Modul Dasar Aspen HYSYS
Modul Dasar Aspen HYSYS
Steady State Operation
Steady State Operation
Training HYSYS Training HYSYS 2-6 Mei 2011 2-6 Mei 2011 Daftar Isi Daftar Isi 1.
1. Pengantar HYSYSPengantar HYSYS 2.
2. Basis Komponen dan Fluid PackageBasis Komponen dan Fluid Package 3.
3. AliranAliran 4.
4. Penukar PanasPenukar Panas 5.
5. Alat BerputarAlat Berputar 6.
6. SeparasiSeparasi 7.
7. ReaktorReaktor 8.
8. Operasi LogikaOperasi Logika 9.
9. OptimizerOptimizer 10.
1
1
Pengantar HYSYS
Pengantar HYSYS
Pendahuluan Pendahuluan
HYSYS : Software/aplikasi proses simulator HYSYS : Software/aplikasi proses simulator
Kekhasan HYSYS dibanding proses simulatior lain (misal, Aspen Plus, PRO/II, dan ChemCad): Kekhasan HYSYS dibanding proses simulatior lain (misal, Aspen Plus, PRO/II, dan ChemCad):
HYSYS memiliki fasilitas interprestasi perintah yang interaktif, yaitu seketika isianHYSYS memiliki fasilitas interprestasi perintah yang interaktif, yaitu seketika isian dimasukkan, HYSYS langsung mengintreprestasikan langkah lanjut yang perlu dilakukan dimasukkan, HYSYS langsung mengintreprestasikan langkah lanjut yang perlu dilakukan berdasarkan isian yang telah ada.
berdasarkan isian yang telah ada.
HYSYS seperti halnya proses simulator lain yang menggunakan subrutin atau prosedur untukHYSYS seperti halnya proses simulator lain yang menggunakan subrutin atau prosedur untuk proses modelnya, namun HYSYS memiliki kemampuan merambatkan informasi secara maju proses modelnya, namun HYSYS memiliki kemampuan merambatkan informasi secara maju dan balik (bidirectional)
dan balik (bidirectional) Rambu-Rambu Pembantu Rambu-Rambu Pembantu
Selayaknya rambu-rambu lalu-lintas yang memberikan informasi, bantuan, dan larangan bagi Selayaknya rambu-rambu lalu-lintas yang memberikan informasi, bantuan, dan larangan bagi kelancaran berlalu-lintas, Hysys juga memiliki r
kelancaran berlalu-lintas, Hysys juga memiliki r ambu-rambu pembantu, yaitu :ambu-rambu pembantu, yaitu : Rambu-rambu isian :
Rambu-rambu isian :
Warna tulisan isian :Warna tulisan isian :
BiruBiruisian informasi oleh userisian informasi oleh user
HitamHitaminformasi diperoleh dari perhitunganinformasi diperoleh dari perhitungan
Warna status streamWarna status stream
Biru mudaBiru mudaisian belum lengkapisian belum lengkap
Biru tuaBiru tuaisian lengkapisian lengkap
Warna status spesifikasi dan perhitungan :Warna status spesifikasi dan perhitungan :
HijauHijauokok
KuningKuningnot solved, warningnot solved, warning
1
1
Pengantar HYSYS
Pengantar HYSYS
Pendahuluan Pendahuluan
HYSYS : Software/aplikasi proses simulator HYSYS : Software/aplikasi proses simulator
Kekhasan HYSYS dibanding proses simulatior lain (misal, Aspen Plus, PRO/II, dan ChemCad): Kekhasan HYSYS dibanding proses simulatior lain (misal, Aspen Plus, PRO/II, dan ChemCad):
HYSYS memiliki fasilitas interprestasi perintah yang interaktif, yaitu seketika isianHYSYS memiliki fasilitas interprestasi perintah yang interaktif, yaitu seketika isian dimasukkan, HYSYS langsung mengintreprestasikan langkah lanjut yang perlu dilakukan dimasukkan, HYSYS langsung mengintreprestasikan langkah lanjut yang perlu dilakukan berdasarkan isian yang telah ada.
berdasarkan isian yang telah ada.
HYSYS seperti halnya proses simulator lain yang menggunakan subrutin atau prosedur untukHYSYS seperti halnya proses simulator lain yang menggunakan subrutin atau prosedur untuk proses modelnya, namun HYSYS memiliki kemampuan merambatkan informasi secara maju proses modelnya, namun HYSYS memiliki kemampuan merambatkan informasi secara maju dan balik (bidirectional)
dan balik (bidirectional) Rambu-Rambu Pembantu Rambu-Rambu Pembantu
Selayaknya rambu-rambu lalu-lintas yang memberikan informasi, bantuan, dan larangan bagi Selayaknya rambu-rambu lalu-lintas yang memberikan informasi, bantuan, dan larangan bagi kelancaran berlalu-lintas, Hysys juga memiliki r
kelancaran berlalu-lintas, Hysys juga memiliki r ambu-rambu pembantu, yaitu :ambu-rambu pembantu, yaitu : Rambu-rambu isian :
Rambu-rambu isian :
Warna tulisan isian :Warna tulisan isian :
BiruBiruisian informasi oleh userisian informasi oleh user
HitamHitaminformasi diperoleh dari perhitunganinformasi diperoleh dari perhitungan
Warna status streamWarna status stream
Biru mudaBiru mudaisian belum lengkapisian belum lengkap
Biru tuaBiru tuaisian lengkapisian lengkap
Warna status spesifikasi dan perhitungan :Warna status spesifikasi dan perhitungan :
HijauHijauokok
KuningKuningnot solved, warningnot solved, warning
MerahMerahunder specified, errorunder specified, error
Gambar 1
Interface HYSYS Interface HYSYS
Lima element tampilan antaramuka : Lima element tampilan antaramuka :
PFD Constructor PFD Constructor
Bagian untuk membangun diagram alir simulasi (Bagian untuk membangun diagram alir simulasi (simulation flowsheet simulation flowsheet ))
Workbook View Workbook View
Bagian yang menampilkan tabulasi dataBagian yang menampilkan tabulasi data
Property View Property View
Bagian yang menampilkan data berkait obyek simulasiBagian yang menampilkan data berkait obyek simulasi
Object Navigator View Object Navigator View
Navigasi untuk menampilkan data unit operasi dan aliranNavigasi untuk menampilkan data unit operasi dan aliran
Sumary View Sumary View
Bagian yang menampilkan ringkasan aliran dan unit operasi yang telah terinstalBagian yang menampilkan ringkasan aliran dan unit operasi yang telah terinstal Tombol-Tombol Pembantu
Tombol-Tombol Pembantu
Tombol-tombol shortcut dalam HYSYS ditunjukkan pada tabel di bawah ini. Tombol-tombol shortcut dalam HYSYS ditunjukkan pada tabel di bawah ini.
Tabel 1
Tabel 1
Tabel 1. Tombol-tombol shortcut HYSYS (lanjutan). Tombol-tombol shortcut HYSYS (lanjutan)
Interface PFD Constructor Interface PFD Constructor
Berikut daftar pallete yang tersedia dalam interface PFD Constructor. Berikut daftar pallete yang tersedia dalam interface PFD Constructor.
Interface Workbook Interface Workbook
Gambar 2
Gambar 2. PFD Constructor. PFD Constructor
Gambar 3
Interface Property View
Gambar 4. Interface property view
Interface Object Navigator View
2 Basis Komponen dan Fluid Package
Data Komponen
Data-data komponen dapat diperoleh dengan dua cara:
Standar dari Library Components
Sudah tersedia didalamsimulator library; e.g. Methane, Ethane, CO2, H2O, etc.
Memilih komponen yang diinginkan dari daftar.
Memindahkan komponen-komponen kedaftar komponen sebelumnya.
Fraksi-Fraksi Petroleum dan Komponen-Komponen Hypothetical
Fraksi-fraksi didapatkan dari karakterisasi dan data tes lab:e.g. C6*, C7*, C9+,dll.
Dibuat oleh user; e.g. C1-2-3MIX, modifikasi standardkomponen-komponen, C1*, CO2*, H2O*, dll.
Jika Oil Package tersedia, Pseudo-Komponen dihitung dengan simulator; e.g. NBP[0]125*, NBP[1]335*, etc.
Menambah komponen-komponen hypothetical ke grup hypothetical dibuat didalam layar Basis Manager’s Hypothetical Components
Gambar 6. Tampilan window komponen Pemilihan Fluid Package
Memilih Model Thermodinamika
Harus cocok untuk grup kimia dari komponen yang dipilih
Harus model yang sama dari yang telah digunakan untuk mendapatkan parameter komponen
Menetapkan parameter-parameter untuk membandingkan/mencocokkan dengan data-data yang tersedia(Penting untuk akurasi prediksi)
Molecular Weight(Berat Molekul)
Normal Boiling Point(Normal Titik Didih)
Specific Gravity
Critical Properties
Binary Coefficients
Jadi, pemilihan fluid package didasarkan pada model-model dan pengetahuan termodinamika. Berikut merupakan rangkuman pemilihan fluid package menurut Chen dan Mathias, 2002.
Tabel 2. Pemilihan fluid package (Chen dan Mathias, 2002)
Sistem Pilihan Primer Pilihan Sekunder Permasalahan Air Separation Peng-Robinson (PR),
Soave-Redlich-Kwong (SRK)
Corresponding States
Gas Processing PR, SRK BWRS Gas Treating Kent-Eisenberg
Electrolyte NRTL
Data, parameter, model mixed amine Petroleum Refining BK10, Chao-Seader,
Grayson-Streed, PR, SRK, Lee-Kessler-Plocker
Karakterisasi heavy crude
Petrochemicals VLE PR, SRK,PSRK NRTL, UNIQUAC, UNIFAC
Data,parameter Petrochemicals LLE NRTL, UNIQUAC Data, parameter,
model VLLE Chemicals NRTL, UNIQUAC, PSRK, UNIFAC, Data, parameter Electrolytes Electrolyte NRTL,
Zemaitis
Pitzer Data, parameter, databank, model polyelectrolytes Polymer Polymer NRTL, PC-SAFT Sanchez-Lacombe EoS,
UNIFAC-FV
Data, parameter, databank, model polimer polar dan kopolimer blok
3 Aliran
Aliran Material
Aliran material digunakan untuk mensimulasikan perjalanan material masuk dan keluar batasan simulasi dan perpindahan material antara unit operasi. Untuk menyelesaikan suatu aliran, sifat-sifat dan komposisi aliran tersebut harus didefinisikan.
Jika ingin mengkopi data-data dari aliran yang sudah ada dalam flowsheet, klik tombol ‘Define from Ither Stream’. Jendela Spec Stream akan muncul dan memberikan pilihan-pilihan aliran yang ingin dikopi. Panah hijau ke arah kiri akan memindahkan tampilan ke aliran di posisi upstream, sedangkan panah hijau kea rah kanan memindahkan tampilan ke aliran di posisi downstream. Jika aliran yang ingin ditampilkan terpasang pada sebuah unit operasi, penekanan tombol-tombol panah akan membuka jendela property dari operasi upstream atau downstream terdekat. Jika aliran tidak terpasang pada unit operasi apapun, tombol-tombol panah ini akan membuka jendela Feeder Block atau Product Blok.
Gambar 7. Tampilan jendela aliran
Jendela aliran memiliki tiga tab, Worksheet, Attachment, dan Dynamics. Tab Worksheets menampilkan data-data dari aliran, meliputi komposisi, sifat-sifat, dan kondisi aliran. Tab Attachment menampilkan unit-unit dan operasi logika yang terpasang dengan aliran tersebut.
HYSYS menggunakan perhitungan derajat kebebasan dalam menghitung flash calculaition. Oleh karena itu, komposisi aliran harus terdefinisi. Selain komposisi, minimal dua dari spesifikasi-spesifikasi di bawah ini harus didefinisikan. S alah satunya harus temperatur atau tekanan.
Temperatur
Tekanan
Fraksi uap
Entropi
JIka fraksi uap dispesifikasikan 0 atau 1, aliran tersebut diasumsikan berada pada bubble point atau dew point. Fraksi uap dapat dispesifikasikan di antara 0 dan 1.
Komposisi dapat dilihat pada halaman Composition di tab Worksheet. Komposisi dapat dinyatakan dalam macam-macam basis, fraksi mol, massa, volum, dan lainnya. Terdapat dua tombol pada jendela Composition, ‘Erase’ dan ‘Normalize’. Tombol ‘Erase’ akan menghapus seluruh komposisi
yang telah dimasukkan. Tombol ‘Normalize’ meminta HYSYS untuk memasukkan niali berapapun untuk komposisi-komposisi untuk menghasilkan nilai jumlah fraksi sama dengan 1. Tombol ini berguna ketika banyak komponen yang tersedia tapi hanya sedikit yang dispesifikasi. Komposisi dari aliran yang terhitung oleh HYSYS tidak dapat diubah-ubah. Tombol ‘Edit’ akan menjadi abu-abu dan angka-angka komposisi akan menjadi hitam.
Gambar 8. Tampilan jendela komposisi Aliran Energi
Sama seperti aliran material, aliran energi juga memiliki tombol panah hijau ke arah kiri dan kanan. Namun, jika suatu alirna energi tidak terpasang pada operasi apapun, tombol-tombol panah akan menjadi tidak dapat ditekan. Apabila energi telah terhitung dari kondisi operasi, nilai heat flow akan berwarna hitam atau terhitung. Jika belum terhitung, nilai heat flow dapat dispesifikasi untuk mendapatkan kondisi operasi yang sesuai dengan spesifikasi heat flow.
4 Penukar Panas
Pendahuluan
Penukar panas dalam HYSYS berfungsi menghubungkan aliran-aliran antar reservoir kondisi temperatur yang berbeda. Terdapat tiga unit penukar panas dasar yang akan dipelajari pada modul ini, yaitu heater, cooler, dan heat exchanger. Unit penukar panas lainnya yang disediakan oleh HYSYS adalah air cooler, fired heater, dan LNG exchanger.
Tabel 3. Keterangan unit-unit penukar panas Unit Keterangan
Heater/Cooler Digunakan untuk memanaskan atau mendinginkan aliran tanpa memperhitungkan aliran pemanas atau pendingin. Energi yang dipertukarkan akan dinyatakan sebagai aliran energi.
Heat Exchanger Digunakan untuk memanaskan atau mendinginkan aliran dengan mempertukarkan panas antara dua aliran dalam flowsheet. Tidak ada aliran energi yang perlu terpasang.
Air Cooler Digunakan untuk mendinginkan aliran dengan menggunakan udara sebagai fluida pendingin.
Fired Heater Digunakan untuk memanaskan aliran dengan menggunakan pemanasa api langsung. Biasa digunakan untuk reaksi pembakaran.
LNG Exchanger Digunakan untuk mempertukarkan panas antara aliran yang rumit. Biasa digunakan pada proses pengolahan minyak dan gas bumi.
Dasar Simulasi Pertukaran Panas
Pertukaran panas secara mendasar dapat dioperasikan dengan menggunakan heater/cooler atau heat exchanger. Heater dan cooler memiliki fungsi yang sama. Apabila terjadi kesalahan penggunaan unit operasi, simulasi tetap dapat dijalankan namun nilai heat flow akan bernilai negatif. Heater dan cooler memerlukan aliran energi terpasang pada unit operasi. Apabila suatu aliran dilewatkan pada heater/cooler, terdapat dua variabel yang harus dispesifikasi untuk dapat menyelesaikan operasi perpindahan panas, yaitu:
Beban pertukaran panas, beban panas dapat dispesifikasi melalui kondisi keluaran heater/cooler ataupun heat flow yang tersedia.
Beda tekan, sesuai rule of thumb, beda tekan HE tanpa perubahan fasa adalah sebesar 3-9 psi. Biasanya beban panas perubahan fasa jauh lebih besar diakibatkan panas laten.
Penggunaan unit HE di HYSYS dilakukan jika pertukaran panas ingin dilakukan antara dua aliran dalam flowsheet. Variabel yang perlu dispesifikasi dalam HE sama dengan heater/cooler, yaitu beban panas dan bedan tekan. Karena unit HE memperhitungkan aliran pendingin atau pemanas, beban panas harus dispesifikasi dari kondisi aliran-aliran yang dipertukarkan. Biasanya penggunaan HE akan membatasi pemakaian beban panas karena tidak semua aliran dapat dipertukarkan panasnya untuk mencapai kondisi yang diinginkan.
Gambar 11. Tampilan jendela HE Contoh Kasus
Buatlah simulasi pemanasan aliran gas alam 100 kmol/jam dengan komposisi etan 40%, propan 40%, dan n-butan 20% dari kondisi 30oC, 5 bar menjadi 100oC.
(a) Berapa beban panasnya? Jika pemanasan menggunakan steam dengan temperatur 220oC tekanan 10 bar dan steam hanya dapat didinginkan sampai 180oC, berapa jumlah steam yang dibutuhkan?
(b) Jika steam yang tersedia hanya 200 kmol/jam, hingga temperatur berapa gas alam dapat dipanaskan?
5 Alat Berputar
Pendahuluan
Alat berputar yang dibahas dalam modul ini meliputi alat transportasi fluida yaitu pompa dan kompresor. Akan tetapi, simulasi tentunya tidak membutuhkan alat transportasi sehingga penggunaan pompa dan kompresor dalam HYSYS praktis berfungsi untuk menaikkan tekanan. Penurunan tekanan dapat dilakukan dengan v alve ataupun ekspander.
Pompa dan kompresor menggunakan energi mekanik untuk memutar rotor sehingga kedua unit ini memerlukan aliran energi di HYSYS. Apabila suatu aliran dilewatkan ada pompa atau kompresor, hanya satu variabel yang perlu dispesifikasi untuk menyelesaikan operasi, yaitu beban perbedaan tekan yang diinginkan. Beban dapat dispesifikasi dari kenaikan tekanan yang diizinkan ataupun kondisi tekanan keluaran yang diinginkan.
Gambar 12. Tampilan jendela kompresor
Ekspander merupakan kebalikan dari kompresor. Beban nyata kerja kompresor maupun ekspander dihitung berdasarkan efisiensi mekanik unit. Nilai efisiensi dapat didefinisikan pada halaman Parameter di tab Design. Hanya satu dari dua jenis efisiensi yang dapat dispesifikasi. Efisiensi yang lain akan terhitung menggunakan beban energi dan kondisi aliran.
Perbedaan penggunaan pompa dan kompresor hanya terletak pada fasa feed. Pompa tidak akan dapat diselesaikan apabila terdapat fasa uap dalam feed. Sebaliknya, kompresor tidak akan dapat diselesaikan apabila terdapat fasa cair dalam feed. Pompa dan kompresor juga tidak dapat diselesaikan apabila aliran feed memiliki laju alir bernilai nol.
Gambar 14. Tampilan jendela pompa
Hal yang perlu diperhatikan pada penggunaan pompa adalah, HYSYS mengasumsikan aliran feed pada pompa incompressible. Artinya densitas feed tidak berubah sehingga efisiensi isentropic pompa praktis terhitung 100%. Akan tetapi, dalam perhitungan simulasi, hanya dua dari variabel berikut yang perlu dispesifikasi untuk dapat menyelesaikan operasi pompa:
Beda tekan atau tekanan discharge
Efisiensi adiabatik
Beban energi
Contoh Kasus 1: Siklus Refrigerasi Propan
Buatlah simulasi refrigerasi propan dengan spesifikasi sebagai berikut:
Temperatur keluaran condenser adalah 50oC
Keluaran condenser adalah cair jenuh
Temperatur keluaran evaporator adalah 0oC
Keluaran evaporator adalah uap jenuh
Beban evaporator adalah 3,6.106kJ/jam Hitung kebutuhan propan yang perlu disirkulasi!
Contoh Kasus 2: Pendinginan LNG
Buat simulasi pendinginan LNG hingga -150oC dengan dua siklus refrigerasi ethylene dan methane. Pertama-tama, LNG didinginkan dengann siklus refrigerasi ethylene. Selanjutnya, LNG didinginkan dengan siklus refrigerasi methane. Temperatur LNG setelah melewati siklus ethylene adalah -90oC. Berapa jumlah ethylene dan methane sebagai pendingin yang dibutuhkan?
Data komposisi LNG dan spesifikasi siklus refrigerasi disajikan sebagai berikut. Tabel 4. Data aliran LNG
Temperatur (oC) -35,54 Tekanan (kPa) 4217 Laju alir (kmol/jam) 10 Komposisi N2 0,000899 C1 0,911779 C2 0,05515 C3 0,27076 i-C4 0,002897 n-C4 0,002098 i-C5 0,0001
Tabel 5. Spesifikasi siklus refrigerasi ethylene dan methane Siklus Ethylene Siklus Methane
Temperatur keluaran condenser -36oC Temperatur keluaran condenser -90oC Temperatur keluaran evaporator -100oC Temperatur keluaran evaporator -160oC Pressure drop evaporator 6 bar Pressure drop evaporator 6 bar Temperatur akhir LNG -90oC Temperatur akhir LNG -150oC
Contoh Kasus 3: Pendinginan LNG dengan LNG Exchanger
Biasanya dalam pendinginan LNG, LNG Exchanger digunakan untuk meminimalkan jumlah penukar panas. LNG Exchanger dapat mengatasi pertukaran panas antar lebih dari dua aliran panas dan dingin. Buat simulasi contoh kasus 2 menggunakan LNG Exchanger!
Kunci: LNG Exchanger menggabungkan evaporator siklus ethylene dan condenser siklus methane.
6 Separasi
Pendahuluan
Proses separasi dalam teknik kimia digunakan untuk memisahkan dua senyawa atau lebih secara fisik atau kimia. Proses separasi yang dibahas dalam modul ini adalah pemisahan fisik yang hanya bergantung pada kesetimbangan. Unit-unit separasi yang akan dibahas meliputi separator uap cair, component splitter, shortcut distillation, dan kolom.
Separator Uap Cair
Terdapat tiga jenis separator uap cair dalam HYSYS, yaitu separator, 3-phase separator, dan tank. Ketiganya memiliki prinsip yang sama. Dalam simulasi, terdapat juga operation toggle pada halaman Parameter yang mempermudah kita untuk berpindah dari satu dari tiga operasi ini ke yang lain. Misalnya sebuah separator hendak diubah menjadi 3-phase separator. Setelah menggunakan operation toggle, kita hanya perlu menambahkan satu aliran produk cair untuk menyelesaikan operasinya.
Tabel 6.Deskripsi unit separator uap cair Unit Separasi Dekripsi
Separator Multiple feed, satu produk uap, dan satu produk cair. Pembagiannya adalah konstituen uap dan cair.
3-Phase Separator Multiple feed, satu produk uap, dan dua produk cair. Pembagiannya adalah konstituen uap, fasa cair, dan fasa cair berat.
Tank Multiple feed, satu produk uap, dan satu produk cair. Tank biasa digunakan untuk mensimulasikan liquid surge vessel.
Gambar 19. Tampilan tiga jenis separator
Suatu aliran yang dilewatkan pada separator akan langsung menghasilkan produk aliran berwarna hijau. Tidak ada yang perlu dispesifikasi lebih lanjut asalkan kondisi feed sudah terdefinisi. Karena itu, separator juga dapat melakukan perhitungan balik dari satu aliran produk dengan komposisi yang diinginkan.
Component Splitter
Dengan component splitter, aliran material dibagi menjadi dua aliran komponen berdasarkan fraksi pembagian (split) yang dispesifikasi. Unit ini digunakan untuk mensimulasikan operasi-operasi separasi yang tidak dapat dilakukan di HYSYS.
Gambar 20. Tampilan jendela Component Splitter
Dua halaman mendasar yang penting untuk menyelesaikan operasi component splitter ini adalah halaman Parameter dan Splis pada tab Design. Pada halaman Parameter, fraksi uap, tekanan aliran
overhead, dan tekanan aliran produk bawah harus dispesifikasi. Jika tekanan kedua aliran produk hendak disamakan, terdapat opsi ‘Equalize All Stream Pressures’. Pada halaman split, fraksi pembagian juga harus dispesifikasi untuk seluruh komponen. Fraksi pembagian dibatasi dari 0 sampai 1. Spesifikasi hanya perlu dilakukan pada fraksi aliran overhead. Fraksi-fraksi pada aliran produk bawah akan dapat terhitung juga. Tombol ‘All 1’ dan ‘All 0’ dapat digunakan untuk melakukan spesifikasi fraksi overhead 1 (100%) atau 0 (0%).
(a)
(b)
Gambar 21. Tampilan halaman (a) Parameter dan (b) Split pada jendela Component Splitter Shortcut Distillation
Shortcut Distillation digunakan untuk melakukan perhitungan metode Fenske-Underwood untuk koloom refluks sederhana. Perbandingan refluks dapat dispesifikasi untuk menghitung laju aliran uap dan cair pada bagian enriching dan stripping, beban condenser dan reboiler, jumlah tray ideal, dan letak ideal feed. Untuk perhitungan dan hasil yang lebih lengkap, operasi kolom yang rigorous perlu dilakukan.
Produk atas dapat dipilih berupa uap jenuh atau cair jenuh. Kunci pemisahan diatur pada halaman Parameter, di mana light key dan heavy key component harus didefinisikan beserta target komposisinya. Perlu diingat bahwa light key harus lebih ringan dari heavy key. Nilai target komposisi dapat menyebabkan tidak mungkinnya sebuah operasi distilasi dijalankan. Apabila terjadi masalah,
nilai target komposisi dapat diganti-ganti untuk menyelesaikan operasi. Pada umumnya, semakin kecil nilai target pemisahan, semakin sulit pula pemisahan dilakukan. Tekanan condenser dan reboiler juga harus dispesifikasi terlebih dahulu. Tekanan reboiler selalu lebih besar daripada tekanan condenser untuk mencegah reverse pressure apabila terjadi pressure drop yang cukup besar pada bagian bawah kolom. Reverse pressure akan menyebabkan operasi distilasi tidak berjalan. Apabila target komposisi dan tekanan tidak bermasalah, perbandingan refluks minimum akan terhitung. Selanjutnya perbandingan refluks actual harus dispesifikasi untuk melakukan perhitungan lebih lanjut.
(a)
(b)
Gambar 22. Tampilan halaman (a) Connections dan (b) Parameters pada Shortcut Distillation Hasil perhitungan dirangkum dan dapat dilihat pada tab Performance. Hasil yang diperoleh meliputi jumlah tray minimum, jumlah tray actual, lokasi feed optimal, temperatur condenser dan reboiler, laju alir uap dan cair pada bagian atas dan bawah feed, dan beban condenser dan reboiler. Jumlah tray minimum dihitung menggunakan metode Fenske, dan jumlah tray actual dihitung menggunakan metode Gilliland. Perhitungan temperatur condenser dan reboiler hanya bergantung pada target pemisahan, yaitu komponen dan komposisinya, dan tidak dipengaruhi oleh perbandingan refluks. Beban condenser dan reboiler dihitung melalui neraca energi oleh HYSYS.
Kolom
Kolom merupakan unit operasi pemisahan distilasi yang terhitung secara rigorous. Kolom juga memiliki flowsheet yang dapat diatur dengan aplikasi tambahan. Dalam HYSYS standar, sub-flowsheet ini dapat diakses tapi tidak bisa diedit. Pada jendela property dari kolom, kita dapat mengatur jumlah tray, lokasi feed tray, tekanan bagian atas dan bawah kolom, dan juga beda tekan condenser dan reboiler. Jenis produk atas dapat diganti-ganti dan side draw dari kolom juga dapat ditambahkan.
Gambar 23. Tampilan jendela kolom
Prinsip dari perhitungan kolom rigorous adalah iterasi menuju kondisi konvergen menggunakan perkiraan awal (initial estimates) beberapa spesifikasi. Initial estimates secara singkat merupakan nilai-nilai yang diinput untuk membantu algoritma HYSYS mencapai solusi konvergen. Semakin baik nilai initial estimates, semakin cepat HYSYS akan mencapai solusi konvergen. Terdapat tiga cara untuk memberikan kolom initial estimates:
Memberikan nilai estimates pada saat membangun kolom (ini didapatkan dari perhitungan shortcut distillation.
Mengubah-ubah nilai estimates pada halaman Profiles di tab Parameters.
Memberikan spesifikasi nilai yang diinginkan pada halaman Monitor.
Sebagai contoh, estimasi temperatur dapat diberikan pada tahap manapun di kolom, termasuk condenser dan reboiler. Temperatur di sepanjang kolom diestimasi dengan interpolasi linear. Ketika terdapat perubahan temperatur yang cukup besar dalam kolom, estimasi sebaiknya dilakukan pada tray paling atas dan paling bawah dari kolom. Contoh lainnya, jika produk atas merupakan subcooled liquid, nilai temperatur baiknya diestimasi dengan temperatur bubble point untuk tahap condenser daripada menggunakan temperatur subcooled-nya.
Jenis-Jenis Kolom
Terdapat 6 tipe kolom dasar di HYSYS sesuai Tabel 6. Absorber dan liquid-liquid extractor memiliki konfigurasi yang sama. Reboiled Absorber dan Refluxed Absorber merupakan absorber dengan penambahan condenser atau reboiler sehingga menambah jumlah alira n batas (boundary stream).
Tabel 6. Tipe-tipe kolom dasar
Absorber
Karena absorber memiliki dua aliran masuk dan dua aliran keluar, absorber memiliki empat aliran batas sehingga absorber membutuhkan empat spesifikasi tekanan. Jadi spesifikasi tekanan selalu dibutuhkan pada produk cair dan uap dari kolom dengan dua aliran feed yang telah diketahui laju alirnya.
Reboiled Absorber
Unit ini memiliki satu aliran fe batas sehingga dibutuhkan tig Spesifikasi tekanan selalu dibutu Refluxed Absorber
Unit ini memiliki satu aliran f condenser. Jadi refluxed absorb atau lima spesifikasi tekanan d alir.
(a) Gambar 25. Ske Distillation Column
Kolom distilasi sederhana memil konfigurasi condenser. Three p aliran keluarnya bertambah sat satu spesifikasi tekanan dan si tengah kolom distilasi, jumlah v
d dan dua aliran keluar. Secara dasar, unit ini spesifikasi tekanan dan laju alir; satu tekana hkan pada produk uap kolom.
ed dan dua atau tiga aliran keluar, tergantu er memiliki tiga atau empat aliran batas dan
n laju alir;biasanya dua spesifikasi tekanan da
(b) ma (a) Reboiled Absorber dan (b) Refluxed Abso
iki satu aliran masuk dan dua atau tiga aliran ke ase distillation column sama dengan kolom di u karena adanya tiga fasa. Pada umumnya kol
anya spesifikasi laju alir. Apabila ada penamb riabel yang harus dispesifikasi akan bertambah.
Gambar 26. Skema kolom distilasi
memiliki tiga aliran n dan dua laju alir.
ng pada konfigurasi embutuhkan empat tiga spesifikasi laju
rber
luar, tergantung dari tilasi sedehana, tapi om distilasi memiliki ahan side draw dari
Jenis Condenser
Terdapat tiga jenis konfigurasi condenser yang membedakan aliran keluaran dari kolom. Konfigurasi condenser secara tidak langsung mempengaruhi proses pemisahan dalam kolom. Jenis-jenis konfigurasi condenser tersebut adalah partial condenser, fully-refluxed condenser, dan total condenser. Perbedaan ketiganya disajikan pada tabel berikut.
Tabel 7. Jenis-jenis condenser Jenis Skema Aliran keluaran
Partial Condenser Overhead vapour Reflux Distillate Fully-Refluxed Condenser Overhead vapour Reflux Total Condenser Reflux Distillate
Pada partial condenser, ketiga aliran keluar harus dispesifikasi. Satu spesifikasi tekanan direkomendasikan untuk aliran vapour dan satu spesifikasi laju alir untuk salah satu produk cairnya. Spesifikasi ketiga dapat merupakan laju alir dari aliran produk cair yang lain atau laju aliran refluks. Untuk fully-refluxed condenser, satu spesifikasi tekanan diperlukan pada aliran overhead vapour dan satu spesifikasi laju alir diperlukan pada alira refluks. Untuk total condenser, aliran refluks perlu dispesifikasi laju alirnya dan aliran distilat dispesifikasi tekanannya. Namun, untuk konfigurasi condenser ini, laju alir aliran distilat dapat dispesifikasi tapi tekanan kolom harus dikontrol melalui beban condenser.
Konvergensi Kolom
Iterasi untuk mencapai solusi konvergen oleh kolom dilakukan dengan mengklik tombol ‘Run’ pada bagian bawah jendela kolom. Apabila ada spesifikasi yang ingin diganti, tombol ‘Run’ yang telah berganti menjadi ‘Stop’ harus diklik terlebih dahulu, baru setelah itu iterasi dijalankan lagi dengan nilai spesifikasi yang baru. Halaman monitor pada tab Design menampilkan bagan untuk mengedit spesifikasi, mengawasi konvergensi, dan menampilkan plot dari profil kolom.
Pada kelompok spesifikasi, kita dapat memasukkan spesifikasi yang kita inginkan dalam mencapai solusi konvergen. Spesifikasi yang dapat ditambahkan misalnya temperatur dan komposisi. Misalnya,
komposisi komponen A yang diinginkan adalah 0,98 atau temperatur tray tertentu diinginkan pada temperatur 120oC. Nilai-nilai spesifikasi ini akan menjadi target yang akan dicapai oleh iterasi. Penambahan side draw atau pengubahan jenis condenser akan dapat menambah atau mengurangi jumlah variabel yang harus dispesifikasi.
Gambar 27. Tampilan halaman Monitor pada jendela kolom
Status spesifikasi dapat dikontrol dengan menggunakan tiga checkbox yang terdapat di kolom spesifikasi paling kanan, yaitu Active, Estimate, dan Current. Penjelasan status spesifikasi berdasarkan ketiga checkbox tersebut disajikan pada tabel di bawah ini.
Tabel 8. Deskripsi status spesifikasi Status Deskripsi
Active Spesifikasi tersebut menjadi nilai target yang harus dicapai oleh iterasi HYSYS. Spesifikasi yang aktif akan selalu menjadi initial estimate dan memakai satu derajat kebebasan. (ketika checkbox Active dicheck, checkbox Estimate dan Current otomatis tercheck)
Estimate Nilai variabel akan menjadi initial estimate dalam iterasi., Spesifikasi dalam status Estimate tidak memakai derajat kebebasan.
Current Pernyataan bahwa spesifikasi sedang digunakan oleh kolom dalam melakukan iterasi. Status checkbox Current setara dengan status Active. Checkbox Current tidak dapat diubah-ubah.
Completely Inactive Ketika ketiga checkbox tidak dicheck, spesifikasi tersebut tidak dipedulikan oleh HYSYS dalam melakukan iterasi. Spesifikasi ini berguna apabila sebauh variabel ingin dianalisis pengaruhnya.
Secara default, HYSYS memberikan lima spesifikasi yang mendasar untuk mencapai solusi konvergen. Spesifikasi-spesifikasi ini disebut replaceable specifications, variabel spesifikasi yang otomatis
tambahan pada kolom seperti side draw akan memunculkan spesifikasi baru yang diberikan HYSYS secara default. Kita bisa memakai spesifikasi yang telah disediakan HYSYS atau menggunakan spesifikasi lain yang kita inginkan. Untuk menambah spesifikasi baru selain yang tersedia, tekan tombol ‘Add Spec’. Spesifikasi default HYSYS adalah laju alir overhead vapour, laju alir distilat, laju alir produk bawah, perbandingan refluks, dan laju refluks.
Gambar 28. Tampilan jendela Add Spec di halaman Monitor Parameter Kolom
Hasil perhitungan kolom ditampilkan pada tab Parameters. Tab ini juga berfungsi mendefinisikan beberapa parameter mendasar dari kolom. Terdapat tiga halaman yang praktis akan sering digunakan pada tab ini, yaitu
Profiles
Estimates
Efficiencies
Profiles menampilkan profil tekanan, estimasi temperatur, laju alir uap dan cair sepanjang kolom. Angka-angka tersebut dapat kita spesifikasi sehingga kita dapat menghasilkan distribusi profil yang diinginkan. Flow basis untuk laju alir uap dan cair dapat diganti-ganti dengan option flow basis molar, mass, dan volume.
Tabel 9. Fungsi tombol di halaman Profiles kolom Tombol Fungsi
Update from Solution Memasukkan nilai hasil perhitungan HYSYS ke dalam cell yang terpilih. Nilai Estimates yang telah terkunci (warna biru) tidak dapat diupdate. Clear Menghapus nilai pada tray terpilih.
Clear All Menghapus nilai pada semua tray.
Lock Mengubah semua angka berwarna merah (tidak terkunci) menjadi biru (terkunci), sehingga tidak dapat diupdate dengan hasil perhitungan HYSYS sekalipun.
Unlock Mengubah semua angka biru (terkunci) menjadi merah (tidak terkunci). Angka yang diunlock akan terupdate dengan hasil perhitungan HYSYS. Stream Estimates Menampilkan temperatur, laju molar, dan entalpi dari semua aliran yang
terhubungkan dengan operasi kolom.
Gambar 29. Tampilan halaman Profiles pada jendela kolom
Halaman Estimates menyediakan informasi mengenai komposisi di sepanjang kolom. Pada halaman ini, komposisi di suatu tray dapat dispesifikasi sesuai keinginan. Spesifikasi komposisi dapat dilakukan untuk fasa uap dan fasa cair pada setiap tray. Komposisi dinyatakan dalam fraksi mol sehingga nilai berada di antara 0 sampai 1. Apabila interpolasi temperatur dilakukan secara linier, interpolasi komposisi dilakukan dalam basis logaritmik. Sama seperti halaman Profiles, nilai yang dispesifikasi manual akan otomatis berwarna biru (terkunci). Nilai yang berwarna merah merupakan hasil perhitungan HYSYS (tidak terkunci oleh spesifikasi). Fungsi tombol-tombol pada halaman ini disajikan sebagai berikut.
Tabel 10. Fungsi tombol di halaman Estimates kolom Tombol Fungsi
Clear Tray Menghapus semua nilai, biru maupun merah, pada tray terpilih. Clear All Trays Menghapus semua nilai pda semua tray.
Update Mengupdate nilai-nilai dengan hasil perhitungan HYSYS.
Restore Menghapus nilai-nilai yang dihitung HYSYS dan mengembalikan nilai-nilai menjadi nilai estimasi yang dispesifikasi.
Normalize Trays Menormalisasi komposisi tray terpilih sehingga jumlahnya satu. Lock Estimates Sama seperti Lock (lihat di atas)
Unlock Estimates Sama seperti Unlock (lihat di atas)
Gambar 30. Tampilan halaman Estimates pada jendela kolom
Halaman Efficiencies menampilkan data-data efisiensi seluruh tray di sepanjang kolom. Secara default, nilai efisiensi seluruh tray adalah 1 di mana kesetimbangan yang terjadi adalah ideal. Dengan demikian perhitungan jumlah tray akan menjadi jumlah tray teoritik.
7 Reaktor
Pendefinisian Reaksi
Untuk mengoperasikan simulasi reaksi yang kita inginkan di Si Reactions. Untuk menambah re dimasukkan ke dalam sebuah re reaktor pada flowsheet.
Gambar 32. Ta Conversion Reaction
Tipe reaksi ini tidak memerlu memasukkan stoikiometri reaks fungsi temperatur. Nilai konver berjalan sampai konversi yang konversi tidak dapat disatukan reaksi konversi dapat disatukan dengan Conversion Reactors.
Ga
reaktor di HYSYS, sebelumnya kita harus mende mulation Basis Manager. Database reaksi da aksi, tekan tombol ‘Add Rxn’. Reaksi-reaksi yan action set dan ditambahkan ke Fluid Package un
pilan tab Reactions pada Simulation Basis Man
kan pengetahuan termodinamika sama sekal i dan konversi dari reaktan basis. Konversi dapa si yang dispesifikasi tidak dapat melebihi 100
dispesifikasi tercapai atau reaktan pembatas dengan jenis reaksi lain dalam satu reaction dalam satu reaction set. Reaksi konversi hany
bar 33. Tampilan halaman Stoichiometry
finisikan dulu reaksi-at direaksi-atur pada tab g telah dibuat harus tuk bisa diakses oleh
ger
i. Kita hanya perlu t dinyatakan sebagai . Reaksi akan terus telah habis. Reaksi set. Namun sesame dapat dioperasikan
Gambar 34. Tampilan konfigurasi Conversion Reaction Equilibrium Reaction
Reaksi kesetimbangan membutuhkan pengetahuan tentang hubungan konstanta kesetimbangan dan temperatur. Nilai konstanta kesetimbangan, Keq, dapat dispesifikasi dengan berbagai cara:
Sebagai konstanta, masukkan Keqatau Ln (Keq)
Sebagai fungsi temperatur,
Sebagai tabel data Keq terhadap temperatur
Dihitung menggunakan Ideal Gibbs Free Energy oleh HYSYS
Pilihan metode perhitungan Keq ini dapat dipilih pada option di sebelah kanan halaman Basis pada tampilan konfigurasi Equilibrium Reaction. Data-data yang perlu dimasukkan seperti konstanta Keq,
tabel Keq terhadap temperatur, dan konstanta persamaan fungsi Keq terhadap temperatur, diatur
pada tab Keq. Tampilan tab Keq akan berubah-ubah tergantung metode perhitungan Keqyang dipilih
pada tab Basis. Reaksi kesetimbangan hanya dapat dioperasikan dengan Equilibrium Reactors dan Gibbs Reactors.
Kinetic Reaction
Reaksi tipe heterogenous catalytic dan simple rate juga pada dasarnya merupakan tipe reaksi kinetic sehingga dibahas menjadi satu pada bagian ini. Reaksi tipe ini merupakan reaksi dengan data-data yang cukup lengkap dan aktual. Pada tab Stoichiometry, kita dapat mendefinisikan orde reaksi forward dan kebalikan reaksi. Tab Basis akan mengatur basis satuan kinetika dan tab Parameters mengatur nilai-nilai konstanta Arrhenius, energi aktivasi, dan konstanta lainnya yang mempengaruhi konstanta laju reaksi.
.Gambar 36. Tampilan konfigurasi Kinetic Reaction
Reaksi kinetic dapat dioperasikan dengan CSTR dan plug flow reactors. Lain halnya dengan reaksi konversi dan kesetimbangan yang hanya bisa dioperasikan dengan general reactors.
Beberapa hal yang harus diperhatikan mengenai reaksi:
Pada halaman Stoichiometry, istilah reaction heat bukanlah heat of reaction. Reaksi eksotermik justru menghasilkan nilai reaction heat yang positif.
Temperatur pada persamaan fungsi memiliki satuan Kelvin.
Satuan energi aktivasi tidak diperlihatkan, tapi sama dengan satuan molar enthalpy. Untuk mengubah satuan energi aktivasi, satuan molar enthalpy-lha yang diubah pada preferences.
General Reactors
General Reactors di HYSYS meliputi Conversion Reactors, Equilibrium Reactors, dan Gibbs Reactors. Tampilan tab Design untuk ketiga jenis general reactors adalah sama. Halaman Connections berfungsi mengatur aliran-aliran masuk dan keluar reaktor, termasuk aliran energi. Apabila reaksi yang berlangsung adalah reaksi fasa gas, aliran cair juga tetap perlu dipasang, tapi nanti nilai laju alirnya akan bernilai nol. Halaman Parameters berfungsi mengatur beda tekan reaktor, beban energi pada reaktor, dan juga volume reaktor. Beda tekan hanya dapat dispesifikasikan sebagai konstanta. Lain halnya dengan plug flow reactor nanti, beda tekan dapat dinyatakan sebagai fungsi dimensi reaktor dengan persamaan Ergun. Perbedaan ketiga jenis general reactors ini terletak pada tab Parameters. Tab Parameters akan mengatur konfigurasi reaktor sesuai jenisnya masing-masing.
(a)
(b)
Pada dasarnya, tab Reactions terdiri dari dua halaman, yaitu halaman Details dan Results. Secara umum, halaman Details menampilkan pengaturan reaksi yang terlibat dan halaman Results menampilkan hasil dan ringkasan reaksi seperti konversi dan yield yang terhitung. Pada halama Details, reaction set yang telah diatur di Simulation Basis Manager dapat dimasukkan ke reaktor untuk dijalankan. Apabila jenis reaksi tidak sesuai dengan reaktor yang dipilih, reaction set otomatis akan ditolak HYSYS.
Conversion Reactor Reactions Tab
Pada halaman Details reaktor konversi, terdapat beberapa option, yaitu:
Stoichiometry, mengatur stoikiometri dari reaksi
Basis, mengatur konfigurasi basis perhitungan reaksi
Conversion, menampilkan data-data untuk perhitungan konversi
Gambar 38. Halaman Details pada tab Reactions Conversion Reactors
Pada halaman Results reaktor konversi, terdapat kolom tambahan, yaitu Rank, yang menunjukkan ranking terjadinya reaksi. Reaksi dengan rank lebih rendah akan berlangsung lebih dahulu. Lebih dari satu reaksi dapat memiliki rank yang sama.
Equilibrium Reactos Reactions Tab
Pada halaman Details reaktor konversi, terdapat beberapa option, yaitu:
Stoichiometry, mengatur stoikiometri dari reaksi
Basis, mengatur konfigurasi basis perhitungan reaksi
Keq, mengatur data-data perhitungan konstanta kesetimbangan reaksi
Approach, mengatur aproksimasi konversi sebagai fungsi temperatur dan aproksimasi perhitungan pada temperatur reaksi (spesifikasi tambahan, jarang digunakan)
Gambar 39. Halaman Details pada tab Reactions Equilibrium Reactors Gibbs Reactor Reactions Tab
Reaktor Gibbs menghitung komposisi keluaran sedemikian sehingga fasa dan kesetimbangan kimia dari aliran keluaran tercapai. Namun, reaktor Gibbs tidak membutuhkan reaksi stoikiometrik spesifik untuk menghitung komposisi keluaran. HYSYS menghitung komposisi keluaran menggunakan kondisi di mana energi bebas Gibbs dari sistem minimum pada saat kesetimbangan. Prinsip kerja ini sedikit berbeda dengan perhitungan reaktor kesetimbangan yang memakai Keq source dari ideal Gibbs free energy karena reaktor Gibbs tidak mengasumsikan campuran komponen dan reaksi berperilaku secara ideal. Reaktor Gibbs memperhitungkan adanya excess Gibbs dan perilaku nonideal lainnya dari campuran senyawa kimia.
Pada halaman Overall reaktor Gibbs, terdapat tiga option utama, yaitu:
Gibbs Reactions Only, tidak perlu ada spesifikasi reaction set.
Specify Equilibrium Reactions, membutuhkan spesifikasi equilibrium reaction set.
No Reactions, reaktor hanya akan bertindak sebagai separator.
Kegunaan reaktor Gibbs cukup versatile karena dapat digunakan juga hanya sebagai separator, di mana ia meminimumkan energi bebas Gibbs tanpa adanya reaction set yang terpasang. Ketika reaction set terpasang, stoikiometri dari reaksi ikut digunakan dalam perhitungan reaktor Gibbs. Pada kelompok Solving Options, kita juga dapat mengatur jumlah iterasi maksimum yang harus dilakukan HYSYS, juga nilai toleransi yang diinginkan.
Gambar 40. Halaman Overall pada tab Reactions Gibbs Reactors
Halaman Details dari reaktor Gibbs berbeda dengan kedua general reactors lainnya. Terdapat dua option pada halaman Details reaktor Gibbs, yaitu Flow Specs dan Atom Matrix. Option Flow Specs mengizinkan kita untuk memberikan spesifikasi-spesifikasi laju alir yang diinginkan untuk komponen tertentu. Atom Matrix mengizinkan kita mengatur jumlah-jumlah atom dalam senyawa-senyawa yang terlibat. Option ini biasa digunakan untuk senyawa-senyawa yang tidak diketahui rumus molekulnya dan berguna untuk membantu perhitungan neraca atom karena stoikometri reaksi yang tidak diketahui.
Reactor Rating
Apabila tab Reactions mengatur konfigurasi reaksi, tab Ratin mengatur konfigurasi reaktor. Pada halaman Sizing, kita dapat mengatur bentuk dan dimensi reaktor. Jika ‘This Reactor has a Boot’ dicheck, konfigurasi boot akan tampil berupa boot diameter dan boot height. Nilai boot dapat langsung terhitung oleh HYSYS atau dispesifikasi sendiri. Halaman Nozzles mengatur terutama elevasi reaktor dari permukaan tanah dan juga dimensi nozzles.
Gambar 42. Tampilan tab Rating dari general reactors CSTR
Reaktor tangki ideal ini tidak jauh berbeda dengan general reactors. Namun, CSTR hanya bisa digunakan untuk mengoperasikan reaksi kinetic, heterogenous catalytic, dan simple rate. Konversi reaksi bergantung pada ekspresi laju reaksi dari reaksi yang bersangkutan. Seperti asumsi CSTR pada umumnya, aliran masuk diasumsikan langsung bercampur secara menyeluruh sehingga komposisi keluaran reaktor identik dengan komposisi di seluruh bagian reaktor. Dengan data volume reaktor, persamaan laju reaksi, dan stoikiometri reaksi, CSTR dapat menghitung konversi tiap komponen yang masuk ke reaktor.
Halaman Details pada tab Reactions CSTR hanya memiliki dua option, yaitu Stoichiometry dan Basis. Basis mengatur konstanta-konstanta yang digunakan dalam persamaan laju reaksi seperti konstanta Arrhenius dan energi aktivasi. Halama Results dan tab Rating dari CSTR sama dengan general reactors.
Gambar 43. Tampilan optioin Basis halaman Details CSTR Plug Flow Reactor
Plug Flow Reactor (PFR) terdiri dari sebundel pipa atau tube silinder. Aliran dimodelkan sebagai aliran plug yang berarti aliran dalam reaktor berjalan secara radial isotropik (tidak ada gradient massa atau energi). Pencampuran aksial dalam PFR dianggap tidak ada.
Gambar 44. Skema PFR
Seiring reaktan mengalir di sepanjang reaktor, reaktan terus terkonsumsi seccara kontinyu, sehingga terdapat perubahan aksial dalam konsentrasi. Karena laju raksi merupakan fungsi dari konsentrasi, laju reaksi juga berubah secara aksial (kecuali reaksi orde nol).
Pada halaman Parameters, beda tekan dapat dispesifikasi berupa angka langsung atau dihitung menggunakan persamaan Ergun sebagai fungsi dari dimensi reaktor dan fluida.
Selain beda tekan, halaman ini juga mengizinkan kita melakukan spesifikasi beban panas pada reaktor, baik pendinginan maupun pemanasan. Apabila kita tidak ingin memberikan nilai beban panas secara langsung, kita dapat memilih option ‘Formula’, bukan ‘Direct Q Value’. Konfigurasi formula ini diatur lebih lanjut pada halaman Heat Transfer. Option Formula mengizinkan kita memasukkan data-data mendasar yang dapat digunakan HYSYS untuk menghitung perpindahan panas, seperti wall heat transfer, laju alir molar, heat capacity. Konstanta-konstanta empiris dalam persamaan bilangan tak berdimensi Nusselt, Prandtl, dan Reynold juga dapat dispesifikasi untuk perhitungan koefisien perpindahan panas pada bagian t ube.
(a)
(b)
Tab Reactions dari PFR berbeda sekali dengan CSTR maupun general reactors karena konfigurasinya yang lebih kompleks. Sama seperti CSTR, tab Reactions terdiri dari tiga halaman, yaitu Overall, Details, dan Results. Halaman Overall mengatur pemilihan reaction set, pengaturan segmen PFR, dan pengaturan data katalis. Selama perhitungan tiap segmen, HYSYS akan mencoba menghitung solusi untuk seluruh panjang segmen. Jika solusi tidak diperoleh, segmen yang sedang dihitung akan dibelah menjadi dua dan solusi akan diselesaikan terlebih dahulu untuk setengah segmen pertama. Jika segmen sudah dibagi sampai poin di mana panjang segmen lebih kecil dan minimum step length, perhitungan akan dihentikan. Selain panjang minimum, pembagian segmen saat perhitungan juga dapat dibatasi dengan minimum step fraction atau jumlah segmen minimum.
Gambar 47. Tampilan halaman Overall pada tab Reactions PFR
Halaman Details dan Results dari PFR sama dengan CSTR karena reaksi yang terlibat sama, yaitu reaksi kinetik. Namun,tab Rating dari PFR sedikit berbeda dengan CSTR maupun general reactors karena bentuk PFR yang memiliki tube dan data katalis sehingga terdapat data-data yang harus ditambahkan seperti jumlah tube, ketebalan tube, juga void fraction dari katalis.
Contoh Kasus
Buat simulasi reaksi sintesis metanol dari CO dan H2. Komposisi aliran feed gas adalah CO 25%, CO2
10%, H250%, H2O 15%-mol pada temperatur 150oC, 80 bar, laju alir 10 kmol/jam. Keluaran reaktor
didinginkan hingga metanol dan H2O terlepas dari fasa gas melalui separator. Pemurnian metanol
dilakukan dengan distilasi.
Reaksi yang terlibat diasumsikan hanya: CO + 2 H2→CH3OH
(a) Simulasikan reaksi pada temperatur 250oC dengan reaktor konversi. Konversi ditetapkan 40% CO.
(b) Apabila reaksi disimulasi dengan reaktor equilibrium, berapa temperatur reaksi seharusnya yang dapat menghasilkan konversi 40% CO?
(c) Untuk perbandingan, simulasikan reaksi dalam reaktor Gibbs. Apakah pada temperatur reaksi pada nomor (b), komposisi keluaran reaktor Gibbs sama dengna keluaran reaktor equilibrium?
8 Operasi Logika
Adjust
Operasi logika adjust mengubah-ubah nilai sebuah variabel (independent variable) untuk mencapai nilai atau spesifikasi yang diinginkan (dependent variable). Dalam flowsheet, kombinasi spesifikasi tertentu mungkin dibutuhkan dan tidak dapat diselesaikan secara langsung. Masalah seperti ini harus diselesaikan secara trial-and-error. Untuk menyelesaikan trial-and-error ini, operasi adjust dapat digunakan untuk melakukan iterasi trial-and-error secara mandiri. Operasi adjust sangat fleksibel karena dapat digunakan untuk menyelesaikan satu dependent variable melalui iterasi multiple independent variable secara simultan.
Operasi adjust dapat melakukan dua fungsi berikut:
Mengubah-ubah nilai independent variable sampai nilai dependent variable mencapai t arget nilai yang dispesifikasi.
Mengubah-ubah nilai independent variable sampai nilai dependent variable sama dengan niali suatu variabel di lain objek dengan offset tertentu.
Gambar 49. Tampilan jendela Adjust
Untu menghapus operasi adjust, tekan tombol ‘Delete’ dan HYSYS akan mengkonfirmasi penghapusan operasi. Checkbox Ignored yang teraktivasi akan menyebabkan operasi adjust tidak diperhatikan oleh HYSYS. Independent dan dependent variabel dapat diatur pada Adjusted Variable dan Target Variabel. Target value dapat berupa spesifikasi langsung, spesifikasi dari objek lain, maupun objek dari spreadsheet. Penggunaan spreadsheet akan dibahas pada Bab ini juga. Setelah koneksi sudah diatur pada tab Connections, konfigurasi iterasi seperti metode, toleransi, step size, batas atas, batas bawah, dan iteras maksimum, dapat diatur pada halaman Parameters.
Gambar 50. Tampilan halaman Parameters operasi Adjust Contoh Kasus 1
Untuk contoh kasus reaktor sintesis metanol pada Bab 7, coba gunakan operasi Adjust untuk mendapatkan produk metanol sebesar 50 kmol/jam. Berapa laju alir feed gas yang dibutuhkan? Set
Operasi logika set digunakan untuk menyatakan suatu nilai dari variabel proses sebagai fungsi terhadap proses variabel lain. Hubungan itu dapat berupa variabel yang sama dari dua objek yang berfungsi sama, contohnya temperatur dari dua penukar panas. Hubungan variabel yang disediakan oleh HYSYS berupa linier.
Y = MX + B
Y = dependent variable M = multiplier X = independent variable B = offset
Target variable merupakan dependent variable yang ingin dihubungkan dengan dependent variable. Source merupakan independent variable yang menjadi sumber persamaan yang menghubungkan kedua variable. Nilai multiplier dan offset dapat diatur pada halaman Parameters. Apabila kita ingin menghubungkan kedua variabel dengan kontanta pengali saja, nilai offset dapat dimasukkan dengan angka nol.
Gambar 52. Tampilan halaman Parameters operasi Set Recycle
Kemampuan suatu simulator flowsheet untuk menyelesaikan permasalahan recycle sangatlah penting. Operasi recycle sendiri memberikan sebuah unit tambahan dalam aliran proses yang tidak mempengaruhi proses. Kondisi stream dapat ditransfer secara maju atau mundur antara aliran masuk dan keluar dari unit recycle. Berikut langkah-langkah yang dilakukan HYSYS untuk mencapai kondisi konvergen:
HYSYS menggunakan nilai yang diasumsi dan menyelesaikan flowsheet di sepanjang siklus recycle.
HYSYS kemudian membandingkan nilai yang diasumsi pada satu aliran yang terpasang pada recycle dengan nilai yang terhitung pada aliran yang terpasang di seberang recycle.
Dari perbedaan yang ada, HYSYS mengambil nilai-nilai baru untuk menggantikan nilai-nilai yang diasumsi sebelumnya.
Proses perhitungan diulang terus hingga nilai yang diasumsi mendekati nilai yang terhitung.
Spreadsheet
Spreadsheet secara singkat mengaplikasikan fungsi spreadsheet untuk melakukan pemodelan flowsheet. Dengan akses menyeluruh ke smua variabel proses, spreadsheet merupakan aplikasi yang sangat powerful di HYSYS. Spreadsheet dapat digunakan untuk memanipulasi atau melakukan perhitungan custom yang tidak mungkin disediakan oleh HYSYS. Berbagai formula matematis dapat dilakukan dengan spreadsheet karena spreadsheet pada dasarnya sama dengan Excel. Contoh penggunaan spreadsheet adalah perhitungan beda tekan penukar panas. Di HYSYS, beda tekan penukar panas selalu konstan tanpa dipengaruhi oleh laju alir. Dengan spreadsheet, beda tekan dapat dibuat menjadi fungsi laju alir. Nilai laju alir diimport ke spreadsheet. Formula beda tekan sebagai fungsi laju alir disusun di spreadsheet dan nilainya diexport ke cell beda tekan pada penukar panas.
9 Optimizer
Pendahuluan
HYSYS memilki aplikasi Optimizer yang dapat mengolah multivariable. Setelah sebuah flowsheet telah dibangun dan mencapai kondisi konvergen, Optimizer dapat digunakan untuk mencari kondisi operasi yang memaksimumkan atau meminimumkan suatu fungsi objektif yang didefinisikan. Optimizer memiliki spreadsheet tersendiri dan dapat mengolah berbagai macam ekspresi constraint yang mungkin. Biasanya Optimizer digunakan untuk meminimumkan kebutuhan utilitas, daya alat, atau memaksimumkan profit. Optimizer dapat diakses pada toolbar Simulation. Tiga terminology yang digunakan oleh Optimizer adalah sebagai berikut.
Tabel 11. Terminology Optimizer Terminologi Definisi
Primarty Variables Ini merupakan variabel-variabel yang diimport dari flowsheet yang akan dimanipulasi untuk meminimumkan atau memaksimumkan fungsi objektif. Batas atas dan bawah dari primary variables juga dapat dispesifikasi untuk mempermudah rentang pencarian.
Objective Function Fungsi yang akan diminimumkan atau dimaksimumkan. Fungsi objektif dapat dibangun dengan sangat fleksibel dan didefinisikan melalui Optimizer Spreadsheet.
Constraint Functions Persamaan dan pertidaksamaan yang perlu dipenuhi dalam memaksimumkan atau meminimumkan fungsi objektif.
Variables
Primary variables diatur dan diimport melalui tab Variables. Semua variabel proses yang dapat diubah (user-specified) dapat dijadikan primary variable. Tombol ‘Add’ digunakan untuk menambah variabel, sedangkan ‘Edit’ dan ‘Delete’ digunakan untuk mengubah dan menghapus variabel yang telah diimport. ‘Save Current’ akan menyimpan nilai yang ada, dan ‘Reset Current’ akan mereset nilai-nilai variabel menjadi nilai-nilai yang telah disimpan.
Batas atas dan batas bawah tentunya juga harus dipilih sedemikian sehingga solusi yang diperoleh dapat mungkin terjadi dalam seluruh flowsheet. Misalnya primary variable yang dipilih adalah laju alir bagian tube penukar panas. Apabila laju alir ini terlalu kecil, temperature cross dapat terjadi dalam penukar panas dan menyebabkan perhitungan Optimizer berhenti. Dalam kasus ini, batas bawah dipilih seminimalnya supaya temperature cross tidak terjadi.
Optimizer Spreadsheet dan Functions
Optimizer di HYSYS memiliki spreadsheet khusus yang hanya dapat diakses oleh Optimizer untuk membangun fungsi objektif, juga fungsi-fungsi constraint. Optimizer spreadsheet identik dengan spreadsheet di flowsheetl variabel proses dapat diimport dan kemudian fungsi-fungsi dapat dibangun menggunakan sintaks-sintaks standar.
Pada tab Functions, fungsi objektif dapat dispesifikasi pada field Cell. Nilai fungsi objektif yang sedang terhitung ditampilkan pada field di bawahnya, yaitu field Current Value. Untuk memilih bagaimana fungsi objektif harus diarahkan, tersedia option Minimize atau Maximize di sebelah kanan field Cell dan Current Value. Fungsi-fungsi constraint dispesifikasikan pada tabel Constraint Functions. Fungsi constraint dispesifikasi dengan cara memberikan nilai ruas kiri (LHS) dan ruas kanan (RHS) dari fungsi. Hubungan kedua ruas dispesifikasi pada kolom Condition, LHS > RHS, LHS < RHS, atau LHS = RHS. Penalty value menyatakan pentingnya constraint. Semakin tinggi nilai penalty value, semakin berat constraint tersebut harus diprioritaskan. Nilai penalty value secara default adalah 1.
Gambar 56. Tampilan tab Functions Optimizer Parameters
Tab Parameters mengatur konfigurasi dari proses optimisasi. Scheme merupakan metode optimisasi yang digunakan. Maximum function evaluations merupakan jumlah evaluasi fungsi yang dilakukan dalam satu kali iterasi. Nilai ini berbeda dengan maximum iterations. Maximum iterations adalah jumlah maksimum iterasi untuk nilai primary variables yang berbeda. Tolerance merupakan toleransi
Gambar 57. Tampilan tab Parameters Optimizer
Hasil perhitungan iterasi yang sedang berlangsung ditampilkan pada tab Monitor.
10 Databook Case Studies
Pendahuluan
HYSYS memilki aplikasi Databook yang berfungsi mendokumentasikan variabel-variabel secara visual untuk diamati pengaruhnya terhadap seuatu variabel lain. Secara singkat, mungkin pengamatan pengaruh suatu variabel terhadap variabel lain dapat dilakukan juga dengan Spreadsheet maupun Optimizer. Namun databook dapat mengkonstruksi tampilan visual berupa grafik.
Gambar 59. Tampilan jendela Databook
Variabel-variabel yang hendak diolah dalam Databook diimport melalui tab Variables. Tab Process Data Tables, Strip Charts, dan Data Recorder biasa digunakan pada operasi HYSYS dinamik. Pada operasi steady state, hanya tab Case Studies yang akan dibahas. Case Studies merupakan simulasi yang akan menampilkan secara grafis pengaruh sebuah variabel (sumbu ordinat) terhadap variabel lain (sumbu basis). Untuk menambah sebuah case studies, tekan tombol ‘Add’ pada kelompok Available Case Studies. Pada kelompok Data Selection, terdapat daftar variabel yang telah diimport pada tab Variables. Independent variable dan dependent variable dapat dipilih dengan mencheck checkbox variabel tersebut masing-masing. Apabila variabel-variabel yang ingin disimulasikan sudah dipilih, tekan tombol ‘View’ untuk menampilkan jendela konfigurasi case studies yang bersangkutan. Pada jendela Case Studies Setup, kita dapat mengatur batas bawah dan atas dari independent variable yang ingin kita amati. Step size merupakan jarak tiap perhitungan data. Semakin banyak variabel dan semakin kecil step size, jumlah perhitungan akan semakin banyak karena number of states yang perlu diperhitungkan semakin banyak. Tampilan grafis dapat ditampilkan secara nested ataupun diskrit. Untuk memulai simualsi case studies, tekan tombol ‘Start’ untuk memulai perhitungan. Jujmlah state yang banyak akan memakan waktu yang cukup lama. Hasil perhitungan dapat dilihat dengan menekan tombol ‘Results’.
Gambar 60. Tampilan tab Case Studies Databook
Gambar 61. Tampilan jendela Case Studies Setup Contoh Kasus
Buat simulasi siklus refrigerasi propan dengan 2 tahap kompresor dengan spesifikasi sebagai berikut. Temperatur keluaran condenser adalah 30oC dan cair jenuh dan temperatur keluaran evaporator adalah -20oC dan uap jenuh.
(a) Bangun studi kasus pengaruh tekanan antara kedua tahap kompresor terhadap daya kompresor dan kebutuhan propan.
(b) Berapa tekanan antara dari kedua kompresor supaya daya total kompresor dan kebutuhan propan minimum?
