Penentuan Struktur Pengendalian Unit Distilasi Reaktif pada Sintesis Dimetil Eter (DME)

Erwin Firmansyah Saputro1206202053

Outline

Distilasi Reaktif pada sintesis DME Tujuan Penelitian Diagram alir penelitian Hasil dan Pembahasan Kesimpulan & Saran

Distilasi Reaktif pada Sintesis DME

Distilasi reaktif merupakan penggabungan proses reaksi dan separasi (distilasi) dalam satu kolom

Hanya sebagian kecil reaksi yang cocok diterapkan dalam distilasi reaktif, berdasarkan heuristik dari Luyben dan Yu (2008)

Jika reaksi yang tidak sesuai heuristik, distilasi reaktif tidak akan memberikan keuntungan yang besar secara ekonomis dibandingkan proses reaksi dan separasi yang dilakukan secara terpisah (Luyben & Yu, 2008)

Reaksi sintesis DME dari methanol merupakan reaksi yang sesuai dengan heuristik ini

2𝐶𝐻3𝑂𝐻⇌𝐶𝐻3𝑂𝐶𝐻3+𝐻2𝑂

Tujuan Penelitian Mendapatkan suhu talam yang tepat untuk dijadikan variabel yang

dikendalikan (CV) Mendapatkan struktur pengendalian yang tepat untuk unit distilasi

reaktif pada sintesis dimetil eter.

Distilasi Reaktif pada Sintesis DME Umpan metanol masuk kedalam zona reaksi yang

berisikan unggun katalis padat, kemudian sebagian metanol bereaksi menjadi DME dan Air.

Sebagian metanol yang belum bereaksi dan produk yang lebih volatil (DME) akan bergerak keatas menuju zona rektifikasi

Sebagian metanol yang belum bereaksi dan produk yang kurang volatil (air) akan bergerak kebawah menuju zona pelucutan (stripping)

Zona rektifikasi memisahkan metanol dan DME, sehingga produk distilat mengandung DME murni dan metanol dikembalikan menuju zona reaksi

Zona pelucutan memisahkan metanol dan air, seingga produk bawah mengandung air murni dan metanol dikembalikan menuju zona reaksi

Diagram Alir Penelitian

Menyiapkan Data dan Melakukan Simulasi Keadaan Tunak

Analisis Sensitivitas Suhu Talam

Uji Rentang Variasi Masukan

Melakukan Pemilihan Pasangan CV-MV dan Pembuatan Struktur-Struktur

Pengendalian

Melakukan Penyetelan (tuning) Pengendali

Variasi Gangguan sampai ± 25%

Mulai

Selesai

ISECS 1 < ISECS 2

CS 1 Merupakan Struktur Pengendalian yang Tepat

CS 2 Merupakan Struktur Pengendalian yang Tepat

Ya

Tidak

Hasil dan Pembahasan

Hasil Simulasi Distilasi Reaktif Keadaan Tunak

Simulasi dilakukan dengan Unisim R390.1 Simulasi dengan menggunakan distilasi reaktif memberikan konversi

reaksi sebesar 99,99%, dan kemurnian produk DME sebesar 99,99%.

  Umpan

Distilat Produk Bawah

Laju Alir (kmol/jam)

200,00 100,0014 99,9986

Fraksi Mol Metanol

1,00 0,0001 0,00

Fraksi Mol DME 0,00 0,9999 0,00Fraksi Mol Air 0,00 0,00 1,00

Pengendalian Kolom Distilasi Reaktif

Pengendali yang digunakan adalah pengendali PI Pengendalian tekanan kolom dilakukan dengan memanipulasi vent-

stream Pengendalian tinggi cairan pada kondenser dan reboiler dilakukan

dengan memanipulasi laju alir refluks dan laju alir produk bawah Rasio refluks dijaga konstan dengan pengendalian rasio (ratio control) Pengendalian suhu kolom dilakukan dengan mengendalikan suhu salah

satu talam yang dipilih dengan analisis sensitivitas dan rentang variasi masukan

Variabel yang dimanipulasi (MV) untuk pengendalian suhu talam dapat berupa laju alir umpan (CS 1) atau beban panas reboiler (CS 2)

Analisis Sensitivitas Suhu Talam

Talam 3 sampai 8 merupakan 6 talam dengan suhu yang paling sensitif baik terhadap perubahan laju alir umpan maupun beban panas reboiler

0 5 10 15 20 25 30

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Laju Alir Umpan Beban Panas Reboiler

Nomor Talam

ΔT/%

Per

ubah

an In

put

Uji Rentang Variasi Masukan

Suhu ke-enam talam yang diuji rentang variasi masukan tidak menunjukkan keserbanekaan masukan (input multiplicity) pada rentang ± 25% perubahan masukan dari keadaan dasar (200 kmol/jam & 4,05 MW). Sehingga suhu ke-enam talam ini layak dijadikan CV

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 25030

50

70

90

110

130

Tray 3Tray 4Tray 5Tray 6Tray 7Tray 8

Laju Alir Umpan (Kmol/jam)

Tem

pera

tur T

ray

(C)

3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 50

20

40

60

80

100

120

140

Tray 3Tray 4Tray 5Tray 6Tray 7Tray 8

Beban Panas Reboiler (MW)

Tem

pera

tur T

ray

(C)

Pemilihan Suhu Talam Sebagai CV

Karena keenam talam yang diuji rentang variasi masukan tidak menunjukkan keserbanekaan masukan, talam 5 dipilih sebagai CV karena memiliki sensitivitas terbesar berdasarkan uji sensitivitas.

Struktur MV CVCS1 Suhu Talam 5 Laju alir umpan

CS2 Suhu Talam 5 Beban panas reboiler

Perbandingan Struktur CS 1 dan CS 2

Struktur CV MV

 

 

CS 1

Suhu Talam 5 Laju Alir Umpan

Tekanan Stage atas Kolom Vent Stream

Tinggi cairan pada reflux drum Laju refluks

Tinggi cairan pada Reboiler Laju produk bawah

Rasio refluks Laju alir distilat

 

 

CS 2

Suhu Talam 5 Beban Panas Reboiler

Tekanan Stage Atas Kolom Vent Stream

Tinggi cairan pada reflux drum Laju Refluks

Tinggi cairan pada Reboiler Laju produk bawah

Rasio refluks Laju alir distilat

Hasil Penyetelan (Tuning) Pengendali

Penyetelan dilakukan dengan metode Auto Tuning Variation (ATV)

 

Pengendali

CS 1 CS 2

Kc Ti Kc Ti

Pengendali Tekanan Kolom 2 0 2 0

Pengendali Suhu Kolom 0,03 109 0,5 20

Pengendali Level Kondenser 1,02 0 1,02 0

Pengendali Level Bottom 1,7 0,991 1,7 0,991

Pengendali Laju Alir Umpan - - 0,072 0,009

Pengendali Rasio Refluks 0,1 0,128 0,1 0,128

CS 1 setelah diberi gangguan +5%

a) Beban Panas Reboilerb) Laju alir umpan

(kgmol/jam)c) Suhu talam 5 (C)d) Fraksi mol DME pada

distilate) Laju alir distilat (kmol/jam)f) Laju alir produk bawah

(kmol/jam)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 53.5

3.7

3.9

4.1

4.3

4.5

(a)Waktu (jam)

Beba

n Pa

nas R

eboi

ler (

MW

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5190

240

290

340

390

440

(b)Waktu (jam)

Laju

Alir

Um

pan

(km

ol/ja

m)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 430

40

50

60

70

80

90

(c)Waktu (jam)

Tem

pera

tur T

ray

5 (C

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50.99

0.992

0.994

0.996

0.998

1

(d)Waktu (jam)

Frak

si m

ol D

ME

Disti

lat

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

20

40

60

80

100

120

(e)Waktu (jam)

Laju

Alir

Disti

lat (

kmol

/jam

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 590

110

130

150

170

190

(f)Waktu (jam)

Laju

Alir

Bott

om (k

mol

/jam

)

CS 1 setelah diberi gangguan -5%

a) Beban Panas Reboilerb) Laju alir umpan

(kgmol/jam)c) Suhu talam 5 (C)d) Fraksi mol DME pada

distilate) Laju alir distilat (kmol/jam)f) Laju alir produk bawah

(kmol/jam)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 53.5

3.7

3.9

4.1

4.3

4.5

(a)Waktu (jam)

Beba

n Pa

nas R

eboi

ler (

MW

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5190

240

290

340

390

440

(b)Waktu (jam)

Laju

Alir

Um

pan

(km

ol/ja

m)

0 1 2 3 4 5 630

40

50

60

70

80

90

(c)Waktu (jam)

Tem

pera

tur T

ray

5 (C

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50.99

0.992

0.994

0.996

0.998

1

(d)Waktu (jam)

Frak

si m

ol D

ME

Disti

lat

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

20

40

60

80

100

120

(e)Waktu (jam)

Laju

Alir

Disti

lat (

kmol

/jam

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 590

110

130

150

170

190

(f)Waktu (jam)

Laju

Alir

Bott

om (k

mol

/jam

)

Analisis Kinerja CS 1 Gangguan -5% mengacaukan kolom, laju alir distilat menjadi 0

kmol/jam, suhu talam 5 stabil di nilai 39C dan tidak dapat kembali ke set-poin

Hasil ini berlawanan dengan hasil simulasi dari Kumar dan Kaistha (2008), yang berhasil mengendalikan kolom distilasi reaktif dengan struktur CS 1 hingga ±25% gangguan.

Kegagalan ini disinyalir akibat tingginya aliran cairan internal kolom karena tingginya rasio refluks (rasio refluks = 8).

Tingginya aliran cairan internal kolom mengakibatkan tingginya holdup cairan, sehingga manipulasi laju alir umpan yang jauh lebih kecil dari laju cairan internal kolom tidak mampu mengubah suhu internal kolom secara signifikan.

CS 2 setelah diberi gangguan +25%

a) Laju alir umpan (kgmol/jam)

b) Beban Panas Reboilerc) Suhu talam 5 (C)d) Fraksi mol DME pada

distilate) Laju alir distilat (kmol/jam)f) Laju alir produk bawah

(kmol/jam)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5140

160

180

200

220

240

260

(a)Waktu (jam)

Laju

Alir

Um

pan

(km

ol/ja

m)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 53.5

4

4.5

(b)Waktu (jam)

Beba

n Pa

nas R

eboi

ler (

MW

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 440

60

80

100

120

(c)Waktu (jam)

Tem

pera

tur T

ray

5 (C

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50.99

0.992

0.994

0.996

0.998

1

(d)Waktu (jam)

Frak

si m

ol D

ME

Disti

lat

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 550

70

90

110

130

150

(e)Waktu (jam)

Laju

Alir

Disti

lat (

kmol

/jam

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 530507090

110130150170

(f)Waktu (jam)

Laju

Alir

Bott

om (k

mol

/jam

)

CS 2 setelah diberi gangguan -25%

a) Laju alir umpan (kgmol/jam)

b) Beban Panas Reboilerc) Suhu talam 5 (C)d) Fraksi mol DME pada

distilate) Laju alir distilat (kmol/jam)f) Laju alir produk bawah

(kmol/jam)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5140

160

180

200

220

240

260

(a)Waktu (jam)

Laju

Alir

Um

pan

(km

ol/ja

m)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 53.5

4

4.5

(b)Waktu (jam)

Beba

n Pa

nas R

eboi

ler (

MW

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 440

60

80

100

120

(c)Waktu (jam)

Tem

pera

tur T

ray

5 (C

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50.99

0.992

0.994

0.996

0.998

1

(d)Waktu (jam)

Frak

si m

ol D

ME

Disti

lat

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 550

70

90

110

130

150

(e)Waktu (jam)

Laju

Alir

Disti

lat (

kmol

/jam

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 530507090

110130150170

(f)Waktu (jam)

Laju

Alir

Bott

om (k

mol

/jam

)

Analisis Kinerja CS 2

CS 2 mampu menangani gangguan hingga ±25%. Hal ini menunjukkan desain keadaan tunak yang menjadi rujukan (Lin,

2013) lebih dapat dikendalikan (controllable) dengan struktur CS 2 dibandingkan CS 1.

Kesimpulan & Saran

Kesimpulan

Untuk kedua struktur pengendalian yang dibandingkan, suhu talam 5 merupakan suhu talam yang dipilih sebagai CV untuk pengendalian profil suhu kolom distilasi reaktif.

CS 2 merupakan struktur pengendalian yang tepat untuk kasus ini. CS 2 dapat mengendalikan kolom dengan lebih baik dibandingkan dengan CS 1. CS 2 dapat mengatasi gangguan ±25% laju alir umpan. Sebaliknya, CS 1 tidak mampu menangani gangguan sebesar -5% dari beban panas reboiler.

Saran

Metode pemilihan pasangan CV-MV (pairing) dalam penelitian ini masih sederhana, yaitu dengan menggunakan analisis sensitivitas dan uji rentang variasi masukan. Untuk pemilihan pasangan CV-MV yang lebih komprehensif, perlu menggunakan metode RGA (Relative Gain Array) atau NI (Niederlinski Index) yang menyatakan ketepatan pemilihan pasangan CV-MV dengan angka, sehingga ukuran ketepatan pemilihan ini lebih terkuantifikasi

Simulasi masih kurang realistis, karena simulasi pada penelitian ini menggunakan beban panas Reboiler (Duty) sebagai MV. Untuk simulasi yang lebih realistis, perlu mengganti variabel beban panas dengan laju alir fluida pemanas.

Terima Kasih