasa gas pada bidang yang melalui sumbu
vertikal di Gambar VI.6, serta fraksi volume fasa gas pada tray di Gambar VI.7.
(i) Tray-A (ii) Tray-B
Gambar VI.6. Perbandingan kontur fraksi volume gas
70
(i) Tray-A (ii) Tray-B
Gambar VI.7. Perbandingan kontur kecepatan fluida pada penampang tray reaktor
Dari Gambar VI.6 dan VI.7 terlihat kemiripan pola distribusi fasa cair dan fasa
gas dari kedua tipe tray, yaitu aliran fasa gas terutama berada di area tengah di
mana lubang-lubang pada tray terdistribusi dan aliran fasa cair melalui daerah
annulus. Area yang berwarna merah dengan fraksi volume fasa gas tertinggi
menunjukkan lapisan gas yang terbentuk di bagian bawah area tray yang tidak
berlubang. Konstruksi tray-B dengan lubang yang lebih terpusat, serta dilengkapi
komponen tray seperti pada Gambar VI.1, mengakibatkan aliran gas yang
kecepatannya lebih tinggi, ternyata memberikan efek sirkulasi fluida yang
befungsi sebagai pengadukan seperti halnya pengaduk pada reaktor tangki alir
berpengaduk.
Rancangan reaktor urea yang melibatkan fasa cair dan fasa gas dengan fasa cair
sebagai fasa kontinyu, ditujukan agar memungkinkan terjadinya kontak antara
fasa cair dan fasa gas yang maksimal. Untuk tujuan tersebut umumnya reaktor
urea dirancang dalam bentuk kolom vertikal yang dibagi-bagi dalam beberapa
kompartemen yang dipisahkan oleh tray reaktor. Tray dirancang agar
menghasilkan pola distribusi aliran fasa cair dan gas yang akan menghasilkan
kontak antar fasa yang intensif. Rancangan tray generasi awal berupa tray
berlubang dengan luas tray sama dengan luas penampang dalam reaktor, sehingga
tidak ada fungsi pemisahan aliran fasa cair dan fasa gas. Selanjutnya reaktor
71
dengan rancangan tray seperti tipe tray-A pada simulasi ini adalah yang umum
dipakai di pabrik urea, terdapat area lubang-lubang pada tray sebagai jalan aliran
gas dan area annulus sebagai jalan aliran fasa cair.
Luas area berlubang untuk aliran gas maupun luas area bukaan untuk aliran fasa
cair dibuat untuk mendapatkan menentukan kecepatan aliran fasa gas dan cairan
di dalam kompartemen reaktor urea yang tertentu, dengan kisaran kecepatan
seperti dibahas pada bagian VI.3.2. Untuk fasa cair, luas bukaan dibuat dalam
kisaran 1-10% dari luas penampang reaktor, sedangkan untuk fasa gas lubang-
lubang pada tray dibuat dengan diameter dalam kisaran 3-10 mm.
VI.5 Potensi Implementasi Konfigurasi Tray Baru Untuk Reaktor Urea
Simulasi CFD yang dilakukan telah memberikan gambaran pola aliran fluida
campuran fasa cair dan fasa gas pada tray di dalam reaktor urea yang dihasilkan
dari konfigurasi tray yang berbeda. Dengan pola tersebut dapat diketahui
bagaimana dapat terjadi kontak antar aliran komponen-komponen terutama
ammonia dan karbondioksida yang akan melangsungkan reaksi. Berdasarkan hasil
simulasi didapatkan bahwa dengan model tray-B diperoleh pola aliran sirkulasi
fluida yang menghasilkan efek pengadukan dan pencampuran fasa cair dan fasa
gas yang lebih sempurna dibandingkan dengan model konvensional tray-A yang
diaplikasikan di pabrik hingga saat ini.
Model tray pada simulasi CFD yang telah dikerjakan baru hanya untuk dimensi
dan posisi tray yang tertentu dengan data aliran umpan masuk reaktor. Pada
kondisi reaktor sesungguhnya terjadi perubahan komposisi di sepanjang reaktor.
Reaksi antara ammonia yang berfasa cair dan gas karbondioksida terjadi di fasa
cair dengan terkondensasinya gas menjadi larutan karbamat, yang kemudian
dilanjutkan dengan dehidrasi karbamat menjadi urea. Di samping itu terjadi pula
perubahan suhu di sepanjang reaktor akibat efek panas reaksi yang terjadi. Oleh
karena itu penelitian dengan simulasi CFD ini sangat perlu terus dikembangkan
72
untuk menentukan spesifikasi tray yang optimal. Kondisi simulasi yang menjadi
perhatian adalah posisi tray di dekat inlet, di tengah atau di dekat outlet reaktor
yang mewakili komposisi fasa cair dan gas yang berbeda. Pada tray sendiri perlu
divariasikan dimensi dari komponen-komponen tray seperti pada Tabel VI.1
untuk menemukan konfigurasi yang akan menghasilkan pola sirkulasi dan kontak
fasa cair-gas yang terbaik.
Selain model tray-B yang disebut siphon jet pump yang dikembangkan oleh
Stamicarbon, model tray lain dikembangkan oleh Urea Casale S.A. [Zardi, 2002]
dengan tujuan yang sama yaitu untuk meningkatkan effisiensi reaktor urea. Data
dari beberapa pabrik yang telah mengaplikasikan model tray baru baik untuk
pabrik baru maupun modifikasi pabrik, dapat diperoleh peningkatan kapasitas
produksi hingga 10-15% dan penurunan konsumsi kukus 60-300 kg/ton produk
urea dibandingkan pada saat masih menggunakan tray konvensional [Bruns,
2004] [Zardi, 1996].
Hal yang menarik bahwa untuk penggunaan tray baru yang dapat menaikkan
efisiensi reaktor tidak harus mengganti keseluruhan reaktor, melainkan
memungkinkan modifikasi tray pada reaktor yang ada. Beberapa hal yang
menjadi pertimbangan untuk melakukan modifikasi tray reaktor adalah :
peningkatan efisiensi reaktor yang akan diperoleh, penurunan konsumsi steam dan
evaluasi kelayakan ekonomi.
VI.6 Peran Simulasi CFD Dalam Membangun Pengetahuan Proses di Pabrik
Karakteristik pola aliran yang dihasilkan dari konfigurasi tray di dalam
kompartemen reaktor urea dapat diperoleh dari simulasi CFD seperti yang telah
dilakukan. Pemahaman akan hal tersebut menjadi bagian pengetahuan mengenai
peralatan proses yaitu reaktor urea, yang sangat diperlukan untuk menjelaskan
bagaimana terjadinya proses kimia dalam hal ini reaksi sintesis urea dipengaruhi
oleh konstruksi dari reaktor. Pengetahuan tersebut akan memperkaya dan
73
memperluas pengetahuan proses yang telah dikuasai dalam bidang pengoperasian
reaktor urea di pabrik dan membuka wawasan pengetahuan dalam bidang
perancangan reaktor urea.
Selain apa yang telah dibahas di atas potensi aplikasi pemanfaatan CFD di pabrik
sangatlah luas. Di antaranya adalah untuk melakukan evaluasi dan menganalisis
unjuk kerja peralatan proses yang ada secara lebih rinci dan alat analisis dalam
menemukan penyebab masalah yang terjadi pada peralatan proses. Sebuah contoh
kasus di mana CFD dapat dimanfaatkan di pabrik urea Kaltim-1 adalah masalah
pembentukan deposit urea di evaporator tingkat pertama, simulasi dengan CFD
dapat dilakukan untuk mengetahui profil aliran fluida yang terdiri dari larutan
urea dan udara serta profil suhu di dalam evaporator. Dengan demikian akan
diketahui kemungkinan penyebab terjadinya pembentukan dan penumpukan
deposit urea. Setelah penyebab diketahui dan alternatif-alternatif modifikasi
peralatan diusulkan CFD kembali dapat dimanfaatkan untuk simulasi dan analisis
modifikasi yang mungkin dilakukan. Selanjutnya berdasarkan hasil simulasi dapat
dipilih alternatif modifikasi terbaik untuk mengatasi masalah, tanpa harus
bereksperimen dahulu di lapangan.
Pemanfaatan lainnya dalam hal perancangan atau pembelian alat proses dari pihak
luar, CFD dapat gunakan untuk menganalisis dan mengevaluasi pilihan-pilihan
yang ada dengan lebih baik dan menentukan pilihan yang paling tepat untuk
proses di pabrik. Dengan demikian potensi kerugian baik dari sisi teknik maupun
ekonomi yang mungkin terjadi jika salah dalam memilih peralatan proses dapat
terhindarkan.