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 NH 3 /CO 2 dan perbandingan mol H 2 O/CO 2 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 m 3, 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 62
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. C B A A E B C D 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 masingmasing untuk tray konvensional dan tray yang baru. Pada tray konvensional 63
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-B Diameter 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 64
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/m 3 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/m 3 dan viskositas 3,35x10-5 kg/m.s. 65
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. Langkahlangkah 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 komponenkomponen 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 66
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 67
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 68
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 69
(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 70
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 lubanglubang 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 71
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 72
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. 73