TK5020 Analisis & Troubleshooting Sistem Proses SEMESTER II – 2015/2016 2015/2016
Ujian Akhir Bagian I Judul SIMULASI DAN EVALUASI REAKTOR AMONIAK
Disusun oleh: Muhammad Luthfi
13012117
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Mei 2016
DAFTAR ISI
Halaman DAFTAR ISI ..................................................... ........................................................................................................... .............................................................................. ........................ 1 DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................................... 2 DAFTAR TABEL ............................................. ...................................................... .............................................................................. ........................ 3 BAB I – PENDAHULUAN PENDAHULUAN ................................................. .................................................... ........................................................... ....... 4 1.1.
Latar Belakang ................................................................................................................. 4
1.2.
Permsalahan ..................................................................................................................... 4
1.3.
Tujuan............................................................................................................................... 5
BAB II – METODOLOGI METODOLOGI .............................................................................................................. 6 BAB III – PEMODELAN PEMODELAN REAKTOR AMONIAK ...................................................................... 7 3.1 Pemodelan Rektor Amoniak ................................................................................................. 7 3.2 Basis Simulasi .................................................. ..................................................... ..................................................................... ................ 7 3.3 Model Simulasi ..................................................................................................................... 7 4.4. Validasi Reaktor Amoniak ................................................ ................................................... 9 4.4.1 Validasi Temperatur-Temperatur Sistem Reak tor .................................................. ....... 9 4.4.2. Validasi Data Kinetika Reaksi Amoniak .................................................................... 12 BAB 4 – ANALISIS ANALISIS DAN HASIL HAS IL PEMBAHASAN ...................................................... .................................................................. ............ 13 4.1 Penurunan Kinerja Reaktor ................................................ ................................................. 13 4.2 Pengaruh Channeling dan dan Kebocoran terhadap Penurunan Kinerja Reaktor ..................... 15 4.3 Pengaruh Penurunan Pen urunan Temperatur Umpan terhadap terha dap Kinerja Konverter .............................. 17 4.4 Pengaruh Temperatur Outlet E-122C terhadap Temperatur Outlet Reaktor ...................... 18 4.5 Pengaruh Distribusi Aliran Quench terhadap Quench terhadap Peningkatan P eningkatan Konversi Reaktor ................... 20 BAB V – KESIMPULAN KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................................... 22 5.1 Kesimpulan ......................................................................................................................... 22 5.2 Saran ................................................................................................................................... 22
Halaman 1 dari 22
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 3.1 Metode Simulasi Reaktor Amoniak. ................................................... ........................ 6 Gambar 3.1 Model Fitting Data Temperatur Masukan dan Keluaran Reaktor Amoniak dengan Simulator Aspen Hysys 8.8. ............................................................................... ....... 8 Gambar 3.2. Model Fitting Data Kinetika Reaksi Amoniak dengan Simulator Aspen Hysys 8.8. 8 Gambar 3.3. Model Channeling dan Kebocoran dengan Simulator Aspen Hysys 8.8. .................. 9 Gambar 4.1. Pengaruh Temperatur Umpan terhadap Kinerja Konverter ..................................... 17 Gambar 4.2. Pengaruh Temperatur Keluaran Unggun 4 terhadap Temperatur Keluaran HE (E122C) dan Keluaran Konverter. ................................................ ............................... 19 Gambar 4.3. Pengaruh Temperatur Keluaran Unggun 4 terhadap Kesetabilan Konversi N2 Total. ................................................................................................................................. 20 Gambar 4.4. Pengaruh Persen Aliran Masukan E-122C terhadap Konversi Total N2. ................ 21
Halaman 2 dari 22
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 3.1. Valadiasi 9 Data Temperatur ....................................................................................... 10 Tabel 3.2. Validasi 8 Data Temperatur ......................................................................................... 10 Tabel 4.1. Data Hasil Simulasi Channeling . .................................................. ............................... 15 Tabel 4.2. Data Hasil Simulasi Kebocoran Aliran Penukar Panas (E122C). ............................ ... 16 Tabel 4.3. Data Hasil Simulasi Kebocoran Aliran Masuk Reaktor. ............................................. 16
Halaman 3 dari 22
BAB I – PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Amoniak merupakan salah satu senyawa penting yang banyak digunakan dalam industri kimia sebagai bahan baku dan produk. Amoniak (NH3) adalah gas basa tidak berwarna, lebih ringan dari udara dan memiliki aroma tajam dan unik. Di alam amoniak terbentuk pada saat zat-zat orgnaik yang mengandung nitrogen membusuk, oleh sebab itu sedikit terdapat dalam udara. Bahan baku yang digunakan untuk sintesa amoniak adalah gas alam, udara, dan uap air.
Di pabrik Amoniak, proses yang paling menentukan adalah sintesa amoniak dari gas H2 dan gas N2 yang terjadi di dalam ammonia converter dengan bantuan katalis promoted iron. Pada ammonia converter terjadi reaksi sebagai berikut:
Katalis promoted iron berpotensi mengalami deaktivasi yang daapat menyebabkan terjadinya penurunan jumlah konversi amoniak. Deaktivasi katalis dapat terjadi akibat tersumbatnya pori pori dari katalis atau telah habisnya life-time (massa hidup) katalis. Selain itu, penurunan jumlah konversi amonia juga bisa disebabkan oleh channeling aliran di dalam reaktor dan kebocoran pipa sebelum masukan reaktor. Pemahaman yang mendalam mengenai faktor-faktor yang mempengaruhi penurunan kinerja reaktor amoniak sangat penting untuk dimengerti oleh seorang sarjana teknik kimia agar dapat mendeteksi penyebab penurunan tersebut dan memberikan solusi yang solutif untuk menanggulangi penurunan kinerja tersebut.
1.2. Permsalahan
Perolehan amoniak dari pabrik Amoniak menurun dari perancangan awal. Hal tersebut dapat menyebabkan penurunan produksi pupuk urea maupun produk-produk lainnya yang menggunakan bahan baku amoniak.
Halaman 4 dari 22
1.3. Tujuan
Tujuan utama dari pekerjaan ini adalah mempelajari penyebab penurunan k inerja reaktor amoniak dan memperoleh kajian yang komprehensif terkait cara mengevaluasi penurunan reaktor tersebut.
Halaman 5 dari 22
BAB II – METODOLOGI
Metodologi yang digunakan untuk menjawab tujuan ini adalah menggunakan simulasi software Aspen Hysys v8.8. Hal pertama yang dilakukan adalah menyusun pemodelan sistem reaktor amoniak dengan basis awal sesuai dengan perancangan awal reaktor. Setelah itu dilakukan penyocokan temperatur masukan dan keluaran penukar panas untuk mendapatkan laju alirquench gas dan konversi untuk masing-masing bed reaktor. Hal kedua yang dilakuk an adalah memvalidasi data-data kinetika seperti orde reaksi, konstanta Arhenius, dan energi aktivitas dari reaksi. Langkah selanjutnya adalah mensimulasikan faktor-faktor penyebab penurunan kinerja reaktor, seperti keadaan channeling gas umpan di dalam reaktor dan kebocoran pipa sebelum masukan reaktor. Tahap akhir adalah mempelajari peluang-peluang yang dapat dilakukan untuk meningkatkan kinerja reaktor, seperti temperatur keluaran penukar panas sebelum masukan reaktor mapun distribusi aliran quench gas.
Mulai Validasi data kinetika Membuat model Reaktor amoniak Tidak Ya
Tidak
Ya
Validasi temperatur masukan dan keluaran reaktor
Simulasi faktor-faktor penyebab penurunan kinerja reaktor
Simulasi faktor-faktor penyebab peningkatan kinerja reaktor
Selesai
Gambar 2.1 Metode Simulasi Reaktor Amoniak.
Halaman 6 dari 22
BAB III – PEMODELAN REAKTOR AMONIAK
3.1 Pemodelan Rektor Amoniak
Pemodelan reaktor amoniak dilakukan dengan memvalidasi temperatur masukan dan keluaran reaktor, serta temperatur masukan dan keluaran penukar panas untuk dapat menentukan laju alir quench gas dan konversi setiap bed reaktor. Pemodelan ini menggunakan reaktor konversi pada Aspen Hysys 8.8v. Setelah dirasa temperatur-temperatur tersebut benar maka dilakukan fitting data untuk kinetika reaksi. Fitting data dilakukan dengan tujuan memvalidasi temperatur masukan dan keluaran reaktor dengan mengubah variabel kinetika reaksi. Pemodelan ini menggunakan reaktor aliran sumbat pada Aspen Hysys 8.8v. Setelah data kinetika didapatkan, langkah selanjutnya adalah membuat pemodelan channeling aliran gas dan kebocoran aliran gas sebelum masukan reaktor.
3.2 Basis Simulasi
Simulasi Pabrik Cumene menggunakan Fluid Pacakge dengan basis Peng Robinson.
3.3 Model Simulasi
Berikut ini adalah hasil pemodelan reaktor amoniak untuk mendapatkan data aliran quench gas dan konversi tiap bed reaktor dengan menggunakan Aspen Hysys 8.8.
Halaman 7 dari 22
Gambar 3.1. Model Fitting Data Temperatur Masukan dan Keluaran Reaktor Amoniak dengan Simulator Aspen Hysys 8.8.
Berikut ini adalah hasil pemodelan reaktor amoniak untuk mendapatkan data kinetika reaksi amoniak dengan menggunakan Aspen Hysys 8.8.
Gambar 3.2. Model Fitting Data Kinetika Reaksi Amoniak dengan Simulator Aspen Hysys 8.8.
Berikut ini adalah hasil pemodelan channeling aliran gas pada reaktor amoniak dan kebocoran aliran gas sebelum masukan reaktor dengan menggunakan Aspen Hysys 8.8.
Halaman 8 dari 22
Gambar 3.3. Model Channeling dan Kebocoran dengan Simulator Aspen Hysys 8.8.
4.4. Validasi Reaktor Amoniak
Validasi yang dilakukan ada dua, yaitu validasi temperatur-temperatur yang ada di sistem reaktor dan vaidasi data kinetika reaksi amoniak.
4.4.1 Validasi Temperatur-Temperatur Sistem Reaktor
Validasi temperatur-temperatur yang ada di sistem reaktor bertujuan untuk mengecek apakah temperatur indikator yang terdapat di sistem reaktor tersebut memberikan bacaan yang benar atau tidak. Validasi ini dilakukan dengan 3 variasi. Variasi pertama menggunakan 9 data dan variasi kedua serta ketiga menggunakan 8 data fit dengan variasi data yang berbeda.
Halaman 9 dari 22
Tabel 3.1. Valadiasi 9 Data Temperatur Design
9 Data
Konverter in
128
128
Deviasi (%) 0
Unggun #1 inlet
353
353,1724
0,04884
Unggun #1 outlet
481
480,8911
0,02264
Unggun #2 inlet
389
389,148
0,03805
Unggun #2 outlet
451
450,8808
0,02643
Unggun #3 inlet
390
390,1473
0,03777
Unggun #3 outlet
436
435,8749
0,02869
Unggun #4 inlet
404
404,1391
0,03443
Unggun #4 outlet
446
445,6787
0,07204
Konverter out
322
322,3187
0,09898
Temperatur (C)
Tabel 3.2. Validasi 8 Data Temperatur
(a) Design
8 Fit (#T out R4)
Deviasi (%)
Konverter in
128
128
0
Unggun #1 inlet
353
353
0,00000
Unggun #1 outlet
481
481
0,00000
Unggun #2 inlet
389
389
0,00000
Unggun #2 outlet
451
451
0,00000
Unggun #3 inlet
390
390
0,00000
Unggun #3 outlet
436
436
0,00000
Unggun #4 inlet
404
404
0,00000
Unggun #4 outlet
446
444,9
0,24664
Konverter out
322
322
0,00000
Design
8 Fit (#T out konverter)
Deviasi (%)
Konverter in
128
128
0
Unggun #1 inlet
353
353
0,00000
Unggun #1 outlet
481
481
0,00000
Unggun #2 inlet
389
389
0,00000
Unggun #2 outlet
451
451,0028
0,00062
Unggun #3 inlet
390
390,0024
0,00062
Unggun #3 outlet
436
436,0024
0,00055
Unggun #4 inlet
404
404,002
0,00050
Unggun #4 outlet
446
446,002
0,00045
Konverter out
322
323,1
0,34161
Temperatur (C)
(b) Temperatur (C)
Halaman 10 dari 22
Validasi bacaan temperatur pada sistem reaktor dilakukan dengan memvariasikan jumlah data yang di- fitting . Ketiga variasi memberikan deviasi yang sangat baik, yaitu di bawah 1% kesalahan. Hasil simulasi menunjukkan bahwa fitting menggunakan 8 data akan memberikan nilai eror secara keseluruhan yang lebih kecil dibandingkan fitting menggunakan 9 data. Akan tetapi, fitting menggunakan 8 data, tanpa keluaran unggun 4 ataupun tanpa keluaran konverter, akan memberikan salah satu temperatur yang memiliki deviasi sebesar 1,1oC. Jika dilihat dari Tabel 3.1. dan Tabel 3.2., persebaran deviasi yang paling baik ada pada Tabel 3.2.(a), yaitu fitting data tanpa mengikutsertakan temperatur keluaran unggun 4. Pada tabel tersebut juga ditunjukkan bahwa temperatur keluaran unggun 4 memiliki deviasi sebesar 1,1oC. Hal tersebut mengindikasikan bahwa temperatur keluaran unggun 4 memiliki presisi bacaan yang kurang baik jika dibandingkan dengan bacaan temperatur lainnya. Namun, pembacaan temperatur tersebut tidak bisa dikatakan absolut salah karena memberikan deviasi yang sangat kecil 0,24%. Oleh karena hasil fitting data tanpa mengikutsertakan temperatur keluaran reaktor 4 memberikan persebaran deviasi dan total deviasi yang paling baik maka data hasil fitting inilah yang digunakan untuk melakukan fitting data kinetika reaksi amoniak. Tabel 3.3. berikut ini memberikan rangkungan terhadap hasil simulasi mengguankan fitting 8 data tanpa keluaran reaktor 4.
Dari fitting kedelapan temperatur sistem reaktor tersebut, didapatkan nilai untuk masing-masing laju quench gas dan konversi dari setiap unggun katalis. Data-data tersebut dirangkum dalam Tabel 3.4.
Tabel 3.3. Data Laju Alir Quench Gas dan Konversi Setiap Unggun. Unggun
Konversi (%H2)
Aliran Quench (kgmol/jam)
1
17,38
419,8
2
9,52
4845
3
7,387
4294
4
6,851
2622
Halaman 11 dari 22
Tabel 3.4. Rangkuman Lengkap Hasil Fiiting 8 Data Temperatur Tanpa Keluaran Unggun 4.
Design
Hasil Pnyepakatan
Deviasi (%)
Produksi amoniak (Ton/hari)
1200
1370,5
14,208
Laju alir sirkulasi loop (kgmol/j)
25435
25435
0,000
Konverter in/out
128
128
0,000
Unggun #1 inlet
353
353
0,000
Unggun #1 outlet
481
481
0,000
Unggun #2 inlet
389
389
0,000
Unggun #2 outlet
451
451
0,000
Unggun #3 inlet Unggun #3 outlet Unggun #4 inlet Unggun #4 outlet Konverter in/out Rasio H2/N2 Inert (CH4+Ar) (%) NH3 inlet konverter (%) NH3 dlm. gas hasil (%)
390 436 404 446 322 3 11,1 1,72 15,35
390 436 404 444,9 322 3 11,1 1,72 14,89
0,000 0,000 0,000 0,247 0,000 0,000 0,000 0,000 2,997
Tekanan masuk konvter (kg/cm 2)
142,6
142,6
0,000
Tekanan keluar konverter (kg/cm2)
140,4
140,3
0,071
Temperatur (C)
4.4.2. Validasi Data Kinetika Reaksi Amoniak
Validasi data kinetika reaksi amoniak juga menggunakan temperatur-temperatur sistem reaktor sebagai acuan untuk menentukan parameter data kinetika reaksi amoniak. Data kinetika yang divalidasi adalah orde reaksi, konstanta Arhenius, dan energi aktivitas. Tabel 3.4. Validasi Data Kinetika Reaksi Amoniak. Parameter
α
A forward
Nilai 0,598 2359,495
A Backward
8,501,E+13
Ea Forward
26876,116
Ea Backward
47270,235
Halaman 12 dari 22
BAB 4 – ANALISIS DAN HASIL PEMBAHASAN
4.1 Penurunan Kinerja Reaktor
Umumnya di setiap industri, reaksi di dalam reaktor diba ntu oleh suatu katalis untuk mempercepat jalannya reaksi. Oleh karena itu, kinerja reaktor tidak terlepas dari efek performa katalis. Performa katalis ataupun reaktor biasanya ditinjau dari tiga parameter utama, yaitu konversi reaktan, perolehan produk, dan selektivitas produk. Konversi reaktan menunjukkan seberapa besar/banyak yang akan berubah menjadi produk, baik produk utama, maupun produk samping. Perolehan dan selektivitas produk menunjukkan banyaknya produk utama yang dihasilkan dari hasil konversi reaktan. Untuk kasus reaktor amoniak, seharusnya yang paling diutamakan adalah konversi reaktan menjadi produk amoniak karena reakti ini memiliki kecenderungan yang kecil untuk membentuk produk samping.
Konversi suatu reaksi dipengaruhi oleh aspek termodinamika, kinetika, maupun mekanika fluida. Dari aspek termodinamika, temperatur umpan reaktor atau temperatur reaksi akan mempengaruhi konversi kesetimbangan dari reaksi amoniak dimana reaksi tersebut bersifat eksotermis. Apabila temperatur reaksi semakin tinggi, maka konversi kesetimbangan reaksi teresebut akan semakin kecil. Sebaliknya, apabila temperatur rendah untu k reaksi eksotermis maka konversi reaktan akan semakin tinggi. Tekanan operasi juga akan mempengaruhi konversi kesetimbangan yang bergantung kepada konstanta stoikiometri reaksi. Apabila tekanan dinaikkan maka reaksi akan bergeser ke konstanta stoikiometri yang lebih rendah sedangkan apabila tekanan diturunkan maka reaksi akan bergeser ke konstanta stoikiometri yang lebih besar.
Laju reaksi merupakan aspek kinetika reaksi. Kecepatan reaksi merupakan fungsi dari kondisi umpan masukan reaktor. Lihat persamaan laju reaksi berikut ini.
= (). . = − =
Halaman 13 dari 22
Keterangan:
Z
= jumlah tumbukan/satuan volum/satuan waktu
Creaktan
= konsentrasi reaktan
Exp(-Ea/RT)
= fraksi tumbukan dengan energi lebih besar dari energi aktivasi
fo
= fraksi tumbukan dengan orientasi yang tepat
Dari persamaan laju reaksi di atas, didapatkan bahwa laju reaksi merupakan fungsi dari tekanan total dan temperatur reaksi. Tekanan total akan mempengaruhi tekanan parsial dari reaktan amoniak. Dari persamaan laju reaksi tersebut, dapat disimpulkan bahwa kenaikan temperatur dan tekanan akan mempercepat laju reaksi sehingga bisa mencapai konversi yang lebih tinggi dalam waktu yang lebih singkat. Akan tetapi, temperatur reaksi juga harus dibatasi agar katalis tidak cepat mengalami deaktivasi akibat sintering sehingga dapat memperkecil luas sisi aktif katalis. Selain laju reaksi, waktu tinggal juga akan mempengaruhi konversi reaksi. Semakin lama waktu tinggal di dalam reaktor maka konversi akan semakin tinggi. Akan tetapi, waktu tinggal reaktan di dalam reaktor juga jangan terlalu lama karena akan menurunkan tingkat turbulensi aliran. Sebaliknya, semakin cepat waktu tinggal di dalam reaktor maka konversi akan semakin rendah sehingga dapat menyebabkan kemungkinan reaktan akan melewati reaktor tanpa terkonversi.
Selain aspek termodinamika dan kinetika, aspek mekanika fluida juga akan mempengaruhi kinerja reaktor. Aspek mekanika fluida tersebut lebih menekankan kepada distribusi reaktan di dalam gas melalui jenil aliran fluida, yaitu turbulen atau laminar. Sifat turbulen atau laminar dipengaruhi oleh laju alir reaktan yang sebanding dengan tekanan reaktan dan fraksi kosong katalis di dalam reaktor. Semakin turbulen reaktan di dalam reaktor, maka kemungkinan fraksi tumbukan reaktan dengan sisi aktif katalis akan semakin tinggi sehingga akan menyebabkan konversi reaktan akan semakin tinggi. Sebaliknya, semakin laminer reaktan di dalam reaktor, maka kemun gkinan fraksi tumbukan reaktan dengan sisi aktif katalis akan semakin kecil sehingga menurunkan konversi reaktan.
Penurunan kinerja reaktor dapat disebabkan oleh beberapa kemungkinan, yaitu penurunan aktivitas katalis dan channeling . Penurunan aktivitas katalis disebabkan oleh katalis terdeaktivasi. Katalis dapat terdeaktivasi akibat racun yang terkandung di dalam umpan gas amoniak atau akibat thermal / sintering (menyatunya pusat aktif katalis). Racun bagi katalis dapat berupa senyawa Halaman 14 dari 22
oksida, sulfur, air, logam, dan lain-lain dimana racun tersebut dapat mengurangi sisi aktif katalis maupun menutup pori katalis. Sintering akan menyebabkan sisi aktif katalis menyatu sehingga mengurangi luas sisi aktif katalis dan menurunkan derajat dispersi katalis. Channeling merupakan keadaan dimana reaktan gas akan melewati reaktor tanpa terkonversi akibat reaktan melewati celah-celah kosong antar katalis. Channeling disebabkan oleh ukuran katalis yang terlalu besar sehingga memperbesar fraksi kosong antar katalis.
4.2 Pengaruh Channeling dan Kebocoran terhadap Penurunan Kinerja Reaktor
Hasil simulasi pengaruh channeling terhadap penurunan kinerja reaktor ditunjukkan pada Tabel 4.1. Tabel 4.1. Data Hasil Simulasi Channeling . Laju (kgmol/jam) Gas Umpan
27320 Channeling
Unggun 1
Tidak tercapai
Unggun 2
5675
Unggun 3
5136
Unggun 4
9174
Tabel 4.1. menunjukkan bahwa unggun 2, 3, dan 4 mengalamichanneling dengan laju channeling masing-masing unggun sebesar 5675, 5136, dan 9174 kgmol/jam. Dari hasil simulasi tersebut, unggun 1 tidak bisa disimulasikan mengalami channeling karena temperatur keluaran reaktor PFR hanya mencapai 387,6oC sedangkan menurut data operasi keluaran reaktor seharusnya mencapai 465oC. Setelah diusut lebih lanjut, konversi keluaran reaktor PFR hanya 7% sedangkan konversi aktualnya mencapapai 18,52%. Pada kondisi umpan yang sama, konversi reaktor ditentukan oleh aktivitas katalis dan/atau waktu tinggal reaktan di dalam reaktor. Katalis pada unggun 2,3,4 disimulasikan pada aktivitas yang sama dengan kondisi awal sehingga diasumsikan bahwa katalis belum mengalami deaktivasi. Maka dari itu, katalis pada unggun 1 juga diasumsikan belum mengalami penurunan aktivitas sehingga kemungkinan penurunan aktivitas disebabkan oleh Halaman 15 dari 22
waktu tinggal reaktan yang kecil. Waktu tinggal reaktan dipengaruhi oleh laju umpan masukan reaktor. Semakin besar laju umpan masukan reaktor maka waktu tinggal reaktan di dalam katalis akan semakin kecil/cepat. Maka dari itu, untuk mencapai konve rsi aktualnya (18,52%) laju umpan masukan reaktor harus dikurangi yang artinya terdapat indikasi kebocoran di dalam sistem reaktor.
Kebocoran diduga terdapat pada aliran pipa sebelum masuk penukar panas (E122C). Dugaan tersebut divalidasi dengan mensimulasikan kebocoran pada aliran masuk E122C. Hasil simulasi dugaan kebocoran aliran masuk penukar panas ditunjukkan pada Tabel 4.2. Tabel 4.2. Data Hasil Simulasi Kebocoran Aliran Penukar Panas (E122C). Laju (kgmol/jam) 7534
Bocor di HE Unggun 1
Channeling Tidak tercapai
Unggun 2
4255
Unggun 3
4151
Unggun 4
6500
Tabel 4.2. menunjukkan bahwa kebocoran aliran pipa belum bisa mensimulasikan unggun 1 mengalami channeling . Hal itu disebabkan oleh pada kondisi tersebut, konversi PFR hanya mencapai 11,47% dan apabila laju alir bocornya diperbesar maka fitting data akan mengalami kegagalan. Oleh karena itu, penulis menyimpulkan bahwa keboco ran bukan terjadi aliran masukan penukar panas ataupun keluaran penukar panas karena perubahan aliran tersebut akan menyebabkan perubahan temperatur masukan reaktor sehingga akan mempengaruhi laju alir quench gas. Kemungkinan kebocoran terbesar ada pada aliran masukan reaktor untuk dapat memperbesar konversi amoniak hingga mencapai konversi aktual sebesar 18,52%. Hasil simulasi dugaan kebocoran aliran masuk reaktor ditunjukkan pada Tabel 4.3. Tabel 4.3. Data Hasil Simulasi Kebocoran Aliran Masuk Reaktor. Laju (kgmol/jam) Bocor di Pipa umpan reaktor
9775
Channeling Unggun 1
1642
Unggun 2
5675
Unggun 3
5136
Unggun 4
9174
Halaman 16 dari 22
Tabel 4.3. menunjukkan bahwa channeling untuk unggun 1 berhasil disimulaiskan dan konversi aktual telah mencapai 18,53%. Maka dari itu, dapat disimpulkan b ahwa kebocoran ada pada aliran pipa masukan unggun 1.
4.3 Pengaruh Penurunan Temperatur Umpan terhadap Kinerja Konverter
30 25 ) % ( 2 N i s r e v n o K
20 15 10 5 0
-300
-200
-100
0
100
200
300
T Umpan Konverter (C)
Gambar 4.1. Pengaruh Temperatur Umpan terhadap Kinerja Konverter
Penurunan temperatur umpan akan memberatkan beban kerja penukar panas E-122C sehingga dapat mengganggu heat integration dari reaktor tersebut. Keluaran produk unggun empat akan memanaskan umpan reaktor. Akibat temperatur umpan reaktor rendah maka penukar panas akan menukarkan pansanya sesuai kemampuan penukar panas tersebut. Konsekuensinya adalah temperatur masukan reaktor akan mengecil pula yang akan menurunkan laju reaksi amoniak. Selain itu juga, penurunan temperatur umpan akan men yebabkan kemampuan aliranquench untuk mendinginkan produk unggun akan semakin baik. Gambar 4.1. menunjukkan pen garuh temperatur umpan konverter terhadap konversi total gas nitrogen. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa konversi akan naik pada rentang temperatur -200 - 110 o C dan akan turun pada temperatur 110270 oC. Reaktor akan berhenti beroperasi atau memiliki konversi yang kecil pada temperatur umpan di bawah -200 oC sehingga kondisi tersebut harus dihindari.
Halaman 17 dari 22
4.4 Pengaruh Temperatur Outlet E-122C terhadap Temperatur Outlet Reaktor
Temperatur keluaran E-122C akan mempengaruhi distribusi aliran quench ke semua unggun. Apabila temperatur keluaran E-122C tinggi maka untuk mengatur temperatur masukan unggun pertama membutuhkan aliran quench yang besar pula. Apabila aliran qunech telah banyak terpakai di unggun pertama, maka kemungkinan umpan unggun kedua, ketiga, dan keempat akan memiliki laju alir reaktan yang relatif kecil. Laju alir umpan unggun p ertama yang besar dapat men yebabkan waktu tinggal reaktan di dalam reaktor mengecil sehingga dapat menurunkan konversi nitrogen. Apabila temperatur keluaran E-122C rendah maka untuk mengatur temperatur masukan unggun pertama membutuhkan aliran quench yang rendah. Aliran quench yang rendah akan menyebabkan laju alir masukan umpan unggun selanjutnya akan relatif rendah juga. Apabila laju alir umpan reaktor rendah maka waktu kontak di dalam reaktor bisa lebih lama sehingga reaktan bisa terkonversi lebih maksimal. Akan tetapi, dengan temperatur keluaran E-122C yang lebih kecil, maka temperatur umpan unggun pertama juga akan kecil. Temperatur umpan reaksi akan memperkecil laju reaksi sehingga bisa menurunkan konversi reaksi. Maka dari itu, perlu dicari konidisi temperatur optimum untuk mencapai konversi nitrogen di dalam reaktor yang optimum juga. Gambar 4.2. dan Gambar 4.3. menunjukkan hasil simulasi keluaran temperatur E-122C terhadap temperatur keluaran unggun empat dan konversi total nitrogen.
Halaman 18 dari 22
500
350
450 300 400 250 )
350
C ( r e 200 t r e v n o 150 K t u o T
) C 300 ( 1 E H250 t u o 200 T
150
100
100 50 50 0
0 160
200
240
280
320
360
400
440
480
T out Unggun 4 (C) T out R4vs T out 1
T out R4 vs T out 2
Gambar 4.2. Pengaruh Temperatur Keluaran Unggun 4 terhadap Temperatur Keluaran HE (E122C) dan Keluaran Konverter.
Gambar 4.2. menunjukkan daerah operasi temperatur keluaran E-122C terhadap temperatur keluaran unggun 4. Dapat dilihat pada gambar tersebut saat temperatur keluaran E-122C bernilai 350 oC maka temperatur keluaran unggun empat akan bernilai 326,613oC, sedangkan saat temperatur keluaran E-122C bernilai 360 oC maka temperatur keluaran unggun empat akan bernilai 444,75 oC. Kenaikan temperatur keluaran E-122C bernilai 10oC menyebabkan kenaikan keluaran unggun empat sebesar 121oC. Kenaikan temperatur dipengaruhi oleh waktu tinggal dan konversi reaktan di dalam unggun. Temperatur keluaran unggun tinggi mengindikasikan bahwa konversi reaktan juga tinggi. Pengaruh temperatur keluaran unggun empat terhadap kestabilan konversi total gas nitrogen ditampilkan pada Gambar 4.3.
Halaman 19 dari 22
30 25 ) %20 ( 2 N i 15 s r e v n o 10 K
5 0 200
250
300
350
400
450
500
T out Unggun 4 (C)
Gambar 4.3. Pengaruh Temperatur Keluaran Unggun 4 terhadap Kesetabilan Konversi N2 Total.
Gambar 4.3. menunjukkan bahwa pada temperatur berkisar dari 440 oC
–
470 oC konversi gas
nitrogen relatif konstan sedangkan pada temperatur di bawah 440 oC konversi gas nitrogen turun secara signifikan. Hal tersebut disebabkan oleh distribusi aliran quench yang optimum terdapat pada temperatur tersebut. Rincian penjelasannya dapat dilihat di awal sub bab 4.3. Selain itu, dari Gambar 4.2. dapat disimpulkan bahwa daerah operasi yang memberikan konversi gas nitrogen yang relatif stabil berada pada rentang 360 oC - 470 oC.
4.5 Pengaruh Distribusi Aliran Quench terhadap Peningkatan Konversi Reaktor
Distribusi aliran Quench masukan penukar panas E-122C akan mempengaruhi distribusi aliran quench ke semua reaktor. Aliran Quench masukan reaktor berfungsi sebagai pengatur temperatur masukan umpan agar temperatur reaktor amoniak bisa mencapai keadaan isothermal. Selain itu, aliran quench akan mempengaruhi konversi total nitrogen di dalam reaktor sehingga juga akan mempengaruhi perolehan amoniak di produk akhir. Di dalam suatu reaktor, unggun pertama pasti memiliki aktivitas yang lebih baik dibandingkan unggun-unggun yang lainnya karena tekanan parsial umpan atau konsentrasi umpan masih tinggi sehingga laju reaksi juga tinggi. Oleh karena itu, apabila aliran quench yang mengandung reaktan gas nitrogen dan gas hidrogen masukan unggun pertama berkurang, maka dapat menurunkan konversi nitrogen dan perolehan amoniak. Halaman 20 dari 22
Hasil simulasi terkait pengaruh distribusi aliran quench masukan E-122C terhadap konversi total nitrogen ditunjukkan pada Gambar 4.4. di bawah ini.
30 25 ) %20 ( 2 N I S 15 R E V N O10 K
5 0 0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
PERSEN ALIRAN QUENCH MASUKAN E-122C (%)
Gambar 4.4. Pengaruh Persen Aliran Masukan E-122C terhadap Konversi Total N2.
Gambar 4.4. menunjukkan bahwa kenaikan persen aliran quench akan meningkatkan konversi nitrogen dan akan turun pada persen aliran yang lebih besar. Konversi nitrogen maksimum didapatkan apabila persen aliran quench bernilai 52%.
Halaman 21 dari 22
BAB V – KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari hasil simulasi dan pengamatan di atas, dapat disimpulkan sebagai berikut: 1) Penurunan kinerja reaktor dapat dipengaruhi oleh kebocoran di dalam pipa atauchanneling ataupun keduanya. 2) Distribusi aliran quench akan mepengaruhi konversi total reaksi. Nilai aliran quench akan sangat bergantung pada temperatur kelauran penukar panas E-122C. Pada temperatur keluar pemanas E-122C 360 oC nilai aliran quench maksimum bernilai 52%. 3) Temperatur umpan konverter akan mempengaruhi konversi total reaksi. Apabila temperatur umpan konverter terlalu rendah maka konversi total reaksi akan semakin kecil. 4) Temperatur keluaran penukar panas E-122C memiliki rentang nilai tertentu agar menghasilkan konversi total gas hidrogen yang relatif stabil. Nilai temperatur tersebut berkisar 360 oC-470 oC dengan nilai rata-rata konversi total sebesar 25%. 5.2 Saran
Saran untuk simulasi dan pengamatan di atas sebagi berikut: 1) Sebaiknya melakukan fitting untuk delapan data saja sehingga bisa mendapatkan g alat error yang kecil. 2) Penyepakatan data kinetika harus menggunakan data basis design.
Halaman 22 dari 22
