Mencari leher botol (bottleneck) di pabrik kimia

Seorang klien dari suatu pabrik kimia mendatangi kantor kami. Biasa lah, memberikan pekerjaan, hehehe… Pekerjaannya adalah mencari leher botol aka bottleneck di pabriknya. Mereka sudah ada gambaran mengenai bottleneck yg pertama. Hanya saja, mereka ingin tahu jika bottleneck ini di-debottlenecked, seberapa jauh mereka bisa meningkatkan kapasitasnya sampai menemukan bottleneck yg berikutnya. Dan yg berikutnya. Dan yg berikutnya. Tentu saja utk mengetahui ini diperlukan simulasi yg cukup akurat dari proses tsb. 

Sebagai latar belakang, beliau ini menghabiskan masa masternya utk memodelkan pabrik ini dan telah menghabiskan 3 bulan terakhir ini utk mencari jawaban atas permasalahan ini. Dan kini ia datang dengan harapan kita bisa mengerjakannya dalam waktu sebulan. Cukup menantang memang.

Berikut ini sketsa sederhana dari pabriknya. Pabrik ini berupa rangkaian (train) evaporator dgn preheater di antaranya. Umpan datang dengan konsentrasi sekitar 18wt% dan produk yg diinginkan sekitar 78wt%. Garis hitam di sketsa di bawah berupa aliran utama prosesnya, sementara garis biru adalah steam, kondensat, dan evaporated water (steam jg sbnrnya, cm memiliki trace komponen). Tiga effect (evaporator) yg pertama merupakan falling film evaporator. Diperlukan laju alir sirkulasi yg cukup besar utk membasahi seluruh permukaan falling filmnya. Tidak ditunjukkan di dalam sketsa utk penyederhanaan. Effect yg ke-4 merupakan forced circulation dgn aliran umpan masuk dari bagian bawah heat exchangernya. Berkebalikan dari 3 effect yg pertama.

1

Anyway, begini pendekatan saya secara garis besar:

  1. Sebelum memulai pencarian leher botol, kita mesti memastikan kalo kita bisa mensimulasikan pabrik tsb pada kondisi skrg ini. Untuk ini diperlukan data2 dari pabrik. Data2 ini dicocokkan dgn data2 termodinamika sistem kita yg diperkirakan oleh software proses simulasi. Di kantor kami menggunakan Aspen Plus. Data2 mengenai process equipmentnya diambil dari process data sheet equipment tsb. Data2 praktikal spt seberapa jauh jarak antara plate di HX, ditentukan oleh seberapa kencang baut nya dipasang. Dan ini merupakan parameter yg bisa kita atur2 sehingga pressure drop, yg kemudian menentukan overall heat transfer coefficient, yg kemudian menentukan seberapa banyak kalor dipindahkan sesuai dgn data pengukuran dari pabrik.
  2. Setelah kita bisa mensimulasikan kondisi skrg, barulah kita ikutkan process controlnya spt klo temperature di effect ke-3 terlalu rendah, maka laju low pressure steam (LPS) dinaikkan, dan sebaliknya. Atau jika temperature produk terlalu tinggi, maka feed yg displit ini diarahkan lbh banyak utk mendinginkan temperature produk tsb. Dan filosofi lainnya yg bisa kita tangkap dari P&ID dan diskusi dgn orang pabrik.
  3. Kemudian, baru lah kapasitasnya dinaikkan sedikit demi sedikit, sekaligus menjaga agar batasan proses kontrol tsb terjaga, utk melihat bottleneck yg ada.

Awalnya saya pikir mudah😀. Ternyata sulit karena proses ini merupakan proses yg highly heat integrated. Steam dan kondensat yg berasal dari satu effect digunakan di effect sebelumnya. Oleh karena ini, mode simulasi Aspen Plus yg biasa tidak bisa digunakan. Tidak akan pernah converge. 

Kemudian saya menggunakan mode penyelesaian equation oriented (EO). Dan flowsheetnya saya bikin sedemikian rupa sehingga parameter2 yg tidak diketahui seperti overall heat transfer coefficient utk falling film evaporatornya bisa diperiksa lewat Aspen Exchanger Design & Rating. Utk mempersingkat, berikut ini hasil simulasinya dgn memvariasikan laju alir umpan dan konsentrasi umpan.

2

Utk effect yg ke-4, jika laju alirnya naik, utk konsentrasi yg sama, maka konsumsi steam jg naik. Masuk akal! Jika konsentrasi umpan naik, utk laju alir yg sama, maka konsumsi steam jg akan naik. Masuk akal lagi! Berarti model sudah sesuai dgn harapan, hehehe…

Utk effect yg ke-3, yg terjadi sebaliknya jika konsentrasi dinaikkan. Kenapa? Karena beban atau jumlah air yg mesti diuapkan di effect ke-3 lebih rendah utk konsentrasi umpan yg lbh tinggi. Masuk akal! Sementara di effect ke-4, yg merupakan forced circulation dgn menggabungkan recycle produknya, kenaikan konsentrasi produk tidak berpengaruh banyak.

Pengaruh terhadap keperluan heat transfer coefficient dapat dilihat di dua gbr di bawah. Utk effect ke -4, diperlukan heat transfer coefficient yg naik cukup tinggi utk laju alir dan konsentrasi umpan yg lbh besar. Effect yg ke-2, krn menggunakan kondensat dari steam yg berasal dari effect ke-4 pun merasakan getahnya. Dari fenomena ini bisa kita lihat klo kenaikan kapasitas kemungkinan akan menyebabkan bottleneck di effect ke-4. Ini adalah sinyal dari bottleneck yg pertama. Dan hasil ini dikonfirmasi oleh pihak pabrik sbg bottleneck yg mereka alami.

3 4

Demikian jg halnya dgn preheater. Preheater 1 dan preheater 4 akan memerlukan overall heat transfer coefficient yg lbh tinggi utk konsentrasi umpan yg tinggi. Sebaliknya utk preheater 2 dan 3. Detail mengenai kenapa hal ini bisa terjadi tidak akan saya tulis di sini. Bisa lewat japri.

Anyhow, berdasarkan fenomena ini (yg didapat lewat simulasi menggunakan EO mode), kita punya feeling mengenai unit2 mana saja yg akan menjadi bottleneck jika laju alir atau konsentrasi umpannya kita naikkan. Kemudian, simulasi saya kembalikan ke mode defaultnya Aspen Plus yg berupa perhitungan blok per blok. Semua recycle stream saya beri masukan dari hasil simulasi EO. Filosofi kontrolnya saya tulis. Dan mulailah saya menaikkan kapasitasnya sedikit demi sedikit. Hasilnya dilihat pada gbr berikut.

5

Pada konsentasi rendah, maksimum air yg bisa diuapkan adalah sekitar 12000 kg/hr. Pada konsentrasi rendah ini, bottlenecknya adalah jumlah LP steam yg tersedia tidak memungkinkan utk naik lebih tinggi lagi. Pada konsentrasi tinggi, spt 25wt%, jumlah air yg diuapkan lebih rendah, dan bottlenecknya adalah di preheater 1 dan ke-2. Jika bottleneck ini dihilangkan, dgn kata lain, heat exchangernya dibesarin, ternyata bottleneck berikutnya adalah si effect ke-4. Dan kita cm bisa menaikkan kapasitasnya sebesar 50 kg/hr sebelum kita menyentuh bottleneck kedua ini.

Dan banyak cerita2 lainnya yg saya laporkan ke si empunya pabrik. Mereka senang dgn hasil ini karena mereka bisa tau seberapa besar kapasitas yg bisa didapatkan dan seberapa banyak investasi yg mesti diberikan utk itu.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: