Analisis pinch air atau water pinch analysis

Analisis pinch air atau water pinch analysis (WPA) dikembangkan oleh Wang and Smith (1994) dengan memodelkan water-using operations sebagai mass-transfer operations. Air masuk ke satu unit operasi tertentu dengan konsentrasi zat pengotor tertentu. Di dalam unit tersebut konsentrasi pengotor meningkat karena adanya perpindahan massa dari unit operasi tersebut. Akibatnya, air keluaran unit tersebut memiliki konsentrasi pengotor yang lebih tinggi. Ini yang sering disebut sebagai unit operasi berbasis perpindahan massa.

Konsentrasi yang merupakan properti dianalogikan seperti temperatur di kasus integrasi kalor (teknologi pinch). Kemudian aliran (stream) diuruntukan berdasarkan konsentrasi masing-masing. Katakanlah mulai dari aliran yang memerlukan fresh water, yakni konsentrasi 0 ppm. Level konsentrasi di bawahnya mungkin 50 ppm, kemudian 100 ppm, dan seterusnya. Dari setiap level konsentrasi tersebut, dihitung massa pengotor dengan mengalikan laju alir masing-masing level dengan level konsentrasi yang mengapitnya (level yang lebih rendah dan lebih tinggi). Untuk aliran-aliran yang bertindihan (overlap) di setiap level konsentrasi, total massa pengotornya dijumlahkan untuk level tersebut. Laju alirnya kemudian diakumulasikan. Metode ini mirip dengan ketika kita membuat kurva komposit panas dan dingin di integrasi kalor.

Misalnya kita punya data seperti di bawah, dengan laju alir setiap stream, konsentrasi pengotor di masing-masing aliran (masuk dan keluar dari unit-unit operasi), dan total massa zat pengotor yang diambil. Laju alir setiap stream ini disebut sebagai laju alir pembatas karena inilah laju alir air minimum yang diperlukan oleh proses tersebut. Laju alir yang lebih rendah tidak diperbolehkan karena berbagai alasan (misal: memang keperluannya sejumlah itu, atau untuk menghindari fouling). Laju alir yang lebih tinggi boleh, tetapi kita di sini ingin mengurangi penggunaan air, sehingga digunakanlah laju alir air pembatas ini.

Gbr 7

Gambar 7. Data laju alir beberapa aliran beserta konsentrasi materialnya

Dari data ini kita buat garis komposit air untuk keseluruhan unit operasi dengan cara yang telah dijelaskan secara singkat di atas. Gambar di bawah dibuat di MS Excel sebagai toolkit sederhana yang dpt memasukkan jumlah aliran sebanyak mungkin. Untuk menentukan laju alir minimum air yang diperlukan untuk keseluruhan unit operasi ini kita akan menarik garis dari sumbu x ke arah water composite line tersebut.

Gbr 8

Gambar 8. Kurva komposit air total (garis biru) dan total jumlah air pembatas untuk semua proses (garis merah)

Di gambar  ini, jumlah air yang diberikan ke seluruh sistem adalah sekitar total jumlah air yang diperlukan untuk masing-masing limiting water flowrate, yakni 170 ton/hr. Bisa dilihat dari kebalikan kemiringan garis tersebut karena kemiringannya merupakan konsentrasi dibagi dengan massa material. Meskipun nilai masing-masing laju alir merupakan nilai minimum untuk setiap unit operasi, tetapi untuk keseluruhan unit operasi nilai ini masih bisa dikurangi lagi. Caranya adalah dengan menarik garis tersebut sampai menyentuh (pinch) kurva komposit air totalnya. Jumlah air total minimum yang diperlukan untuk keseluruhan sistem berkurang menjadi sekitar 90 ton/hr, berkurang hampir 50%! Konsentrasi terakhir dari seluruh aliran ini juga bisa dilihat dari grafik yaitu sekitar 455 ppm.

Gbr 9

Gambar 9. Laju alir air bersih minimum yang diperlukan untuk proses terkait

Dengan cara ini kita bisa lihat bahwa nilai minimum untuk keseluruhan unit ternyata bukanlah jumlah nilai minimum masing-masing unit, tetapi bisa lebih rendah daripada itu. Melihat sistem secara keseluruhan inilah yang disebut sebagai integrasi proses (process integration), dan teknik WPA ini adalah salah satu metode di dalamnya. Nilai total minimum ini akan diperoleh dengan menggunakan kembali (reuse) dan/atau menggunakan semula (recycle) aliran-aliran tersebut. Caranya akan dibahas di artikel-artikel berikutnya.

Seperti yang telah dijelaskan di artikel sebelumnya bahwa pemodelan unit operasi pengguna air berbasis perpindahan massa ini memiliki kelemahan mendasar. Yakni tidak bisa memodelkan unit operasi yang laju alir masuk dan keluarnya berbeda seperti cooling tower, atau unit yang hanya memiliki laju alir masuk atau laju alir keluar saja. Untuk menyeleseikan permasalahan ini kita akan menggunakan material reuse/recycle pinch diagram.

Leave a Comment