Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

35
Rais Agung Wibowo Universitas Gadjah Mada

description

catalist

Transcript of Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Page 1: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Rais Agung WibowoUniversitas Gadjah Mada

Page 2: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Kinerja suatu alat dalam suatu sistem (pabrik) pasti akan mengalami penurunan performance dengan semakin bertambahnya umur alat.Kinerja suatu alat akan saling mempengaruhi terhadap kinerja alat lain dalam suatu sistem (pabrik).Secondary reformer menggunakan katalis yang memungkinkan terjadinya deaktivasi katalis.Pada tahun ini, umur penggunaan katalis di Secondary Reformer sudah sama dengan umur pakai yang disarankan vendor, yaitu 8 tahun.

Page 3: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Aktivitas katalis akan berkurang dengan semakin bertambahnya waktu penggunaan, sampai saat dimana pada aktivitas tertentu (minimum ekonomis), katalis tidak mampu beroperasi secara ekonomis dan perlu diganti/ diregenerasi.Perlu diketahui pola penurunan aktivitas katalis dari tahun ke tahun sehingga dapat sebagai bahan pertimbangan dalam memperkirakan waktu penggantian katalis.

Page 4: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Tujuan dari tugas khusus ini adalah :Melakukan evaluasi performa katalis secondary reformer Kaltim-2.Membuat pemodelan distribusi komposisi gas, temperatur dan tekanan di sepanjang bed katalis secondary reformer.Menentukan komposisi gas, temperatur dan tekanan keluar secondary reformer berdasarkan hasil pemodelan.Menentukan nilai aktivitas katalis (Φ) di sepanjang bed katalis.Memperkirakan umur dan waktu penggantian katalis.

Page 5: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Dengan diketahuinya model distribusi komposisi gas, temperatur, dan tekanan sepanjang bed katalis, maka dapat diketahui nilai aktivitas katalis dan pola penurunannya sehingga dapat digunakan untuk memperkirakan umur dan waktu penggantian katalis.

Page 6: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Katalis adalah suatu zat yang dapat mempercepat suatu reaksi tanpa mempengaruhi produk yang dihasilkan. Katalis banyak digunakan di industri karena dapat menurunkan energi aktivasi, yaitu energi yang dibutuhkan agar partikel dapat bertumbukan untuk saling bereaksi, sehingga keadaan kesetimbangan reaksi cepat tercapai.Katalis hanya dapat mempercepat tercapainya kesetimbangan reaksi dan tidak menggesernya.Katalis yang digunakan di Secondary Reformer adalah katalis berbasis Nikel dengan penyangga Alumina.

Page 7: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Fungsi secondary reformer :Mengurangi kadar CH4 leak dari 9-12,5 % menjadihanya 0,2-0,3 % molMemperoleh N2 yang dibuthkan untuk sintesaamonia di synthesis loop.

Panas reaksi reforming disupplay oleh panas reaksipembakaran H2 di bagian atas reformer.

Page 8: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

1. Aktivitas katalisAktivitas katalis adalah kemampuan katalis untuk mempercepat konversi umpan menjadi produk per satuan berat atau volume katalis pada kondisi tertentu.

2. Selektivitas KatalisSelektivitas katalis adalah kemampuan katalis untuk mengarahkan reaksi spesifik

3. Umur KatalisUmur katalis adalah periode dimana katalis dapat mempercepat reaksi pada rentang waktu yang telah ditentukan.

Page 9: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Racun dari pengotor umpan dan katalisRacun dari reaktan atau produkPerubahan fisik dan penuaan katalis (sintering & aging)Distribusi gas yang tidak merata

Page 10: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Studi literaturPengumpulan data (primer dan sekunder)Penyusunan persamaanPenyelesaian perhitungan

Page 11: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Distribusi komposisi, temperatur, dan tekanan hanya pada arah aksial.Hidrokarbon yang lebih berat dari CH4diekivalensikan menjadi CH4 berdasarkan jumlah atom karbon.Laju alir gas di sepanjang pipa katalis seragam.Konversi CH4 hanya dipengaruhi oleh temperatur dan tekanan gas inlet, serta deaktivasi katalis. Kondisi adiabatis.

Page 12: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

CH4 + H2O CO + 3H2 ΔH298 = 205.813 J/mol (1)CO + H2O CO2+ H2 ΔH298 = -41.320 J/mol (2)

Persamaan laju reaksi didekati dengan persamaan :

⎟⎟

⎜⎜

⎛−=− 2

1

32

2421

1 )()()(

RTKpPP

PPRTk

r HCOOHCH

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=−

2

2222

22 )()(

KpPP

PPRTkr HCO

OHCO

Page 13: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Kesetimbangan reaksi :

Kp1 = exp(y(y(y(0.2513y-0.3665)-0.59101)+27.2337)-3.2770)Kp2 = exp(y(y(0.63508-0.29353y)+4.1778)+0.31688)

Dengan : y = 1000/T-1

Konstanta kecepatan reaksi :k1 = Φ1A1.exp(-E1/RT)k2 = Φ2A2.exp(-E2/RT)

Page 14: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

CH4CH4 masuk - CH4 keluar - CH4 bereaksi = CH4 terakumulasi

04

)()()( 21140,2140,2

=Δ−−−−−Δ+ BzzCHOHzCHOH zDrxFxF ρπθθ

04

)()(

lim 21

110,2

0=−−

Δ

−Δ+

→Δ BzzzOH

zDr

zxxF

ρπ

BOH

DF

rdzdx

ρπ 2

0,2

11

4)(−

=

Page 15: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

CO2CO2 masuk – CO2 keluar + CO2 bereaksi = CO2 terakumulasi

04

)()()( 22220,2220,2

=Δ−++−+Δ+ BzzCOOHzCOOH zDrxFxF ρπθθ

04

)()(

lim 22

220,2

0=−−

Δ

−Δ+

→Δ BzzzOH

zDr

zxxF

ρπ

BOH

DF

rdzdx

ρπ 2

0,2

22

4)(−

=

Page 16: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

panas masuk – panas keluar – panas reaksi = panas terakumulasi

[ ] 04

))(())(()()( 22211 =

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ Δ−+Δ−−−Σ−−Σ

Δ+ Bzzrefiizrefii DHrrHrrTTCpFTTCpF ρπ

[ ]⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ Δ−+Δ−−=

Δ

−ΣΔ+

→Δ Bzzzii

zDHrrHrr

zTTCpF

ρπ 222110 4))(())((

)(lim

[ ]⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ Δ−+Δ−−=Σ Bii DHrrHrr

dzdTCpF ρπ 2

2211 4))(())((

[ ]

ii

B

CpF

DHrrHrr

dzdT

Σ⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ Δ−+Δ−−

=ρπ 2

2211 4))(())((

Page 17: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Perhitungan pressure drop dengan menggunakanpersamaan Ergun :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−=

gpp DGG

DdzdP

ρεεμε 1

31175,1)1(150

Page 18: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Ya

Tidak

Input data

x1 dan x2

Tebak A1 dan A2

dx1/dz

dx2/dz

dT/dz

dP/dz

SSE CH4 = (CH4data – CH4)^2

SSE CO2 = (CO2data – CO2)^2

SSE < toleransi

Selesai

Page 19: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Profil data Tanggal 16 April 2006

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

panjang, z

flow

kom

pone

n, k

gmol

/hr

flow H2Oflow CH4flow FCOFlow CO2Flow H2

0 0.5 1 1.5 2 2.5

1020

1040

1060

1080

1100

1120

1140

1160

1180

1200

panjang, z

suhu

,C

0 0.5 1 1.5 2 2.534

34.01

34.02

34.03

34.04

34.05

34.06

34.07

34.08

34.09

34.1

panjang, z

pres

sure

, bar

Page 20: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Profil data Tanggal 22 April 2007

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

panjang, z

flow

kom

pone

n, k

gmol

/hr

flow H2Oflow CH4flow FCOFlow CO2Flow H2

0 0.5 1 1.5 2 2.51020

1040

1060

1080

1100

1120

1140

1160

1180

1200

panjang, z

suhu

,C

0 0.5 1 1.5 2 2.534

34.01

34.02

34.03

34.04

34.05

34.06

34.07

34.08

34.09

34.1

panjang, z

pres

sure

, bar

Page 21: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Profil data Tanggal 30 April 2008

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

panjang, z

flow

kom

pone

n, k

gmol

/hr

flow H2Oflow CH4flow FCOFlow CO2Flow H2

0 0.5 1 1.5 2 2.51020

1040

1060

1080

1100

1120

1140

1160

1180

1200

panjang, z

suhu

,C

0 0.5 1 1.5 2 2.534

34.01

34.02

34.03

34.04

34.05

34.06

34.07

34.08

34.09

34.1

panjang, z

pres

sure

, bar

Page 22: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Profil data Tanggal 30 April 2009

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

panjang, z

flow

kom

pone

n, k

gmol

/hr

flow H2Oflow CH4flow FCOFlow CO2Flow H2

0 0.5 1 1.5 2 2.51000

1020

1040

1060

1080

1100

1120

1140

1160

1180

1200

panjang, z

suhu

,C

0 0.5 1 1.5 2 2.533.8

33.81

33.82

33.83

33.84

33.85

33.86

33.87

33.88

33.89

33.9

panjang, z

pres

sure

, bar

Page 23: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Profil data Tanggal 28 Februari 2010

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

panjang, z

flow

kom

pone

n, k

gmol

/hr

flow H2Oflow CH4flow FCOFlow CO2Flow H2

0 0.5 1 1.5 2 2.51020

1040

1060

1080

1100

1120

1140

1160

1180

1200

panjang, z

suhu

,C

0 0.5 1 1.5 2 2.534.5

34.51

34.52

34.53

34.54

34.55

34.56

34.57

34.58

34.59

34.6

panjang, z

pres

sure

, bar

Page 24: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Performa katalis dievaluasi berdasarkan parameter :Aktivitas katalisKonversi reaksiPressure dropTemperatur keluarCH4 leakDelta T approach

Page 25: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Aktivitas katalis sebagai fungsi waktu ditunjukkanpada Tabel 1

Tabel 1. Tabel Aktivitas Katalis

No Tanggal A1 A2 Φ1 Φ2Design 1854812.6820 19260.4210 1 1

1 16-Apr-06 1812849.3120 15755.2230 0.9774 0.81802 22-Apr-07 1724529.7990 14078.0960 0.9298 0.73093 30-Apr-08 1689430.8990 13495.3570 0.9108 0.70074 30-Apr-09 1389332.9400 9008.9140 0.7490 0.46775 28-Feb-10 1401733.0410 8817.7650 0.7557 0.4578

Page 26: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Penurunan aktivitas katalis sebagai fungsi waktu dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Grafik Penurunan Aktivitas Katalis

Page 27: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Dari grafik tersebut dapat dinyatakan persamaan penurunan aktivitas katalis jika dianggap penurunannya linier terhadap waktu.Persamaan deaktivasi katalis untuk reaksi 1 :Φ1= -0.024 t + 1Persamaan deaktivasi katalis untuk reaksi 2 :Φ2 = -0.063 t + 1Dari persamaan tersebut dapat diperkirakan aktivitas katalis pada TA periode 2013 adalah 73,6 % untuk reaksi 1 dan 30,7 % untuk reaksi 2.

Page 28: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Aktivitas katalis saat ini adalah 75 % untuk reaksi 1 dan 45 % untuk reaksi 2.Apabila dilihat dari aktivitasnya yang cenderung menurun dan kemungkinan aktivitas katalis pada tahun 2013 sudah di bawah aktivitas minimum untuk beroperasi secara ekonomis, maka diperlukan kajian yang cukup pada TA periode 2011 untuk menentukan apakah katalis perlu diganti atau tidak.Aktivitas katalis, terutama untuk reaksi 2 mengalami penurunan cukup drastis, hal ini dikhawatirkan akan membebani unit selanjutnya (HTS & LTS).

Page 29: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Konversi reaksi baik reaksi 1 maupun reaksi 2 mengalami trend penurunan dan dapatdiperlihatkan pada tabel 2 :

Tabel 2. Konversi Reaksi Tiap Waktu

No Tanggal x1 simulasi x1 aktual x2 simulasi x2 aktualDesign 11.4366 11.4366 1.1107 1.1107

1 16-Apr-06 11.6642 11.6642 1.0164 1.01642 22-Apr-07 10.3605 10.3605 0.9219 0.92193 30-Apr-08 10.9405 10.9404 0.9087 0.90874 30-Apr-09 9.7171 9.7170 0.6747 0.67475 28-Feb-10 9.7740 9.7740 0.6455 0.6455

Page 30: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Pressure drop melalui bed katalis :

Nilai pressure drop masih di bawah pressure drop design. Katalis masih bekerja dengan baik.

No Tanggal del P simulasi del P actualDesign 0.1896 2.2

1 16-Apr-06 0.0759 0.4352 22-Apr-07 0.0791 0.63 30-Apr-08 0.0706 0.4354 30-Apr-09 0.0707 0.645 28-Feb-10 0.0757 0.75

Page 31: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Nilai temperatur keluar sebagai fungsi waktu :

Temperatur keluar simulasi lebih tinggi daripada aktual karena asumsi adiabatis yang dipakai.Temperatur keluar aktual masih di bawah temperatur keluar yang diijinkan, yaitu 996 oC. Sehingga katalis masih bekerja dengan baik.

No Tanggal T out simulasi (C) T out actual (C)Design 1010.257 996

1 16-Apr-06 1013.8153 9672 22-Apr-07 1028.8539 9643 30-Apr-08 1021.1717 9694 30-Apr-09 1039.4323 9875 28-Feb-10 1037.2831 970

Page 32: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Nilai CH4 leak sebagai fungsi waktu :

Nilai CH4 leak baik design maupun aktual masih berada di bawah batas yang diijinkan, yaitu 1,50 %. Sehingga katalis masih beroperasi dengan baik.

No Tanggal CH4 leak simulasi CH4 leak actualDesign 0.36% 0.36%

1 16-Apr-06 0.32% 0.31%2 22-Apr-07 0.23% 0.23%3 30-Apr-08 0.27% 0.27%4 30-Apr-09 0.29% 0.29%5 28-Feb-10 0.29% 0.29%

Page 33: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Delta T approach adalah beda suhu keluar dengan suhu apabila komponen keluar berada pada kesetimbangan

Nilai delta T approach masih di bawah batas yang diijinkan, yaitu 40 oC. Sehingga katalis masih bekerja dengan baik

No Tanggal T eq dT approach data dT approach simDesign 958 38 52.257

1 16-Apr-06 980 13 33.81532 22-Apr-07 982 18 46.85393 30-Apr-08 980 11 41.17174 30-Apr-09 969 18 70.43235 28-Feb-10 965 5 72.2831

Page 34: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Konversi semakin meningkat di sepanjang bed katalis.Suhu mengalami penurunan di sepanjang bed katalis.Tekanan mengalami penurunan di sepanjang bed katalis.Nilai Φ1 dan Φ2 cenderung mengalami penurunan sepanjang waktu. Hasil simulasi menunjukkan bahwa katalis telah mengalami penurunan aktivitas sebesar 25 % untuk reaksi (1) dan 55 % untuk reaksi (2).Nilai Φ1 dan Φ2 perkiraan pada TA tahun 2013 adalah 73.6 % untuk reaksi (1) dan 30.7 % untuk reaksi (2).Temperatur keluar, pressure drop, CH4 leak, dan delta T approach masih di bawah batas yang diijinkan, sehingga katalis masih dapat beroperasi dengan baik.

Page 35: Evaluasi Performance Katalis Secondary Reformer

Perlu dilakukan evaluasi yang lebih teliti dan asumsi-asumsi yang tepat untuk menentukan kualitas katalis.Perlu ditentukan aktivitas katalis minimum sebagaipatokan penggantian katalis.Sebaiknya dilakukan evaluasi aktivitas katalis secaraperiodik untuk secondary reformer karena sudahmemasuki akhir umur ekonomis katalis, yaitu 8 tahun.Perlu dilakukan pengecekan secara detail tentangaktivitas katalis Secondary Reformer pada TA periode2011, terutama aktivitas untuk reaksi (2), karena nilaiaktivitas katalis diperkirakan sudah di bawah batasyang diijinkan pada TA berikutnya.