Disain Pabrik Kimia (Flow-Sheeting)
[email protected]
Pengantar Flow-sheeting • Flow-sheet merupakan dokumen kunci didalam disain pabrik • Flow-sheet menunjukkan – Susunan peralatan peralatan yang yang dipilih untuk menjalanka menjalankan n proses – Aliran-aliran dari laju alir dan komposisi komposisi – Kondisi operasi
• Flow-sheet merupakan model dalam bentuk diagram dari suatu proses Æ disebut juga sebagai Process Flow Diagram (PFD) • Flow-sheet akan digunakan oleh – Bagian perencana perencana sebagai sebagai dasar dari dari rancangannya rancangannya – Bagian ope operator rator untuk untuk menyiapkan menyiapkan manual operasi operasi dan training operator
Penyajian Flow-Sheet • Karena proses flow-sheet merupakan dokumen kunci tentang proses, maka penyajiannya harus jelas, komprehensip, akurat dan lengkap. • Berbagai hal tentang flow-sheet akan dibahas sbb: – – – – – – – – – –
Blok diagram Representasi Represent asi gambar Penyajian aliran laju alir Informasi yang yang dicantumkan dicantumkan Layout Presisi data Dasar Perhitungan Perhitungan Proses Batch Utilitas Identifikasi Peralatan Peralatan
Blok diagram • Blok diagram adalah bentuk penyajian yang paling sederhana, untuk menggambarkan aliran proses. • Tiap blok dapat merepresentasikan suatu peralatan tunggal atau tahapan lengkap dari proses • Untuk proses yang komplek, kegunaannya dibatasi untuk menunjukkan proses secara global, dipecah-pecah menjadi tahapan-tahapan utama • Berguna untuk menyajikan suatu proses dalam bentuk yang sederhana dalam laporan atau texbook, tetapi penggunaanya terbatas sebagai engineering documents • Garis-garis aliran dan komposisi dapat ditunjukkan pada sekitar garis-garis yang berdekatan atau ditabelkan secara terpisah. • Blok dapat berbentuk apasaja, umumnya campuran persegi empat dan lingkaran
Contoh Blok Diagram
GAS / LPG
L.NAPHTHA
CDU-V
LPG RECOVERY
H.NAPHTHA
Crude
60 MBSD
FLARE L P G
KEROSENE
H.NAPHTHA
GAS OIL
HVU-III
WAX PLANT
25 MBSD
150 TON/HARI
W A X
GAS / LPG L.NAPHTHA
Crude
CDU-IV
H.NAPHTHA
MOGAS
N H T 20 MBSD
200 MBSD
REFORMATE
PLATFORMER 20 MBSD
KEROSENE GAS OIL
L.RESIDUE
GAS OIL
HVU-II 81 MBSD
LPG NAT.GAS
LVGO HVGO
H2 PLANT-B
HCU-A 27,5 MBSD
HCU-B
H2 PLANT-A 34 MMSCFD
KEROSENE / AVTUR
27,5 MBSD
H2 S.RESIDUE
L.NAPHTHA H.NAPHTHA
KEROSENE / AVTUR GAS OIL
6 KOMPONEN
Representasi gambar • Pada flow-sheet detail yang digunakan untuk perancangan dan operasi, peralatan umumnya digambar dalam bentuk yang mewakili gambar sesungguhnya • Untuk dokumen tender atau bosur perusahaan, gambar sesungguhnya yang berskala kadangkala digunakan, tetapi yang lebih umum dalam penyajian yang lebih sederhana • Bentuk-bentuk gambar dan simbol-simbol ada standarisasinya : – – – – –
BS (British Standard) Standard) ANSI (American National Standard Standard Institute) Institute) AFNOR (France (France standar) standar) JIS (Japan Internatio International nal Standar) Standar) SII
NAPTHA HYDRO TREATER
Penyajian aliran laju alir • Data laju alir untuk tiap-tiap komponen, pada aliran total dan persentase komposisi dapat digambarkan pada flow-sheet dengan berbagai cara : – Metode yang sederhana, untuk proses yang sederhana dengan jumlah peralatan yang relatif sedikit, data ditabelkan sepanjang garis-garis aliran. Data yang ditampilkan terbatas dan relatif sulit untuk merubah atau menambah data – Metode yang lebih baik adalah dengan memberi nomor aliran dan data-data ditabelkan dibawah flowsheet. Metode ini umumnya digunakan oleh disainer professional.
Contoh penyajian data aliran sederhana
Contoh penyajian data aliran sederhana
Contoh penyajian data aliran dengan tabel
Contoh penyajian data aliran dengan tabel
Informasi yang dicantumkan • • •
Jumlah data yang dicantumkan pada flow-sheet tegantung pada kebiasaan dan praktek disain tertentu. Secara umum dapat dikategorikan menjadi Informasi essential (yang harus ditampilkan) dan informasi optional (yang boleh ada atau tidak) Informasi Essensial : – Komposisi aliran (flow-rate (flow-rate individual component dalam dalam kg/h atau komposisi aliran dalam fraksi berat) – Laju alir total, kg/h – Suhu aliran – Tekanan operasi aliran
•
Informasi Optional : – – – –
Komposisi molar Sifat-sifat fisik (densitas, (densitas, viskositas) Nama aliran Enthalpy aliran
Layout •
•
• •
Urut-urutan peralatan utama ditunjukkan secara simbolik di dalam Urut-urutan flow-sheet mengikuti rencana plant-layout. Beberapa licensor menampilkan alat-alat tambahan seperti pompa dan heat exchanger Peralatan semestinya digambar kira-kira sesuai dengan skala. Beberapa licensor mementingkan kejelasan (clarity), alat-alat utama digambar secara kasar proportional, sedang alat-alat tambahan digambar tidak proportional Tabel data aliran dapat diletakkan diatas atau dibawah layout peralatan. Praktek umumnya diletakkan dibagian bawah Informasi setiap aliran dibuat selengkap mungkin, tidak ada ambiguity. Tujuan dari pembuatan flow-sheet untuk menunjukkan fungsi dari tiap unit proses, bahkan untuk menunjukkan jika tidak memiliki fungsi
Presisi data • Aliran total dan komponen tidak perlu dibuat pesisi tinggi dalam flowsheet, paling tidak 1 angka dibelakang koma. • Apabila aliran begitu kecil, dibuat beberapa angka dibelakang koma. Jika sangat kecil ditulis dengan “TRACE” atau tetap dikosongi (jangan diberi angka nol) • Jika komposisi trace komponen menjadi constraint dalam proses maka nyatakan dalam satuan ppm.
Dasar Perhitungan • Adalah suatu cara yang baik (good practice) untuk menunjukkan basis yang digunakan untuk perhitungan flowsheet. Hal ini termasuk : – – – –
jam operasi per tahun, yield reaksi, suhu referensi untuk neraca panas, dan beberapa asumsi yang digunakan
Proses Batch • Flowsheet untuk proses batch umumnya menunjukkan jumlah yang diperlukan untuk menghasilkan setiap batch • Apabila proses batch merupakan bagian dari proses kontinyu, dapat ditunjukkan pada flowsheet yang sama, dengan menyediakan potongan yang jelas ketika tabel data antara bagian kontinyu dan bagian batch; perubahan kg/h ke kg/batch • Suatu proses kontinyu dapat termasuk penambahan reagent minor seperti katalis secara batch
Utilitas • Untuk menghindari flow-sheet yang rumit, tidak umum secara praktek untuk menunjukkan bagian utilitas dan alirannya pada flow-sheet. • Koneksi terhadap utilitas ditiap alat semestinya ditunjukkan dan ditandai/label • Kebutuhan utilitas untuk tiap peralatan dapat ditabelkan pada flow-sheet
Identifikasi Peralatan • Tiap peralatan yang ditampilkan pada flow-sheet harus di identifikasi dengan nomer dan nama • Nomer identifikasi (biasanya huruf dan angka) umumnya diperuntukkan setiap alat sebagai bagian dari prosedur pengontrolan proyek dan akan digunakan untuk identifikasinya dalam semua dokumen proyek • Penomoran yang paling mudah dengan menggunakan huruf awal yang menunjuukan nama alat : – H : heat exchanger exchanger – C : Columns Columns – R : React Reactors ors
yang kemudian diikuti dengan angka • Contoh : R-101, P-101
Identifikasi Peralatan Reaktor
Area 1
Nomor alat ke-1
R-101 Pompa
Area 2
P-211
Nomor alat ke-11
Penyiapan Flow-Sheet • Pengantar • Basis untuk perhitungan • Perhitungan tiap-tiap unit – Reaktor – Equilibrium stage – Komposisi aliran – Neraca massa dan energi
• Computer-aided flow-sheeting
Penyiapan Flow-Sheet • Aliran dan komposisi dihitung dari neraca massa, yang digabungkan dengan persamaan disain dari proses dan equipment design constraints • Ada 2 macam design constraints: – External constraints : ti tida dak k da dapa patt di dike kend ndal alik ikan an se seca cara ra lang la ngs sun ung g ol oleh eh pe pera ranc ncan ang g mi mis sal : sp spes esiifi fika kasi si pr prod oduk uk,, pertimbangan safety, batasan air limbah – Internal constraints : ditentukan oleh karakteristik proses dan fungsi peralata, misal : konversi atau yield reaktor, kesetimbangan, neraca energi, keterbatasan alat secara umum
Penyiapan Flow-Sheet • Flow-sheet biasanya digambar pada tahap awal dalam peng pe ngem emba bang ngan an pr proy oyek ek.. Pr Prel elim imin iner ery y fl flow ow-s -she heet et ak akan an memb me mban antu tu me memp mper erje jela las s ko kons nsep ep pe pera ranc ncan ang g pr pros oses es,, da dan n berfungsi sebagai dasar diskusi dengan anggota tim yang lain. • Pengembangan flow-sheet selanjutnya digambar sebelum pengerjaan penger jaan detail detail-desi -design gn dari perala peralatan, tan, yang tergan tergantung tung padakompleksitas proses dan informasi yang tersedia. • Apabila disain dibuat sebagian besar merupakan duplikasi dari existing proces , wa wala laup upun un mu mung ngki kin n ka kapa pasi sita tasn snya ya berbeda, unjuk kerja peralatan telah diketahui dan aliran serta komposisi dapat segera dihitung. • Sedang untuk proses yang baru atau modifikasi besar dari hany nya a mun ungk gkin in me meng nghi hitu tung ng be bebe bera rapa pa existing proces , ha alir al iran an se seca cara ra in inde depe pend nden en ter terha hada dap p pe pert rtim imban banga gan n di disa sain in,, sedang aliran-aliran dan komposisi yang lain akan tergantung pada disain dan unjuk kerja peralatan.
Penyiapan Flow-Sheet • Untuk menggambar flow-sheet, perancang harus menggunakan judgement -nya -nya dalam memutuskan aliran-aliran mana yang dapat dihitung secara langsung; yang hanya sedikit tergantung pada disain peralatan ; yang ditentukan oleh disain peralatan. • Yang sedikit tergantung, berarti aliran-aliran yang berhubungan dengan peralatan, yang unjuk kerjanya diasumsi atau diperkirakan, tanpa memasukkan faktor kesalahan dalam flow-sheet. Detail desain bagian ini dapat dilakukan kemudian, untuk mencocokkan dengan unjuk kerja peralatn dan kemudian dispesfikasikan dalam flow-sheet. Bagian-bagian ini yang diestimasi oleh perancang dengan sedikit resiko (cost penalty) jika seandainya unjuk kerja optimal tidak dicapai. Misalnya dalam separator dua fase (decanter), apabila equilibrium antar fase diasumsikan, maka komposisi aliran keluar dapat dihitung secara langsung yang independen dari disain separator. Separator akan didisain kemudian, untuk memberikan waktu tinggal yang cukup agar aliran mendekati kondisi keseimbangan, seperti yang diasumsikan dalam perhitungan • Interaksi yang kuat akan terjadi ketika aliran dan komposisi ditentukan oleh unjuk kerja dan disain peralatan. Misalnya konversi optimum dalam sistim reaktor dengan recycle dari reaktan yang tidak bereaksi akan ditentukan oleh disain peralatan pemisah. Untuk menentukan aliran dan komposisinya diperlukan untuk membuat model matematika sistim reaktor-separator termasuk biayanya.
Basis untuk perhitungan Time basis : • tidak ada pabrik yang beropearsi tanpa shut-down. Periode shut-down diperlukan untuk pemeliharaan, inspeksi, pembersihan peralatan dan pergantian katalis dan packing. • Frekuensi shut-down dan konsekuensi hialngnya produksi tergantung dari karakteristik proses. • Untuk kebanyakan pabrik kimia dan petrokimia umumnya beroperasi 90 – 95 % dari total jam dalam setahun (8760). 8000 jam/th umumnya digunakan untuk membuat flow-sheet Scaling factor : • Biasanya cara yang paling mudah untuk melakukan perhitungan sesuai uruturutan dalam flow-sheet; mulai dari umpan bahan baku dan tahapan proses selanjutnya, sampai aliran produk akhir. • Laju produksi biasanya dispesifikasikan dalam satuan produk, bukan terhadapa umpan bahan baku, sehingga perlu memilih basis perhitungan, misal 100 kmol/jam bahan baku utama. Aliran yang sesungguhnya dapat dihitung dengan mengalikan tiap aliran dengan faktor skala. Faktor skala
mol produk/jam yang dispesifik asikan =
mol produk yang dihasilkan per 100 kmol bahan baku
Perhitungan tiap-tiap unit 1. Reaktor • Konversi dan Yield ditetapkan – Unjuk kerja reaktor reaktor dapat dapat dispesifikasikan dispesifikasikan secara independen independen dari detail desain reaktor – Kondisi optimum, optimum, atau hampir hampir optimum optimum dapat diketahui diketahui dari dari pengoperasian pengope rasian existing plant atau dari studi skala pilot – Untuk proses proses yang telah telah mapan, mapan, perkiraan perkiraan unjuk kerja kerja reaktor dapat diperoleh dari literatur atau patent – Apabila yield dan dan konversi diketahui, diketahui, aliran dan komposisi dapat dapat dihitung dari neraca massa
• Kesetimbangan Kimia – Untuk reaksi reaksi cepat, produk produk reaksi diasumsikan diasumsikan mencapai mencapai kesetimbangan – Komposisi produk produk dapat dihitung dari dari data keseimbangan keseimbangan reaksi pada pemilihan suhu dan tekanan tertentu
Perhitungan tiap-tiap unit 2. Equilibrium stage • • •
Didalam unit pemisah dan pencampur, unjuk kerja peralatan dapat diasumsikan sedemikian rupa sehingga aliran keluar dalam keadaan berkeseimbangan; Komposisi aliran keluar dapat dihitung dari data keseimbangan untuk masingmasing komponen Pendekatan ini sering dilakukan untuk separator gas-liquid atau liquid-liquid satu tahap seperti quench tower, partial condensor dan decanter. Khususnya sangat berguna apabila salah satu komponen termasuk non-condensable dan dapat digunakan sebagai tie-component
3. Fixed stream compositions • •
Apabila komposisi (atau laju alir) dari suatu aliran ditetapkan oleh internal atau external constraints, hal ini dapat menentukan komposisi dan laju alir dari aliran proses yang lain. Apabila sejunlah variabel ditetapkan oleh external constraint atau oleh perancang, maka aliran yang lain dalam unit tersebut dapat ditentukan. Sebagai contoh apabila komposisi salah satu aliran produk dari kolom destilasi ditetapkan oleh spesifikasi produk atau apabila azeotrop terbentuk, maka aliran yang lain dapat dihitung secara langsung dari komposisi umpan.
Perhitungan tiap-tiap unit Gabungan neraca massa dan panas • Sangat mungkin membuat neraca massa yang independen dari neraca panas. Suhu proses dapat di set oleh pertimbangan proses yang lain, dan neraca energi dapat dibuat secara terpisah untuk menentukan kebutuhan energi dalam menjaga suhu yang ditetapkan • Untuk proses yang lain jumlah energi yang masuk akan menentukan laju alir dan komposisi aliran dan dua neraca tersebut harus dibuat secara simultan
Computer-aided flow-sheeting • Saat ini terdapat banyak sofware untuk membuat flow sheet, diantarnya adalah • Untuk menggambar saja – Visio Technical – AutoCad
• Untuk menghitung / Simulasi Proses – – – – – –
Pro II / Super Pro Aspen+ Hysys Flowpack Prosim dll
Contoh Visio Technical
HYSYS
HYSYS adalah program process flowsheeting yang bersifat modular yang secara luas digunakan oleh universitas dan industri (khususnya yang berhubungan dengan hydrocarbon).
Program tersebut dapat melakukan perhitungan neraca masa dan neraca panas untuk keadaan mantap dan dinamic dan merupakan powerful tool untuk proses simulasi.
Program tersebut terdiri dari beberapa subprogram untuk menyelesaikan berbagai persoalan khusus satuan operasi dan memperkirakan ukuran peralatan dan kebutuhan ke butuhan energi.
Salah satu kemampuan HYSYS yang penting adalah tersedianya “Oil Manager” yang diperuntukkan mendukung simulasi kilang minyak(refinery).
Suatu library paket sifat-sifat thermodynamik disediakan di HYSYS yang memungkinkan pengguna untuk merancang dan menyelesaikan berbagai persoalan.
Process Simulation HYSYS
–
Interface - PFD
–
Inte In terf rfac ace e - Wor orkb kboo ook k
–
Unit Operation • • • • • • • • • • • • • •
Separator Unit 3-Phase Separator Tank Cooler/Heater LNG Heat Exchanger Air Cooler Pump Compressor/Expander Valve Pipe Segment Relief Valve Mixer Tee
• • • • • • • • • • • • •
General Reactor CSTR PFR Solid Separator Operations Shortcut Column Component Splitter Distillation Reflux Absorber Reboiled Absorber Absorber Extraction 3-Phase Distillation User Operation
Contoh ASPEN+
Sekian Terima kasih Atas perhatiannnya
Contoh penyajian data aliran flow-sheet commercial
