Simulasi Proses dengan Aspen Hysys

Proses hidrodealkilasi toluena adalah proses untuk mengubah toluena menjadi benzena, bahan sikloheksana, prekursor nilon. Flowsheetnya ditunjukkan pada Gambar 1. Reaksi utama dan reaksi samping terjadi secara seri dan dapat ditulis sebagai

C₇H₈ + H₂ –> C₆H₆ + CH₄ (reaksi utama)

2C₆H₆ –> C₁₂H₁₀ + H₂ (reaksi samping)

Data laboratorium menunjukkan bahwa reaksi berlangsung secara irreversibel tanpa katalis pada suhu antara 1200-1270 ^oF dengan 75% toluena dikonversi menjadi benzena dan 2% dari benzena yang dihasilkan diubah menjadi biphenyl. Kapasitas pabrik didasarkan pada konversi 274,2 lbmol/jam toluena, atau kira-kira 200 MMlb/tahun, dengan asumsi operasi 330 hari per tahun.

Umpan hidrogen dibuat sangat berlebih untuk mencegah deposisi karbon dan untuk menyerap panas yang besar dari reaksi eksothermis hidrodealkilasi. Untuk menghindari pemisahan produk metana dari gas hidrogen yang mahal, aliran sisih (purge) digunakan, dimana metana keluar proses, yang tak dapat dihindari, dengan jumlah yang hampir sama dengan hidrogen.

Aliran umpan toluena dan hidrogen dianggap sudah pada tekanan tinggi, diatas yang diperlukan dalam reaksi hidrodealkilasi, yaitu: 569 psia dengan suhu 75 ^oF. Sebelum masuk reaktor, umpan dipanaskan menjadi 1200 ^oF dimana panas diambil dari luaran reaktor yang dikondensasi sebagian. Luaran reaktor didinginkan dengan cepat menjadi 1150 ^oF, terutama untuk mencegah kebutuhan heat exchanger (HE) suhu tinggi yang mahal, dan dikirim ke HE umpan/produk. Disana, aliran didinginkan ketika memanaskan campuran umpan dan recycle ke 1000 ^oF. Aliran didinginkan lebih lanjut ke 100 ^oF, suhu dari pemisah flash.

Cairan dari pendinginan adalah produk bagian reaktor, yang sebagian darinya direcycle untuk mendinginkan luaran reaktor. Produk uap direcycle setelah sebagian disisihkan untuk menjaga metana agar tidak menumpuk dalam proses. Recycle ini ditekan sampai tekanan umpan, 569 psia. Kembali ke HE umpan/produk, campuran umpan panas keluar pada 1000 ^oF dan dikirim ke tanur gas-api untuk pemanasan lanjut menjadi 1200 ^oF, suhu umpan ke reaktor. Gas dipanaskan dalam sekumpulan pipa yang terletak dalam tanur sehingga pressure drop diperkirakan tinggi (70 psia).

VIDEO 1

Video ini menjelaskan model termodinamika dalam Hysys dan cara memilih yang cocok untuk campuran. Memilih model yang tepat adalah sangat penting untuk menghasilkan simulasi yang dapat dipercaya dan andal, khususnya sangat penting untuk perhitungan handal yang berhubungan dengan operasi pemisahan (distilasi, ekstraksi cair-cair, dll.).

Rekomendasi model termodinamika

Model yang tersedia: 15 persamaan keadaan, 8 koefisien aktivitas, 2 Chao Seader, 3 tekanan uap, dan 6 lainnya. Isu penting: (i) sifat campuran, (ii) rentang T dan P, dan (iii) ketersediaan data. Dasar rekomendasi: (i) Hysys, (ii) Eric Carlson, dan (iii) Chen & Mathias. Hysys dan Chen & Mathias berdasarkan pada tipe campuran; Eric Carlson pada sifat komponen dan kondisi operasi.

VIDEO 4

Video ini menjelaskan cara memasang dan mendefinisikan: (i) HE, (ii) flash, (iii) pump. Selain itu, cara memakai recycle, adjust dan case study juga dijelaskan. Operasi recycle membandingkan nilai aliran yang diasumsi dan nilai aliran yang dihitung, menyesuaikan nilai yang diasumsi, dan menghitung lagi sampai konvergen.

Membangun flowsheet simulasi bagian reaktor (2)

Operasi adjust menyesuaikan satu variabel sampai variabel target mencapai nilai yang ditetapkan. Operasi adjust disini dipakai untuk memanipulasi fraksi cairan flash yang direcycle agar suhu dalam aliran keluar reaktor 1150 ^oC. Case study dipakai untuk memelajari pengaruh suatu variabel proses terhadap variabel proses lain.

Bagian separator

Spesifikasi untuk kolom distilasi diberikan dalam Gambar 3 dimana tiga aliran produk ditetapkan. Aliran masuk adalah pada 100 ^oF dan 484 psia yang dipisahkan oleh dua kolom distilasi menjadi produk seperti ditunjukkan. Dalam gambar ada dua urutan, tetapi yang dijelaskan di sini hanya urutan dimana H₂ dan CH₄ dipisahkan dalam kolom pertama.

Tetapkan reflux ratio sama dengan 1,3 kali minimum. Gunakan spefisikasi desain untuk menyesuaikan tekanan kolom isobarik sedemikian rupa sehingga suhu distilat 130 ^oF; tetapi tidak boleh ada tekanan kolom < 20 psia. Juga, tetapkan kondensor total kecuali digunakan kondensor parsial jika H₂ dan CH₄ diambil sebagai produk atas.

Untuk simulasi ini, disarankan rasio purge/recycle mula-mula dipasang 0,25. Angka ini agak sembarang yang harus disesuaikan untuk menentukan dampaknya terhadap laju resirkulasi, ukuran alat, daya yang dibutuhkan, dsb. Disarankan juga jumlah hidrogen yang diumpankan ke dalam aliran proses disesuaikan dengan jumlah hidrogen yang keluar dari aliran purge. Juga, tebakan awal untuk aliran recycle dapat dipasang sama dengan nilai yang diasumsi ketika mensimulasikan bagian reaktor.

Video lengkap bagian separator dapat disimak disini.

VIDEO 5

Video ini menjelaskan cara memperkirakan tekanan awal kolom, dengan menghitung tekanan titik embun (dew) pada Product 1 dan tekanan titik didih (bubble) pada Product 2, keduanya pada suhu 130 ^oC. Hasilnya adalah 121,4 psia dan 8,6 psia. Dari sini, kolom 1 pada 120 psia dan kolom 2 pada 20 psia.

Membangun flowsheet simulasi bagian separator (1)

Untuk mencari tekanan titik embun, pasang material stream yang komposisinya seperti Product 1. Suhu diisi 130 ^oC dan tekanan dibiarkan kosong. Isi vapor phase = 1. Tekanan titik didih Produc 2 dicari dengan cara sama, tetapi sekarang vapor phase diisi = 0.

VIDEO 6

Video ini menjelaskan langkah menetapkan spesifikasi kolom distiliasi. Usaha menghitung perkiraan untuk jumlah tray dan lokasi tray umpan menggunakan metode Fenske-Underwood-Gillilan (FUG) yang diimplentasikan dalam modul Shortcut column Hysys gagal. Jadi, dihitung dengan cara lain. Kolom pertama dirancang sebagai reboiled stripper dengan tiga tray, tanpa kondensor, dan umpan pada atas kolom. Derajat kebebasan satu, laju alir Fuel Gas yang ditarik, dimanipulasi untuk menjaga kehilangan benzene dalam aliran pada 1,3 lbmol/hr yang diinginkan.

Membangun flowsheet simulasi bagian separator (2)

Metode FUG digunakan untuk memperkirakan reflux ratio, N_min, N dan lokasi umpan untuk kolom kedua. Metode FUG menunjukkan reflux ratio min 1,20, dengan menganggap faktor 1,3, memberikan reflux ratio yang diimplementasikan 1,565. Untuk reflux ratio ini, kolom memerlukan 32 tray, dengan umpan disisipkan pada tray ke-26. Dua derajat kebebasan dimanipulasi untuk membatasi benzene dalam aliran recycle toluene bottom 3,4 lbmol/hr. Spesifikasi ini dapat dicapai dengan reflux ratio hanya 1,41.

Proses lengkap untuk hidrodealkilasi toluena

Proses lengkap untuk hidrodealkilasi toluena melibatkan tiga kalang recycle dan perkiraan laju alir hidrogen tambahan. Ini lebih baik dirangkai dengan urutan sebagaimana yang dijelaskan dalam video-video berikut.

VIDEO 7

Video ini menjelaskan bagaimana bagian reaktor dan bagian separator yang telah dibangun disambungkan. Mulai dengan bagian reaktor. Aliran produk uap dari bejana flash dipecah menjadi aliran purge dan aliran recycle gas, yang perlu ditekan menjadi 569 psia. Ini dilakukan dengan memasang Tee. Pada tahap ini, jangan menutup kalang recycle gas.

Membangun flowsheet simulasi lengkap (1)

Langkah pengerjaan: (i) menyambung bagian reaktor dengan bagian separator; (ii) menambah Tee untuk memecah aliran recycle dan aliran purge; (iii) memasang compressor untuk menaikkan tekanan aliran recycle sama dengan tekanan umpan; (iv) menambah recycle tanpa menutup kalang.

VIDEO 8

Video ini berisi penjelasan untuk menyiapkan aliran recycle toluena agar sesuai dengan kondisi aliran umpan. Bagian separator ditambahkan ke bagian reaktor, tetapi dengan memasang alat pemisah tambahan untuk mengurangi laju alir biphenyl dalam produk atas aliran recycle toluena menjadi 1 lbmol/hr dan menarik aliran produk biphenyl sebagai produk bawah. Karena ini setara dengan 35% biphenyl dalam aliran uap kaya toluena atas, pemisahan dilakukan dengan pemisah flash yang beroperasi pada 20 psia.

Membangun flowsheet simulasi lengkap (2)

Suhu operasi flash dimanipulasi menggunakan Adjust untuk menjaga laju alir molar biphenyl dalam recycle toluena pada target 1 lbmol/hr, yang dicapai dengan suhu 285,5 ^oF. Karena aliran uap atas perlu ditekan menjadi 569 psia, ini terbaik dicapai dengan pertama mendinginkan aliran sampai dibawah titik embun untuk mengembunkan semuanya, diikuti dengan pemasangan pompa. Pada tahap ini, jangan menutup kalang recycle toluena.

VIDEO 9

Video ini menjelaskan langkah akhir sebelum semua kalang recycle ditutup untuk menjamin konvergensi perhitungan. Laju umpan H2 ditetapkan sembarang > 549 lb/jam (mis.: 700 lb/jam). Spreadsheet dipasang untuk menghitung: (a) aliran total H2 dengan memperhitungkan kehilangan dalam purge dan fuel gas. (b) akumulasi CH4 dalam proses dengan memperhitungkan total perkiraan H2 yang diumpankan dengan memperhitungkan kehilangan dalam purge dan fuel gas dan produksi CH4 bersih yang harus nol untuk menghindari akumulasi CH4.

Membangun flowsheet simulasi lengkap (3)

(c) rasio molar H2:toluena dalam umpan reaktor. Adjust dipasang untuk memanipulasi fraksi purge dalam TEE-101 sehingga CH4 balance dijaga pada nol. Ini untuk mengatur laju purge cukup besar untuk menjamin CH4 tidak terakumulasi dalam sistem. Menutup recycle kedua dengan memasang RCY-2. Menutup recycle ketiga dengan RCY-3. Memanipulasi secara manual umpan H2 ke 600 lb/jam untuk memperoleh rasio CH4:toluena dalam umpan reaktor mendekati 4.