Studi Simulasi pada Unit Reformer Primer di PT Pupuk Sriwidjaya Palembang

Transkripsi

1 Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 6, No., 01 0 Studi Simulasi ada Unit Reformer Primer di PT Puuk Sriwidjaya Palembang Sigit Abdurrakhman 1, *, Sutijan, Muslikhin Hidayat 1) PT. Pusri, Palembang ) Jurusan Teknik imia, FT, UGM, Yogyakarta Abstract Ammonia lant is the main art of fertilizer industry. Primary reformer is an unit oeration where catalytic reaction between steam and methane take lace, or it is known as steam methane reforming. The main raw material is steam (H O) and natural gas with major content of methane ( ). The objective of this research was to develo rimary reformer unit rocess model to calculate temerature, ressure and comosition rofiles for steady state oeration according to oerating condition on Ammonia III lant in PT Puuk Sriwidjaya Palembang. The assumtion used was lug flow model both on the furnace side and on the catalytic reactor side for steady state conditions. The ordinary differential equations were solved using Runge utta method with Scilab software to get the conversion, ressure and temerature rofiles on rimary reformer. Variabels evaluated were temerature, ressure, and comosition. The simulation result showed that an average error of.9 % comared to the oerational lant data. For various oerating conditions this simulation showed an average error of 7.01 %. eyword: rimary reformer, methane, steam, ammonia Abstrak Pabrik amonia meruakan salah satu abrik yang terdaat di industri uuk. Unit Reformer Primer meruakan salah satu alat di abrik amonia yang meruakan temat terjadinya reaksi katalitik antara steam dengan metana dikenal dengan roses steam methane reforming. Bahan baku utama adalah steam (H O) dan gas alam dengan kandungan utama metana ( ). Penelitian ini membuat model roses unit Reformer Primer untuk menghitung rofil temeratur, tekanan dan komosisi untuk kondisi oerasi steady state dengan berdasarkan kondisi oerasi di abrik Amonia Pusri PT Puuk Sriwidjaya Palembang. Asumsi yang digunakan adalah lug flow baik ada sisi furnace mauun ada sisi reaktor katalitik dan kondisi steady state. Untuk menyelesaikan ersamaan diferensial ordiner yang digunakan ada enelitian ini diakai metode Runge utta dengan rogram SciLab sehingga didaat rofil konversi dan temeratur di Reformer Primer. Variabel yang memengaruhi dalam reaksi di Reformer Primer adalah temeratur, tekanan, dan komosisi. Hasil simulasi jika dibandingkan dengan data oerasional abrik menunjukkan ralat rerata,9 %. Jika model tersebut digunakan ada berbagai kondisi oerasi menghasilkan ralat rerata 7,01 %. ata kunci: reformer rimer, metana, steam, amonia Pendahuluan Proses oerasi suatu abrik meruakan asek enting dalam menekan biaya emeliharaan, mencaai roduksi yang otimum, dan mencegah unscheduled shutdown. Dalam engoerasian abrik, oerator beredoman ada Standard Oerating Procedure (SOP), hasil analisa laboratorium serta data oerasional eralatan yang terdaat di laangan yaitu berua temeratur, tekanan, aliran. Data oerasional alat daat dieroleh melalui alat instrumentasi yang terdaat di laangan mauun yang terhubung dengan Distributed Control System (DCS). * Alamat koresondensi: sigitab@usri.co.id Unit Reformer Primer meruakan alat yang beroerasi ada temeratur tinggi ( C) dan tekanan 5 kg/cm sehingga rentan terhada kerusakan jika terjadi kesalahan dalam engoerasian. Alat instrumentasi berua termokoel digunakan untuk mendeteksi temeratur, akan tetai tidak daat diletakkan ada semua titik di Reformer Primer. Alat instrumentasi berua ressure gauge digunakan untuk mendeteksi tekanan di dalam Reformer Primer, dan biasanya hanya terletak di bagian inlet dan outlet saja. Jika terjadi kerusakan sistem instrumentasi daat mengakibatkan reson oerator yang kurang teat, selain itu terdaat lokasi atau temat yang tidak terdaat instrumentasi sehingga daat terjadi kerusakan

2 1 yang daat mengakibatkan unscheduled shutdown. Alat simulasi harus daat mewakili roses yang terjadi di abrik, khususnya Reformer Primer, dengan tingkat keakuratan yang cuku tinggi dan reson yang ceat, sehingga daat meningkatkan reliabilitas dan kehandalan oerasional abrik. Selain itu, alat simulasi harus daat dialikasikan untuk data yang biasa digunakan dan daat dieroleh di abrik seerti temeratur, tekanan, aliran dan komosisi. Penelitian ini mencaku emodelan sistem roses di Reformer Primer dengan acuan abrik amonia Pusri. Untuk sisi roses kajian dibatasi mulai dari treated feed gas (uman masuk) samai dengan gas sistesis keluar dari Reformer Primer. Untuk sisi furnace kajian dibatasi dari embakaran fuel samai dengan fluegas keluar dari radiant section. Sebagai data acuan diakai data oerasional di abrik amonia Pusri tahun 009 dan 010, yang didaatkan dari data log sheet dan analisa laboratorium. Detil aliran energi di Reformer Primer daat dilihat ada gambar di bawah ini. Gambar 1. Diagram energi unit Reformer Primer Reformer Primer ada abrik etrokimia digunakan untuk memecah gas hidrokarbon menjadi hidrogen dan bagian-bagian lain dari gas hidrokarbon yang lebih rendah. Reaksi di reformer adalah reaksi katalitik yang memerlukan inut anas yang besar. Uman Reformer Primer berua camuran steam dan gas alam ada temeratur 510 C masuk ke dalam tube katalis. Camuran steam dan gas alam ini mengalami roses cracking ada katalis (Nickel Based Catalyst) di dalam tube, sedangkan anas untuk reaksinya diberikan melalui burner di bagian atas radiant section. Gas roses dan gas furnace masuk dari bagian atas reformer dan keluar dari bagian bawah. Proses gas mengalir melalui beberaa baris tube berisi katalis yang tersusun aralel. Di dalam tube, hidrokarbon dan steam bereaksi untuk membentuk hidrogen, karbon dioksida dan karbon monoksida. Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 6, No., 01 Reaksi reformasi gas alam meruakan reaksi katalitik antara gas alam dan steam dengan menggunakan katalis nikel yang disangga dengan alumina (Ni/Al O ). Reaksi kesetimbangan reformasi gas alam secara keseluruhan bersifat endotermis. Di dalam industri, reaksi reformasi gas alam dengan steam meruakan roses utama untuk memroduksi gas sintesis yang terutama terdiri dari dan H. Jika gas alam yang dimaksud dalam hal ini direresentasikan dengan, maka reaksi-reaksi utama reformasi gas alam dengan steam daat dituliskan seerti dalam ersamaan-ersamaan berikut (Hyman, 1968; Hinderink et al., 1996; Froment dan Bischoff, 1990). H O H ΔH 98 = +06, kj/mol (1) H O H ΔH 98 = -1,1 kj/mol () H O H ΔH 98 = +165 kj/mol () Selain, gas alam uman Reformer Primer juga mengandung senyawa-senyawa hidrokarbon yang lebih berat dari metana (heavy hydrocarbon). Namun senyawa-senyawa hidrokarbon ini tidak terdeteksi lagi setelah camuran gas alam dan steam mengalami reaksi reformasi dalam waktu yang singkat (Anderson dan Boudart, 198). esimulan ini juga dieroleh oleh Aker dan Cam yang melakukan ercobaan reformasi metana dengan steam ada rentang temeratur 0-60 C (Hyman, 1968). Percobaan tersebut melaorkan bahwa setelah waktu kontak yang sangat singkat hanya metana yang tersisa dalam aliran keluaran reaktor. Xu dan Froment (1989) memelajari kinetika intrinsik reaksi reformasi metana dengan steam ada katalis Ni, dan kemudian menyusunnya dalam serangkaian mekanisme reaksi bersama dalam tiga taha engendali reaksi (Alhabdan, 199; Froment dan Bischoff, 1990). Persamaan kinetika untuk reaksi yang berlangsung dalam katalis adat yang didasarkan ada mekanisme adsorsi kimia selalu daat dituliskan sebagai kombinasi dari tiga kelomok: faktor kinetika, faktor driving force, dan faktor adsorsi. Berdasarkan endekatan Langmuir-Hinshelwood, ersamaan laju kinetika reaksi reformasi metana dengan steam dalam reaktor ia ideal berkatalis ditunjukkan dalam Tabel 1.

3 Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 6, No., 01 Tabel 1. Persamaan laju reaksi reformasi metana (Xu dan Froment, 1989) Persamaan reaksi Persamaan laju reaksi Pers. H O H H O H H O H r r 1 r k 1,5 H k H k,5 H H. HO ( DEN) ( DEN) H. 1.. HO () H. H O ( DEN). (5) (6) H O. H O DEN 1... H H (7) H Neraca massa daat dijabarkan dengan mengambil elemen volum, dan alirannya diasumsi lug flow. Elemen volum (A. Z) ditunjukkan oleh gambar berikut. Profil temeratur di reforming catalytic zone daat ditentukan dengan menjabarkan neraca anas ada elemen volum tertentu (A. Z) dan menggunakan asumsi aliran lug flow. Elemen volum yang digunakan daat ditunjukkan ada gambar berikut. Masuk Fi z Fi z+ z eluar T g z z+ z Masuk eluar Gambar. Elemen volum ada enjabaran neraca massa Persamaan-ersamaan yang digunakan dalam model ini adalah: Neraca massa komonen df ( r1 r) Ab (8) Neraca massa komonen df ( r r) Ab (9) Neraca massa komonen df ( r1 r) Ab (10) Gambar. Elemen volum ada enjabaran neraca anas Neraca anas dt U.. Do ( Tg T ) Ab Hr1. r1 Hr. r Hr. r F C Neraca anas di radiant section i i (1) T out = (1) Pressure dro dp T z G g. D. c z T z+ z z+ z (1 ) 150(1 ) 1,75G D (15) Neraca massa komonen H dfh ( r1 r r ) Ab (11) Neraca massa komonen H O dfh O ( r1 r r ) Ab (1) Metode Penelitian Simulasi model roses roduksi gas sintesis di abrik amonia Pusri III ini secara garis besar mencaku beberaa hal berikut:

4 1. Pemodelan dan simulasi unit Reformer di sisi gas roses dan gas furnace.. Pemodelan dimulai dari saat gas roses masuk ke dalam Reformer Primer samai dengan keluar.. Pemodelan gas furnace dilakukan mulai dari masuk furnace samai dengan keluar.. Pemodelan diharakan daat diergunakan ada berbagai macam kondisi rate oerasi abrik. omonen-komonen utama yang tercaku dalam kajian ini terdiri dari Reformer Primer, dari sisi gas roses dan sisi furnace. Skema arus ada simulasi ditunjukkan ada gambar berikut ini. Flue Gas NG Feed Preheated Mixed Feed Flue Gas Process Steam Primary Reformer Gambar. Skema arus ada simulasi. Flue Gas Outlet Primary Reformer Steam roses akan bercamur dengan NG Feed Preheated sebelum masuk convection section untuk dianaskan dengan Flue Gas. Aliran keluar yang berua Mixed Feed masuk ke reformer dan mengalami reaksi, kemudian keluar sebagai Outlet Primary Reformer. Sedangkan Flue Gas masuk ke Primary Reformer kemudian terbakar menjadi Flue Gas yang digunakan untuk memanaskan coil yang ada di convection section dan menjadi Flue Gas. onversi metana, temeratur dan tekanan dari gas roses di outlet Reformer Primer didaatkan dengan mengintegrasikan ersamaan (8) - (15), dari inlet Reformer Primer samai ujungnya. Untuk keadaan awal di inlet Reformer Primer, dengan mengetahui kondisi gas roses yang sudah dicamur steam, daat dihitung sifat fisis dan sifat termodinamika. Dari sifat-sifat ini dan aliran camuran gas, tekanan di taha satu daat dihitung, sehingga konversi metana dan temeratur taha satu daat dihitung. Dengan menggunakan kondisi temeratur, tekanan dan komosisi yang baru, sifat fisis dan termodinamika dihitung kembali. Sifat-sifat ini kemudian digunakan kembali untuk menghitung tekanan, konversi dan temeratur untuk iterasi kedua. Langkah ini diulang samai ujung tube Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 6, No., 01 reformer. Untuk menyelesaikan ersamaan diferensial ordiner di atas digunakan metode Runge utta dengan rogram SciLab sehingga didaat rofil konversi dan temeratur. Penelitian dilakukan dalam dua taha, yaitu taha validasi model matematika dengan membuat model yang mendekati kondisi oerasi aktual di abrik. Diilih model simulasi sebagai endekatan awal dengan erbedaan terletak ada asumsi aliran gas furnace yaitu aliran gas diangga mixed flow atau lug flow, sehingga didaat dua model simulasi : 1. model gas roses lug flow dengan gas furnace mixed flow. model gas roses lug flow dengan gas furnace lug flow emudian dilakukan emilihan model yang aling baik berdasarkan ralat rerata yang terkecil. Taha selanjutnya adalah melakukan simulasi roses. Hal ini dilakukan untuk mengetahui kinerja roses roduksi gas sintesis ada model yang diusulkan, dan juga keakuratan model simulasi ada berbagai macam kondisi oerasi aktual di abrik. Variabel engubah yang digunakan adalah temeratur, tekanan, komosisi serta aliran dari gas uman. Sedangkan variabel teta adalah sesifikasi alat dan susunan alat. Tabel. Uji validasi hasil simulasi untuk model ertama dan kedua. omonen Masuk eluar (%) % Aktual Model 1 Ralat Model Ralat H,9 68,66 70,8,16 7,1 5,05 8,78 8,80 1,9 6,818 7,95 9,659 C H 6 5,6 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 C H 8,85 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 C H 10 0,9 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 C 5H 1 0, 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 C 6+ 0,0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 7,1 1,16 8,708 7,5,65 0,0 1,80 1,5 8,69 11,9 19, T gas out, C , ,8 T flue gas out, C , 99,7 Ralat rerata 1,,98 Hasil dan Pembahasan Uji Validasi dan Pemilihan Model Hasil simulasi untuk kedua model divalidasi dengan membandingkan data yang dieroleh dari hasil simulasi dengan data aktual di abrik yang hasilnya disajikan ada Tabel. Untuk memilih model mana yang akan digunakan setelah dilakukan tuning, maka dilakukan uji validasi dimana hasil erhitungan dibandingkan dengan data aktual di abrik dengan menggunakan jumlah ralat terkecil antara hasil erhitungan simulasi dan data aktual di abrik. Setelah itu dihitung ralat rerata dari

5 Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 6, No., 01 masing-masing model. Semua komonen dimasukkan dalam erhitungan, kecuali untuk komonen inert yaitu nitrogen dan argon. Hal ini disebabkan ralat dari kedua komonen ini cuku besar yaitu diatas 100 %. Selain itu karena bersifat inert, kedua komonen ini tidak dijadikan acuan dalam oerasional abrik. Pemilihan model dilakukan setelah dilakukan tuning, dengan uji validasi dimana data hasil erhitungan (simulasi) dibandingkan dengan aktual di abrik (PT Puuk Sriwidjaya, 1976) dengan menggunakan jumlah ralat terkecil. Dari hasil erhitungan didaatkan ralat rerata untuk model 1 ( model gas roses lug flow dengan gas furnace mixed flow) sebesar 1, %, dan model (model gas roses lug flow dengan gas furnace lug flow) sebesar,9 % sehingga diilih model. Pengaruh Variabel Penelitian Simulasi dilakukan dengan melakukan variasi temeratur gas roses di inlet Reformer Primer yaitu 00, 50, 70 dan 500. Grafik hubungan konsentrasi metana keluar reformer terhada berbagai temeratur inlet disajikan ada Gambar 5. % 8, 8,1 8 7,9 7,8 7, Temeratur, Gambar 5. Pengaruh temeratur gas inlet roses terhada konsentrasi metana outlet reformer. Dari grafik terlihat bahwa semakin tinggi temeratur inlet Reformer maka semakin rendah konsentrasi sisa metana outlet Reformer. Hal ini menunjukkan bahwa semakin banyak metana yang bereaksi dan berubah menjadi hidrogen. Terjadinya reaksi meruakan akibat adanya tumbukan antar molekul yang kemudian bergabung membentuk senyawa baru. Temeratur yang semakin tinggi akan meningkatkan energi kinetik yang dimiliki oleh molekul-molekul sehingga semakin ceat molekul untuk bertumbukan yang berarti semakin ceat ula terjadinya reaksi. enaikan temeratur reaksi mengakibatkan sulai energi untuk mengaktifkan reaktan dan tumbukan antar reaktan untuk menghasilkan reaksi juga bertambah sehingga roduk yang dihasilkan akan lebih banyak. Menurut teori kinetika gas (Fogler, 199) faktor e (-E/RT) ada ersamaan Arrhenius menunjukkan fraksi bergabungnya molekul. Oleh karena itu, semakin besar temeratur maka faktor e (-E/RT) semakin besar ula sehingga keceatan reaksi juga akan semakin besar. Sedangkan variasi tekanan inlet Reformer dilakukan ada 0, 5, 6,86, dan 9 atm. Pengaruh tekanan gas inlet Reformer terhada konsentrasi sisa metana keluar Reformer ditunjukkan ada Gambar 6. Dari grafik terlihat bahwa semakin tinggi tekanan, semakin tinggi ula konsentrasi metana di outlet reformer. Hal ini menunjukkan bahwa semakin banyak metana yang bereaksi dan berubah menjadi hidrogen. Hal ini daat dilihat ada reaksi (1) dan (), dimana sisi reaktan memunyai koefisien reaksi yang lebih kecil dari sisi roduk, sehingga dengan kenaikan tekanan kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah reaktan. Akan tetai setia reaksi memunyai batas oerasional tekanan yang memungkinkan terjadinya reaksi dan juga dibatasi oleh keterbatasan alat sesuai dengan desain awal. % 8,1 8 7,9 7,8 7, ,86 9 Tekanan, atm Gambar 6. Pengaruh tekanan gas inlet terhada konsentrasi sisa metana keluar reformer. Variasi ada komonen gas uman reformer dilakukan dengan melakukan variasi ada konsentrasi metana yaitu 75, 80, 85, dan 9 %. Hasil simulasi ditunjukkan ada Tabel. Tabel. Hasil simulasi ada berbagai komosisi uman metana. =75% =80% =85% =9% omonen Masuk eluar Masuk eluar Masuk eluar Masuk eluar H 17,69 7,99 1,0 7,9 10,1 7,1,9 7,1 7,8 6,0 80,0 6,5 85,60 6,15 9,8 7,95 0,00 7,8 0,00 7,9 0,00 7,55 0,00 7,5 N 6,15 1,57,88 1,5,5 0,9 1,78 0,7 Ar 0,07 0,07 0,06 0,06 0,0 0,0 0,05 0,05 1,7 10,07 1,01 10,7 0,7 11,0 0,0 11,9 Dari Tabel daat dilihat konsentrasi hasil reaksi yaitu konsentrasi outlet dikurangi

6 5 konsentrasi inlet dari hidrogen, karbon monoksida dan karbondioksida meningkat seiring dengan kenaikan konsentrasi metana. Hal ini dikarenakan dengan naiknya konsentrasi metana, maka semakin banyak metana yang bereaksi membentuk hidrogen, karbonmonoksida dan karbondioksida. Simulasi juga dilakukan ada berbagai macam kaasitas oerasi abrik dan dengan kondisi oerasi yang berbeda-beda. Simulasi menggunakan data bulan November dan Desember 010 serta saat erformance test Pusri bulan Juni 009. Tabel. Hasil simulasi ada berbagai rate oerasi. Parameter Satuan /6/009 /6/009 9/11/010 7/1/010 ondisi Oerasi % Ralat rerata % 7,0 10,8,81 6,7 Pada Tabel terlihat bahwa hasil simulasi menghasilkan ralat rerata 7,01 %. Simulasi ini daat memberikan gambaran awal kondisi oerasi yang terjadi di abrik Amoniak Pusri-. esimulan Dari hasil dan embahasan ada enelitian ini daat diambil kesimulan sebagai berikut : 1. Dalam enelitian ini dilakukan simulasi dengan menggunakan model gas roses lug flow dan gas furnace lug flow dengan ralat rerata,9%.. enaikan temeratur gas inlet reformer menyebabkan enurunan konsentrasi metana di outlet reformer.. enaikan tekanan gas inlet reformer menyebabkan semakin tinggi konsentrasi metana di oulet reformer.. enaikan konsentrasi metana ada gas inlet reformer menyebabkan kenaikan konsentrasi hidrogen, karbon monoksida dan karbon dioksida di outlet reformer. 5. Model simulasi daat digunakan ada berbagai rate oerasi dengan ralat rerata 7,01%. Daftar Notasi A : luas tamang ia dalam reaktor, m C i : kaasitas anas komonen i, kkal/kmol/ o C C in : kaasitas anas masuk seksi radiasi, kkal/kmol/ o C C out : kaasitas anas keluar seksi radiasi, kkal/kmol/ o C D o : diameter luar ia, m : diameter butiran katalis, m D Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 6, No., 01 DEN : faktor adsorsi ada ersamaan (1), () dan () : keceatan molar, kmol/jam F : keceatan molar, kmol/jam : keceatan molar, kmol/jam : keceatan molar H, kmol/jam : keceatan molar H O, kmol/jam F i : keceatan molar komonen i, kmol/jam F in : keceatan molar masuk seksi radiasi, kmol/jam F Oin ; keceatan molar oksigen masuk F out seksi radiasi, kmol/jam : keceatan molar keluar seksi radiasi, kmol/jam k 1, k, k : konstanta keceatan reaksi (1), () dan () 1, : konstanta kesetimbangan reaksi (1), () dan () : konstanta adsorsi : konstanta adsorsi : konstanta adsorsi : konstanta adsorsi H : konstanta adsorsi H O P : tekanan gas, lbf/ft : tekanan arsial P : tekanan arsial : tekanan arsial : tekanan arsial H : tekanan arsial H O r 1,r,r : laju reaksi (1), () dan () T : suhu reaktan dalam reaktor, o C T g : suhu gas emanas, o C T in : suhu gas emanas masuk seksi radiasi, o C T out : suhu gas emanas keluar seksi radiasi, o C U : koefisien erindahan anas keseluruhan, kkal/(m jam o C) z : anjang reaktor, m

7 Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 6, No., 01 6 Daftar Pustaka Alhabdan, F. M., Abashar, M. A. dan Elnashaie, S. S. E., 199. A flexible comuter software ackage for industrial steam reformers and methanators bssedon rigorous heterogeneous mathematical models. Mathematical Comuter Modeling. vol Fogler, H.S., 199. Elements of chemical reaction engineering. Toronto Prentice-Hall International Inc. Froment, G. F. dan Bischoff,. B., ChemicalReactor Analysis and Design. John Wiley, New York, NY. Hinderink, A. P., erkhof, F. P. J. M., Lie, A. B.., De Swan Arons, J., dan Van der ooi, H. J., Exergy Analysis with a Flowsheeting Simulator, Chemical Engineering Science No 51. Hyman, M. H., Simulate methane reformer reactions, Hydrocarbon Processing, vol. 7, PT Puuk Sriwidjaya, Final Job Secification Amonia Pusri III. Pulman and ellog, vol. I. Xu, J. dan Froment, G. F., Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: I intrinsic kinetics. AIChE Journal. Vol