evaluation of heat exchanger network cdu unit in train

EVALUATION OF HEAT EXCHANGER NETWORK
CDU UNIT IN TRAIN PREHEATER PETROLEUM REFINERY
Galih Abipraja (2307100508), Saiful Arif Ramadhan (2307100524)
Pembimbing : Prof.Ir.Renanto Handogo, M.S, Ph.D
Laboratorium Perancangan dan Pengendalian Proses
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
1.
PENDAHULUAN
Dengan semakin berkembangnya dunia
industri, tuntutan akan adanya industri yang
efisien menjadi tak terelakkan. Hal ini karena
kompetensi suatu industri akan dilihat dari tingkat
efisiensi masing-masing elemen yang berperan,
baik itu faktor yang berkaitan secara langsung
maupun tidak langsung dengan proses produksi.
Sehingga dari sudut pandang sistem proses
produksi perlu di upayakan adanya efisiensi mulai
dari pemilihan bahan, seleksi sistem proses yang
terdiri dari proses reaksi, pemisahan dan
pencampuran hingga ke sistem penggunaan
energi. (1)
Untuk
menyelesaikan
persoalan
kombinatorial yang terjadi selama proses
pembentukan struktur pada perancangan sistem,
ada dua macam pendekatan yang secara umum
dapat digunakan yaitu pendekatan reducible
structure generation dan irreducible structure
generation. Pada pendekatan reducible structure
generation, pengembangan superstructure yang
memuat seluruh alternatif struktur termasuk
kandidat yang optimal, menjadi fokus awal yang
harus diperhatikan. Kemudian, pencarian struktur
optimal dilakukan dengan memformulasikan
persoalan superstructure tersebut dalam bentuk
Mixed Integer Non Linier Programming
(MILP).Pada pendekatan irreducible structure
generation pengembangan struktur dilakukan
secara heuristic, evolusioner dan algoritmik.
Pendekatan heuristic dapat dilakukan dengan cara
yang tepat dan benar, namun hal ini tidak dapat
menjamin penentuan struktur yang optimal.
Sedangkan penentuan struktur yang optimal dapat
dilakukan melalui proses algoritmik dan
evolusioner. (2)
Suatu metode perancangan HEN yang
sangat populer dikenal dengan nama Pinch
ini sangat bergantung pada proses perubahan yang
akan dilakukan dari kondisi semula menuju
kondisi target optimasi grassroot yang diinginkan
Langkah-langkah Analisa Pinch
1. Identifikasi Stream Panas, Dingin dan
Utilitas dalam proses
• Stream panas adalah stream yang harus
didinginkan atau yang mungkin didinginkan
Design Method (PDM) yang menggunakan
pendekatan irreducible structure generation,
dimana struktur awal dibangun dengan
menggunakan kriteria thermodinamika pada titik
pinch untuk mencapai kebutuhan utilitas eksternal
minimum melalui problem table algorithm (PTA)
atau temperature interval method pada
pendekatan suhu minimum (∆Tmin) yang
ditetapkan sebelumnya, atau yang dioptimasi di
tingkat
penargetan
dahulu
sebelum
mengembangkan struktur jaringan. Kemudian
proses evolusi dilakukan dengan mengurangi
kebutuhan unit dan luas area untuk mencapai
struktur
yang
mempunyai
biaya
total
minimum.(3).
Tujuan dari penelitian ini yaitu mencari
struktur jaringan alat penukar panas yang optimal
dengan menetapkan ∆Tmin sebagai langkah
awal,untuk mendapatkan Maximum Heat
Recovery-MER, luas area jaringan minimum dan
jumlah penukar panas minimum. Dengan
ditetapkannya perbedaan suhu yang optimum
akan memperbesar jumlah energi yang
dipertukarkan. Dari sini diharapkan terbentuk
struktur jaringan penukar panas dengan
kebutuhan utilitas minimum, karena kebutuhan
utilitas merupakan komponen biaya terbesar
dalam operasional suatu pabrik jika dibandingkan
dengan biaya kapital.
2. METODE PENELITIAN
Pada studi ini, digunakan metode desain pinch
(PDM). Metode ini digunakan untuk melakukan
tugas perancangan dalam membangun struktur
alternatif serta mencapai struktur HEN yang
terbaik, dengan cara menyesuaikan parameterparameter evaluasi sesuai dengan kepentingan
berbagai parameter sistem grassroot. Penyesuian
contohnya produk pendinginan sebelum
sebelum masuk storage.
• Stream dingin adalah stream yang harus
dipanaskan contohnya feed yang dipanaskan
sebelum masuk reaktor.
• Stream utilitas digunakan unutk memanaskan
atau mendinginkan stream proses, ketika alat
penukar panas antara stream proses tidak
ekonomis. Sejumlah utilitas panas yang
berbeda (steam, air panas, flue gas, dll) dan
utilitas pendingin (cooling, water, air,
refrigerant, dll) digunakan dalam industri.
2. Ekstraksi data thermal untuk proses dan
stream utilitas
Untuk setiap stream panas, dingin dan
utilitas diidentifikasikan, data thermal berikut
diekstraksi dari material proses dan heat balance
flow sheet :
• Temperatur Suplai (TS oC)
: Temperatur
stream yang ada
: Temperatur
• Temperatur Target (TT oC)
yang dituju
•
•
Heat Capacity Flow Rate (CP kW/oC) :
perkalian flow rate produk (m) dalam kg/sec
dan specific heat (Cp kJ/kgoC)
^
CP = m x Cp
Persamaan Energi Hukum I
Thermodinamika :
∆H = Q ± W
Dalam alat penukar panas, tidak ada kerja
yang dilakukan :
W=0
Persamaan sederhana diatas menjadi :
∆H = Q, dimana Q menunjukkan panas yang
disuplai atau dibutuhkan dengan stream yang
berhubungan.
Ini memberikan hubungan :
Q = CP x (TS – TT)
Perubahan enthalpi :
∆H = CP x (TS – TT)
3. PEMBAHASAN
3.1
Kondisi Existing
Data struktur Existing didapatkan dari
spread sheet pabrik di Pre Heater Train Crude
Distillation Unit IV Kilang UP V Pertamina
Balikpapan. Data Existing didapatkan dalam
bentuk laju alir stream panas dan stream dingin,
type heat exchanger, konstanta perpindahan panas
keseluruhan, suhu masukan dan suhu keluaran
yang ditunjukkan dalam bentuk tabel.Pada main
stream terdapat sepuluh stream, terdiri dari tujuh
No
Stream
type
Temp
Supply,
Ts (oC )
1
Nafta Circ
Hot
121
2
Produk kero
Hot
212
3
Kero circ
Hot
193
4
Kero circ
Hot
193
5
Produk LGO
Hot
279
6
Produk HGO
Hot
193
7
LGO circ
Hot
260
8
Residu
Hot
325
9
Crude Oil
Cold
32
10
Crude Oil
Cold
124
3.2. Hasil Optimasi
Setelah dilakukan penelitian untuk
semua ∆Tmin, yaitu = 10 oC, 14 oC, 30
o
C.Didapat:
1.Hasil yang sama untuk problem table dan
Cascade Diagram. Hal ini tidak sesuai dengan
teori pada literatur dimana semakin besar harga
∆Tmin, maka harga utilitas juga semakin besar.
2.Untuk ∆Tmin 10 oCdan 14 oC, didapat struktur
jaringan yang sama. Hal ini dikarenakan ∆Tmin
existing struktur adalah 14 oC. Jadi jika harga
∆Tmin dibawah ∆Tmin existing, maka untuk
stream panas (hot stream) dan dua stream dingin
(cold stream). Stream panas terdiri dari Reduce
Crude, C.Naphta, Kerosene, LGO, C.LGO, HGO,
sedangkan stream dingin terdiri dari crude oil.
Adapun data Existing Structure Heat Exchanger
Network (HEN) dan data aliran di Preheater
Train Crude Distillation Unit (CDU) IV UP V
Pertamina Balikpapan yang digunakan sebagai
base case pada penelitian ini ditunjukkan pada
table berikut :
Temp
Target,
Ts (oC)
77
83
108
149
166
189
204
253
131
330
Heat capacity
flowrate
CP (MW. C-1)
4,755
3,345
8,586
7,946
2,336
70,1
14,19
6,834
13,844
17,192
∆H
(MW)
209,22
431,505
729,81
349,624
263,968
280,4
794,64
492,048
1370,556
3541,552
struktur jaringan penukar panas sama dengan
existing.
3.Untuk ∆Tmin 30 oC,Struktur Jaringan Penukar
Panas tidak sesuai dengan Cascade Diagram.
Dimana pada Cascade Diagram, harga utilitas
pendingin adalah=0, tetapi pada struktur
jaringan harga utilitas pendingin adalah=39,73
MW. Dan hal ini tidak sesuai dengan literatur
yang mengharuskan adanya kesamaan antara
Cascade Diagram dengan Struktur Jaringan
Penukar Panas.
Setelah
ditinjau
ulang,
banyak
ketidaksamaan antara teori pada literatur dengan
hasil penelitian ini adalah karena jumlah aliran
panas jauh lebih banyak daripada aliran dingin.
Karena teori didalam literatur, untuk diatas pinc
jumlah aliran dingin harus lebih kecil atau sama
dengan jumlah aliran panas. Jadi untuk kasus
diatas, teori pada literatur tidak berlaku.
Gambar 1: Kondisi Jaringan Penukar Panas Existing
Gambar 2: Hasil Optimasi Jaringan penukar Panas pada ∆Tmin = 10oC
Gambar 3: Hasil Optimasi Jaringan penukar Panas ∆Tmin = 30oC
4.
1.
2.
5.
1.
2.
3.
KESIMPULAN
Semua ∆Tmin yaitu ∆Tmin 10 oC, 14 oC, 30
o
C. Memiliki Hasil perhitungan yang sama
untuk harga utilitas pemanas dan pendingin.
Pada ∆Tmin 30 oC,pada Sistem Jaringan
Penukar Panas terdapat utilitas tetapi pada
Cascade diagram,utilitas pendingin = 0 MW.
DAFTAR PUSTAKA
Frank X. X. Zhu, Lakshmi Vaideeswaran,
“Recent Research Development of Process
Integration in Analysis and Optimisation of
Energy
Systems”,
Applied
Thermal
Engineering, vol.20, hal 1381-1392 (2000).
Gundersen, T and L. Naes, Review Paper –
The Synthesis of Cost Optimal Heat
Exchanger Network, vol.10, hal 310- 328
(1990).
Smith, Robin. Chemical Process Design and
Integration. England : John Wiley & Sons
Ltd. 2005.
3.
4.
4.
5.
6.
7.
Jumlah aliran panas jauh lebih banyak
daripada aliran dingin.
Dari semua ∆Tmin yang diteliti, ∆Tmin yang
optimum adalah pada ∆Tmin 14oC
M. Gadalla, M. Jobson and R. Smith,
“Shortcut Models for Retrofit Design of
Distillation
Columns”,
Institution
of
Chemical Engineers Trans IChemE, vol.81,
Part A (2003).
B.Linnhoff and E.Hindmarsh, “The Pinch
Design Method for Heat Exchanger
Networks”, Chemical Engineering science,
vol. 38, no.5, hal 745-763 (1983).
www.cheresources.com/pinchtech.pdf
www.linnhoffmarch.com