FORUM TEKNOLOGI Vol. 05 No. 3

Transkripsi

1 FORUM EKNOLOGI Vol. 05 No. ANALISIS VISUALISASI PROFIL EMPERAUR DAN EKANAN FURNACE 5 UNI KILANG PUSDIKLA MIGAS CEPU BERBASIS KOMPUASI DINAMIKA FLUIDA MENGGUNAKAN GAMBI FLUEN Oleh : Nurpadmi 1) Rizka Yunita ) Abstrak Furnace merupakan jantung utama ang berperan dalam proses pengolahan crude oil di Pusdiklat Migas. Dalam proses tersebut terdapat empat variabel ang sangat penting akni temperatur tekanan aliran dan level fluida. Walaupun keempat variabel tersebut sangat penting namun ang menjadi kunci utama pemanasan crude oil adalah temperatur. Pada proses pengendalian temperatur dilakukan juga pengendalian tekanan proses pengendalian loop di dalam loop ini sering disebut dengan istilah pengendalian cascade. Pentingna temperatur dan tekanan dalam proses memasak crude oil membuat penulis ingin menganalisis bagaimana pola/profil/distribusi aliran fluida ang terjadi di dalam furnace dengan mengendalikan temperatur. Nilai temperatur ang dikendalikan juga terkadang tidak sesuai dengan ang diinginkan sehingga perlu dilakukan perbandingan antara nilai set variable dan data lapangan. Dalam melakukan perbandingan penulis menggunakan metode Komputasi Dinamika Fluida untuk melakukan proses analisis eksak dan simulasi menggunakan perangkat Gambit dan Fluent. Dari hasil penelitian diperoleh hasil analisis eksak menunjukkan error sebesar 0.0 antara antara logging report dan set variable sehingga dapat disimpulkan tidak ada perbedaan ang signifikan dari visualisasi profil temperatur dan tekanan antar data logging report dan set variable. Kata kunci: Komputasi Dinamika Fluida Gambit dan Fluent temperature tekanan furnace. 1. Pendahuluan Pusdiklat Migas Cepu merupakan lembaga ang menaungi kegiatan pelatihan dan pendidikan di bidang minak dan gas bumi di Indonesia. Selain itu Pusdiklat Migas Cepu juga mengolah crude oil dari P Pertamina EP. Dalam proses pengolahan crude oil jantung utama ang berperan adalah furnace. Furnace ang saat ini beroperasi di Pusdiklat Migas Cepu adalah furnace 5 ang baru beroperasi sejak tahun 011. Furnace diibaratkan sebagai dapur ang berfungsi untuk memasak crude oil sampai temperatur ang diinginkan untuk diolah lebih lanjut oleh evaporator dan perangkat memasak lainna. Dalam proses pemanasan crude oil didalam furnace terdapat empat variabel ang sangat penting akni temperatur tekanan aliran dan level fluida. Walaupun keempat variabel tersebut sangat penting namun ang menjadi kunci utama pemanasan crude oil adalah temperatur. Pada proses pengendalian temperatur dilakukan juga pengendalian tekanan proses pengendalian loop di dalam loop ini 47

2 FORUM EKNOLOGI Vol. 05 No. sering disebut dengan istilah pengendalian cascade. Pengendalian jenis ini sudah sangat tidak asing terdengar di bidang instrumentasi karena dengan mengendalikan satu variabel variabel ang lain juga ikut terkendali. Pentingna temperatur dan tekanan dalam proses memasak crude oil membuat penulis ingin menganalisis bagaimana pola/profil/distribusi aliran fluida ang terjadi di dalam furnace dengan mengendalikan temperatur. Nilai temperatur ang dikendalikan juga terkadang tidak sesuai dengan ang diinginkan sehingga perlu dilakukan perbandingan antara nilai set variable dan data lapangan. Dalam melakukan perbandingan penulis menggunakan metode Komputasi Dinamika Fluida untuk melakukan proses analisis eksak dan simulasi menggunakan perangkat Gambit dan Fluent.. Rumusan dan Batasan Masalah Permasalahan ang akan dibahas disini adalah analisis terhadap visualisasi profil temperatur dan tekanan furnace 5 di Pusdiklat Migas Cepu. Hal ini dikarenakan temperatur dan tekanan merupakan variabel ang dikendalikan secara cascade. Sehingga apabila dilakukan pengukuran terhadap temperatur maka tekanan juga ikut terukur. Batasan masalah dalam penelitian ini adalah profil temperatur dan tekanan pada furnace 5 di Unit Kilang Pusdiklat Migas Cepu ang diamati menggunakan prinsip Komputasi Dinamika Fluida dengan perangkat lunak Gambit dan Fluent. Adapun data pengamatan ang penulis amati terhitung mulai tanggal 11 s.d. 17 Februari 014 ang merupakan data logging report harian dan data set variable ang sudah ditentukan operator sebelumna. Selain itu dalam memasukkan data penulis hana menertakan variabel temperatur hal ini dikarenakan besarna variabel tekanan akan berbanding lurus dengan tempeatur karena termasuk pengendalian cascade.. Dasar eori.1. Pengenalan Furnace Di industri minak dan gas bumi furnace merupakan suatu alat ang dirancang sebagai tempat pemanas utama crude oil ang dilengkapi oleh burner atau stoker. ujuan pemanasan dalam furnace adalah untuk menguapkan fraksi-fraksi ringan ang terkandung di dalam crude oil. Sumber panas furnace berasal dari proses pembakaran fuel oil fuel gas atau gabungan dari keduana. Setelah crude oil melalui heat echanger crude oil tersebut kemudian masuk ke dalam furnace melalui tube bagian atas pada suhu 110oC dan diteruskan ke bagian bawah hal ini dilakukan untuk menghindari kerusakan pada crude oil karena adana pemanasan mendadak sehingga menimbulkan cracking atau perekahan. Fraksi-fraksi ringan ang sudah berbentuk uap menisakan fraksi berat sebagai crude oil ang kemudian keluar dari furnace pada suhu 40oC. Ditinjau dari segi proses perpindahan panas ruang pada furnace dibagi menjadi dua bagian aitu: a. Ruang radiasi Ruang radiasi terdiri dari lebih dari baris tube-tube ang mengalirkan crude oil. ube tersebut mendapatkan pancaran panas langsung secara pantulan dari dinding furnace. b. Ruang konveksi Ruang konveksi merupakan ruangan ang terdiri dari tube-tube sebanak ± baris ang terpasang secara vertikal. ube tersebut mengalami pemanasan dari aliran 48

3 FORUM EKNOLOGI Vol. 05 No. gas ang merupakan gas buang fuel gas) ang menuju stack furnace di sela-sela crude oil lainna. erdapat 5 buah furnace di Pusdiklat Migas Cepu aitu furnace 1 4 dan 5. Namun furnace ang digunakan saat ini hana furnace 5 saja karena furnace ang lainna sudah tidak digunakan sejak lama. Furnace 5 merupakan furnace baru ang beroperasi sejak tahun 011 dan pengoperasianna masih belum optimal. Oleh sebab itu diperlukan sebuah sistem kontrol ang baik terutama temperatur dan tekanan pada furnace. Dalam mengontrol temperatur dan tekanan dilakukan sistem pengendalian bentuk cascade karena dasar dari sistem pengendalian ini adalah menggabungkan dua loop pengendalian atau lebih ang salah satuna menjadi primar controller dan lainna menjadi secondar controller. Gambar 1. Posisi ruang radiasi dan ruang konveksi pada furnace. Sumber: Heaters-Furnaces-and-Fired-Heaters.pdf).. Proses Pemanasan Pada Furnace Setelah crude oil keluar dari HE Heat Echanger) crude oil masuk ke dalam furnace melalui tube bagian atas dan diteruskan ke tube bagian bawah. Pemanasan ang dilakukan furnace aitu secara bertahap dari panas minimum ke panas maksimum guna menghindari terjadina cracking pada crude oil. Crude oil akan mengalami pemanasan sampai temperatur maksimalna mencapai 50oC agar fraksi air dan fraksi uap terpisah dengan baik. Dalam pembakaran di furnace digunakan solar sebagai bahan bakar awal dan fuel oil residu) serta fuel gas untuk proses pembakaran selanjutna. Sebelum digunakan sebagai bahan bakar furnace residu ang berasal dari tangki dialirkan ke heater terlebih dahulu untuk dipanaskan sampai suhuna mencapai 15oC agar fogging dari residu berjalan dengan baik. Apabila furnace sedang dalam keadaan shut down api dalam furnace tidak mati seluruhna tetapi masih terdapat api ang berasal dari fuel gas untuk menghindari terjadina penalaan api mendadak dalam furnace sehingga adana perbedaan tekanan antara bagian dalam dan luar furnace ang terlalu besar ketika furnace dijalankan. Peristiwa ini disebut dengan peristiwa flashback. Crude oil selanjutna akan keluar dari furnace pada suhu 40oC dan masuk pada evaporator... Pengendalian emperatur dan ekanan Berdasarkan Gambar. emperature ransmitter ) berperan sebagai sensor temperatur crude oil pada keluaran furnace sinal dari ini juga disebut sebagai Proses Variable PV) ang kemudian diteruskan menuju emperature Control Indicator IC) untuk dibandingkan dengan besarna Set variable SV) ang diberikan oleh operator pengendali. Apabila besarna PV sama dengan besarna SV 49

4 FORUM EKNOLOGI Vol. 05 No. maka tidak ada Manipulated Variable MV) ang diberikan sedangkan apabila besana PV tidak sama dengan SV terdapat MV ang diberikan pada Pressure Indicator Controller PIC) agar besar nilai PV sama dengan SV. Sinal MV tersebut berasal dari IC sebagai pengendali utama. PIC akan melakukan pengendalian jika PV ang masuk dari Pressure ransmitter P) tidak sama besarna dengan nilai SV baru ang diberikan oleh IC dengan memberikan MV pada Pressure Control Valve PCV). PCV berperan dalam hal pengatur bukaan katup sampai nilai PV sama dengan IC. Ketika nilai PV sama dengan IC dan nilai IC sama dengan SV maka dalam hal ini temperatur sudah terkendali dengan baik. Gambar. Blok diagram sistem pengendalian cascade antara temperatur dan tekanan di furnace 5.4 Komputasi Dinamika Fluida Komputasi Dinamika Fluida atau ang sering disebut Computational Fluid Dnamics merupakan cabang ilmu mekanika fluida ang menggunakan metode numerik dan algoritma untuk memecahkan dan menganalisis masalahmasalah ang melibatkan aliran fluida. Berikut merupakan langkah-langkah ang harus dilakukan dalam melakukan Komputasi Dinamika Fluida..5. Gambit dan Fluent Gambit merupakan perangkat lunak ang berfungsi untuk melakukan meshing terhadap suatu bidang ang akan ditinjau aliran fluidana. Meshing bertujuan untuk mempermudah penebaran panas aliran fluida semakin banak mesh ang dibuat maka hasil akan menjadi semakin mendekati nilai ang sebenarna. Fluent merupakan perangkat lunak ang digunakan untuk menganalisis mesh ang dibuat oleh Gambit. Perangkat lunak ini dapat melakukan iterasi data ang dianalisis sesuai permintaan user. Selain itu fluent dapat melakukan visualisasi distribusi aliran fluida berdasarkan parameter-parameter ang tersedia seperti temperatur tekanan vektor kecepatan pathline histogram data dan lain sebagaina. Penggunaan Gambit dan Fluent tidak dapat dipisahkan satu sama lain dalam dunia Komputasi Dinamika Fluida. 50

5 FORUM EKNOLOGI Vol. 05 No. Fenomena Fisik Pemodelan Model Matematik Diskritisasi Model Diskrit Biasana PD Parsial dalam domain kontinu Sistem persamaan linear/matrik Kode/ Program Running Hasil Prediksi Validasi Validitas Hasil Penelesaian matrik secara numerik dengan metode iteratif Gauss Seidell Jacob) Pemeriksaan kecocokan hasil dengan kenataan/hasil eksperimen/solusi analitik ang eksak 4. Data Hasil Pengamatan 4.1 Data emperatur Gambar. Langkah melakukan Komputasi Dinamika Fluida Data temperatur ang diamati diambil pada tanggal 18 Februari 014 bertempat di ruang kontrol Unit Kilang Pusdiklat Migas Cepu pada pukul WIB. Data ang diambil berdasarkan Logging Report Distilling Unit of Pusdiklat Migas Cepu terhitung mulai tanggal 11 s.d. 17 Februari 014. abel 1. Data temperatur pada furnace 5 dalam satuan oc) Pukul anggal Februari rata-rata

6 FORUM EKNOLOGI Vol. 05 No Nilai rata-rata temperatur maksimum 41 Nilai rata-rata temperatur minimum Data ekanan Data tekanan ang diamati diambil pada tanggal 18 Februari 014 bertempat di ruang kontrol Unit Kilang Pusdiklat Migas Cepu pada pukul WIB. Data ang diambil berdasarkan Logging Report Distilling Unit of Pusdiklat Migas Cepu terhitung mulai tanggal 11 s.d. 17 Februari 014. abel. Data tekanan pada furnace 5 dalam satuan kg/cm ) Pukul anggal Februari rata-rata

7 FORUM EKNOLOGI Vol. 05 No Nilai rata-rata tekanan maksimum 1157 Nilai rata-rata tekanan minimum Nilai Set Variable Process Variable dan Manipulated Variable pada furnace 5 Nilai set variable pada furnace 5 aitu sebesar 40oC artina temperatur dikendalikan sedemikian rupa agar crude oil dari furnace mencapai 40oC. Sedangkan process variable merupakan nilai proses dimana nilaina dibuat agar sama dengan set value pada furnace 5 besarna nilai PV hana selisih ±5o dari set value. Untuk manipulated variable nilaina sebesar 80%-95% dimana nilai ini akan semakin mengecil apabila PV semakin mendekati SV. 4.4 Data Hasil Iterasi untuk = 41oC = 6151 K dengan Ms. Ecel Nilai maksimum temperatur = 6 K = 50oC 4.5 Visualisasi Perbandingan Profil emperatur dan ekanan berdasarkan Logging Report dan Set variable Menggunakan Fluent dan Gambit a. Pemodelan furnace 5 menggunakan Gambit Gambar 5. Meshing furnace 5 menggunakan Gambit b. Visualisasi menggunakan Fluent pada suhu 41oC Gambar 6. Iterasi pada furnace sebanak 1000 kali hingga konvergen Gambar 4. Hasil diskritisasi dengan temperatur 41 oc 5

8 FORUM EKNOLOGI Vol. 05 No. Gambar 7. Grid furnace 5 pada fluent Gambar 8. Visualisasi kontur pada furnace: temperatur kiri) tekanan kanan) Gambar 9. Visualisasi pathline pada furnace: temperatur kiri) tekanan kanan) Gambar 10. Visualisasi vektor kecepatan pada furnace: temperatur kiri) tekanan kanan) 5. Analisa dan Pembahasan Dalam melakukan Komputasi Dinamika Fluida ada baikna dilakukan perbandingan antara analisis numerik dan simulasi agar validitas hasil dapat diprediksikan. Sebelum melangkah ke proses simulasi dilakukan analisis eksak terhadap penebaran temperatur ang terjadi di dalam furnace. Penulis memodelkan dinding furnace dengan dimensi 6 m.88 m dengan mesh sebanak Banakna mesh ini mempengaruhi nilai hasil ang nanti diperoleh. Kedua sisi dinding furnace adiabatis dengan temperatur konstan sebesar 41oC sesuai dengan logging report sedangkan untuk pemodelan sesuai dengan set variable temperatur menjadi 40oC. Dinding bawah furnace diasumsikan menerima temperatur lebih besar sebesar 50 oc dimana perpindahan panas terjadi sepanjang sumbu. Pada langkah ini dilakukan metode diskritisasi agar diketahui penebaran temperatur di setiap dinding furnace dengan melakukan ekspansi deret alor. Dalam melakukan diskritisasi perlu dilakukan pemodelan matematis berupa fenomena konduksi " d q k sesuai dengan Hukum Fourier d c k dengan t ang merupakan fenomena konduksi transien dengan asumsi keadaan stead Metode Diskritisasi +) - ) ) + ) - ) 54

9 55 FORUM EKNOLOGI Vol. 05 No. Gambar 11. Pemodelan diskrit Model diskrit: 0 karena asumsi stead dimana 0. EOREMA DERE AYLOR:...!! Persamaan 1...!! Persamaan Penjumlahan persamaan 1 dan persamaan :! Persamaan Persamaan 4 Dengan cara ang sama untuk sumbu diperoleh: Persamaan 5 Model diskrit: 0 0 ) ) ) ) ) ) Persamaan 6 Apabila = maka: 4 1 Persamaan 7 Persamaan 7 merupakan persamaan ang digunakan untuk melakukan iterasi pada Microsoft Ecel sampai data mendekati nilai ang sebenarna. Berdasarkan temperatur logging report 41oC atau 6151 K diperoleh temperatur maksimum

10 FORUM EKNOLOGI Vol. 05 No. sebesar 6 K sesuai dengan temperatur masukan pada sisi bawah furnace 5. Sedangkan untuk temperatur set variable 40 oc atau 61 K diperoleh temperatur maksimum sebesar 61 K. Dari selisih hasil diskritisasi tersebut diperoleh error sebesar Visualisasi menggunakan Gambit dan Fluent Untuk menentukan visualisasi terhadap penebaran aliran fluida pada furnace 5 menggunakan Fluent terlebih dahulu dilakukan iterasi agar data menjadi stabil dan konvergen. Konvergen ialah suatu kondisi semua persamaan terselesaikan dan menuju ke suatu nilai ang mendekati. Pada tahap iterasi ini aliran fluida sudah mencapai kondisi konvergen pada saat iterasi ke 50 dari skala 1000 kali artina data ang diinputkan sudah tidak perlu diubah lagi dan hasil visualisasina mendekati nilai terukur pada langkah iterasi ke-50. Ketika dilakukan visualisasi terhadap penebaran aliran fluida pada furnace 5 dari kedua sumber data sebelumna dilakukan perubahan satuan dari derajat celcius oc) me njadi kelvin K). Sehingga nilai temperatur keluaran furnace ang diinput ke dalam fluent sebesar K dan 61 K sedangkan untuk nilai tekanan tidak diinputkan karena termasuk ke dalam sistem pengendalian cascade ang mana pengendalian temperatur juga mengendalikan tekanan Gelombang cahaa biru sampai dengan gelombang cahaa merah menunjukkan besarna nilai temperatur dari ang paling minimum sampai nilai maksimum dan tekanan dari minimum dan maksimum. abel. Hasil visualisasi penebaran fluida berdasarkan Logging Report Visuali-sasi emperatur K) ekanan Pascal) Min Maks Min Maks Kontur 6.15 * * * * Vektor Kec * * * * Path-line 6.15 * * * * Visualisasi kontur merupakan pola distribusi aliran fluida dimana pada temperatur K dan 61 K menunjukkan profil ang sama penebaranna dengan temperatur ang nilaina merata dalam furnace. Sedangkan pathline merupakan vektor posisi material dari partikel fluida atau ang dapat diuraikan sebagai jejak aktual ang dilewati oleh partikel fluida individual sepanjang beberapa waktu. Pada visualisasi pathline di furnace diperoleh bahwa profil aliran fluida temperatur K sama dengan temperatur 61 K hana saja ang membedakan besarna total temperatur antar keduana untuk temperatur K diperoleh profil temperatur ang merata sebesar 6.15*10 K dan untuk 61 K diperoleh sebesar 6.1*10K temperatur ang merata pada furnace menunjukkan perpindahan panas pada furnace tersebut merata ke segala arah. Sedangkan tekanan berada pada angka 5.9*10-5 Pascal untuk tekanan maksimum dan.85*10-15 Pascal untuk tekanan minimum. Selanjutna untuk vektor kecepatan temperatur diperoleh bahwa vektor kecepatan sama merata ke segala arah untuk pada temperatur K sebesar 6.15*10 K dan 61 K sebesar 6.1*10 K sedangkan pada vektor kecepatan tekanan diperoleh tekanan sebesar 5.9*10-5 Pascal untuk tekanan maksimum dan.85*10-15 Pascal untuk 56

11 FORUM EKNOLOGI Vol. 05 No. tekanan minimum. Vektor kecepatan disini merupakan arah kecepatan partikel fluida berdasarkan waktu dan lokasina. Berdasarkan kedua data pada tabel dan 4 disimpulkan bahwa temperatur maksimum dari simulasi masing-masing temperatur ang keluar dari furnace mengikuti nilai K dan 61 K. Hasil visualisasi menunjukkan pola aliran fluida ang sama antar kedua temperatur dan tekanan ang diamati apabila dicari nilai selisih antar temperatur tersebut akni K dan 61 K diperoleh nilai error sebesar 0.0. Nilai error ang diperoleh berdasarkan hasil eksak dan simulasi menghasilkan angka ang sama akni 0.0. Hal ini membuktikan bahwa hasil antara analisis eksak dan simulasi profil temperatur dan tekanan sudah valid. 6. Kesimpulan Dari hasil penelitian ang diperoleh maka dapat disimpulkan beberapa hal diantarana: Sistem pengendalian antara temperatur dan tekanan merupakan sistem pengendalian cascade dimana pengukuran temperatur juga menentukan pengukuran tekanan. Hasil analisis eksak menunjukkan error sebesar 0.0 antara antara logging report dan set variable. Perbedaan nilai temperatur dan tekanan antara logging report dan set variable mencapai error 0.0. idak ada perbedaan ang signifikan dari visualisasi profil temperatur dan tekanan antar data logging report dan set variable. Hasil antara analisis eksak dan simulasi profil temperatur dan tekanan sudah valid. Daftar Pustaka 1. Agarwal Peeush Simulation of Heat ransfer Phenomenon in Furnace using Fluent-Gambit. Department of Mechanical Engineering. National Institute of echnolog. Rourkela.. Fithri Normaliat. Hajar Ibnu. Sistem Pengontrolan Pressure dan emperature Pada Furnace Unit Alklasi P. Pertamina RU III Plaju. Universitas Bina Dharma.. Logging Report Distilling Unit of Pusdiklat Migas Cepu tertanggal 11 s.d. 17 Februari diakses pada Februari 014 Pukul WIB diakses pada Februari 014 Pukul WIB. *) 1. Ybs adalah pejabat Fungsional Widaiswara Pusdiklat Migas. Program Studi eknik Fisika Fakultas eknik UGM Yogakarta 57