Tugas Khusus Ragagucci

TUGAS KHUSUS

DEPARTEMEN PENGENDALIAN PROSES

PT. PUPUK KALIMANTAN TIMUR, Tbk

Bontang Kalimantan Timur

EVALUASI NERACA MASSA DAN NERACA PANAS SERTA VARIABEL S/C

RATIO PADA UNIT PRIMARY REFORMER PABRIK-1

Disusun oleh :

RAGAGUCI

08/265454/TK/33668

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA

2012

Tugas Khusus

Evaluasi Neraca Massa dan Neraca Panas Serta Variabel S/C Ratio

Pada unit Primary Reformer Pabrik-1

RAGAGUCI 1 Teknik Kimia Universitas Gadjah Mada

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Unit reforming adalah unit yang sangat penting di pabrik ammonia karena unit ini

menyuplai kebutuhan syn-gas di reaktor sintesa ammonia (ammonia converter). Pada

pabrik pupuk yang didalamnya terdapat pabrik ammonia, reformer adalah alat yang

mengkonsumsi energi paling besar yaitu sekitar 40% energi pabrik ammonia.

Pabrik Pabrik-1 Pupuk Kalimantan Timur Bontang adalah pabrik dengan umur

yang sudah tergolong tua karena sudah mulai dikonstruksi pada tahun 1979 dan start-up

pada tahun 1982 sehingga penggunaan energi tidak efisien. Penggunaan gas alam pada

reformer baik untuk keperluan bahan bakar maupun umpan reaktan steam-reforming

dinilai masih boros jika dibandingkan dengan teknologi yang lebih baru. Mengingat isu

energi yang sangat hangat dibicarakan di Indonesia, maka pabrik Pabrik-1 dituntut untuk

menghemat penggunaan energinya.

Primary reformer adalah alat pada unit reformer yang mengkonsumsi gas alam

dalam jumlah yang besar. Di dalam primary reformer terjadi reaksi antara gas alam

(CH4) dan steam (H2O) yang bersifat sangat endotermis sehingga diperlukan supply

panas dari lingkungan. Panas yang di-supply diperoleh dari pembakaran gas alam

menggunakan udara dan ditransferkan ke dalam tube-tube reaktor yang berisi katalis

tempat reaksi steam-reforming berlangsung. Hubungan penggunaan jumlah steam dan

bahan bakar berbanding terbalik untuk memperoleh komposisi outlet primary reformer

yang diinginkan. Penggunaan steam dan bahan bakar dinilai belum optimal untuk

memberikan nilai konsumsi energi yang paling minimal.

1.2. Rumusan Masalah

Variabel operasi yang menjadi perhatian di primary reformer ini adalah

penggunaan jumlah steam sebagai umpan reaksi dan jumlah gas alam sebagai bahan

bakar penyuplai panas yang dibutuhkan reaksi. Rasio penggunaan steam dan gas alam

lebih dikenal dengan sebutan steam per carbon ratio (S/C ratio). S/C yang lebih tinggi

menandakan penggunaan steam yang lebih besar, dengan kata lain penggunaan bahan

bakar untuk memproduksi steam tersebut juga lebih besar. S/C yang dibuat tinggi

berakibat jumlah panas yang harus di-supply menjadi lebih rendah, sedangkan jika S/C

ditekan rendah berakibat kebutuhan panas untuk reaksi menjadi meningkat. Pada operasi

primary reformer terdapat variabel terikat yaitu jumlah CH4 tersisa (methane leak)

sebesar 10%. Penggunaan S/C tinggi mengakibatkan reaksi lebih cepat sehingga supply

panas perlu dikurangi, begitu pula sebaliknya. Jumlah steam dalam S/C ratio perlu di

optimalkan dengan supply panas yang diperlukan sehingga diperoleh penggunaan energi

yang paling minimal untuk mencapai komposisi methane leak outlet tube reformer

sebesar 10 %. Instrumen pengukur laju steam untuk primary reformer juga menunjukkan

kinerja yang kurang baik, sehingga perlu dievaluasi berapa laju steam yang sebenarnya.

Tugas Khusus




1.3. Tujuan

Tugas khusus ini bertujuan untuk mengevaluasi neraca massa dan neraca panas

pada tube katalis primary reformer tempat terjadinya reaksi steam-reforming. Dengan

evaluasi neraca massa dan neraca panas tersebut ingin dipelajari pengaruh perubahan

nilai S/C ratio terhadap jumlah panas yang harus di-supply (suhu flue gas radiant

section) untuk tetap memperoleh methane leak sebesar 10 %. Selain itu ingin diketahui

nilai flow steam aktual yang sebenarnya dengan mencocokkan data hasil simulasi dengan

data aktual dari pabrik Pabrik-1.

1.4. Manfaat

Diharapkan dengan adanya tugas khusus ini dapat diketahui hubungan variable

S/C ratio terhadap suhu flue gas radiant section yang perlu dicapai untuk tetap

mendapatkan methane leak sebesar 10%. Selain itu dapat pula diketahui flow steam

umpan reformer yang sebenarnya untuk mengkoreksi ketidakakuratan pengukuran di

lapangan.

Tugas Khusus




BAB II

DESKRIPSI PROSES

Unit reformer (C-1001 ABCD) Berfungsi untuk melakukan proses steam reforming

terhadap gas alam untuk memperoleh gas H2 sebagai bahan baku yang digunakan dalam

reaksi pembuatan ammonia.

Reaksi berlangsung dengan menggunakan katalis Nikel (Ni) dengan promotor katalis

adalah alkali untuk mencegah terbentuknya deposit karbon karena dapat menutupi

permukaan aktif dari nikel. Gas alam dan steam akan melewati tube-tube yang berisi katalis

nikel. Panas yang diperoleh untuk reaksi diperoleh dari pembakaran gas alam ditambah

dengan flash / purge gas (jika diperlukan) di main burner dimana suhu dijaga 910oC.

Primary Reformer terdiri dari 4 buah cell, tiap cell mempunyai reaktor tube sebanyak 96

buah dengan diameter dalam 4 inch dan panjang 13,67 m. Selain itu Primary Reformer juga

dilengkapi dengan 60 buah burner tiap cell (total 240 buah). Gas untuk bahan bakar

dialirkan ke dua bagian yaitu: main burner (pembakaran untuk memanaskan tube, tekanan

0,91 bar) dan auxiliary burner (pemanasan tambahan, tekanan 0,96 bar). Panas gas sisa hasil

pembakaran digunakan untuk pemanasan coil-coil heat exchanger. Udara untuk pembakaran

masuk ke ruang bakar dengan bantuan ID-Fan.

Gas alam terutama CH4 diharapkan tersisa sebesar 10% untuk selanjutnya diproses di

Secondary Reformer. Reaksi yang terjadi bersifat endotermis.

Reaksi katalitik reforming, yaitu:

Disamping itu terdapat pula reaksi samping yang sering menjadi masalah dalam

proses steam reforming ini yaitu terjadinya deposit karbon. Adanya deposit karbon dapat

menyebabkan berkurangnya aktifitas katalis karena menutupi pori-pori dan permukaan aktif

katalis. Pada umumnya, deposit karbon dapat terbentuk apabila rasio antara steam dan gas

alam yang akan direaksikan rendah. Deposit karbon akan terbentuk apabila S/C di bawah

2,5, sehingga untuk menghindari hal tersebut maka pengoprasian dilakukan dengan S/C 3,3

(design).

Reaksi pembentukan deposit karbon adalah :

CO2 + H2 C + 2 H2O

2 CO CO2 + C

CnHm 2H 2O C(n1)H (m2) CO2 3H 2

CH 4 H 2O CO 3H 2

CO H 2O CO2 H 2

Tugas Khusus




Hal-hal yang perlu diperhatikan pada proses steam reforming antara lain adalah :

Suhu

Reasi yang terjadi bersifat endotermis sehingga lebih baik bila dilakukan pada suhu

yang tinggi. Suhu keluar dari primary reformer sekitar 812oC (aktual 750

oC). Dalam

pengaturan temperatir reformer, flow udara dibuat berlebih dengan excess oksigen

sekitar 3,5 % dari kebutuhan stoikiometris pembakaran fuel di burner agar pembakaran

fuel berjalan sempurna. Temperatur ruang bakar juga dipengaruhi oleh tingkat

kevakuman. Tekanan vakum di radiant section dibuat berkisar antara -5 sampai -9 mm

H2O. Kevakuman berfungsi untuk mengarahkan pembakaran agar api tidak menyentuh

tube yang menyebabkan pemanasan pada tube berlebih dan mencegah api keluar

reformer. Kondisi ruang bakar yang terlalu vakum dapat menyebabkan waktu tinggal

gas terlalu cepat sehingga suhu di readiant section menjadi turun.

Tekanan

Secara teori kesetimbangan reaksi, konversi reaksi akan semakin meningkat pada

tekanan yang lebih rendah karena koefisien produk lebih besar dibanding koefisien

reaktan, sehingga digunakan tekanan rendah. Namun secara keseluruhan akan lebih

menguntungkan bila proses dilakukan pada tekanan tinggi (sekitar 40 bar) karena :

Secara overall reaksi terjadi penambahan volume, volume gas yang berbanding

terbalik dengan tekanan sehingga pada tekanan tinggi volume gas akan kecil

sehingga peralatan yang digunakan menjadi lebih kecil.

Mengurangi beban syn-gas compressor karena inlet syntesa loop beroperasi pada

tekanan antara 230 250 bar.

Variabel tekanan jarang sekali dimainkan dalam pengoperasian primary refomer

Steam per Carbon ratio (S/C)

Dengan bertambahnya S/C rasio yang masuk ke primary reformer maka gas alam yang

bereaksi juga akan semakin besar, tetapi dengan banyaknya gas alam yang bereaksi

tidak menguntungkan di proses secondary reformer. Proses di secondary reformer

menjadi terlalu panas sehingga dikhawatirkan reaksi terganggu dan dikhawatirkan rasio

antara nitrogen dengan hidrogen yang diiinginkan tidak tercapai. S/C rasio yang

digunakan di Pabrik-1 sekitar 3,3-3,5.

Gas keluar desulfuriser (D-1001) dikirim ke primary reformer yang sebelumnya

dicampur dengan steam 40 kg/cm2g pada Mixing Tube pos 57 dan campuran dipanaskan di

E-1004 ABCD sampai suhu 494 oC. Laju alir steam diatur sehingga rasio S/C = 3,2 (design).

Aliran feed yang sudah dipanaskan dimasukkan ke dalam tube-tube primary reformer yang

berisi katalis Ni. Gas syntesa hasil reaksi primary reforme memiliki komposisi design mol

H2 (68,47 %), CO (10,46 %), CO2 (10,69 %), CH4 (10,28 %) dan inert.

Tugas Khusus




Pemanas untuk tube katalis diperoleh dari hasil pembakaran gas alam di main burner

primary tersebut dan temperatur Skin Tube dijaga maksimal 920 oC, panas flue gas sisa

pembakaran dimanfaatkan untuk pemanas coil-coil heat exchanger di convection section,

antara lain :

1. Memanaskan HP BFW (Boiler Feed Water) di E-1001 AB

2. Memanaskan gas proses di E-1002-1 AB dan E-1002-2 AB

3. Memanaskan udara proses di E-1003 ABCD

4. Memanaskan umpan Primary Reformer di E-1004 ABCD

5. Memproduksi HP Steam di E-1005-1 AB dan E-1005-2 AB

6. Memproduksi Steam Superheat di E-1006-1 AB dan E-1006-2 AB

Gambar 1. Unit Primary Reformer

Tugas Khusus




BAB III

TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI

3.1. Reaksi Steam Reforming

Reaksi Steam Reforming adalah suatu reaksi yang berfungsi untuk mengkonversi gas

alam menjadi gas karbon monoksida, karbon dioksida, dan gas hidrogen agar bisa digunakan

sebagai gas sintesis pada reaktor sintesis amonia. Pada pabrik amonia, biasanya reaksi Steam

Reforming dilaksanakan pada unit Primary Reformer dan secondary reformer dengan

bantuan katalis nikel. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:

CH4 + H2O CO + 3 H2

CH4 + 2 H2O CO2 + 4 H2

C2H6 + 4 H2O 2 CO2 + 7 H2

C3H8 + 6 H2O 3 CO2 + 10 H2

C4H10 + 8 H2O 4 CO2 + 13 H2

C5H12 + 10 H2O 5 CO2 + 16 H2

C6H14 + 12 H2O 6 CO2 + 19 H2

Reaksi Steam Reforming sebagian besar memiliki entalpi reaksi yang positif, sehingga agar

reaksi dapat terlaksana, diperlukan pasokan energi untuk mencukupi kebutuhan reaksi

tersebut.

3.2. Reaktor Primary Reformer

Primary Reformer merupakan bejana yang berfungsi untuk memproduksi gas sintesa

kaya hidrogen yang diperlukan sebagai bahan baku amonia melalui reaksi Steam Reforming

antara gas alam proses dengan steam, dibantu oleh katalis nikel. Primary Reformer terdiri

dari 4 buah sel dan setiap sel memiliki 96 tube berisi katalis sebagai tempat melangsungkan

reaksi. Untuk kebutuhan panas reaksi, Primary Reformer dilengkapi dengan 60 buah burner

untuk setiap sel. Panas reaksi didapat dari reaksi pembakaran gas alam (fuel gas) dengan

udara. Unit Primary Reformer di Pabrik-1, yang memiliki lisensi Lurgi, memiliki burner

dengan tipe terrace firing, yang memiliki dua bagian: Radiant Section dan Convection

Section. Pemanfaatan utama panas hasil pembakaran adalah untuk memenuhi kebutuhan

panas reaksi Steam Reforming, yang dilakukan pada Radiant Section. Sedangkan panas sisa

yang telah digunakan untuk melangsungkan reaksi Steam Reforming, digunakan lebih lanjut

sebagai pemanas di Convection Section.

Radiant Section

Pada bagian ini terjadi proses Steam Reforming, yaitu semua hidrokarbon gas

proses direaksikan menjadi karbon monoksida, karbon dioksida, dan hidrogen.

Kebutuhan energi reaksi tersebut dipenuhi dari panas pembakaran yang berpindah dari

bagian pembakar ke tube yang berisi katalis melalui proses radiasi. Pada Radiant

Section, burner dalam Primary Reformer diposisikan aksial terhadap tube katalis dan

tersebar di beberapa sisi tube agar penyebaran panas lebih merata.

Tugas Khusus




Convection Section

Pada bagian ini, perpindahan panas terjadi secara konveksi. Convection Section

terdiri atas Heat Exchanger yang bertujuan memanfaatkan panas yang terbawa oleh flue

gas dari main burner. Untuk menyuplai panas tambahan pada Convection Section,

digunakan auxilliary burner.

3.3. Reaksi Kimia pada Primary Reformer

Reaksi steam reforming berlangsung pada suhu 750 C 1050 C dan tekanan 30 atm

dengan pertimbangan konversi reaksi utama optimum dan konversi reaksi samping

minimum. Reaksi yang terjadi adalah:

Reaksi utama:

CH4 + H2O CO + 3H2 H298 = 206.2 kJ/mol (1)

Reaksi samping:

CO + H2O CO2+ H2 H298 = -41.1 kJ/mol (2)

CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 H298 = 164.9 kJ/mol (3)

Persamaan laju reaksi yang diambil dari M.H Halabi et al. (2008) berdasarkan konsep

pendekatan LHWW lebih umum dipakai untuk menjelaskan model kinetika untuk methane

steam reforming. Berdasarkan persamaan reaksi di atas, maka didapatkan persamaan laju

reaksi untuk reaksi 1,2, dan 3 adalah sebagai berikut :

2

1

3

5,2

1

1)(

)(

2

24

2

DEN

K

PPPP

P

k

r

COH

OHCH

H

(4)

2

2

22

2)(

)(

2

2

2

DEN

K

PPPP

P

k

r

COH

OHCO

H

(5)

2

3

4

2

5,3

3

3)(

)(

22

24

2

DEN

K

PPPP

P

k

r

COH

OHCH

H

(6)

dengan : DEN =

2

22

44221

PH

PKPKPKPK

OHOH

CHCHHHCOCO

(7)

Tekanan parsial komponen i dihitung dengan rumus :

Pi = yi . Pt (8)

yi = Fi / Ft (9)

dengan : Pi = tekanan parsial komponen i (bar)

Pt = tekanan total sistem (bar)

Fi = kecepatan molar komponen i (kmol/s)

Ft = kecepatan molar total (kmol/s)

Tugas Khusus




k1, k2, dan k3 untuk reaksi di atas mengikuti persamaan Arhenius, sebagai berikut :

k1 = 1,17 x 1015

exp (-240.100/R/T) , mol/kgkat/s

k2 = 5,43 x 105


k3 = 2,83 x 1014


Harga konstanta kesetimbangan (K1, K2, K3) dan konstanta adsorpsi (KCO, KH2, KCH4, dan

KH2O) masing-masing dihitung dari persamaan-persamaan berikut (M.H Halabi et al., 2008) :

K1 = exp ([-26.830/T]+30,114) bar2

K2 = exp ([4.400/T] 4,063)

K3 = K1 x K2 bar2

KCO = 8,23 x 10-5

exp (8.497,71/T)

KH2 = 6,12 x 10-9

exp (9.971,13/T)

KH2O = 1,77 x 105 exp (-10.666,35/T)

KCH4 = 6,65 x 10-4

exp (4.604,28/T)

Panas reaksi untuk reaksi 1, 2, dan 3 masing-masing diperoleh dengan persamaan-persamaan

berikut ini :

Hr1 = Hr1+CpdT (10)

Hr2 = Hr2+CpdT (11)

Hr3 = Hr3+CpdT (12)

3.4. Neraca Massa pada Primary Reformer

Fi|z

Fi|z+z

z

z+z

Gambar 2. inkremen volume pada primary reformer

Neraca massa pada inkremen volume Gambar 1 ditampilkan dalam Tabel 1 berikut :

Tabel 1. Neraca massa pada inkremen volume primary reformer

Komponen Input Output

CH4 FCH4,0 FCH4,0 - FH2O,0 (x1 + 0,5x3)

CO2 FCO2,0 FCO2,0 + FH2O,0 (x2 + 0,5x3)

CO FCO,0 FCO,0 + FH2O,0 (x1 x2)

H2O FH2O,0 FH2O,0 (1 - x1 x2 - x3)

H2 FH2,0 FH2,0 + FH2O,0 (3x1 + x2 + 2x3)

Inert FI,0 FI,0 Total Ft,0 Ft,0 + FH2O,0 (2x1 + x3)

Tugas Khusus




Keterangan : Fi = kecepatan molar komponen i (kmol/s)

x1 = konversi H2O menurut reaksi 1, terhadap umpan H2O



Untuk menyederhanakan persoalan, maka dimisalkan :

y1 = x1 x2

y2 = x2 + 0,5x3

Maka Tabel 1 di atas ditampilkan dalam Tabel 2 berikut ini :

Tabel 2 Neraca massa pada inkremen volume primary reformer

Komponen Input Output

CH4 FCH4,0 FCH4,0 - FH2O,0 (y1 + y2)

CO2 FCO2,0 FCO2,0 + FH2O,0 (y2)

CO FCO,0 FCO,0 + FH2O,0 (y1)

H2O FH2O,0 FH2O,0 (1 - y1 2y2)

H2 FH2,0 FH2,0 + FH2O,0 (3y1 + 4y2)

Inert FI,0 FI,0 Total Ft,0 Ft,0 + FH2O,0 2(2y1 + y2)

Neraca Massa CH4 per tube

CH4 masuk - CH4 keluar - CH4 bereaksi = CH4 terakumulasi

4 4 1 3| | (( ) ( )) 0CH z CH z z bF F r r A z

0)(lim 310

44

b

zzCH

zCH

zArr

z

FF

b

CHArr

dz

dF)( 31

4

b

OHCHArr

dz

yyFFd)(

)(31

210,0, 24

0,

3121

2

)(

OH

b

F

Arr

dz

dy

dz

dy

(13)

Neraca Massa CO per Tube

CO masuk - CO keluar - CO bereaksi + CO terbentuk = CO terakumulasi

0))()((|| 12 bzzz zArrFCOFCO

0)(lim 210

b

zzCOzCO

zArr

z

FF

b

CO Arrdz

dF)( 21

b

OHCOArr

dz

yFFd)(

)(21

10,0, 2

Tugas Khusus




0,

211

2

)(

OH

b

F

Arr

dz

dy

(14)

Neraca Massa CO2 per Tube

CO2 masuk - CO2 keluar + CO2 terbentuk = CO2 terakumulasi

0))()((|| 3222 bzzz zArrFCOFCO

0)(lim 322

0

2

b

zzCOzCO

zArr

z

FF

b

COArr

dz

dF)( 32

2

b

OHCOArr

dz

yFFd)(

)(32

20,0, 22

0,

322

2

)(

OH

b

F

Arr

dz

dy

(15)

dengan : A = luas penampang pipa = )(4

22 mDi

b = bulk density katalis (kg/m3)

3.5. Neraca Panas pada Primary Reformer

Neraca panas disusun untuk sebuah elemen volume pada pipa katalis dan dianggap

tidak ada penggunaan temperatur ke arah radial sehingga temperaturnya hanya ditinjau ke

arah aksial.

Panas masuk panas keluar + panas diterima panas reaksi = panas terakumulasi

0( ) | . .( ) | . . . .( ) . . 0i i ref z i i ref z z D i i iFCp T T F Cp T T U D z Tg T F x Hr

00

. .lim . .( ) | . .( ) | . . . .( ) i i ii i ref z z i i ref z Dz

F x HrF Cp T T F Cp T T U D z Tg T

z

2

31 20 ,0 1 2 3. . . .( ) 0,5.

dT

dz .

D H O r r r

i i

dxdx dxU D z Tg T F H H H

dz dz dz

F Cp

Atau

2

1 20 ,0 1 1 2. . . .( ) ( )dT

dz .

D H O r r r

i i

dy dyU D z Tg T F H H H

dz dz

F Cp

(16)

Suhu pemanas (gas hasil pembakaran) diasumsikan konstan pada seksi radiasi di

sepanjang pipa.

Tugas Khusus




dengan : T = temperatur gas dalam pipa katalis (C)

= temperatur fuel gas di luar pipa katalis (C)

Do = diameter luar pipa katalis (C)

Hri = panas reaksi untuk reaksi i (kJ/mol)

Cpi = kapasitas panas reaksi i (kJ/kg/C)

Ud = koefisien transfer panas total (kW/m2/C)

Tref = temperatur referensi (C)

Harga Ud dicari dari persamaan berikut (Kern, 1950) :

1 1 1

d io o

RdU h h

(17)

dengan :

Rd = dirt factor

hio = koefisien perpindahan panas gas dalam pipa berdasarkan permukaan luar pipa

(kW/m2/

C)

ho = koefisien perpindahan panas gas di luar pipa (kW/m2/0C)

0D

Dhh iiio

(18)

dengan : hi = koefisien perpindahan panas gas di dalam pipa (kW/m2/ 0C)

hi dihitung dengan persamaan berikut (Froment dan Bischoff, 1990)

)/6exp())(Re/(813,0 9,011 ipii DDDkh (19)

dengan : Re1 = Dp/G1 1

Dp = diameter ekivalen katalis (m)

= 6 x volum partikel/luas permukaan total partikel

Di = diameter dalam pipa (m)

G1 = supervicial mass velocity gas dalam pipa (kg/m2/s)

k1 = konduktifitas rata-rata gas dalam pipa (kJ/ms/0C)

1 = viskositas rata-rata gas dalam pipa (kg/ms)

Koefisien perpindahan panas dalam tube yang berisi katalisator dapat didekati dengan

persamaan Leva (Perry, 1999) :

untuk Dt

Dp< 0,35 :

9,06

.813,0

GDpe

Dt

khi Dt

Dp

(20)

Tugas Khusus




untuk 0,35

Documents

Tugas Khusus Ragagucci