## Modifikasi Rancangan Incinerator Gas Asam
Ihsan Saputra*
Politeknik Negeri Batam Mechanical Engineering study Program Parkway Street, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia E-mail: ihsan@polibatam.ac.id

## Abstrak
Incinerator  digunakan  untuk  membakar  gas  asam  menjadi  gas-gas  yang  tidak  berbahaya sehingga  tidak  mencemari  lingkungan.  Dari  hasil  pengukuran  dilapangan  didapat  temperatur casing beberapa  peralatan  telah  melewati  batas  maksimum  temperatur  yang  diizinkan  sehingga akan  merusak  material casing .  Selain  itu  dikarenakan  tingginya  temperatur  di casing ini,  rugi- rugi  panas  yang  terjadi  akan  besar  dan  berakibat  pada  pemborosan  energi.  Tujuan  utama  dari penelitian  ini  adalah  mengevaluasi  kinerja  termal  incinerator  suatu  pabrik  LNG  dan memperbaikinya agar sesuai dengan persyaratan teknis yang umum berlaku  seperti kualitas gas hasil  pembakaran,  temperatur  dinding  peralatan,  efisiensi  proses  dan  kehandalan  serta kemudahan perawatannya.
Kata Kunci: Incinerator, gas asam

## Abstract
Incinerator is used to burn the acid gas into gases that are not pollute the environment. From the results  obtained  in  the  field  measurements  of  temperature  casing  some  of  the  equipment  has passed  the  maximum  permissible  temperature  that  would  damage  the  casing  material.  In addition due to the high temperatures in this case, the heat losses will occur and result in a huge loss of energy. Main objective of this study was to evaluate the thermal performance of an LNG plant  incinerator  and  fix  it  so  that  in  accordance  with  the  technical  requirements  that  apply generally  like  the  quality  of  combustion  gases,  the  temperature  of  the  walls  of  the  equipment, process efficiency and reliability as well as ease of maintenance.

## Keyword: Incinerator, acid gas

## 1. Pendahuluan
Beberapa tahun belakangan, isu lingkungan  mendapat  perhatian  komunitas internasional  yang  berdampak  dikeluarkan peraturan  untuk  mengontrol  dan  mengurangi ancaman  polusi    ke  lingkungan.  Isu lingkungan  ini  melatarbelakangi  perusahaan untuk  mengontrol  polusi  udara.  Salah  satu polusi udara yang berbahaya bagi lingkungan adalah acid  gas yang  merupakan  produk sampingan  dalam  pembuatan  LNG. Acid  gas ini  perlu  diubah  menjadi  gas-gas  yang  tidak berbahaya  bagi  lingkungan  dengan  cara membakarnya.  Komposisi  gas  asam  yang diizinkan  di  udara  setelah  dibakar  ini  di  atur dalam  peraturan  pemerintah  No.41  tahun 1999 [1] .
Proses  reaksi  pembakaran  ini  terjadi dalam  incinerator  dan  menghasilkan  gas buang  CO 2 ,  H 2 O,  dan  zat  lainnya.  Panas  gas buang  ini  masih  dapat  dimanfaatkan  sebagai pemanas  mula  udara  pembakaran  dan  gas asam.  Untuk  memanfaatkan  gas  buang  ini digunakan heat  exchanger dimana  terdapat dua  jenis heat  exchanger yang  digunakan pada  peralatan  ini  yaitu air  preheater (APH) dan acid gas preheater (AGPH).
Sistem  pembakaran  gas  asam  harus dirancang  agar  memenuhi  berbagai  kriteria antara  lain  temperatur  dinding  tidak  terlalu tinggi, efisien dalam pemakain energi, handal dan  awet,  dan  mudah  dirawat.  Dari  hasil pengukuran  dilapangan  didapat  temperatur casing beberapa  peralatan  telah  melewati batas  maksimum  temperatur  yang  diizinkan sehingga  tidak  memenuhi  kriteria  rancangan yang diinginkan.
Tujuan  utama  dari  penelitian  ini adalah mengevaluasi kinerja termal incinerator suatu pabrik LNG dan memperbaikinya agar sesuai dengan persyaratan teknis yang umum berlaku antara lain  kualitas  gas  hasil  pembakarannya, temperatur dinding peralatan, efisiensi proses dan kehandalan serta kemudahan perawatannya.

## 2. Landasan Teori
Gas  asam  dibakar  di  incinerator  dengan menggunakan  gas  alam  sebagai  bahan bakarnya.  Reaksi  pembakaran  di  incinerator ini disimulasi dengan menggunakan software computational fluid dynamic (CFD). Simulasi
Vol. 8, No. 2, October 2016, 134-138
p-ISSN: 2085-3858
menjadi sangat penting karena dapat mengurangi biaya dan waktu.
Pemodelan proses pembakaran melibatkan  banyak  persamaan  matematika diferensial  parsial.  Untuk  menyederhanakan persamaan  matematika  diferensial  digunakan metode  numerik  yaitu  metode  perhitungan aproksimasi  persamaan  diferensial  dengan persamaan  aritmatika  biasa  atau  persamaan diskrit yang mudah diselesaikan dan menghasilkan  solusi  aproksimasi  pada  titik- titik  diskrit.  Penyelesaian  metode  numerik dapat  dilakukan  dengan  berbagai  metode, yaitu  metode finite-difference , finite-element , dan finite-volume .
Pada  simulasi  numerik,  persamaan kekekalan  masa  dan  momentum,  kekekalan energi,  dan  lain-lain  diselesaikan  dengan perhitungan  secara  iterasi.  Hasil  perhitungan iterasi  terakhir,  φ n+1 ,  diperoleh  apabila  hasil iterasi  menunjukkan  nilai  yang  konvergen, yaitu ketika nilai residu, ς, mendekati nol:
ς =φ n+1 – φ n ≈ 0 (1) Persamaan kekekalan masa (kontuinitas), kekekalan  momentum,  dan  kekekalan  energi yang  digunakan  pada  simulasi  nurmerik  ini diformulasikan  pada  persamaan  (2),  (3),  dan (4) sebagai berikut:
Persamaan kontuinitas : 𝜕ρ 𝜕t + 𝜕 𝜕x i (ρ. u i ) = S m (2)
Persamaan kekekalan momentum :
𝜕 𝜕t (ρ. u i ) + 𝜕 𝜕xj (ρ. u i . u j ) = − 𝜕ρ 𝜕xi + 𝜕Tij 𝜕xj + 𝜌g i + F i (3)
Persamaan kekekalan energi :
∂ ∂t (ρ. E) + ∂ ∂x i [u i (ρ. E  + p)] = ∂ ∂x i (k eff ∂T ∂x i − ∑ h j J j j ) + S h (4)
Pada simulasi ini, model turbulensi yang digunakan  adalah  model  k  &  ω  dan  untuk model radiasi digunakan model P1.
Dengan  menggunakan  hasil  simulasi reaksi pembakaran dilakukan evaluasi kinerja termal  pada  peralatan  pembakaran  gas  asam. Dari  evaluasi  ini  akan  diperoleh  besar  rugi- rugi  panas  dan  temperatur casing peralatan. Besar  rugi-rugi  panas  dan  temperatur casing ini dipengaruhi oleh pemilihan isolasi. Isolasi yang sesuai dapat mengurangi besarnya rugi- rugi  panas  ke  lingkungan  dan  membatasi temperatur  permukaan casing incinerator. Salah  satu  contoh  material  isolator  yang umum  dipakai  untuk  bahan  isolasi  dinding incinerator adalah castable dan bata tahan api [2] . Untuk evaluasi kinerja termal di incinerator  digunakan  teori  perpindahan panas.  Persamaan  yang  digunakan  untuk menghitung  besarnya  rugi-rugi  panas  di incinerator dirumuskan pada persamaan (5): q = T ∞,1 −T ∞,5 1 2πr1LhD,1 + ln (r2 r1 ⁄ ) 2πkAL + ln (r3 r2 ⁄ ) 2πkBL + ln (r4 r3 ⁄ ) 2πkeffL + ln ( r5 r4 ⁄ ) 2πkCL + 1 2πr5LhD,5
Pada  sisi  terluar  casing,  perpindahan panas  terjadi  melalui  konveksi  bebas.
Persamaan konveksi bebas ini diformulasikan oleh churcil dan chu sebagai berikut [3] .
Nu ̅̅̅̅ D = {0,6 + 0,387Ra 1 6 ⁄ [1 + (0,559/Pr) 9 16 ⁄ ] 8 27 ⁄ } 2 (6)
Panas gas buang hasil pembakaran masih dapat  dimanfaatkan  sebagai  pemanas  mula udara  pembakaran  dan  gas  asam.  Untuk merancang pemanas mula ini diperlukan data sebagai  berikut;  kapasitas  penukar  kalor, perbedaan  temperatur  rata-rata,  laju  aliran fluida, dan sifat fisik fluida.
Jika  data  –  data  seperti  yang  disebutkan sebelumnya telah diketahui, koefisien perpindahan panas keseluruhan dapat
dihitung dengan persamaan berikut [4] .
U = 1 (1/h inner ) + (1/h outer ) (7)
Dengan menggunakan nilai koefisien perpindahan  panas  ini,  luas  permukaan perpindahan panas diperoleh dengan persamaan berikut.
A = Q FU∆T lm (8)
Untuk  geometri  penukar  kalor  berupa kumpulan  pipa  (tube  bundle),  jumlah  pipa yang  digunakan  didapat  dengan  persamaan (9).
N = A πDL (9)
Temperatur casing penukar  kalor  harus memenuhi kriteria rancangan dimana temperatur casing tidak  boleh  melebihi temperatur maksimum material casing sehingga  tidak  merusak  material casing . Temperatur casing ini  dievaluasi  dengan persamaan (10).
q s = T ∞,1 − T ∞,4 1 h1A + LA kAA + LB kBA + LC kCA + + 1 h4A (10)
Perpindahan  panas  dari  casing  penukar  kalor ke lingkungan sekitar terjadi melalui konveksi  bebas  dimana  persamaan  konveksi bebas  untuk  pelat  vertikal  dan  horizontal diformulasikan  oleh  churcill  dan  chu  pada pesamaan (11) dan (12) [5] .
Pelat horizontal:
Nu ̅̅̅̅ L = 0.27Ra L 1 4 ⁄ (11)
Pelat vertikal :
Nu ̅̅̅̅ L = {0.825 +
0.387Ra L 1 6 ⁄ (1 + (0.492 Pr ⁄ ) 9 16 ⁄ ) 8 27 ⁄ } 2 (12)

## 3. Evaluasi rancangan incinerator
Sebelum  melakukan  simulasi,  geometri incinerator  dibagi  menjadi  elemen-elemen kecil  yang  saling  berkesinambungan  ( grid meshing ).  Setiap  elemen  digunakan  untuk tempat  menerapkan  persamaan-persamaan konservasi.  Hasil  meshing  untuk  incinerator ditampilkan pada gambar berikut.

## Gambar 1 Geometri incinerator setelah dilakukan meshing
Kondisi  batas  yang  digunakan  pada simulasi  reaksi  pembakaran  ini  ditampilkan pada tabel berikut.
Tabel.1 Kondisi batas pada simulasi reaksi pembakaran
Parameter Tipe kondisi batas Besar parameter Bahan bakar inlet
Laju aliran = 0,76 kg/s Temperatur = 27 0 C Komposisi : CH 4 (83,96 mol%) C 2 H 6 (1,10 mol%) CO 2 (12,18 mol%) N 2 (2,12 mol%)
Gas Asam inlet
Laju aliran = 54,22 kg/s Temperatur = 550 0 C
Komposisi : CO 2 (100 mol%)
Udara Pembakaran inlet Laju aliran = 16,46 kg/s Temperatur = 700 0 C
Komposisi :
N 2 (75 mol%) O 2 (19,9 mol%) H 2 O (4,8 mol%) Sisi keluar outlet Tekanan = 0 Pa Dinding incinerator Wall Heat flux = 0 W/m 2
Heat generation rate = 0
W/m 3
Dinding ducting Wall
Heat flux = 0 W/m 2 Heat generation rate = 0 W/m 3
Dengan  menggunakan  model  geometri dan kondisi batas seperti dijelaskan sebelumnya  dari  simulasi  didapat  distribusi temperatur  dan  variasi  kecepatan  seperti ditampilkan pada Gambar 2 dan 3 berikut.
Gambar 2 Distribusi temperatur pada potongan melintang incinerator
Selain  itu,  komposisi  gas  buang  hasil pembakaran  dari  hasil  simulasi  ditampilkan pada Tabel.2
Tabel.2 Komposisi gas buang hasil simulasi reaksi
pembakaran Parameter Nilai (% mol) CO 2 67
H 2 O 3 N 2 26,7 O 2 3,3
Dengan  menggunakan  hasil  simulasi didapat beberapa kesimpulan sebagai berikut: a. Temperatur  dinding  dalam  ducting  untuk udara  pembakaran  adalah  antara  680-700 o C.
b. Temperatur  dinding  dalam  ducting  gas asam adalah dalam rentang 520-545 o C
c. Temperatur  dinding  dalam  incinerator adalah dalam rentang 790-820 0 C.
d. Temperatur  gas  buang  keluar  Incinerator adalah dalam rentang 890-910 o C.
e. Variasi kecepatan aliran gas antara 0 m/s – 21 m/s.
f. Komposisi  rata-rata  gas  buang  yaitu  67% CO 2 , 3% H 2 O, 26,7% N 2 , dan 3,3% O 2 .
Dengan  menggunakan  hasil  simulasi sebagai  acuan,  temperatur casing peralatan seperti incinerator, air preheater, dan acid gas preheater dapat dievaluasi.
Geometri  incinerator, air  preheater , dan acid  gas  preheater yang  akan  dievaluasi temperaturnya  ditampilkan  pada  Gambar  4,5, dan 6 sebagai berikut.
Gambar 4 Tampak samping incinerator
200 mm 80 mm
Gambar 6 Tampak samping pemanas mula gas asam
Hasil  evaluasi  temperatur  dan  rugi- rugi  panas  untuk  rancangan existing ini ditampilkan pada Tabel.2.
Tabel.2 Hasil perhitungan temperatur peralatan sistem pembakaran gas asam
No Komponen Temperatur permukaan ( o C) Maksimum temperatur yang diizinkan Temperatur permukaan dari hasil perhitungan 1 Secondary air casing 250 290 - 305 2 Casing rain shield Incinerator 250 147 - 152 3 Casing APH 250 320 - 328 4 Casing AGPH 250 265 - 275 Hasil evaluasi ini perlu diperiksa kebenarannya  dengan  cara  membandingkan dengan hasil pengukuran dilapangan. Perbandingan  hasil  perhitungan  dan  hasil pengukuran ditampilkan pada Tabel.3.
Tabel.3 Perbandingan temperatur hasil perhitungan dan
pengukuran. No Komponen Temperatur permukaan ( o C) Hasil perhitungan Hasil pengukuran 1 Secondary air casing 290 - 305 342 - 464 2 Casing rain shield Incinerator 147 - 152 126 - 182 3 Casing APH 320 - 328 187-397 4 Casing AGPH 265 - 275 241-261
Dari  perbandingan  didapat  bahwa  hasil perhitungan  mendekati  hasil  pengukuran sehingga  hasil  perhitungan  dapat  mewakili pengukuran dilapangan.

## 4. Perbaikan rancangan incinerator
Berdasarkan hasil evaluasi kinerja termal sistem  pembakaran  gas  asam,  beberapa peralatan  telah  melewati  batasan  kriteria rancangan  yang  diizinkan  seperti  temperatur casing terlalu tinggi sehingga perlu dilakukan perbaikan.  Contoh  perbaikan  yang  dilakukan pada komponen peralatan ini adalah penggantian material isolasi dan penambahan ketebalan  material  isolasi.  Material  isolasi dipilih  material  dengan  konduktivitas  termal rendah yaitu LWI-20 (k = 0.291 W/m 2 .K).
Ketebalan  isolasi  untuk  masing-masing peralatan  ditambah  seperti  ditampilkan  pada Gambar 7,8, 9 berikut.
Gambar 7 Isolasi incinerator ditambah jadi 350 mm
Gambar 8 Isolasi pemanas mula udara pembakaran ditambah jadi 120 mm

## Gambar 9 Isolasi pemanas mula gas asam ditambah jadi 80 mm
Dengan  menggunakan  perbaikan  diatas, temperatur  casing  rancangan  yang  baru ditampilkan pada Tabel.4 berikut.
Tabel.4 Hasil perhitungan temperatur peralatan sistem pembakaran gas asam setelah dilakukan perbaikan
No Komponen Temperatur permukaan ( o C) Maksimum temperatur yang diizinkan Temperatur permukaan dari hasil perhitungan 1 Secondary air casing 250 132-137 2 Casing rain shield Incinerator 250 80-82 3 Casing APH 250 240-247 4 Casing AGPH 250 235-244
5. Kesimpulan Hasil evaluasi rancangan existing menunjukkan  temperatur casing peralatan pembakaran  gas  asam  telah  melewati  batas kriteria  rancangan  yang  diizinkan  sehingga perlu  dilakukan  perbaikan.  Perbaikan  yang dilakukan berupa penggantian material isolasi dan  penambahan  ketebalan  isolasi.  Material isolasi  diganti  jadi  material  LWI-20  yang memiliki konduktivitas termal rendah yaitu k = 0,291 W/m 2 .K sedangkan ketebalan isolasi
350 mm
120 mm 80 mm
ditambah  seperti  ditampilkan  pada  Tabel.5 berikut.
Tabel.5 Perbandingan tebal isolasi sebelum dan setelah dilakukan perbaikan Isolasi Tebal isolasi rancangan sebelumnya (mm) Tebal isolasi setelah dilakukan perbaikan (mm) Ruang bakar 200 350 Air preheater 80 120 Acid gas preheater 40 80
Perbandingan  hasil  evaluasi  rancangan yang  baru  dengan  rancangan  yang  lama ditampilkan pada Tabel.6 berikut.

## Tabel.6 Perbandingan temperatur sebelum dan setelah dilakukan perbaikan
No Komponen Temperatur permukaan ( o C) Rancangan existing Rancangan baru 1 Secondary air casing 290 - 305 132-137 2 Casing rain shield Incinerator 147 - 152 80-82 3 Casing APH 320 - 328 240-247 4 Casing AGPH 265 - 275 235-244
Dari  Tabel.6  dapat  disimpulkan  dengan menggunakan  perbaikan  berupa  penggantian material  isolasi  dan  penambahan  ketebalan isolasi,  temperatur casing peralatan  telah memenuhi kriteria temperatur  yang diizinkan untuk  material casing berupa carbon  steell yaitu sebesar 250 o C.

## Daftar Pustaka
[ 1 ]  Peraturan  pemerintah  no.41  (1999): Pengendalian  Pencemaran  Udara ,
Republik Indonesia.
[ 2 ]  Niessen,  Walter  R.  (2002): Combustion and  Incineration  Processes ,  Marcel Dekker, New York.
[ 3 ] Incropera, F.P., and Dewitt, D.P. (1998) : Fundamental  of  Heat  and  Mass Transfer ,  John  Wiley  &  Sons,  New York.
[ 4 ]  Hewitt,  G.F.,  Shires,  G.L.,  Bott,  T.R. (2000): Process Heat Transfer , Begell House inc, New York
[ 5 ]  Tieszen,  S.,  Ooi,  A.,  Durbin,  P.,  and Behnia,  M.  (1998): Modeling  of Natural  Convection  heat  Transfer . Center for turbulence research.