Volume 1, Tahun I, No. 1, Agustus 2012 - 1
ANALISA ALIRAN PADA SISI SHELL REBOILER 61-105 C
DENGAN MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID
DYNAMICS (CFD)
Muhammad Ali1, M. Ilham Maulana2, Hamdani Umar3
1)
Departemen Teknik,PT Pupuk Iskandar Muda Aceh
Jl. Medan-Banda Aceh, PO Box 21 Krueng Geukueh, Aceh Utara 24354, email: [email protected] 2,3)
Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala
Abstract: The study was conductedto determine the patternand characteristics of the flow on the shell side reboiler 61-105C, and the temperature distributionin the zone of the estimated flow stagnation at the meeting of hot fluid in letandoutletcold fluid side reboiler shel l61-105C.In this research, the approach of using CFD simulation to CO2 stripper reboiler, shell sidesimulation sperformed to analyze the cause of the damage to the tube that is always repeated. Stages in this studywere: field data collection, making Cad Modelling and continued with CFD Modelling of making meshand determine konsisi Konstaphysical demarcation and just continue with the simulation of single phaseandtwo-phase. Fakus simulation is on flow patterns, temperature distributionand corrosion.The simulation results show the high temperature 481.681Kand low speed0.038m/s, tube corrosion region is formed at a distance of 0 to300 mm from the upper tube sheet, and the second phase of the simulation also showed the highestvapor fractionat a distanceof less than300 mm of tube sheet amounted to 0.0266or equal to6.33kg/s, the vapor fraction decreases away from the tube shee tabout 0.25kg/s.
Keywords: heat transfer, shell and tube, reboiler, and CFD simulations
Abstrak: Penelitian dilakukan untuk mengetahui pola dan karakteristik aliran pada sisi shell reboiler
61-105 C, dan distribusi temperatur pada zona yang diperkirakan ada stagnasi aliran pada pertemuan inlet fluida panas dan outlet fluida dingin sisi shell reboiler 61-105 C.Pada penelitian ini dilakukan pendekatan yaitu simulasi menggunakan CFD terhadap CO2 stripper Reboiler, Simulasi shell side dilakukan untuk menganalisa penyebab kerusakan pada tube yang selalu berulang.Tahapan yang dalam penelitian ini adalah : pengumpulan data lapangan, membuat Cad Modelling dan dilanjutkan dengan CFD Modelling yaitu membuat mesh dan menentukan konsisi sempadan serta konsta fisikal baru dilanjutkan dengan simulasi satu fasa dan dua fasa. Fakus simulasi adalah pada pola aliran, distribusi temperatur dan korosi.Hasil simulasi menunjukkan temperatur tinggi 481,681 K dan kecepatan rendah 0,038 m/s, terbentuk didaerah korosi tube yaitu pada jarak 0 sampai dengan 300 mm dari tubesheet bagian atas, dan dari simulasi 2 fasa juga menunjukkan Fraksi uap tertinggi pada jarak kurang dari 300 mm dari tubesheet sebesar 0,0266 atau sebesar 6,33 kg/s, semakin menjauhi tubesheet fraksi uap berkurang sekitar 0,25 kg/s.
Kata kunci : Perpindahan panas, shell and tube, reboiler, simulasi dan CFD
CO2 Stripper Reboiler 61-105 C pada pabrik
ammonia 2 PT. Pupuk Iskandar Muda adalah salah satu peralatan yang digunakan pada proses produksi yang berfungsi sebagai alat penukar kalor antara dua fluida, disisi shell
aMdea solution dan di sisi Tube Proses Gas
atau LTS Effluent.
Pada rangkaian proses produksi ammonia Heat Exchanger ini berfungsi untuk menurunkan temperature syngas
2 - Volume 1, Tahun I, No. 1, Agustus 2012 keluar dari LTS (LTS effluent),dari
temperatur 2100C menjadi 1320C yang mengalir disisi tube, dengan fluida pendingin pada sisi shell aMDEA solutiondengantemperatur 123,80C.
Boiler dan reboiler adalah jenis alat
penukar kalor yang sering mengalami korosi akibat kondisi operasional yang bertekanan tinggi dan temperatur tinggi, selain itu juga disebabkan oleh sifat korosi
fluida, lingkungan, dan desain
(H.Ackerman et al., 1987). CO2Stripper
Reboiler yang digunakan oleh PT. Pupuk
Iskandar Muda sering mengalami korosi pada permukaan tube yang berlokasi di daerah overheat, yaitu daerah bertemuan sisi inlet gas (LTS Solution) dengan sisi
outlet Amdea solution.
Berdasarkan data sejarah alat CO2
stripper reboiler 61-105 C mengalami
kebocoran. Berdasarkan metode Leak test dari sisi shell dengan tekanan 5 kg/cm ditemukan tube bocor sebanyak 177 tube. Lokasi kebocoran tube ditentukan dengan metode individual test terhadap tube yang bocor yaitu pada bagian atas tube yang berjarak 230-280 mm dari tubesheet. Kebocoran disebabkan oleh korosi lokal yang menyerang permukaan atas tube.
Untuk mengetahui penyebab dar permasalahan diatas diperlukan suatu penelitian yang meliputi fenomen aaliran fluida didalam shell.Aliran fluida yang mengalir di dalam shell dan tube arahnya bisa counter flow, cross flow, parallel maupuncampuran. Arahaliran counter
terjadi ketika kedua fluida mengalir dengan berlawanan arah, aliran cross terjadi ketika salah satu fluida mengalir secara tegak lurus terhadap fluida yang lain dan aliran parallel terjadi ketika kedua fluida masuk dan keluar dalam arah yang sama. Sedangkan aliran campura n merupakan aliran gabungan dari berbagai aliran yang digunakan. Selanjutnya untuk menyangga berkas susunan tube dan mengarahkan aliran pada sisi shell dan untuk meningkatkan laju perpindahan panas yang terjadi antara dua fluida tersebut di dipasanglah sekat(Inacio D, at all., 2011).
Seiring dengan perkembangan
teknologi komputer digital berkecepatan tinggi yang pesat, metode numerik, yaitu:
Computational Fluid Dynamics ikut terpicu untuk berkembang dengan pesat, dengan demikian penelitian secara numeric semakin intensif dilakukan. Salah satu Penelitian yang banyak dilakukan adalah tentang Fenomena aliran pada sisi shell,
baik secara eksperimen maupun
secaranumerik.
(Candra Damis W., 2012)
Menggunakan metode CFD untuk
menganalisa desain dan redesain alat penukar kalor tipe shell and tube.(Milanda P.,2006) meneliti pengaruh termal hidrolik dengan model aliran dua fasa pada sisi shell ketel reboiler. (Ahmad Syuhada; 2000). Meneliti karakteristik perpindahan panas (massa) pada saluran persegi empat berbelokan tajam 1800 (pengaruh
Volume 1, Tahun I, No. 1, Agustus 2012 - 3 kemiringan dinding pemisah dan celah
belokan) yang mengatakan bahwa turn
clearance dan bilangan Reynold
merupakan parameter dominan pada struktur aliran dan perpindahan panas.
Pada penelitian diatas belum mengkaji secara khusus tentang fenomena aliran dan perpindahan panas yang terjadi pada sisi shell Reboiler 61-105 C, yang secara langsung menjadi parameter control pada industry pupuk. Oleh karena itu penelitian ini khusus mempelajari masalah fenomena aliran dan temperature pada sisi shell dan penyebab terjadinya korosilokal pada CO2 Stripper
Reboiler 61-105 C.
METODE PENELITIAN
Pada penelitian ini, analisis aliran pada sisi shell CO2Stripper Reboiler
61-105 C fokus pada fenomena aliran dan perpindahan panas yang terjadi pada sisi shell serta korelasi terhadap timbulnya korosi lokal dengan metode CFD dengan menggunakan CFDSof (Program komputer berbasis vinite volume). Parameter input berdasarkan data operasional alat yang diperoleh dari PT. Pupuk Iskandar Muda, Indonesia. Tahapan penelitian dimulai dari Studi literatur, pengumpulan data lapangan, Cad Modelling, dilanjutkan dengan CFD modelling satu fasa dan dua fasa. Simulasi dilakukan dari tahap pengaturan jumlah grid, pembagian grid, dan penyederhaan model tube bundle diasumsikan sebagai poros media, sehingga akan didapatkan hasil yang
akurat. Hasil simulasi akan dibandingkan dengan kondisi original disain dari peralatan dan sejarah kerusakan peralatan sebagai validasi.
Parameter dan kondisi input yang diberikan adalah sebagai berikut:
Total Laju massa Amdea solution 236,4 kg/s
Temperatur inlet Amdea solution 396 K
Heat rejection 28714 kW Porosity 0,13
Total heat generation 9600000W/m3 Kecepataninlet 1m/s
Heat rejection 28714 kW
Temperatur inlet amdea solution 396 K Konstanta Fiskal aMDEA Solution - Massa jenis 965 kg/m3 - Panasjenis 4228,7 J/kg K - Konduktivitastermal 0,44 W/m K - Viskositas 0,00058 Pas
Uap aMDEA Solution Massa jenis 1,12 kg/m3 Panasjenis2177,15 J/kg K Konduktivitastermal 0,0256 W/m K Viskositas 0,000013 Pas Atur Model Heat Conductivity Gravity Pindah Panas Gravitasi
4 - Volume 1, Tahun I, No. 1, Agustus 2012 Turbulensi (k-epsilon) Multi fasa Terikat waktu HASIL PEMBAHASAN Geometri Modelling
Gambar1. Cad Modelling General Arrangement CO2 Stripper Reboiler 61-105 C
Gambar 2. Cad ModellingGeometri CO2 Stripper Reboiler 61-105 C
Gambar 3. Geometri Modelling dan Input Parameter
CO2 stripper reboiler adalah salah satu peralatan yang digunakan pada proses produksi amonia yang digunakan oleh PT Pupuk Iskandar Muda, Aceh Indonesia. CO2
stripper reboiler adalah alat penukar kalor tipe shell and tube yang berfungsi untuk
menurunkan temperatur campuran gas (LTS
Effluent) dari 210 0C sampai 132 0C dengan fluida pendingin campuran air dengan zat kimia (aMDEA Solution). LTS effluent mengalir dua pass di sisi tube, sepanjang U
tube bundle masuk dari header atas dan keluar
dari header bawah sambil melepas panas. Sedangkan aMDEA Solution mengalir satu
pass, di dalam shell yang masuk dari bawah
dan keluar di atas. Jumlah inlet LTS effluent satu dan aMDEA Solution dua sedangkan jumlah outlet LTS effluent satu dan aMDEA
Solution dua. Jumlah U tube 1234 buah
dengan panjang 7000 mm, berdiameter 25,4 mm dan tebal 1.65 mm. Material tube, shell,
baffle, dan impingement adalah stainless steel
304 disesuaikan dengan kondisi kerja dan lingkungan. Alat penukar kalor ini didesain sedemikian rupa untuk memperkecil pressure drop di sisi shell dibuktikan dengan pemilihan tipe pitch tube persegi dengan sudut 900, tube
pitch 32mm dan diameter outlet shell (26 in)
lebih besar dibandingkan inlet shell (16 in).
Impingement yang terletak di sisi inlet
berfungsi untuk membagi aliran dan pelindung
tube. Terdapat 4 baffle berlainan tipe yang
berfungsi untuk mengarahkan aliran. Kalor yang dilepaskan LTS effluent diserap oleh
aMDEA Solution sehingga terjadi proses
pendidihan dan penguapan (5% dari laju massa total). Perpindahan panas kedua fluida ini sebesar 28551.67 kW.
Volume 1, Tahun I, No. 1, Agustus 2012 - 5 Pembahasan
Hasil simulasi memperlihatkan aliran didalam shell (aMDEA Solution) bergerak dari dua nozzle inlet bagian bawah menuju 2 nozzle outlet bagian atas melewati tube bunle seperti terlihat pada gambar 3.2, dengan laju aliran massa 236,4 kg/s atau sekitar 1 m/s. Pada sisi inlet terdapat
impengement baffle yang berfungsi menahan aliran dan membagi aliran supaya terdistribusi secara merata, kecepatan aliran mulai menurun ketika melewati celah-celah U tube bundle rata-rata 0.05 m/s, aliran menurun disebabkan area lebih besar dibanding sisi inlet, kecepatan fluida meningkat kembali ketika mendekati sisi outlet sebesar 0,6 m/s, kenaikan kecepatan pada posisi keluar karena fluida memasuki area yang lebih lebih kecil dibandingkan pada area internal shell, dan perbedaan kecepatan sisi inlet dengan outlet karena diameter outlet lebih besar 644 mm dibandingkan diameter inlet 390 mm.
Gambar 5. Distribusi Kecepatan Aliran
Pada daerah dekat tubesheet bagian atas ditunjuk pada gambar 5. kecepatan relatif lebih rendah dibandingkan daerah lainnya yang dekat dengan tube sheet, yaitu 0,0308 m/s. Rendahnya kecepatan ini
terjadi sebagai akibat dari stagnasi fluida yang disebabkan oleh posisi outlet serta profil antara tubesheet dengan shell bersiku.
Gambar 6. Distribusi Temperatur dalam shell
Pada daerah ini juga bertemperatur tinggi 481,681 K dan kecepatan rendah 0,0308 m/s, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Temperatur tinggi pada daerah ini terjadi akibat persingunggan antara inlet fluida panas dalam tube dengan outlet fluida dingin pada sisi shell. Keterbatasan yang dimiliki oleh perangkat lunak menjadikan perubahan fasa yang terjadi
pada fluida aMDEA Solution
direpresentasikan dengan nilai temperatur. Hasil simulasi yang menunjukkan
temperatur sebesar 481,681K
menunjukkan bahwa kalor yang diserap seluruhnya diubah untuk meningkatkan
temperatur. Daerah dimana
aMDEASolution memiliki temperatur tertinggi merepresentasikan bahwa pada daerah tersebut sering mengalami proses pendidihan pada permukaan tube.
6 - Volume 1, Tahun I, No. 1, Agustus 2012
Gambar 7. Korosi Pada Tube (Sumber: PT PIM 2010)
Gambar 7. menunjukkan korosi yang terjadi tidak seragam dan hanya pada bagian tertentu berbentuk seperti coakan yang akan menyebabkan lubang pada tube. Berdasarkan simulasi, daerah yang sering mengalami korosi berada pada temperatur tinggi atau saat larutan aMDEA mulai mendidih. Pada proses pendidihan terjadi gelembung-gelembung uap yang pecah dan terbentuk kembali secara berulang. Peristiwa ini menyebabkan gelombang kejut yang dapat merusak oxide protective
layer, sehingga permukaan menjadi kasar
yang dapat bertindak sebagai tempat nukleasi bubbles baru. Korosi akan terbentuk terus menerus pada permukaan
tube yang kasar sehingga akan
menyebabkan tube berlubang. Pada lokasi temperatur tinggi dan berkecepatan rendah proses pendidihan sering terjadi yang direpresentasikan dari fraksi uap yang cenderung dominan pada lokasi tersebut. Distribusi fraksi uap sepanjang permukaan
tube dekat sisi outlet dapat dilihat pada
gambar 8.
Gambar 8. fraksi uap CO2stripper reboiler 61-105 C
Fraksi uap tertinggi pada jarak kurang dari 300 mm dari tubesheet sebesar 0,0266 atau sebesar 6,33 kg/s, semakin menjauhi
tubesheet fraksi uap berkurang sekitar 0,25
kg/s. Fraksi uap cenderung naik-turun, disebabkan oleh adanya sumber kalor yang menyebabkan fraksi uap naik sedangkan aliran uap menuju outlet menyebabkan fraksi uap turun. Pada
kondisi terpasang fraksi uap pada outlet sebesar 0,05 atau 11,92 kg/s sedangkan pada simulasi fraksi uap pada outlet sebesar 0,0453 atau 10,80 kg/s. Secara
kualitatif simulasi ini dapat
merepresentasikan kondisi sistem karena beda simulasi hanya 10% dibandingkan kondisi terpasang.
Material tube adalah stainless steel 304 yang umum digunakan untuk reboiler karena memiliki komposisi yang tahan korosi di bawah temperatur 5950C jika lebih tinggi maka perlu dilakukan pendinginan pada system selama 5 menit
Volume 1, Tahun I, No. 1, Agustus 2012 - 7 untuk menghindari pembentukan karbid
yang mengurangi kromium padalapisan pelindung sehingga mudah terserang korosilokal (H.Ackerman et al., 1987). Pada sistem CO2 Stripper Reboiler temperature maksimal 1240C masih dibawah temperature kritis 5950C sehingga penyebab korosi bukan karena factor termal. Korosi lokal pada daerah tersebut bukan disebabkan oleh keasaman fluida karena fluida asam umumnya menyebabka n korosi merata.
Korosi local disebabkan oleh kerusakan lapisan pelindung (passive film) pada daera htersebut. Pada system ini lokasi korosi terdapat pada daerah yang sering mengalami proses pendidihan dimana pada saat proses pendidihan terbentuk energi yang dapat menyebabkan proses re-oksidasi senyawa pembentuk stainless (C, Mn, P, S, Si ,Cr ,Ni, Mo) (Motooka, T. et al., 2008).
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan sebagai berikut :
1. Pola dan karakteristik aliran yang terbentuk di sisi shell terlihat tidak merata, terbukti dengan tidak seragamnya kecepatan fluida pada titik titik di dalam shell, pada kondisi masuk 0,9 m/s kemudian turun pada daerah tube menjadi 0,55 m/s dan
didaerah yang berdekatan dengan tubesheet bagian atas 0,0308 m/s. 2. Distribusi temperatur disisi shell
terlihat dengan jelas, pada bagian atas dari tube bundle terjadi kenaikan temperatur yang cukup signifikan mencapai 461 K dibanding dengan bagian bawah tube bundle 396 K. 3. Korosi lokal disebabkan oleh stagnasi
fluida serta temperatur tinggi sehingga proses pendidihan sering terjadi. Pada proses pendidihan terjadi gelembung-gelembung uap yang pecah dan terbentuk kembali secara berulang.
Peristiwa ini menyebabkan
gelombang kejut yang dapat merusak
oxide protective layer, sehingga permukaan menjadi kasar yang dapat bertindak sebagai tempat nukleasi
bubbles baru. Berdasarkan hasil simulasi di atas, penyebab korosi adalah proses pendidihan.
Saran
Laju korosi awal pada daerah
kerusakan dapat ditekan dengan
mengurangi stagnasi pada sisi outlet dekat tube sheet. Untuk pengembangan kedepan disarankan untuk menelitil ebih lanjut dengan cara simulasi mengubah posisi outlet mendekati tube sheet dan membuat fariasi ukuran nozzle outlet untuk mendapatkan ukuran yang lebih optimal untuk menaikkan laju aliran di daerah bermasalah. Namun perpindahan jarak
8 - Volume 1, Tahun I, No. 1, Agustus 2012 tersebut akan mengubah fenomena aliran fluida yang akan mempengaruhi proses pindah panas. Dengan demikian parameter simulasi redesain yang harus dicapai adalah temperature lebih rendah pada daerah kerusakan dan temperatur rata-rata outlet fluida panas mendekati desain original.
DAFTAR PUSTAKA
A. Indra S., at all., 2012.Analisis Korosi Pendidihan Pada Alat Penukar Kalor Tipe Shell & Tube Dengan Metode CFD
Andrew M.J And Master B.I (2005). Three Dimensional Modelling of a Helixchanger heat exchanger using CFD. Journal Heat Transfer Eng. 26, Page 22-31
CandraDamis W.,(2012) : Pengembangan Prosedur Design dan Redesign dengan menggunakan CFD Untuk Alat Penukar Kalorjenis Shell &
Tube.Master Thesis
PadaFakultasTeknik Program StudiTeknikMesin UI Depok.
Chinmay H. Adhvaryu(2008). The Lattice Boltmann Methode for Computational Fluid Dynamics Application. Presented to the Faculty of the Graduate School of Master of Science in Aerospace Engineering The University of Texas at Arlington. Dyah w., L.O. elw wan', Kamaruddin, A' dan A.
lndraS. (2003) Analisis Distribusi Suhudan Kecepatan Aliran Udara Dalam Ruang Pengering Bernergi Surya Menggunakan CFD.Bulletin Keteknikan Pertanian IPB Bogor.Vol. 17, No. 1, April 2003, Hal. 69-76 EkadewiAnggrainiHandoyo : Pengaruh
Penggunaan Baffle padaShell-and-Tube Heat Exchanger, Jurnal Teknik Mesin Vol. 3, No. 1, April 2001: 19 – 23, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Kristen Petra, halaman 19 EkadewiAnggrainiHandoko :Pengaruh
Kecepatan Aliran Terhadap Efektivitas Shell-and-Tube Heat Exchanger.Jurnal Teknik Mesin Vol. 2, No. 2, Oktober 2000: 86 – 90, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Kristen Petra, halaman 86
Ender Ozden, IlkerTari:Shell side CFD analysis of a small shell-and-tube heat exchanger, Department of Mechanical Engineering, Middle East Technical University, 06531 Ankara, Turkey.
Gaddis D, editor, Standards of the Tubular ExchangerManufakturers Association, Tarrytown (NY) : TEMA Inc.; 2007 H.Ackerman et al., ASM Metals Hand book
Volume 13 Corrosion 1987, 9th edition ASM International handbook committee.
Incropera P. Frank, Dewitt P. David, Bergman L. Theodore and Lavine S. Andriene. Introduction to Heat Transfer. John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd. 2007 Inacio D. at all., 2011, Simulasi Karakteristik
Aliran dan Perpindahan Panas Cross Flow susunan Tube di Kondensortipe Aligned dan Staggared untuk Sistem ORC. Tesis Program PascasarjanaITS Surabaya.
Milanda P. at all., 2006. Simulation of The Kettle Reboiler Shell Side Thermal-Hydraulics With Different Two-phase Flow Models. Thermal Science: Vol. 10 (2006), No. 2, pp. 127-140
Motooka, T. et al., Corrosion Behavior of Stainless Steel in Nitric Acid Solutions Including Neptunium, Zairyo-to-Kankyo, vol.57, no.12, 2008, p.536-541
Prithiviraj M. And Andrew MJ, (1998).Three Dimensional Numerical Simulation of Shell & Tube Heat Exchanger, Part 1 : Foundation and Fluid Mechanics, Numer Heat Transfer. Part A, Appl.33, Page 817-822
Rucer. Munson, Donald F. Young, Theodore H. Okiishi :Fundamentals of Fluid Mechanics. John Wiley & Sons, Inc.
Volume 1, Tahun I, No. 1, Agustus 2012 - 9 Test of Time Periodic Flows overBluff
Bodies “, International Journal of Computers & Fluids, Vol. 23, No. 5. S.V. Pantakar, D.B. Spalding. A ., 1974.
Calculation Procedur for The Transient and Steady State of ShellTube Heat Exchanger, in : N.F. Afgan, E.O. Schlunder(Eds). Heat Exchanger Design and Theory Source Book, McGrawhill, New York, SardjanNesi’s, (2006) Using Computational
Fluid Dynamics in Comabanting Erosion-Corrosion. Jurnal of Chemical Engineering Science 61, page 4086-4097.
Shaik H, Suba Rao R.V, George, dan Khatak H.S. Corrosion Failure of AISI type 304 Stainless Steel in a Fertilizer Plant. Journal of Engineering Failure Analysis 10, 2003, page 329-339. Syuhada A, 2000.Heat (mass) transfer
characteristics in rectangular serpentine channels with sharp turn.Dessertation for the Doctor Degree of Engineering, Nagoya University, Japan
