62

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

NH3/CO2 dan perbandingan mol H2O/CO2 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 m3, 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

63

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.

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 masing-

masing untuk tray konvensional dan tray yang baru. Pada tray konvensional

A A

B

BC

D

E

C

64

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-BDiameter 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

65

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/m3 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/m3 dan viskositas

3,35x10-5 kg/m.s.

66

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. Langkah-

langkah 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 komponen-

komponen 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

67

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

68

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

69

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

70

(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

71

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 lubang-

lubang 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

72

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

73

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.