Analisis struktur pengendalian proses (process control) pada jaringan penukar kalor (heat exchanger network)

Tulisan kali ini mengupas tentang system pengendalian proses (process control) untuk sebuah system jaringan penukar kalor (heat exchanger network) sederhana. Analisis ini dilakukan pada pabrik produksi dimethyl ether (DME) dengan methanol (MeOH) sebagai bahan bakunya. Pabrik ini sangat sederhana, di mana MeOH dipanaskan sampai temperature 250oC melalui beberapa heat exchanger, kemudian produk DME dipisahkan di kolom pertama, dan MeOH yang tersisa dipisahkan dari air di kolom kedua. Dalam studi sederhana ini, kedua kolom distilasi ini tidak diperlihatkan. Sebuah process-to-process heat exchanger (B2) didesain untuk mengambil energi dari aliran keluar reactor. Energi ini ditransfer ke aliran input semaksimal mungkin. Untuk kasus ini, heat exchanger ini didesain untuk menaikkan temperature input menjadi sekitar 155oC. Setelah itu, aliran ini dipanaskan di heater utama (H02) sampai mencapai temperature 250oC. Kedua heat exchanger ini didesain secara seri. Flow diagram nya ditunjukkan di Gambar 1.

HEN Control 1

Gambar 1 Diagram alir untuk heat exchanger network seri

 

Gambar ini juga menunjukkan struktur kontrol nya. Laju alir input MeOH dikontrol oleh rpm pompa. Temperature aliran input ke reaktor dikontrol oleh duty ke heater H02. Dan temperature produk dijaga pada 100oC oleh cooler C02. Control valve B3 didesain sedemikian rupa sehingga variasi laju alir yang kita inginkan dapat dilakukan.

Alternative desain dari susunan seri ini adalah kedua heat exchanger itu disusun secara parallel, seperti terlihat di Gambar 2. Seluruh unit operasi didesain pada ukuran yang sama. Di desain parallel ini, aliran yang ke process-to-process heat exchanger (B2) dinamakan sebagai aliran B, dan aliran yang ke H02 disebut aliran A. Temperature inlet ke reaktor dikontrol oleh duty di heater utama, H02. Untuk ini, temperature di aliran A akan lebih tinggi daripada temperature yang diinginkan, yakni 250oC. Akan tetapi, temperature di downstream H02 ini dibatasi oleh autoignition temperaturenya MeOH (sekitar 470oC). Oleh karena itu, temperature di aliran A ini dijaga sekitar 380oC. Jika temperaturenya melebihi 380oC, ada dua pilihan, yakni: (1) kontrol valve aliran B akan menutup, maka laju alir di aliran B akan berkurang, yg berarti akan lebih banyak yg mengalir ke heater utama, H02. Atau (2) kontrol valve di aliran B akan membuka. Lalu, laju alir di aliran B akan lebih besar dan bisa mengambil lebih banyak energi dari aliran produk reaktor. Kemudian, beban di H02 akan berkurang. Akibat dari kedua pilihan (parallel (1) dan parallel (2)) ini akan kita lihat nanti.

HEN Control 2

Gambar 2 Diagram alir untuk heat exchanger network parallel

 

Laju alir feed dinaikkan 1%

Untuk kedua desain, dilakukan dua buah gangguan untuk melihat keadaannya. Yang pertama, setpoint aliran feed dinaikkan 1%, dari 10000 kg/hr menjadi 10100 kg/hr. Kondisi dinamik kedua desain ini dapat dilihat di Gambar 3, Gambar 4, dan Gambar 5 untuk desain seri dan parallel, secara berurutan. Dapat dilihat di desain seri, dengan naiknya laju alir feed (garis biru di window “FC”), maka inlet temperature ke reaktor akan turun sesaat (garis biru di window “B4”) dan temperature outlet downstream cooler C02 akan naik sesaat (garis biru di window “B5”). Semua kontrol berjalan dengan baik dan mengembalikan temperature ke setpoint yang diinginkan.

Di antara dua desain parallel, desain (1), di mana kontrol valve B yg menutup jika temperature outlet H02 naik, laju alir aliran B mengalami peak flow yang lebih tinggi.

HEN Control 3

Gambar 3 Kondisi dinamik desain seri untuk perubahan laju alir dari 10000 kg/hr ke 10100 kg/hr

HEN Control 4

Gambar 4 Kondisi dinamik desain parallel untuk perubahan laju alir dari 10000 kg/hr ke 10100 kg/hr (dengan kontrol valve B ditutup jika temperature outlet H02 naik)

HEN Control 5

Gambar 5 Kondisi dinamik desain parallel untuk perubahan laju alir dari 10000 kg/hr ke 10100 kg/hr (dengan kontrol valve B dibuka jika temperature outlet H02 naik)

 

Dari gambar-gambar ini, dapat terlihat bahwa ketika laju alir feed dinaikkan, temperature inlet ke reaktor turun sedikit dan kemudian balik lagi normal ke 250oC. Hal ini terlihat di window “B4” untuk desain seri dan window “TICIN” untuk desain parallel.

Temperature outlet H02 berperilaku berbeda untuk kedua desain parallel. Untuk desain parallel (1), terlihat bahwa ketika laju alirnya dinaikkan, temperature outlet H02 malah naik (garis biru di window “AUTOIGN”, Gambar 4). Untuk desain parallel (2), temperature outlet H02 justru turun, yang kontrol valve B nya akan membuka jika temperature outlet H02 naik (Gambar 5). Hal ini dapat dilihat pada garis biru di window “AUTOIGN”. Sementara itu, kontrol valve B ini menutup untuk kedua desain ini (garis biru di window “AUTOIGN”).

Femonena yang terjadi di desain parallel (1) ini lebih masuk akal. Karena ketika laju alir naik, maka temperature ke inlet reaktor akan turun, dan untuk itu maka duty di H02 harus dinaikkan (garis biru di window “TICIN” utk kedua desain). Karena dutynya naik, maka outlet temperaturenya harus naik. Bukan malah menurun seperti yang ditunjukkan di desain parallel (2). Kenapa hal yang berkebalikan ini bisa terjadi di desain parallel (2), hal ini akan memerlukan penyelidikan dan penjelasan lebih mendalam lagi. Mungkin akan dibahas di artikel berikutnya.

Kalau dilihat dari sisi energi external yang digunakan (H02 dan C02), maka ketiga desain ini menggunakan energi dengan jumlah yang sama. Hal ini cukup jelas karena berdasarkan neraca massa dan energi, tidak ada yang berbeda. Perbedaannya hanyalah di perilaku dinamiknya seperti yang telah dijabarkan di atas.

 

Temperature inlet ke reactor dinaikkan dari 250oC ke 260oC

Gangguan kedua adalah temperature inlet ke reaktor dinaikkan sebesar 10oC. Untuk desain seri, hasilnya tampak di Gambar 6. Window “Temp Inlet to Reactor” (tengah bawah di Gambar 6) menunjukkan setpointnya dinaikkan. Secara mengejutkan, laju alir ternyata terganggu sedikit (turun) dan kemudian secara cepat kembali ke setpoint sebelumnya (10100 kg/hr). Gangguan ini mungkin disebabkan oleh ketika temperaturenya naik, maka tekanannya akan naik untuk volume unit operasi yang sama. Akibatnya, beda tekanan antara upstream dan downstream pompa akan mengecil. Akibatnya lagi, laju alirnya akan menurun utk rpm pompa yang sama. Oleh karena itu, rpm pompa akan naik sedikit agar laju alirnya kembali normal.

HEN Control 6

Gambar 6 Kondisi aliran dinamik desain seri jika temperature inlet ke reaktor dinaikkan dari 250oC ke 260oC

 

Untuk desain parallel (1) dan (2), hasilnya terlihat di Gambar 7 dan Gambar 8, secara berurutan. Perubahan set point terlihat di window “TICIN” di kedua gambar. Hal yang sama terjadi, di mana laju alir mengalami penurunan yang cukup besar dan kemudian kembali ke normal. Dapat terlihat juga bahwa laju alir B mengalami penurunan sesaat, sementara laju alir A mengalami kenaikan sesaat. Jika dibandingkan dengan desain (2), desain (1) memiliki peak yang jauh lebih tinggi.

Temperature downstream H02 untuk desain (2) mengalami kenaikan sesaat sementara di desain (1) mengalami penurunan sesaat. Fenomena ini berkebalikan dengan fenomena akibat gangguan di flowrate feed. Seperti yang ditunjukkan di atas, justru desain (2) mengalami penurunan temperature sesaat. Meskipun demikian, kenaikan temperature di desain (2) relative kecil dibandingkan dengan batas autoignition temperaturenya. Kenaikan temperature ini dapat dijelaskan dengan ketika laju alirnya naik, maka temperature inlet ke reaktor menurun. Akibatnya, duty heater H02 harus dinaikkan. Lalu, temperature downstream H02 ini pun akan mengalami kenaikan.

HEN Control 7

Gambar 7 Kondisi aliran dinamik desain parallel jika temperature inlet ke reaktor dinaikkan dari 250oC ke 260oC (dengan kontrol valve B ditutup jika temperature outlet H02 naik)

HEN Control 8

Gambar 8 Kondisi aliran dinamik desain parallel jika temperature inlet ke reaktor dinaikkan dari 250oC ke 260oC (dengan kontrol valve B dibuka jika temperature outlet H02 naik)

 

Penurunan temperature di desain (1) belum bisa penulis jelaskan apa penyebabnya. Dan seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa fenomena kenaikan temperature seperti di desain (2) lebih masuk di akal.

 

Penutup

Analisis sederhana terhadap dua desain heat exchanger network, seri dan parallel, telah dilakukan. Gangguan kenaikan laju alir feed dapat diatasi dengan mudah oleh kedua desain kontrol tersebut. Sementara itu, gangguan kenaikan temperature inlet ke reaktor menyebabkan fluktuasi yang lebih besar di desain parallel dibandingkan dengan desain seri. Hal ini terlihat di laju alir feed dan temperature outlet H02. Berdasarkan analisis dinamik ini, maka dapat disimpulkan bahwa desain heat exchanger network secara seri terlihat lebih dapat meredam fluktuasi daripada desain secara parallel.

 

 

 

 

 

Leave a Comment