BAB IV METODOLOGI
4.1. Metode Penelitian
Metode pengumpulan data yang digunakan dalam proses analisis kinerja Reaction Furnace (93 F 402) pada Sulphur Recovery Unit Kilang SRU & IPAL RU IV Cilacap diperoleh dari:
A. Control Room
Data yang diambil dari ruang Control Room Operator adalah data operasi harian serta logging report dari alat Reaction Furnace (93 F 402) pada tanggal 20 Oktober 2023 - 13 November 2022. Data –data tersebut adalah sebagai berikut:
1. Flow Acid Gas 93 FI 055A 2. Flow Combustion air 93 FIC 050
3. Temperatur Reaction Furnace 93 TI 091 4. Produk Sulfur Cair
5. Rasio Combustion Air dan Acid Gas 6. Yield
B. Modul Literatur
Data yang diambil berasal dari beberapa buku dan modul, seperti:
1. Manual book atau Material Safety Data Sheet (MSDS) 2. Chemical Properties Handbook (Yaws, 1999)
3. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics Sixth Edition (Smith, Van Ness, & Abbott, 2001)
4. Chemical Engineers’ Handbook (Perry & Green, 2007).
C. Metode Interview (Wawancara Langsung)
Dalam metode ini penulis melakukan diskusi tanya jawab kepada pengawas, maupun engineer dari pihak Pertamina dengan maksud agar penulis
37
mendapat wawasan dan masukan-masukan yang berguna dalam menyusun laporan kerja praktik ini.
4.1.2. Alat dan Bahan 4.1.2.1. Alat
Alat yang digunakan dalam evaluasi serta analisa kerja dari Praktik Kerja Lapangan ini adalah unit Reaction Furnace (93 F 402). Reaction Furnace adalah salah satu bagian peralatan utama dari Unit Sulfur Recovery (Unit 93) sebagai tempat reaksi antara Gas H2S dengan O2, terjadi proses pembakaran dan dari proses ini menghasilkan gas sulfur dengan suhu tinggi sehingga untuk menurunkan suhunya pada Furnace ini dipasang secara integreated Waste Heat Boiler (WHB).
4.1.2.2. Bahan
Bahan yang akan dianalisis pada Unit Reaction Furnace (93 F 402) yaitu 1. Data desain vapor properties feed acid gas (material balance Unit 93)
Tabel 4. 1 Vapor Properties Acid Gas Feed
Vapor Properties Satuan Acid Gas
Mass Flow kg/h 3518
Volume Flow @ T & P m3/h 1625
Density @ T & P kg/m3 2,165
Compressibility Nm3/h @ 0 C 1,00
Standard Volume Flow 2363
Molecular Weight 33,36
Spesific Heat kcal/kg-C 0,247
Viscosity cP 0,0137
Thermal Conductivity kcal/h-m-C 0,016
2. Data desain vapor properties udara (material balance Unit 93)
Tabel 4. 2 Vapor Properties Combustion Air
Vapor Properties Satuan Combustion Air
Mass Flow kg/hari 6309
Volume Flow @ T & P m3/hari 4368
Density @ T & P kg/m3 1,444
Compressibility Nm3/h @ 0 C 1,00
38
Standard Volume Flow 5005
Molecular Weight 28,25
Spesific Heat kcal/kg-C 0,252
Viscosity cP 0,0223
Thermal Conductivity kcal/h-m-C 0,027
3. Data desain komposisi acid gas menggunakan lean feed case
Tabel 4. 3 Komposisi Acid Gas dengan Lean Feed Case Component Lean Feed Case (kg-mol/h)
H2 0,05
CO2 3,32
H2S 95,11
H2O 6,79
CH4 0,02
C2H6 0,02
C3H6 0,03
C3H8 0,04
n-C4H10 0,05
n-C5H12 0,01
Total 105,44
4. Data desain komposisi combustion air
Tabel 4. 4 Komposisi Combustion Air Component Molar Flow Rate (kg-mol/h)
N2 166,77
O2 44,20
H2O 12,39
Total 223,36
4.1.3. Prosedur
Adapun prosedur kegiatan yang dilakukan selama proses Praktik Kerja Lapangan di PT Kilang Pertamina Internasional Refinery Unit IV Cilacap, antara lain:
A. Orientasi Umum
39
Metode ini berupa kegiatan pengenalan secara singkat mengenai keseluruhan sistem dan fasilitas yang tersedia di Kilang Pertamina RU IV Cilacap. Kegiatan orientasi umum dilaksanakan pada tanggal 19 Oktober 2023. Kegiatan ini bertujuan untuk menambah pengetahuan mahasiswa peserta PKL serta sebagai salah satu referensi yang dapat digunakan untuk menyusun laporan kerja praktik lapangan (PKL) yang telah dilakukan.
B. Orientasi Khusus
Metode ini berupa kegiatan pengenalan yang dilakukan oleh pihak Kilang Pertamina RU IV Cilacap secara detail mengenai lokasi dan kegiatan yang berkaitan dengan tugas khusus yang diberikan. Dalam pelaksanaanya, pihak Pertamina RU IV menjelaskan secara mendetail terkait kegiatan di Kilang Pertamina RU IV Cilacap.
C. Diskusi
Metode ini dilakukan dengan pembimbing lapangan bertujuan untuk menambah informasi maupun saling bertukar pikiran terhadap ilmu yang berada di kilang.
D. Studi Literatur
Studi literatur merupakan salah satu metode yang sangat efektif yang dilakukan guna mencari informasi sebanyak-banyaknya terkait dengan tugas khusus yang diberikan oleh pembimbing.
4.1.4. Skema Kerja
Adapun skema kerja dalam proses penyelesaian masalah serta analisis kinerja Unit Reaction Furnace (93 F 402) yang dilakukan, sebagai berikut:
1. Mencari literatur penyelesaian dan perhitungan permasalahan,
2. Mengambil data parameter yang tersedia di lapangan dan Control Room, 3. Melakukan pengolahan data berdasarkan data yang telah didapatkan
sebelumnya,
4. Melakukan analisis data, 5. Membuat kesimpulan.
40
BAB V
HASIL DAN PEMBAHASAN
5.1. Dimensi Permasalahan
Berikut adalah permasalahan yang sering terjadi dan mempengaruhi proses produksi Sulphur Recovery Unit :
• Yield produk sulfur yang kurang optimal.
Yield produk sulfur adalah perbandingan antara hasil produk sulfur cair dengan acid gas sebagai feed sulfur recovery unit. Yield sulfur sangat mempengaruhi target pencapaian produksi sulfur. Ada dua proses yang mempengaruhi besarnya Yield yang dihasilkan Sulfur Recovery Unit, yaitu Konversi pada Thermal Stage dan Konversi pada Catalytic Stage.
• Black Sulfur
Kekurangan udara pada proses pembakaran dapat mengakibatkan terbentuknya jelaga dan karbon. Jelaga dan karbon yang menempel pada sulfur akan mengakibatkan sulfur berwarna hitam sehingga disebut Black Sulfur.
Tanda - tanda terjadinya pembentukan jelaga dan karbon : - Ketika api fuel gas berwarna gelap
- Ketika api berwarna merah dan pergerakannya lentur
• Sulfur Plugging
Setiap kondenser memilki sealpot yang menyambung dengan lookbox untuk mengecek besarnya aliran sulfur yang masuk ke sulfur pit. Apabila aliran sulfur tidak terlihat selama 5-10 menit, kemungkinan line sulfur atau sealpot mengalami buntuan. Dalam keadaan normal operasi, line rundown sulfur harus tetap terjaga temperaturnya agar sulfur plugging tidak terjadi. Temperatur yang disarankan untuk memanaskan line sulfur harus lebih dari 200oC.
5.2. Data Penelitian
5.2.1. Data Desain Material Balance Unit 93
41
Tabel 5. 1 Material Balance Stream Sulphur Recovery Unit – Lean Case
Component BM Molar Flow Rate (kmol/h) Mass Flow Rate (kg/h)
9301 9302 9317 9303 9301 9302 9317 9303
Acid gas feed
Combustion Air
Air to Degassing
Reaction Furnace Effluent
Acid gas feed
Combustion Air
Air to Degassing
Reaction Furnace Effluent
Hydrogen 2.02 0.05 0 0 5.71 0.101 0 0 11.5342
Nitrogen 28.01 0 166.77 3.99 170.76 0 4671.2277 111.7599 4782.9876
Oxygen 32.00 0 44.2 1.06 0 0 1414.4 33.92 0
Carbon
Monoxide 28.01 0 0 0 0.54 0 0 0 15.1254
Carbon Dioxide 44.01 3.32 0 0 2.99 146.1132 0 0 131.5899
Hydrogen Sulfide 34.08 95.11 0 0.02 20.06 3241.3488 0 0.6816 683.6448
Sulfur Dioxide 64.06 0 0 0 10.15 0 0 0 650.209
Carbonyl Sulfide 60.08 0 0 0 0.24 0 0 0 14.4192
Carbon Disulfide 76.14 0 0 0 0.1 0 0 0 7.614
Water 18.02 6.79 12.39 0.3 89.59 122.3558 223.2678 5.406 1614.4118
Ucarsol HS-103 127.00 0 0 0 0 0 0 0 0
Methane 16.04 0.02 0 0 0 0.3208 0 0 0
Ethylene 28.05 0 0 0 0 0 0 0 0
Ethane 30.07 0.02 0 0 0 0.6014 0 0 0
Propylene 42.08 0.03 0 0 0 1.2624 0 0 0
Propane 44.10 0.04 0 0 0 1.764 0 0 0
Butylene 56.11 0 0 0 0 0 0 0 0
i-Butane 58.12 0 0 0 0 0 0 0 0
n-Butane 58.12 0.05 0 0 0 2.906 0 0 0
i-Pentane 72.15 0 0 0 0 0 0 0 0
n-Pentane 72.15 0.01 0 0 0 0.7215 0 0 0
n-Hexane 86.18 0 0 0 0 0 0 0 0
Sulfur Vapor, S2 64.13 0 0 0 32.23 0 0 0 2066.9099
Sulfur Vapor, S4 128.26 0 0 0 0 0 0 0 0
Sulfur Vapor, S6 192.38 0 0 0 0 0 0 0 0
Sulfur Vapor, S8 256.51 0 0 0 0 0 0 0 0
Sulfur Liquid, S1 32.06 0 0 0 0 0 0 0 0
Total 105.44 223.36 5.37 332.37 3517.4949 6308.8955 151.7675 9978.4458
IN 334.17 9978.1579
OUT 332.37 9978.4458
a. Mass flow acid gas feed sebesar 3517.5 kg/h b. Mass flow combustion air sebesar 6308.9 kg/h c. Molar Flow Rate H2S sebesar 95.11 kgmol/h
Mass Flow Rate H2S = [H2S(kg-mol/h) design] x [MW H2S]
= [95,11 kgmol/h] x [34.08]
= 3241.35 kg/h
d. Perhitungan Rasio Combustion Air dan Acid Gas secara desain Rasio = Mass Flow Combustion air : Mass Flow Acid Gas
= 6308.9: 3517.5
= 1.79 : 1
42
Namun, rasio tersebut tidak pernah diterapkan karena akan terjadi kenaikan temperatur di Reactor 93 R 401 A/B mencapai >1400℃.
e. Komposisi sulfur liquid yang didapatkan sebagai berikut:
Tabel 5. 2 Komposisi Sulfur Liquid (S1) Keluaran Condenser
9306 9310 9314
1st cond. Liquid Sulfur
2nd cond. Liquid Sulfur
Final cond. Liquid Sulfur Molar Flowrate sulfur liquid (S1) 62.41 kgmol/h 16.82 kgmol/h 9.21 kgmol/h
Total 88.44 kgmol/h
Mass Flow Rate Sulfur Liquid = [S(kg-mol/h) design] x [MW S]
= [88.44 kgmol/h] x [32]
= 2830.08 kg/h f. Yield
𝑦𝑖𝑒𝑙𝑑 = produk sulfur liquid
Komponen H2S pada 𝑎𝑐𝑖𝑑 𝑔𝑎𝑠 𝑓𝑒𝑒𝑑 𝑦𝑖𝑒𝑙𝑑 = 2830,08
3233,74 = 87.5%
5.2.2. Data Desain Feed Ratio H2S
Tabel 5. 3 Feed Ratio H2S Secara Desain
11V-1 13V-6 13V-7 013V-
105 013V-107 11V-2 019V-112 260V-105 Refinery FOC-I FOC-I FOC-I FOC-II FOC-II FOC-I FOC-II LOC-III
Unit CDU-I
HDS-I MP Gas
HDS-I LP Gas
LP Unibon
HP
Unibon NHT-1 Visbreaker HTU Feed Ratio H2S
(kgmol/h) 0.00% 4.62% 22.23% 6.00% 15.75% 6.37% 0.69% 44.35%
Total 100%
5.2.3. Data Kondisi Aktual Feed Ratio H2S
• Data Kondisi Aktual I (Feed Ratio H2S dari sumber 13V-6, 13-V-7, 11-V-2, 260V-105)
43
Tabel 5. 4 Feed Ratio H2S dari Kondisi Operasi I
13V-6 13-V-7 11-V-2 260V-105
Refinery FOC-I FOC-I FOC-I FOC-I
Unit HDS-I MP Gas HDS-I LP Gas NHT-1 HTU
Feed Ratio H2S (kgmol/h) 4.62% 22.23% 6.37% 44.35%
Total 77,56%
Kondisi ini feed berasal dari 11V-1, 013V-105, 013V-107, dan 019V-112 sudah tidak ada, maka komposisi H2S pada acid gas menjadi sebesar 4.62% + 22.23% + 6.37% + 44.35% = 77.56%
Feed ratio H2S pada acid gas feed sebesar 77.56%.
• Data Kondisi Aktual II (Feed Ratio H2S dari sumber 13V-6, 13-V-7, 260V- 105)
Tabel 5. 5 Feed Ratio H2S dari Kondisi Operasi II
13V-6 13-V-7 260V-105
Refinery FOC-I FOC-I FOC-I
Unit HDS-I MP Gas HDS-I LP Gas HTU
Feed Ratio H2S (kgmol/h) 4.62% 22.23% 44.35%
Total 71.19%
Kondisi ini feed berasal dari 11V-1, 013V-105, 013V-107, 11V-2, dan 019V- 112 tidak ada, maka komposisi H2S pada acid gas menjadi sebesar
4.62% + 22.23% + 44.35% = 71.19%
Feed ratio H2S pada acid gas feed sebesar 71.19%.
5.2.4. Data kondisi operasi Reaction Furnace (Logsheet dan Material Balance Harian)
Data kondisi operasi Sulphur Recovery Unit diamati dan dicatat untuk dibandingkan dengan parameter sesuai desain. Data dibawah ini adalah data kondisi operasi dari log sheet yang diambil pada tanggal 20 Oktober 2023 – 13 November 2023.
- Data pengamatan yang sumber acid gas feed berasal dari sumber 11V-1, 13V-6, 13V-7, 11V-2, 260V-105 (Kondisi Operasi I)
44
Tabel 5. 6 Data Pengamatan Unit 93 Dengan Kondisi Operasi I
Tanggal Flow Acid Gas
93 FI 055A (kg/h) Flow Combustion air
93 FIC 050 (kg/h) Temperatur Reaction
Furnace 93 TI 091 (C) Produk Sulfur cair (kg/h)
Rasio Yield
21-Oct 1058.4 1309.24 1259.78 637.849 1.24 60.27
23-Oct 1352.5 1803.1 1266 938.548 1.33 69.39
24-Oct 1338.5 1776.1 1263.36 1146.65 1.33 85.67
25-Oct 1365.5 1806.8 1268.02 954.004 1.32 69.86
26-Oct 1390.7 1829.8 1263.36 877.503 1.32 63.10
27-Oct 1385.9 1847.1 1269.11 943.869 1.33 68.11
28-Oct 1374.4 1855.7 1272 1002.86 1.35 72.97
29-Oct 1367.4 1824 1266.34 921.747 1.33 67.41
30-Oct 1324.2 1743.5 1268.6 1009.89 1.32 76.26
9-Nov 1396.60 1867.80 1302.82 921.75 1.34 66.00
10-Nov 1382.8 1810.3 1293.13 1032.357 1.31 74.66
12-Nov 1339.1 1701.5 1298.86 918.06 1.27 68.56
13-Nov 1351.6 1678.2 1294.33 879.092 1.24 65.04
- Data pengamatan yang sumber acid gas feed berasal dari sumber 11V-1, 13V-6, 13V-7, 260V-105 (Kondisi Operasi II)
Tabel 5. 7 Data pengamatan Unit 93 Dengan Kondisi Operasi II
Tanggal Flow Acid Gas
93 FI 055A (kg/h) Flow Combustion air
93 FIC 050 (kg/h) Temperatur Reaction
Furnace 93 TI 091 (C) Produk Sulfur cair (kg/h)
Rasio Yield
31-Oct 1455.40 1867.70 1258.25 1069.23 1.28 73.47
1-Nov 1558.9 2076.4 1271.17 958.674 1.33 61.50
2-Nov 1527.6 2039 1268.76 1050.79 1.33 68.79
3-Nov 1488 2004 1277 1032.36 1.35 69.38
4-Nov 1552.5 2073.5 1272.96 1316.25 1.34 84.78
5-Nov 1342.1 1770.4 1269.33 844.32 1.32 62.91
7-Nov 1325.1 1636.3 1284.77 919.305 1.23 69.38
8-Nov 1374.4 1841.7 1302.04 974.372 1.34 70.89
5.3. Analisa Perhitungan
Pada kondisi desain, variabel dapat diatur untuk memaksimalkan konversi H2S menjadi sulfur cair. Variabel yang dikendalikan dalam analisa ini adalah rasio combustion udara dan temperatur outlet Reaction Furnace, namun masih dalam batasan spesifikasi desain dari reaction Furnace (93 F 402). Penentuan temperatur
45
tersebut dicari menggunakan trial and error. Hal yang ingin dicapai dalam optimasi ini adalah memaksimalkan hasil produk sulfur dan Yield yang optimal.
5.3.1. Perhitungan Rasio Kondisi Aktual I
o [H2S(kg-mol/h) aktual] = [H2S(kg-mol/h) design] x [Feed ratio H2S]
= [95,11 kgmol/h] x [77,56%]
= 73,77 kgmol/h o Combustion air (kg/h) Aktual
95,11 kg-mol/h : 6309 kg/h = 73,77 kg-mol/h : X
95.11 kg-mol/h * X1 = 6309 kg/h * 73,77 kg-mol/h
95.11 * X1 = 465.397,99 kg/h
X1 = 465.397,99 𝑘𝑔/ℎ
95.11
X1 = 4893,26 kg/h
o Mass flow acid gas feed (kg/h) Aktual
95,11 kg-mol/h : 3518 kg/h = 73,77 kg-mol/h : Y
95.11 kg-mol/h * Y1 = 3518 kg/h * 73,77 kg-mol/h
95.11 * Y1 = 259513.42 kg/h
Y1 = 259513.42 𝑘𝑔/ℎ
95.11
Y1 = 2728,56 kg/h
Perbandingan Flow Combustion air Aktual vs Acid Gas
𝐹𝑙𝑜𝑤 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐴𝑖𝑟
𝐹𝑙𝑜𝑤 𝐴𝑐𝑖𝑑 𝐺𝑎𝑠 = 4893
3518 = 1,39 5.3.2. Perhitungan Rasio Kondisi Aktual II
o [H2S(kg-mol/h) aktual] = [H2S(kg-mol/h) design] x [Feed ratio H2S]
= [95,11 kgmol/h] x [71,19%]
= 67,7 kgmol/h
o Combustion air (kg/h) Aktual
95,11 kg-mol/h : 6309 kg/h = 67,7 kg-mol/h : X
95.11 kg-mol/h * X2 = 6309 kg/h * 67,7 kg-mol/h
95.11 * X2 = 427.174,88 kg/h
X2 = 427.174,88 𝑘𝑔/ℎ𝑟
95.11
46
X2 = 4491,38 kg/h
o Mass flow acid gas feed (kg/h) Aktual
95,11 kg-mol/h : 3518 kg/h = 67,7 kg-mol/h : X
95.11 kg-mol/h * Y2 = 3518 kg/h * 67,7 kg-mol/h
95.11 * Y2 = 238.199,59 kg/h
Y2 = 238.199,59 𝑘𝑔/ℎ𝑟
95.11
Y2 = 2504,46 kg/h
Perbandingan Flow Combustion air Aktual vs Acid Gas
𝐹𝑙𝑜𝑤 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐴𝑖𝑟
𝐹𝑙𝑜𝑤 𝐴𝑐𝑖𝑑 𝐺𝑎𝑠 = 4893
3518 = 1,28
5.3.3. Perhitungan Temperatur Reaction Furnace Ditetapkan
Reference Temperature = 25 C = 298.15 K Ideal Gas Constant (R) = 8.314472 J/mol.K
1 J/mol.K = 1 kJ/kmol.K
Reaksi =
𝐻2𝑆 + 3
2𝑂2 → 𝑆𝑂2+ 𝐻2O + heat (1) 2𝐻2S + S𝑂2 → 2𝐻2𝑂 + 𝑆2 + heat (2) 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑆 → 𝐶𝑂𝑆 + 𝐻2𝑂 (5) COS + 𝐻2𝑆 → 𝐶𝑆2+ 𝐻2𝑂 (6) 2𝐻2S + heat → 2𝐻2+ 𝑆2 (7)
93-F-402 93-F-401
9301 9302 9317
9303
47 1. Perhitungan Heat Capacity
Perhitungan heat capacity pada setiap komposisi terdapat pada lampiran.
Pada lampiran 6. didapatkan nilai Heat Capacity dari masing – masing komponen pada stream tersebut dengan variabel T menyesuaikan temperatur stream dan varibel To adalah Reference Temperature.
2. Perhitungan Heat of reaction (∆𝐻°𝑟𝑥𝑛) - Standard Heat of Formation (Hf)
Standard Heat of Formation pada tiap komposisi yang bereaksi terdapat lampiran 4.
- Heat of reaction
𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 → 𝑐𝐶 + 𝑑𝐷
∆𝐻°𝑟𝑥𝑛 = [𝑐∆𝐻°𝑓(𝐶) + 𝑑∆𝐻°𝑓(𝐷)] − [𝑎∆𝐻°𝑓(𝐴) + 𝑏∆𝐻°𝑓(𝐵)]
∆𝐻°𝑟𝑥𝑛 = Σ𝑛∆𝐻°𝑓(𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑠) − Σ𝑚∆𝐻°𝑓(𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑠)
Tabel 5. 8 Heat of Reaction 1, 2, 5, 6, 7
Reaction Heat of Reaction (J/mol)
1 -518018
2 -72773
5 33911
6 -210798
7 20630
3. Penetapan Standard Net Enthalpy of Combustion (∆𝐻𝑜°)
Ditetapkan net enthalpy of combustion pada komposisi acid gas feed kecuali komponen H2S pada lampiran 7.
4. Perhitungan Sensible Heat
𝑄 = 𝑚. 𝐶𝑝. (𝑇 − 𝑇𝑜) Keterangan:
m = Molar flow rate (kmol/h)
Cp = Heat Capacity at constant pressure (kJ/kmol.K) To = Reference Temperature (K)
T = Temperatur stream (K)
48 5. Perhitungan Reaction Heat
𝑄 = 𝑚. ∆𝐻𝑅°
𝑄 = 𝑚. [∆𝐻𝑟𝑥𝑛° + 〈𝐶𝑝〉𝐻 〈𝑇 − 𝑇𝑜 〉]
Keterangan:
m = Molar flow rate (kmol/h)
Cp = Heat Capacity at constant pressure (kJ/kmol.K)
∆𝐻𝑟𝑥𝑛° = Heat of reaction (J/mol; kJ/kmol) To = Reference Temperature (K) T = Temperatur stream (K) 6. Perhitungan Combustion Heat
𝑄 = 𝑚. ∆𝐻°
𝑄 = 𝑚. [∆𝐻𝑜° + 〈𝐶𝑝〉𝐻 〈𝑇 − 𝑇𝑜 〉]
Keterangan:
m = Molar flow rate (kmol/h)
Cp = Heat Capacity at constant pressure (kJ/kmol.K)
∆𝐻𝑜° = Standard Net Enthalpy of Combustion (J/mol; kJ/kmol) To = Reference Temperature (K)
T = Temperatur stream (K) 7. Perhitungan Temperatur Reaction Furnace
Temperatur dicari menggunakan dengan metode goal seek. Goal seek adalah fitur excel untuk mendapatkan nilai input yang diberikan agar mendapatkan suatu hasil suatu rumus.
𝑄 𝑖𝑛 = 𝑄 𝑜𝑢𝑡
𝑄9301+ 𝑄9302+ 𝑄9317+ 𝑄9303𝐴+ 𝑄𝑅−1+ 𝑄𝑅−2+ 𝑄𝑅−6= 𝑄9303+ 𝑄𝑅−5+ 𝑄𝑅−7 [𝑚9301. 𝐶𝑝.9301. (𝑇9301− 𝑇𝑜)] + [𝑚9302. 𝐶𝑝 9302. (𝑇9302− 𝑇𝑜)] +
[𝑚9317. 𝐶𝑝 9317. (𝑇9317− 𝑇𝑜)] + [𝑚9303𝐴. ∆𝐻°9303𝐴] + [𝑚𝐻2𝑆 9301. ∆𝐻°𝑅−1] +
[𝑚𝐻2𝑆 9301. ∆𝐻°𝑅−2] + [𝑚𝐻2𝑆 9301. ∆𝐻°𝑅−6] = [𝑚9303. 𝐶𝑝 9303. (𝑇𝑔𝑜𝑎𝑙𝑠𝑒𝑒𝑘− 𝑇𝑜)] + [𝑚𝐻2𝑆 9301. ∆𝐻°𝑅−2] + [𝑚𝐻2𝑆 9301. ∆𝐻°𝑅−6]
5.3.3.1. Material Balance - Flowrate
49
o Flowrate setiap komposisi acid gas feed
Flowrate setiap komposisi acid gas berdasarkan material balance terdapat pada tabel 5.1.
o Total H2S yang bereaksi
Tabel 5. 9 Total H2S yang Bereaksi
Reaction Amount Reacted (kmol/h)
1 29.75
2 39.2
5 0.34
6 0.10
7 5.66
Total 75.05
Jumlah H2S yang bereaksi ini perlu dihitung karena pada dasarnya reaksi pembentukan sulfur yang utama banyak melibatkan H2S dan SO2. Serta, reaksi sampingan yang melibatkan COS dan CS2 menjadi CO2 dan H2S.
Tabel 5. 10 Panas Masuk dan Panas Keluar
Trial Sensible Heat Heat of Combustion Heat of reaction Total
T Goalseek (K) 1537.24
In (kJ) 708800.52 326655.16 14551667.51 15587123.20
Out (kJ) 15134441.04 452682.16 15587123.20
Dari tabel diatas dapat dicari temperatur reaction Furnace ketika acid feed bereaksi, maka didapatkan temperatur sebesar 1537.24 K atau 1264.03℃. Di dalam reaction Furnace ini ketika acid gas tersebut direaksikan dengan oksigen, reaksi pembakaran dan reaksi ini berlangsung pada suhu 900℃ dan operasinya temperatur di reaction Furnace mencapai 1264.03℃.
5.3.3.2. Kondisi Aktual I
Data hasil perhitungan temperatur Aktual dengan komposisi acid gas feed dan combustion air sebagai berikut:
50
Tabel 5. 11 Kondisi Aktual I Komposisi Stream Sulfur Recovery Unit
Component BM Molar Flow Rate (kmol/h) Mass Flow Rate (kg/h)
9301 9302 9317 9303 9301 9302 9317 9303
Acid gas feed
Combustion air
Air to Degassing
Reaction Furnace Effluent
Acid gas feed
Combustion air
Air to Degassing
Reaction Furnace Effluent
Hydrogen 2.02 0.15 0 0 5.71 0.251405 0.000000 0 11.5342
Nitrogen 28.01 0 166.77 0 170.76 0.000000 3623.063919 0 4671.2277
Oxygen 32.00 0 44.2 0 0 0.000000 1097.026721 0 0
Carbon
Monoxide 28.01 0 0 0 0.54
0.000000 0.000000 0 15.1254 Carbon
Dioxide 44.01 10.18 0 0 2.99
363.698257 0.000000 0 131.5899 Hydrogen
Sulfide 34.08 73.77 0 0 20.06
2041.189829 0.000000 0 682.9632 Sulfur
Dioxide 64.06 0 0 0 10.15
0.000000 0.000000 0 650.209 Carbonyl
Sulfide 60.08 0 0 0 0.24
0.000000 0.000000 0 14.4192 Carbon
Disulfide 76.14 0 0 0 0.1
0.000000 0.000000 0 7.614
Water 18.02 20.82 12.39 0 89.59 304.562430 173.169360 0 1609.0058
Ucarsol
HS-103 127.00 0 0 0 0
0.000000 0.000000 0 0
Methane 16.04 0.06 0 0 0 0.798521 0.000000 0 0
Ethylene 28.05 0 0 0 0 0.000000 0.000000 0 0
Ethane 30.07 0.06 0 0 0 1.496977 0.000000 0 0
Propylene 42.08 0.09 0 0 0 3.142308 0.000000 0 0
Propane 44.10 0.12 0 0 0 4.390868 0.000000 0 0
Butylene 56.11 0 0 0 0 0.000000 0.000000 0 0
i-Butane 58.12 0 0 0 0 0.000000 0.000000 0 0
n-Butane 58.12 0.15 0 0 0 7.233482 0.000000 0 0
i-Pentane 72.15 0 0 0 0 0.000000 0.000000 0 0
n-Pentane 72.15 0.03 0 0 0 1.795925 0.000000 0 0
n-Hexane 86.18 0 0 0 0 0.000000 0.000000 0 0
Sulfur
Vapor, S2 64.13 0 0 0 32.23
0.000000 0.000000 0 2066.9099 Sulfur
Vapor, S4 128.26 0 0 0 0
0.000000 0.000000 0 0
Sulfur
Vapor, S6 192.38 0 0 0 0
0.000000 0.000000 0 0
Sulfur
Vapor, S8 256.51 0 0 0 0
0.000000 0.000000 0 0
Sulfur
Liquid, S1 32.06 0 0 0 0
0.000000 0.000000 0 0
Total 105.44 223.36 0 332.37 2728.56 4893.26 0 7621.82
IN 328.8 7621.82
OUT 328.06 7621.82
51 o Total H2S yang bereaksi
Tabel 5. 12 Total H2S yang Bereaksi Kondisi Aktual I
Reaction Amount Reacted (kmol/h)
1 23.02
2 30.357127
5 0.26
6 0.08
7 4.29
Total 58.01
Komposisi acid gas feed pada kondisi Aktual sebenarnya tidak diketahui secara pasti karena tidak adanya analyzer komposisi acid gas feed di laboratorium Pertamina RU IV Cilacap. Namun, pada subab perhitungan rasio kondisi Aktual I telah dihitung molar flowrate H2S didapatkan sebesar 73.77 kmol/h. Itu yang menjadi acuan untuk mengetahui komposisi komponen lain dengan menyesuaikan total molar flowrate dari material balance. Dari sub bab perbandingan kondisi operasi dan kondisi Aktual pada tabel diatas, kemudian flow acid gas sebesar 2728.56 kg/h dan flow combustion air sebesar 4893.56 kg/h dimasukkan ke dalam perhitungan heat balance.
Tabel 5. 13 Panas Masuk dan Panas Keluar Kondisi Aktual I Trial Sensible Heat Heat of
Combustion
Heat of reaction
Total
T Goal seek (K) 1578.97
In (kJ) 539449.24 601076.30 11164822.89 12305348.44
Out (kJ) 11953566.20 351782.24 12305348.44
Dari tabel diatas dapat dicari temperatur reaction Furnace ketika acid feed bereaksi, maka didapatkan temperatur sebesar 1578.92 K atau 1305.82 ℃. Di dalam reaction Furnace ini ketika acid gas tersebut direaksikan dengan oksigen, reaksi pembakaran dan reaksi ini berlangsung pada suhu 900℃ dan operasinya temperatur di reaction Furnace mencapai 1305.82℃.
52 5.3.3.3. Kondisi Aktual II
Data hasil perhitungan temperatur Aktual dengan komposisi acid gas feed dan combustion air sebagai berikut:
Tabel 5. 14 Kondisi Aktual II Komposisi Stream Sulfur Recovery Unit
Component BM Molar Flow Rate (kmol/h) Mass Flow Rate (kg/h)
9301 9302 9317 9303 9301 9302 9317 9303
Acid gas feed
Combustion air
Air to Degassing
Reaction Furnace Effluent
Acid gas feed
Combustion air
Air to Degassing
Reaction Furnace Effluent
Hydrogen 2.02 0.183 0 0 5.71 0.279 0.000 0 8.183
Nitrogen 28.01 0.000 166.77 0 166.77 0.000 3325.504 0 3314.115
Oxygen 32.00 0.000 44.2 0 0 0.000 1006.929 0 0.000
Carbon
Monoxide 28.01 0.000 0 0 0.54 0.000 0.000 0
10.731 Carbon
Dioxide 44.01 12.127 0 0 2.99
403.058 0.000 0
93.360 Hydrogen
Sulfide 34.08 67.709 0 0 20.04 1742.701 0.000 0
484.545 Sulfur
Dioxide 64.06 0.000 0 0 10.15 0.000 0.000 0
461.307 Carbonyl
Sulfide 60.08 0.000 0 0 0.24 0.000 0.000 0
10.230 Carbon
Disulfide 76.14 0.000 0 0 0.1 0.000 0.000 0
5.402
Water 18.02 24.801 12.39 0 89.29 337.523 158.947 0 1141.548
Ucarsol
HS-103 127.00 0.000 0 0 0 0.000 0.000 0
0.000
Methane 16.04 0.073 0 0 0 0.885 0.000 0 0.000
Ethylene 28.05 0.000 0 0 0 0.000 0.000 0 0.000
Ethane 30.07 0.073 0 0 0 1.659 0.000 0 0.000
Propylene 42.08 0.110 0 0 0 3.482 0.000 0 0.000
Propane 44.10 0.146 0 0 0 4.866 0.000 0 0.000
Butylene 56.11 0.000 0 0 0 0.000 0.000 0 0.000
i-Butane 58.12 0.000 0 0 0 0.000 0.000 0 0.000
n-Butane 58.12 0.183 0 0 0 8.016 0.000 0 0.000
i-Pentane 72.15 0.000 0 0 0 0.000 0.000 0 0.000
n-Pentane 72.15 0.037 0 0 0 1.990 0.000 0 0.000
n-Hexane 86.18 0.000 0 0 0 0.000 0.000 0 0.000
Sulfur
Vapor, S2 64.13 0.000 0 0 32.23 0.000 0.000 0
1466.419 Sulfur
Vapor, S4 128.26 0.000 0 0 0 0.000 0.000 0
0.000 Sulfur
Vapor, S6 192.38 0.000 0 0 0
0.000 0.000 0
0.000 Sulfur
Vapor, S8 256.51 0.000 0 0 0
0.000 0.000 0
0.000 Sulfur
Liquid, S1 32.06 0.000 0 0 0 0.000 0.000 0
0.000
Total 105.44 223.36 0 328.06 2504.46 4491.38 0 6995.84
IN 328.8 6995.84
OUT 328.06 6995.84
53 o Total H2S yang bereaksi
Tabel 5. 15 Total H2S yang Bereaksi Kondisi Aktual II
Reaction Amount Reacted (kmol/h)
1 21.14
2 27.87969029
5 0.24
6 0.07
7 3.91
Total 53.25
Komposisi acid gas feed pada kondisi Aktual sebenarnya tidak diketahui secara pasti karena tidak adanya analyzer komposisi acid gas feed di laboratorium Pertamina RU IV Cilacap. Namun, pada subab perhitungan rasio kondisi Aktual II telah dihitung molar flowrate H2S didapatkan sebesar 67.71 kmol/h. Itu yang menjadi acuan untuk mengetahui komposisi komponen lain dengan menyesuaikan total molar flowrate dari material balance. Dari sub bab perbandingan kondisi operasi dan kondisi Aktual pada tabel diatas, kemudian flow acid gas sebesar 2504.46 kg/h dan flow combustion air sebesar 4491.38 kg/h dimasukkan ke dalam perhitungan heat balance.
Tabel 5. 16 Panas Masuk dan Panas Keluar Kondisi Aktual II Trial Sensible Heat Heat of
Combustion
Heat of reaction
Total
T Goalseek (K) 1591.61
In (kJ) 691563.46 900100.95 14072491.88 15664156.29
Out (kJ) 15219237.89 444918.39 15664156.29
Dari tabel diatas dapat dicari temperatur Reaction Furnace ketika acid feed bereaksi, maka didapatkan temperatur sebesar 1591.61 K atau 1318.46℃. Di dalam Reaction Furnace ini ketika acid gas tersebut direaksikan dengan oksigen, reaksi pembakaran dan reaksi ini berlangsung pada suhu 900℃ dan operasinya temperatur di Reaction Furnace mencapai 1318.46℃.
54
5.3.4. Perhitungan Kenaikan Temperatur Dalam 1 kg Acid Gas Feed
Tabel 5. 17 Panas Masuk
Trial Sensible Heat Heat of Combustion Heat of reaction Total
In (kJ) 6882.48 4437.45 193892.97 205212.91
𝑄 = 𝑚. 𝐶𝑝. ∆𝑇
∆𝑇 = 𝑄 𝑚. 𝐶𝑝 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
∆𝑇 = 205212.91 𝑘𝐽 1 𝑘𝑔. 154058.52 𝑘𝐽
𝑘𝑔. 𝐾
∆𝑇 = 1.322 𝐾
Kenaikan temperatur dalam 1 kg acid gas feed sebesar 1.322 K merujuk pada perubahan temperatur yang terjadi ketika satu kilogram acid gas, seperti H2S bereaksi dengan oksigen. Reaksi kimia antara acid gas feed dan oksigen dapat menghasilkan kenaikan temperatur karena pelepasan energi yang terjadi selama reaksi oksidasi.
5.3.5. Perbandingan Data Desain (Material Balance) dan Data Kondisi Aktual
Tabel 5. 18 Perbandingan Data Desain dan Kondisi Aktual
Kondisi
Komposisi H2S dalam Acid Gas (kg-
mol/h)
Komposisi H2S dalam Acid Gas (%)
Acid Gas
(kg/h) Combustion air (kg/h)
Rasio Combustion
air vs Acid Gas
Temperatur Reaction Furnace (℃) Desain 95.11 90.20 3517.5 6308.9 1.79 : 1 1264.03 Aktual I 73.77 77.56 2728.56 4893 1.39 : 1 1305.82 Aktual II 67.7 71.19 2504.46 4491.38 1.28 : 1 1318.46
55 5.3.6. Pengaruh Rasio Terhadap Yield Produk
Grafik 5. 1 Pengaruh Rasio Terhadap Yield
Rasio adalah variabel yang dapat diatur untuk memaksimalkan proses pada thermal stage. Rasio didapatkan dari pembagian antara flow combustion air dengan flow acid gas. Rasio bertujuan untuk menghasilkan suatu pembakaran yang sempurna. Untuk menghasilkan pembakaran yang sempurna diperlukan jumlah udara yang optimal. Udara yang terlalu sedikit akan mengakibatkan acid gas feed tidak bereaksi seluruhnya. Sedangkan, jika udara yang digunakan terlalu banyak akan menyebabkan pembakaran yang tidak sempurna. Hal ini disebabkan karena kelebihan oksigen dan nitrogen akan menyebabkan terserapnya energi dalam pembakaran dan sisa gas buang melewati thermal stage, sehingga sebagian energi yang dihasilkan akan terbuang dan menyebabkan tekanan operasi menurun.
Berdasarkan grafik 5.1. pengaruh rasio terhadap Yield produk, trendline menunjukkan bahwa nilai rasio cenderung linear dengan Yield produk. Meskipun data menunjukkan bahwa kenaikan rasio tidak selalu membuat Yield produk meningkat, tetapi terlihat bahwa rasio terendah sebesar 1,23 menghasilkan Yield produk 69.38% dan rasio tertinggi yang bernilai 1,36 menghasilkan Yield produk sebesar 72.97%.
69.38 60.27
65.04 68.56
73.4774.66
63.10 76.26
62.91 69.86
85.67
61.50 68.1169.39
67.4168.79 84.78
66.00 70.8969.38
72.97
50.00 55.00 60.00 65.00 70.00 75.00 80.00 85.00 90.00
1.23 1.24 1.24 1.27 1.28 1.31 1.32 1.32 1.32 1.32 1.33 1.33 1.33 1.33 1.33 1.33 1.34 1.34 1.34 1.35 1.35
Yield (%)
Rasio
Pengaruh Rasio Terhadap Yield
56
5.3.7. Pengaruh Rasio Terhadap Temperatur Outlet Reaction Furnace
Grafik 5. 2 Pengaruh Rasio Terhadap Temperatur
Berdasarkan grafik pengaruh rasio terhadap temperatur outlet, trendline menunjukkan bahwa nilai rasio cenderung linear dengan temperatur outlet.
Meskipun data menunjukkan bahwa kenaikan rasio tidak selalu membuat temperatur outlet meningkat. Pada grafik terlihat bahwa rasio terendah sebesar 1,23 menghasilkan temperatur outlet sebesar 1284,77. Dari data tersebut terjadi fluktuasi karena flow acid gas feed pada rasio 1,23 cenderung lebih rendah sehingga mengakibatkan temperatur naik karena terdapat oksigen yang tidak bereaksi dengan H2S.
5.3.8. Perbandingan Kondisi Aktual dan Kondisi Operasi
Berikut ini hasil evaluasi dari pengamatan parameter indikator proses selama 21 hari yang dibandingkan dengan kondisi Aktual.
- Kondisi Operasi I
Tabel 5. 19 Perbandingan Kondisi Aktual dan Kondisi Operasi I
Tanggal
Flow Acid Gas
93 FI 055A (kg/h)
Flow Combustion air
93 FIC 050 (kg/h)
Temperatur Reaction Furnace 93 TI 091 (C)
Produk Sulfur cair
(kg/h)
Rasio Yield Combustion air Aktual (kg/h)
Produk sulfur cair Aktual (kg.h)
21-Oct 1058.4 1309.24 1259.78 637.849 1.24 60.27 1472.15 718.08
23-Oct 1352.5 1803.1 1266 938.548 1.33 69.39 1881.22 917.62
24-Oct 1338.5 1776.1 1263.36 1146.65 1.33 85.67 1861.75 908.12
25-Oct 1365.5 1806.8 1268.02 954.004 1.32 69.86 1899.30 926.44
1255 1265 1275 1285 1295 1305
1.23 1.24 1.24 1.27 1.28 1.31 1.32 1.32 1.32 1.32 1.33 1.33 1.33 1.33 1.33 1.33 1.34 1.34 1.34 1.35 1.35
Temperatur (C)
Rasio
Pengaruh Rasio Terhadap Temperatur Reaction Furnace
57
26-Oct 1390.7 1829.8 1263.36 877.503 1.32 63.10 1934.35 943.53
27-Oct 1385.9 1847.1 1269.11 943.869 1.33 68.11 1927.68 940.28
28-Oct 1374.4 1855.7 1272 1002.86 1.35 72.97 1911.68 932.48
29-Oct 1367.4 1824 1266.34 921.747 1.33 67.41 1901.95 927.73
30-Oct 1324.2 1743.5 1268.6 1009.89 1.32 76.26 1841.86 898.42
9-Nov 1396.6 1867.8 1302.82 921.747 1.34 66.00 1942.56 947.54
10-Nov 1382.8 1810.3 1293.13 1032.357 1.31 74.66 1923.37 938.17
12-Nov 1339.1 1701.5 1298.86 918.06 1.27 68.56 1862.58 908.53
13-Nov 1351.6 1678.2 1294.33 879.092 1.24 65.04 1879.97 917.01
- Kondisi Operasi II
Tabel 5. 20 Perbandingan Kondisi Aktual dan Kondisi Operasi II
Tanggal
Flow Acid Gas 93 FI 055A
(kg/h)
Flow Combustion air
93 FIC 050 (kg/h)
Temperatur Reaction Furnace 93 TI 091 (C)
Produk Sulfur cair
(kg/h)
Rasio Yield Combustion air Aktual (kg/h)
Produk sulfur cair
Aktual (kg.h)
31-Oct 1455.40 1867.70 1258.25 1069.23 1.28 73.47 1858.09 906.33
1-Nov 1558.9 2076.4 1271.17 958.674 1.33 61.50 1990.22 970.79
2-Nov 1527.6 2039 1268.76 1050.79 1.33 68.79 1950.26 951.29
3-Nov 1488 2004 1277 1032.36 1.35 69.38 1899.71 926.63
4-Nov 1552.5 2073.5 1272.96 1316.25 1.34 84.78 1982.05 966.80
5-Nov 1342.1 1770.4 1269.33 844.32 1.32 62.91 1713.44 835.78
7-Nov 1325.10 1636.30 1284.77 919.31 1.23 69.38 1691.74 825.19
8-Nov 1374.40 1841.70 1302.04 974.37 1.34 70.89 1754.68 855.89
Perbandingan rasio Aktual dan Rasio Kondisi Operasi
Grafik 5. 3 Perbandingan Rasio Kondisi Operasi dan Aktual I
Berdasarkan perhitungan rasio kondisi operasi I pada kondisi Aktual I yang sudah dihitung diatas menunjukkan bahwa rasio Aktual sebesar 1,39. Terlihat
1.24
1.33 1.33 1.32 1.32 1.33 1.35
1.33 1.32 1.34 1.31
1.27 1.24
1.39
1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45
21 Okt
23 Okt
24 Okt
25 Okt
26 Okt
27 Okt
28 Okt
29 Okt
30 Okt
9 N0v
10 N0v
12 N0v
13 N0v
Rasio
Tanggal
Perbandingan Rasio Kondisi Operasi dan Aktual I
Rasio Kondisi Operasi Rasio Aktual I
58
bahwa rasio kondisi operasi saat ini sudah cukup mendekati rasio Aktual yang didapatkan dari perhitungan data material balance yang sudah dikurangi komposisi H2S dari refinery yang sudah tidak mengirimkan gas buangnya lagi ke SRU. Rasio kondisi operasi saat ini sudah cukup mendekati dan rasio maksimal yang dapat dicapai pada kondisi aktual dari data yang dilampirkan adalah 1,35.
Grafik 5. 4 Perbandingan Rasio Kondisi Operasi dan Aktual II
Berdasarkan perhitungan rasio kondisi operasi II pada kondisi Aktual II yang sudah dihitung diatas menunjukkan bahwa rasio Aktual sebesar 1,28. Terlihat bahwa rasio kondisi operasi II saat ini sudah melebihi rasio kondisi operasi yang didapatkan dari perhitungan data material balance yang sudah dikurangi komposisi H2S dari refinery yang sudah tidak mengirimkan gas buangnya lagi ke SRU sebesar 1,28. Rasio pada kondisi ini yang maksimal dicapai pada kondisi aktual dari data yang dilampirkan adalah 1,35.
Hubungan Jumlah Udara Pembakaran Terhadap Acid Gas Feed - Kondisi Operasi I
Tabel 5. 21 Data Pengamatan Kondisi Operasi I
Tanggal Flow Acid Gas
93 FI 055A (kg/h)
Flow Combustion air 93 FIC 050 (kg/h)
Combustion air Aktual (kg/h) Data Pengamatan Kondisi Operasi I 1340.58 1757.93 1864.65
1.28
1.33 1.33 1.35
1.34 1.32
1.23
1.34
1.28
1.16 1.18 1.20 1.22 1.24 1.26 1.28 1.30 1.32 1.34 1.36
31 Okt 1 N0v 2 N0v 3 N0v 4 N0v 5 N0v 7 N0v 8 N0v
Rasio
Tanggal
Perbandingan Rasio Kondisi Operasi dan Aktual II
Rasio kondisi Operasi Rasio Aktual II