BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang PT Pupuk Sriwijaya merupakan salah satu produsen pupuk urea di Indonesia. Sampai saat ini PT Pupuk Sriwijaya memiliki 4 pabrik yaitu Pusri IB (pengganti Pusri I), Pusri II, Pusri III, dan Pusri IV. Urea dibuat dengan bahan baku gas CO 2 dan liquid NH 3 yang disupply dari Pabrik Ammonia. Pada tahun 2010, satu bulan setelah turn around, terjadi permasalahan pada secondary reformer di Pabrik Ammonia Pusri II. Konsentrasi metana keluar dari secondary reformer mengalami peningkatan melebihi kondisi ideal yang diharapkan (maksimum 3% volume). Secondary reformer merupakan salah satu alat yang memiliki peran penting pada proses pembuatan ammonia. Fungsi dari secondary reformer adalah untuk menghasilkan gas sintesa melalui reaksi antara metana (CH 4 ) dan steam (H 2 O) menghasilkan CO 2 dan H 2 dengan bantuan katalis. Dengan adanya peningkatan konsentrasi metana pada gas keluar menunjukkan bahwa terjadi penurunan kinerja secondary reformer yang berarti bahwa reaksi di dalamnya tidak berjalan dengan sempurna. Selain itu, terdapat pula terdeteksi juga adanya hot spot di lapisan bata penahan panas bagian tengah yang dimungkinkan menjadi penyebab rusaknya lapisan bata penahan panas. Pada saat permasalahan tersebut terjadi, penggantian katalis baru saja dilakukan sehingga diambil asumsi bahwa kondisi katalis bukan penyebab utama. Penurunan kinerja tersebut diperkirakan karena burner pada zona pembakaran 1
2 (combustion zone) tidak berfungsi dengan baik sehingga distribusi aliran fluida menuju katalis tidak merata (Widyawan, 2012). Analisis terhadap permasalahan tersebut telah dilakukan sebelumnya dengan simulasi dua dimensi (2D) menggunakan simulator software CFD, yaitu ANSYS 13.0 (Fluent). Simulasi 2D memberikan pendekatan yang lebih sederhana dan beban komputasi yang lebih ringan. Meskipun demikian, simulasi 2D juga memiliki limitasi. Dari segi bidang geometri yang akan disimulasikan, untuk melihat apakah geometri dapat disimplifikasi ke dalam bentuk 2D, perlu melihat ketergantungan (dependency) pada masing masing dimensi. Untuk kasus zona pembakaran secondary reformer PT Pusri II, bidang yang disimulasikan menyerupai konis. Untuk arah L (panjang/axial) dan r (radial) jelas terdapat perbedaan, dimana distribusi ke arah L (axial) disebabkan model zona pembakaran yang menyerupai plug flow, sedangkan distribusi ke arah r (radial) berkaitan dengan sifat aliran yang dekat dinding (terdapat friksi yang besar) berbeda dengan sifat aliran yang jauh dari dinding (friksinya kecil). Untuk arah angular (theta/θ), dapat dilihat pada bagian inlet udara zona pembakaran terdapat spacing antar inlet dalam row yang sama (discrete inlet). Hal ini memungkinkan adanya perbedaan distribusi ke arah angular. Jika inlet udara merupakan continous inlet perbedaan ke arah angular mungkin tidak terlalu besar.
3 spacing continous Gambar 1. Discrete inlet udara (kiri) dan continous inlet udara (kanan) Hasil penelitian yang dilakukan oleh Andersson dan Nilsson (2013) juga mengindikasikan adanya perbedaan distribusi ke arah angular. Hal itu tampak pada Gambar 2 yang menunjukkan distribusi suhu di bagian outlet pada penelitian Andersson dan Nilsson (2013). angular angular Gambar 2. Distribusi suhu yang menunjukkan perbedaan ke arah angular (Andersson dan Nilsson, 2013) Beberapa penelitian lain juga mengindikasikan adanya perbedaan antara hasil simulasi dua dimensi dengan tiga dimensi. Perbedaan tersebut meliputi detail kontur dan atau nilai dari variabel variabel yang menjadi bahasan dari penelitian penelitian tersebut. Misalnya, simulasi prediksi emisi NO x (Akpan and Njiofor,
4 2014), pendinginan tetesan fluida pada permukaan dingin (Karlsson, 2013), dan simulasi CFD riser reactor (Patel, 2010) menunjukkan perbedaan kuantitatif antara simulasi dua dimensi dengan tiga dimensi. Oleh karena itu, perlu dilakukan analisis lanjutan dengan simulasi tiga dimensi (3D) untuk melihat kemungkinan adanya perbedaan/distribusi pada arah angular. Penggunaan simulasi tiga dimensi diharapkan dapat memberikan informasi secara lebih akurat mengenai distribusi kecepatan, suhu, dan konsentrasi di sepanjang zona pembakaran, karena bidang yang disimulasikan merupakan kondisi riil di lapangan. Hasil simulasi juga diharapkan dapat dimanfaatkan lebih lanjut sebagai bahan pertimbangan untuk melakukan modifikasi dalam rangka meningkatkan kinerja secondary reformer secara keseluruhan. I.2. Keaslian Penelitian Penelitian yang dilakukan terkait dengan secondary reformer sudah pernah dilakukan oleh Shi (2009). Widyawan (2012) telah melakukan simulasi 2 dimensi zona pembakaran secondary reformer pabrik Ammonia Pusri II. Andersson dan Nilsson (2013) juga telah melakukan simulasi 3 dimensi 1/5 bagian (dengan periodic boundary) secondary reformer. Penelitian ini menggunakan basis 2 dimensi yang telah dilakukan Widyawan (2012), menjadi 3 dimensi ¼ bagian zona pembakaran. Pada penelitian yang dilakukan Widyawan (2012), outlet zona pembakaran dimodelkan dengan lubang lubang kecil sebanyak 40 lubang, sedangkan penelitian yang dilakukan oleh Andersson dan Nilsson (2013) memodelkan outlet zona pembakaran mengikuti bulk density dari zona katalis (tidak dimodelkan khusus). Hasil dari penelitian Widyawan (2012), Andersson
5 dan Nilsson (2013) mengindikasikan adanya distribusi suhu dan konsentrasi yang tidak merata di bagian outlet zona pembakaran. Untuk kasus non premixed combustion metana dan udara pada kondisi atmosferis, Erinfolami, et al. (2012) pernah melakukan penelitian penyelesaian numeris kasus non premixed combustion menggunakan FORTRAN. Jamalabadi (2014) melakukan penelitian tentang pengaruh sudut inlet fuel pada kasus non premixed combustion metana/udara dalam suatu silinder vertikal. I.3. Manfaat Penelitian Beberapa manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini : 1. Dapat memberikan gambaran utuh dan riil dari distribusi aliran fluida, suhu, kecepatan, dan konsentrasi dari zona pembakaran secondary reformer pabrik Ammonia. 2. Dapat mengetahui korelasi antara bentuk geometri sistem dan kondisi operasi sistem terhadap distribusi aliran fluida, suhu, kecepatan, dan konsentrasi. 3. Dapat mengetahui penyebab penurunan kinerja secondary reformer pabrik Ammonia PT Pusri. I.4. Tujuan Penelitian Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah : 1. Menguji apakah kasus zona pembakaran secondary reformer di PT. Pusri II dapat disimulasikan dengan model non premixed combustion yang tersedia di Ansys Fluent
6 2. Mengetahui apakah proses reaksi kimia ataukah mixing yang menjadi controlling rate. 3. Mencari variasi kondisi proses yang dapat memberikan distribusi suhu dan konsentrasi yang lebih seragam di bagian outlet zona pembakaran. 4. Mengetahui apakah perubahan geometri zona pembakaran memberikan pengaruh yang signifikan terhadap distribusi suhu dan konsentrasi.