PROSIDING ISBN:

PROSIDING

ISBN: 978-979-99723-8-5

TEMU ILMIAH NASIONAL DOSEN TEKNIK (TINDT) X TAHUN 2012

PERAN PERGURUAN TINGGI DALAM PENGEMBANGAN TEKNOLOGI BERWAWASAN LINGKUNGAN

Auditorium Gedung Utama Kampus I Universitas Tarumanagara 29 Maret 2012

Diterbitkan oleh: Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara Jakarta

TEMU ILMIAH NASIONAL DOSEN TEKNIK X-2012 Peran Perguruan Tinggi Dalam Pengembangan Teknologi Berwawasan Lingkungan

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS TARUMANAGARA Jakarta, 29 Maret 2012

Bidang Teknik Elektro 1. Perancangan Alat Monitoring Status DVOR (Doppler VHF Omny Range) Pada Desk Tower Di Bandara Halim Perdana Kusuma Menggunakan SMS (Short Message Service), ABD. Rahmat T. dan Nurwijayanti KN Bidang Teknik Mesin 1. Analisis Korosi Pendidihan Pada Alat Penukar Kalor Tipe Shell & Tube Dengan Metode CFD, Ahmad Indra Siswantara, Steven Darmawan, dan Candra Damis W. 2. Design Development of Fixture Model in Manufacturing Spring Shackle, Didi Widya Utama, Jemmy Septiawan, Edward Suhartono, Roby 3. Analisis Kebocoran Pipa Pengisian Minyak Solar Mesin Diesel Dan Pengembangan Disain Konstruksi Instalasi Pipa, Syafrizal 4. Verifikasi Ulang Alat Penukar Kalor Kapasitas 1 kW dengan Program Shell and Tube Heat Exchanger Design, Harto Tanujaya, Suroso dan Edwin Slamet Gunadarma 5. Perhitungan Nilai Efektivitas Alat Penukar Kalor Tengah Kedua Pada Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Tipe Reaktor Temperatur Tinggi (RTT), Fazlur Rahman, Adianto, Masdin Bidang Teknik Industri 1. Perencanaan Kebutuhan Material Mesin Cuci WM-ADS-86 dan WM-ADS-96 dengan Menggunakan Metode Lot Sizing Terbaik pada PT. XYZ, Lina Gozali, I Wayan Sukania, Sendy 2. Perbaikan Metode Perakitan Steker Melalui Peta Tangan Kiri dan Tangan Kanan, I Wayan Sukania, Oktaviangel, Julita 3. Continous Improvement Proses Pengecatan Part Plastik CFT Black Tipe KWWX di PT. X Menggunakan Metodologi Lean Six Sigma, Wilson Kosasih, Lithrone Laricha S., Silvie Valensia 4. Perancangan Perbaikan Sistem Informasi Pada Toko Meubel “X”, Andrianto Djafar, Marsellinus Bachtiar 5. Perancangan Pengukuran Kinerja pada PT. Jaya Celcon Prima dengan Metode Performance Prism dan Scoring OMAX (Objectives Matrix), Lithrone Laricha S., Delvis Agusman dan Sanvy Agrida 6. Pengembangan Alat Pemecah Bijih Kemiri, Vivi Triyanti, Vincent Chant, Angga Aditya Wicaksan

1

1 9 15

26

31

1 12

20 32

42 56

iv



ANALISIS KOROSI PENDIDIHAN PADA ALAT PENUKAR KALOR TIPE SHELL & TUBE DENGAN METODE CFD Ahmad Indra Siswantara1, Steven Darmawan1,2, dan Candra Damis W.1 1)

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia Kampus Baru UI Depok 16242 Telp: (021) 7270032 & 7864089 – Fax. (021) 7270033 2) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Tarumanagara Jl. Let. Jend. S. Parman No.1, Jakarta 11440, Indonesia e-mail: [email protected] Abstract: Shell and tube is one of the most applicable heat exchanger that widely used in many industries: petrochemical, power plant, oil and gas, etc. Shell and tube heat exchanger that worked as boiler and reboiler was prone to corrosion. One of the concerned factor is boiling process that may cause oxidation process on the tube surface. That corossion lead to the decrease on the perfomance of heat exchanger. The outer tube near the tubesheet of the CO2 Stripper Reboiler which is used at fertilizer industry often damaged by corrosion. At that location the tube is connected to the hot inlet (LTS Effluent) dan cold outlet (aMDEA Solution) fluid. This research analyzed the boiling corrosion using CFD Solidware. The model was simplified by using porous media 0,13 and heat generated 9600000kW. The results of simulation indicated that the corrosion area had highest temperature and the stagnant fluid. These could damage the oxide protective layer on the surface. The redesain of CO2 Stripper Reboiler is aimed to reduce the occurence of stagnant fluid and to lower the temperature without interfering with the cooling capacity by replacing the outlet near the tube sheet. The resulst showed that the temperature has decreased. Keyword: shell & tube, corrosion, heat generated, porous media, shell side, and CFD simulation.

I.

PENDAHULUAN Alat penukar kalor jenis shell and tube merupakan salah satu tipe alat penukar kalor yang jamak digunakan pada industri petrokimia, pembangkit listrik, industri migas, dan proses industri, dll. Keuntungan alat penukar kalor jenis ini adalah dapat digunakan pada tekanan tinggi, pemeliharaan yang mudah, dapat digunakan pada fluida berbahaya (amonia, steam) yang dilindungi oleh shell, dan dapat digunakan untuk skala pendinginan kecil dan besar; walaupun dimensi yang diperlukan lebih besar dibandingkan tipe plate heat exchanger. PT. Pupuk Iskandar Muda merupakan industri petrokimia yang mengolah bahan baku dari gas alam menjadi ammonia dan CO2, yang kemudian direaksi kembali di reactor urea menjadi pupuk urea. Proses ini merupakan rantai proses produksi yang panjang dan melibatkan banyak peralatan yang dioperasikan pada kondisi tekanan dan temperatur yang berbeda-beda. Salah satu peralatan yang digunakan adalah CO2 Stripper Reboiler yang berfungsi sebagai alat penukar kalor antara aMDEA Solution (sisi shell) dan LTS Solution (sisi tube). Dalam operasinya, CO2 Stripper Reboiler mengalami masalah yang kerap terjadi, yaitu terjadinya korosi pada sisi tube yang berlokasi dekat tubesheet. Pada boiler dan reboiler korosi tidak dapat dihindari sebagai akibat dari pemakaian yang kontinu, kondisi kerja, serta sifat fluida. Namun, korosi dapat diminimalkan dengan pemilihan material yang tepat, desain yang tepat, teknik sambungan yang baik, dan perawatan yang terkontrol[2]. Material yang umum digunakan pada boiler dan reboiler TM-1



adalah stainless steel karena adanya oxide protective layer sehingga material ini lebih tahan korosi. Namun, akibat umur pakai, pengaruh lingkungan, dan kondisi kerja, oxide protective layer ini mengalami penurunan unjuk kerja sehingga terbentuk korosi, seperti yang ditunjukkan pada gambar 1.

Gambar 1. Boiling corrosion pada tube CO2 Stripper Reboiler Salah satu metode yang dapat digunakan untuk mengetahui dan menganalisis penyebab fenomena korosi yang terjadi adalah dengan melakukan simasi dengan metode CFD[11]. Dengam menggunakan metode CFD, parameter-parameter korosi seperti jenis fluida, temperatur fluida, kecepatan fluida, tekanan fluida, dll dapat diketahui tanpa melakukan eksperimen secara langsung sehingga dapat dilakukan penghematan dari sisi waktu maupun biaya. Selain itu, dengan menggunakan metode CFD dapat dilakukan simulasi terhadap model boiler baru sehingga terjadinya korosi dapat dikurangi. II. METODE PENELITIAN Model geometri reboiler dihasilkan dengan menggunakan perangkat lunak SolidWorks 2010 dengan panjang tube 7315 mm, diameter dalam shell 2000 mm, bentuk tube Utube total 1234 buah, diameter tube 25,4 mm, material 304SS, dan lainnya. Simulasi CFD dilakukan dengan menggunakan fitur Flow Simualtion dari Solidworks 2010 berdasarkan data sheet calculation CO2 Stripper Reboiler terpasang. Fluida panas LTS Effluent mengalir sepanjang tube dengan melepaskan kalor dari 483 K menjadi 405 K yang diserap oleh fluida dingin (aMDEA Solution) yang mengalir melalui shell. Fluida dingin mengalami perubahan fasa dimana 5% menjadi uap. Meskipun simulasi CFD tidak dilakukan pada fluida yang berbeda fasa, namun perbedaan fasa yang terjadi direpresentasikan melalui perbedaan temperatur. Model CFD dihasilkan pada CO2 Stripper Reboiler dengan penyederhanaan dengan memperlakukan tube bundle sebagai porous media yang diberi heat generation sesuai dengan kinerja pendinginan. Persamaan umum yang digunakan untuk input data simulasi berdasarkan persamaan dasar pindah panas yaitu 0: ........................................................................................ (2.1) .................................................................................................... ..................................................................................................

(2.2) (2.3)

Kondisi sempadan simulasi antara lain: 1) Inlet : laju massa 118,2 kg/s dan temperatur 396 K 2) Outlet : Tekanan statik 101325 Pa TM-2



3) 4) 5) 6)

Gravitasi (x = 0, y = -9,81 m/s2, z = 0) Porous media (porositas 0,13; panjang 7,64m, dan luas 9,56m2) Total heat generated 9600000 W/m3 Tekanan kerja fluida 206000 Pa.

Gambar 2. Model Geometri CO2 Stripper Reboiler

Gambar 3. Model CFD CO2 Stripper Reboiler Faktor penggunaan yang kontinu dalam waktu yang lama menyebabkan terjadinya korosi pada boiler dan reboiler tidak dapat dihindari. Namun laju korosi dapat dikurangi dengan mengatasi penyebab dominan korosi seperti melakukan perubahan pada desain, penyesuaian material, merubah teknik penyambungan, dan lainnya. Pada penelitian ini, laju korosi yang terjadi pada kondisi operasi yang sama dapat diminimalisir dengan melakukan perubahan terhadap desain, yaitu melakukan perubahan terhadap daerah dimana terjadi stagnasi aliran, yaitu daerah antara outlet fluida dingin dengan tube sheet. TM-3


FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS TARUMANAGARA Jakarta, 29 Maret 2012 CORROSION DATAͲCO2 STRPPER REBOILER

Start

GEOMETRY MODELING CO2 STRIPPER REBOILER

Laptop

Velocity vector Velocity distribution Temperature distribution

Velocity vector Velocity distribution Temperature distribution

CFD MODELING

CFD MODELING

REDESAIN CO2 STRIPPER REBOILER

Laptop

End

Gambar 4. Diagram alir penelitian III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil simulasi CFD yang dilakukan berdasarkan data sheet calculation CO2 Stripper Reboiler terpasang ditunjukkan dengan distribusi temperatur dan kecepatan yang merupakan salah satu faktor penyebab korosi. Simulasi dilakukan dengan penyederhaan dimana tube bundle diperlakukan sebagai porous media dan diberi heat generation total 9600000W/m3. Kalor yang dilepas oleh LTS Effluent paling besar pada daerah inlet akibat temperatur tinggi 483 K. Hal ini sesuai dengan Persamaan (2.1) yang menunjukkan nilai kalor sebanding dengan perubahan temperatur. Semakin mendekati sisi outlet temperatur LTS Effluent semakin rendah mendekati 405 K sehingga kalor yang dilepas juga semakin rendah. Berdasarkan fenomena pelepasan kalor oleh LTS Effluent, maka fenomena penyerapan kalor oleh aMDEA Solution menyebabkan temperatur tertinggi pada daerah dekat tube sheet semakin rendah ketika mendekati sisi outlet LTS effluent pada sisi kanan bawah. Hasil simulasi ditunjukkan menurut gambar 5 - gambar 7. Kecepatan fluida inlet rata-rata sebesar 0,9 m/s mengalir melalui nozzle menuju tube bundle, kemudian aMDEA solution sebagai fluida dingin mengalir diantara celah tube bundle yang memiliki kecepatan rata-rata 0.05 m/s. Penurunan kecepatan ini disebabkan oleh luas penampang total tube bundle yang lebih besar dibandingkan luas penampang inlet, sesuai dengan Persamaan (2.3). Kecepatan fluida meningkat ketika memasuki sisi outlet sebesar 0,6 m/s. Kecepatan fluida keluar yang lebih lebih kecil dibandingkan sisi inlet karena diameter outlet lebih besar 644mm dibandingkan diameter inlet 390mm. Pada lokasi terjadinya, korosi 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 tube sheet dengan shell bersiku. TM-4



Berdasarkan simulasi, daerah korosi berada pada daerah bertemperatur tinggi 481,681 K dan kecepatan rendah 0,038 m/s, seperti yang ditunjkkan pada gambar 4. Keterbatasan yang dimiliki oleh perangkat lunak menjadikan perubahan fasa yang terjadi pada fluida dingin direpresentasikan dengan nilai temperatur. Hasil simulasi yang menunjukkan temperatur sebesar 481,681K menunjukkan bahwa kalor yang diserap seluruhnya diubah untuk meningkatkan temperatur. Daerah dimana fluida dingin memiliki temperatur tertinggi merepresentasikan bahwa pada daerah tersebut sering mengalami proses pendidihan pada permukaan tube. 1753 mm

Gambar 5. Distribusi vektor kecepatan aMDEA Solution pada original CO2 Stripper Reboiler

Gambar 6. Distribusi kecepatan aMDEA Solution pada original CO2 Stripper Reboiler

TM-5



Gambar 7. Distribusi temperatur aMDEA Solution pada original CO2 Stripper Reboiler 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, seperti pada gambar 1. Berdasarkan analisa di atas korosi terbentuk akibat proses pendidihan yaitu pada daerah yang bertemperatur tinggi dan kecepatan rendah. Redesain model dengan mengubah posisi outlet fluida dingin aMDEA solution yang mendekati sisi tubesheet menyebabkan stagnasi aMDEA Solution berkurang dengan demikian temperatur fluida akan turun. Titik kritis pada redesain CO2 Stripper Reboiler adalah menjaga agar unjuk kerja pendinginan yang tidak menurun, sehingga LTS Effluent tidak mengalami overheat. Setelah melakukan beberapa desain perubahan posisi salah satu posisi outlet aMDEA solution, maka didapatkan hasil redesain yang optimal, yaitu dari 1753 mm menjadi 880 mm. Hasil simulasi CFD terhadap redesain ditunjukkan pada gambar 8 - gambar 10. 880 mm

Gambar 8. Distribusi vektor kecepatan aMDEA Solution pada redesain CO2 Stripper Reboiler TM-6



Gambar 9. Distribusi kecepatan aMDEA Solution pada redesain CO2 Stripper Reboiler

Gambar 10. Distribusi temperatur aMDEA Solution pada redesain CO2 Stripper Reboiler Perubahan posisi salah satu outlet aMDEA Solution dari 1753 mm dari tube sheet menjadi 880 mm menyebabkan stagnasi fluida pada daerah korosi berkurang yang diindikasikan dengan peningkatan kecepatan menjadi 0,0344 m/s. Perubahan tersebut menyebabkan temperatur berkurang dari 481,681 K menjadi 478,071 K, atau turun sebesar 3,61 K. Selain itu luas area yang memiliki tempeatur tinggi pada daerah korosi berkurang. Perubahan redesain ini tidak mempengaruhi unjuk kerja pendinginan yang diindikasikan berdasarkan rata-rata temperatur oulet aMDEA Solution yang hampir sama yaitu 414 K. Pengurangan stagnasi fluida serta penurunan temperatur pada daerah korosi menyebabkan proses pendidihan pada lokasi tersebut akan berkurang. Dengan demikian laju korosi akibat proses pendidihan dapat berkurang. IV. KESIMPULAN PT. Pupuk Iskandar Muda merupakan industry petrokimia yang mengolah bahan baku dari gas alam menjadi ammonia dan CO2, yang kemudian direaksi kembali di reactor urea menjadi pupuk urea. Salah satu peralatannya adalah CO2 Stripper Reboiler yang berfungsi sebagai alat penukar panas antara aMDEA Solution (sisi shell) dan LTS Solution

TM-7



(sisi tube). Dalam operasinya, peralatan ini sering mendapat masalah yang berulang berupa korosi disisi tube yang berlokasi dekat tubesheet. Korosi tersebut 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. Korosi akan terbentuk terus menerus pada permukaan tube yang kasar sehingga akan menyebabkan tube berlubang. Perubahan posisi salah satu outlet aMDEA Solution dari 1753 mm dari tube sheet menjadi 880 mm menyebabkan stagnasi fluida pada daerah korosi berkurang yang diindikasikan dengan peningkatan kecepatan menjadi 0,0344 m/s. Perubahan tersebut menghasilkan penurunan temperatur fluida dingin dari 481,681 K menjadi 478,071 K. Redesain akan menyebabkan proses pendidihan pada lokasi tersebut akan berkurang sehingga laju korosi dapat dikurangi. V. DAFTAR PUSTAKA 1. 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. 2. ASM Metals Hand book Volume 13 Corrosion 1987, 9th edition ASM International handbook committee. 3. Bell KJ. Delaware methode for shell side design. In: Kakaq S, Bergles AE, Mayinger F, editor. Heat Exchanger: Thermal-Hydroulic Fundamentals and Design. New York 1981.p.581-618. 4. Butterworth D. A Model for Heat Transfer During The Three Dimensional Flow in Tube bundle,in: 6th International Heat Transfer Conference, Toronto, August, 1974. 5. Gaddis D. editor. Standard of the Tubular Exchanger Manufacturers.Ninth edition. 2007. 6. Incropera P. Frank, Dewitt P. David, Bergman L. Theodore and Lavine S. Adrienne. Introduction to Heat Transfer. John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd. 2007, Page 660-661). 7. Kapale C. And Chand Satish,(2006) Modeling for Shell Side Pressure Drop for Liquid Flow in Shell & Tube Heat Exchanger. Journal of Heat and Mass Transfer 49, page 601-610. 8. Ozden E. And Tari I,(2010) Shell Side CFD Analysis of a Small Shell and Tube Heat Exchanger. Journal of Energy Conversion Management, page 1004-1014. 9. Prithiviraj M. And Andrew M.J,(1998). Three Dimensional Numerical of Shell & Tube Heat Exchanger, Part 1 : Foundation and Fluid Mechanics,Numer. Heat Transfer A. Appl.33, Page 817-828. 10. Sha W.T, Yang, Kao T.T.,et al,(1982) Multi Numerical Modelling of Heat Exchangers, ASME J. Journal of Heat Transfer 104, page 417-425. 11. Srdjan Nesi’s, (2006) Using Computational Fluid Dynamics in Comabanting ErosionCorrosion. Jurnal of Chemical Engineering Science 61, page 4086-4097. VI. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada PT. Pupuk Iskandar Muda atas data sheet calculation CO2 Stripper Reboiler dan kepada Departemen Teknik Mesin-Universitas Indonesia atas penggunaan perangkat lunak Solidworks 2010.

TM-8

PROSIDING ISBN:

Recommend Documents