Tutorial 8

Pemisahan Etanol-Air

1. Pendahuluan

ASPEN adalah paket perangkat lunak simulasi proses yang banyak digunakan dalam industri saat ini. Pada desain proses dan pilihan yang tepat dari model termodinamika, ASPEN menggunakan model matematika untuk memprediksi kinerja dari proses. Informasi ini kemudian dapat digunakan dengan cara iteratif untuk mengoptimalkan desain. Pemodelan yang akurat dari sifat termodinamika sangat penting dalam pemisahan campuran non-ideal, dan ASPEN memiliki basis data parameter regresi yang besar. ASPEN dapat menangani proses yang sangat kompleks, termasuk kolom sistem pemisahan yang banyak, reaktor kimia, distilasi senyawa kimia reaktif, dan bahkan larutan elektrolit seperti asam mineral dan larutan natrium hidroksida. ASPEN tidak merancang proses. Dibutuhkan desain yang mana pengguna harus memasukkan dan mensimulasikan kinerja proses yang ditetapkan dalam desain tersebut. Oleh karena itu, pemahaman yang kuat tentang prinsip-prinsip yang mendasari teknik kimia diperlukan untuk memasukkan nilai yang wajar dari parameter input dan untuk mengevaluasi kesesuaian hasil yang diperoleh. Misalnya, pengguna harus memiliki beberapa ide dari perilaku kolom sebelum mencoba menggunakan ASPEN. Informasi ini bisa diperoleh dari metode perkiraan, seperti pendekatan McCabe Thiele-, pemodelan umum dari perilaku Txy, atau peta kurva residu.

ASPEN tidak bisa mengatakan berapa banyak tahapan yang akan digunakan untuk pemisahan tertentu. Anda harus mengatur beberapa tahap dan melihat apa jenis hasil pemisahan.

Aspen packages teridri  beberapa paket simulasi yang berbeda. Berikut beberapa program dan kemampuan dari paket simulai ASPEN:

Aspen Adsim – Fixed bed adsorption for pressure swing adsorption, etc.
Aspen Chromatography – Fixed bed adsorption, simulated moving bed chromatography. Runs independent of Aspen Plus.
Aspen Custom Modeler – A utility to permit the creation of user unit operations.
Aspen Distil – Aspen’s ‘Conceptual Engineering Product’ for planning for processing schemes. Runs independent of Aspen Plus.
Aspen Dynamics – Unsteady-state simulator.
Aspen Plus – Steady-state process simulator.
Aspen Properties – Modeling of properties and phase equilibria. Incorporated into most other components, though it can be run as a stand-alone subset. All of the phase equilibria and mixture property methods discussed on this site are accessible in either Aspen Plus or Aspen Properties.
Aspen Polymers – Modeling of polymerization reactors and polymer thermodynamics. This package is available within Aspen Plus or Aspen Properties rather than via an external menu.
BatchSep – Batch distillations. Runs independently of Aspen Plus.

Biasanya pekrjaan dan tugas  mahasiswa sarjana akan melibatkan Properti Plus atau Aspen di Aspen. Untuk memulai salah satu dari paket ini, pastikan untuk mencari User Interface yang sesuai pada menu awal.

 2. Memulai  Aspen Plus

Biasanya proyek mahasiswa sarjana akan melibatkan Aspen Plus atau  Aspen Properties. Untuk memulai salah satu dari paket ini, pastikan untuk mencari User Interface yang sesuai pada menu start. Ketika Anda diminta untuk menghubungkan ke jendela mesin (lisensi) konfigurasi seperti yang ditunjukkan di awah, klik OK.

Gambar 1. Connection dialog

3. Spesifikasi Flowsheet dalam Aspen Plus

Untuk menunjukkan bagaimana membangun sebuah simulasi proses menggunakan ASPEN, kami akan mengembangkan sebuah kolom distilasi untuk pemisahan etanol dan air. Langkah pertama dalam mengembangkan simulasi adalah untuk mengembangkan diagram alir proses (PFD), yang terdiri dari unit operasi (blok) dan aliran  umpan dan menghubungkan blok. Blok-blok terdaftar berdasarkan kategori di bagian bawah jendela utama (kolom, reaktor, dll) dalam sebuah toolbar yang dikenal sebagai ‘ Model Library’, porsi ditunjukkan pada Gambar 2.  Ada berbagai macam blok yang tersedia. Dokumentasi untuk algoritma untuk setiap blok disediakan dalam dokumentasi ASPEN. Langkah pertama adalah memilih jenis kolom untuk pemisahan etanol-air. Klik pada kolom untuk melihat simulasi kolom yang tersedia. Kedua jenis kepentingan bersama adalah ‘DSTWU’, yang merupakan shortcut metode distilasi multikomponen, dan ‘RadFrac’, yang merupakan simulasi yang ketat/teliti dari satu kolom.

Gambar 2. Column dan Stream menu.

Untuk sistem etanol + air, “short cut” tidak akan tepat karena sistem memiliki sebuah azeotrop. Pilih ‘RadFrac’. Klik panah kecil di sisi kanan ‘RadFrac’ untuk memilih ikon kolom yang ingin Anda gunakan di PFD. Menu tersebut akan hilang; pindahkan ke lokasi yang diinginkan pada jendela flowsheet utama dan klik tombol mouse. Selanjutnya Anda harus menambah aliran ke blok. Klik pada panah kecil di sebelah kanan tombol STREAMS di sudut kiri bawah layar Anda (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2), dan pilih ikon aliran yang Anda inginkan dari menu (materi, energi atau kerja). Untuk contoh ini, mengatur aliran umpan: pilih aliran Bahan dengan mengkliknya. Kolom akan menampilkan panah mana aliran yang dapat dihubungkan; panah merah menunjukkan aliran diperlukan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Titik koneksi aliran yag diperlukan dan pilihan

Untuk mengatur aliran umpan ke kolom, gerakkan cursor di atas posisi pakan merah dan klik kiri sekali. Sekarang, pindahkan mouse ke kiri dan klik lagi. Anda sekarang harus memiliki aliran umpan didefinisikan (Stream 1). Untuk menstop aliran  klik outlet kolom pertama untuk menghubungkan bagian bawah (Stream 2) dan distilasi cair (Stream 3). Jika Anda membuat kesalahan dan ingin menghapus aliran atau blok, klik pada tombol (pilih) panah di kiri atas toolbar Model Library, kemudian klik pada aliran atau blok yang ingin Anda hapus dan tekan tombol DELETE

Sekarang bahwa Anda telah menetapkan unit operasi untuk disimulasikan dan mengatur aliran masuk dan keluar dari proses, Anda harus memasukkan seluruh informasi yang diperlukan untuk menyelesaikan simulasi. Dalam Aspen Plus, cara termudah untuk menemukan langkah berikutnya adalah dengan menggunakan salah satu perintah setara berikut: (1) klik ikon Next (N->), (2) temukan  ‘Next’ dalam menu Tools, atau (3) menggunakan cara pintas keyboard F4. Setiap pilihan akan membuka Data Browser.

4. Mengatur Satuan

Dalam Browser Data, Anda diminta untuk memasukkan informasi lokasi di mana ada setengah lingkaran merah. Setelah selesai bagian ini, tanda centang biru akan muncul. Namun, sediakan beberapa ‘Setup’ pengaturan yang sering diinginkan. Anda dapat mengubah unit standar dengan membuka folder ‘Setup’ seperti terlihat Gambar 4.

Gambar 4. Pengaturan Satuan

Anda dapat mengakses unit set untuk melihat pilihan. Basis nama ‘Unit-set’ yang ditampilkan di atas adalah nama-nama tetap dan Anda tidak dapat merubahnya. Namun, jika Anda klik kanan pada satu set unit, Anda bisa ‘me-rename’ dan kemudian memodifikasinya. Setelah Anda  melihat unit Anda dapat menentukan pilihan dengan menggunakan drop down box.

Gambar 5. Mengatur dan Me-rename Satuan

Jika Anda menjalankan Aspen Plus, Anda mungkin ingin memiliki ringkasan hasil aliran dengan fraksi mol atau dasar lain yang tidak diatur secara default. Gunakan “Report Options” seperti ditunjukkan Gambar 6.

Gambar 6. Memilih Laporan hasil simulasi

5 . Menentukan Komponen

Di sini Anda harus memasukkan semua komponen yang Anda gunakan dalam simulasi. Layar pembuka ditampilkan Gambar 7 di bawah.

Gambar 7. Menu memasukkan komponen

5.1 Informasi memasukkan senyawa

Cara termudah untuk memasukkan informasi komponen adalah dengan mengklik pada tombol “Find” dan masukkan nama komponen. Mulailah dengan mengetikkan ‘ethanol’, kemudian pilih ETHANOL dari daftar komponen yang muncul. Klik tombol “Add” untuk menambahkannya ke daftar komponen. Ulangi untuk menambahkan “water” ke dalam daftar komponen. “ID Komponen” adalah nama sesuka pilihan Anda yang akan digunakan untuk label komponen dalam perhitungan Anda. “Type” adalah spesifikasi tentang bagaimana ASPEN akan menghitung sifat termodinamika. Untuk pengolahan cairan bahan kimia organik, biasanya cocok menggunakan “Conventional”. Jika Anda membuat kesalahan dengan kelebihan  komponen, klik kanan pada baris yang tidak diinginkan dan kemudan klik “delete”.

Gambar 8. Menu Spesifikasi Komponen

6. Menentukan Metode Termodinamika

Aspen memodifikasi suatu “Property Method Selection Assistant” untuk membantu dalam pemilihan model termodinamika yang wajar. Tools > Property Method Selection Assistant. Anda harus menyadari cara di mana Aspen mengimplementasikan nilai parameter karena Aspen menawarkan fungsi yang tergantung pada suhu di tempat parameter, dan kadang-kadang menggunakan tanda-tanda yang berbeda pada parameter dari model yang sama dalam literatur. Layar untuk memilih metode properti ditampilkan Gambar 9 di bawah.

Gambar 9. Menu untuk memilih properti Termodinamika

 “Type Procees” akan mempersempit pilihan untuk menentukan metode termodinamika. Seringkali untuk desain di level sarjana, Chemical akan menyediakan berbagai macam metode. Namun untuk mengakses model van Laar, Anda harus memilih ‘all’. Base metode akan menentukan metode perhitungan standar untuk semua blok meski Anda dapat mengontrol metode yang digunakan dalam blok individu dengan mengedit setup untuk blok-blok individual. Umumnya Anda akan tidak menggunakan  Henry Component atau Free Water. Untuk contoh di sini, dipilih UNIQUAC, model yang diterima dengan baik untuk campuran multikomponen non-ideal pada tekanan rendah.

Gambar 9. Menu Pemilihan Model termodinamika

Dengan mengklik tombol N->, Anda akan ditampilkan parameter biner seperti terlihat pada Gambar 10 di bawah. Ketika Anda menutup jendela atau klik ‘Next’, Anda telah memberikan persetujuan dari nilai-nilai, dan Anda akan menerima konfirmasi tambahan untuk nilai-nilai parameter. Jika parameter kosong, nilai nol akan digunakan. Ini tidak berarti bahwa asumsi campuran ideal akan digunakan karena banyak model memprediksi perilaku non-ideal dengan nilai-nilai parameter nol.

Gambar 10. Properti parameter biner untuk model UNIQAC

Memahami Parameter Biner Aspen

Bentuk parameter model termodinamika biasanya berbeda dari bentuk dalam literatur yang dipublikasikan karena ASPEN sering menggantikan parameter dengan fungsi dari suhu. Untuk mengetahui bentuk persamaan yang digunakan di Aspen, buka file Help, dan dari tab ‘index’ cari indeks untuk nama model (misalnya UNIQUAC), klik pada nama model yang dihasilkan pada panel indeks, pilih entri dengan nama ‘model’ (misalnya ‘UNIQUAC activity coefficient Model”). Kemudian Anda harus melihat persamaan yang sangat mirip dengan literatur yang diterbitkan. Untuk memahami di mana Anda berada dalam sistem file bantuan, beralih kembali ke tab Isi dari folder bantuan dan Anda akan melihat link ke metode koefisien aktivitas lainnya.

Untuk UNIQUAC bentuk parameter diterbitkan  adalah:

tau.ij = exp(-a.ij/T)

Dalam ASPEN, ini diimplementasikan sebagai

tau.ij = exp(a.ij + b.ij/T + c.ij*lnT + d.ij * T + e.ij/T^2)

Jadi parameter yang diterbitkan berhubungan dengan parameter Aspen:

b.ij (aspen) = -a.ij (published)

KETIKA SATUAN ASPEN YANG DITETAPKAN UNTUK K (Lihat kotak dialog di atas, perhatikan unit suhu yang ditentukan di baris atas dari tabel).

Untuk memverifikasi nilai-nilai komponen murni (misalnya UNIQUAC R dan Q) dalam browser data, klik folder ‘Component’. Kemudian pada jendela kanan pada tab ‘Selection’, klik tombol ‘Review’ di bagian kanan bawah. Daftar ini akan mencakup konstanta yang ditarik dari database Aspen, termasuk GMUQR dan GMUQQ dan GMUQQ1. Untuk tujuan kita GMUQQ dan GMUQQ1 adalah sama. Ini harus sesuai dengan nilai-nilai dari buku teks.

7. Menentukan Spesifikasi Aliran dan  Informasi Block

Klik pada ‘Next’. Spesifikasi aliran akan muncul. Anda harus memilih komposisi aliran, laju alir, dan keadaan (fasa) aliran umpan. Keadaan ditentukan oleh tekanan, suhu, dan fraksi uap. Untuk contoh ini, untuk aliran umpan (1) dipilih tekanan 1 atm dan suhu 25oC. Sekarang masukkan laju aliran molar komponen sebesar 20 kmol/jam untuk EtOH dan 980 kmol/jam untuk air. (Jika Anda memasukkan komposisi umpan sebagai fraksi mol, Anda juga harus menentukan laju aliran total.)

Gambar 11. Menentukan Spesifikasi Aliran

Klik Next. Blok (RadFrac) setup akan muncul. Untuk simulasi yang teliti ini, Anda harus menentukan konfigurasi kolom. Masukkan jumlah tahap sebanyak 33 dan menentukan kondensor total. Dalam bagian ‘Operating Spesification’, atur “Distillate rate”  sebesar 23 kmol /jam, dan atur  “Boilup rate” pada 1500 kmol/jam seperti  Gambar 12 di bawah ini.

Gambar 12. Menentukan Spesifikasi Blok

 Tekan ‘Next’,  halaman ‘Stream’ akan muncul. Lokasi aliran umpan (1) pada tahap 17. Tekan ‘Next’ untuk mendapatkan ke halaman ‘Pressure’. Tentukan tekanan ‘Tahap 1/Condenser’ sebagai 1 atm. Dengan meninggalkan bagian lain dari halaman tekanan saja, penurunan tekanan melalui kolom akan diabaikan dalam perhitungan ini.

7.1 Menjalankan simulasi

Semua informasi yang diperlukan sekarang harus lengkap. Klik ‘Next’. Sekarang Anda akan mendapatkan pesan bahwa semua informasi yang diperlukan telah dimasukkan. Jika belum, isi formulir yang diperlukan atau melihat menu di sebelah kiri untuk setiap setengah lingkaran merah. Untuk menjalankan simulasi, klik OK pada pesan tersebut, atau Anda dapat menjalankan simulasi pada Run dalam menu pull-down ‘Run’.

7.2 Melihat Hasil

Untuk melihat hasil, klik pada folder biru pada toolbar. Pilih ‘Stream’ untuk melihat sifat aliran, atau ‘Blok’ untuk melihat properti kolom. Dalam ‘Stream’, Anda dapat melihat aliran yang Anda inginkan dan tempatkan tabel stream pada PFD Anda dengan mengklik tombol ‘Stream Tabel’. (Catatan: tabel aliran disisipkan TIDAK diperbarui jika Anda memodifikasi simulasi yang ada). Untuk melihat properti Blok RadFrac, klik pada Blok (B1) di sebelah kiri dari browser data. Dalam simulasi kompleks, kadang lebih nyaman untuk bekerja dengan PFD untuk menemukan hasil. Klik kanan pada blok atau aliran untuk menu pintas untuk hasil. Anda dapat menampilkan laporan yang disusun dengan pergi ke menu ‘View’ dan mengklik informasi yang diinginkan.

7.3 Meninjau Perilaku Kolom

Anda dapat mempelajari perilaku kolom dengan melihat profil kolom seperti gambar di bawah dari data browser ‘Result’. Sebuah tabel contoh ditampilkan Gambar 13 di bawah.

Gambar 13. Profil Blok

Anda dapat memplot profil kolom menggunakan “Plot > Wizard Plot …”. Untuk komposisi, pilih komposisi alat, tentukan fraksi mol cair. Analisis di bawah ini menunjukkan bahwa mungkin ada tahap striping lebih dari yang diperlukan untuk kolom yang diberikan 33 tahap, flowrates, refluks dan boilup. Secara alami, komposisi di bagian atas kolom dibatasi oleh azeotrop tersebut.

Gambar 14. Komposisi plat kolom distilasi

7.4 Mencetakan pekerjaan Anda

 Anda dapat mencetak bagan alur proses dan mencakup tabel aliran jika Anda telah menempelkan ke PDF. Pergi ke halaman ‘Setup’, dan klik ‘Use Specified Font Size’ untuk mendapatkan hasil cetak yang dapat dibaca. Kemudian pilih ‘Print’. Untuk mencetak ‘Input Summary’, ‘History’, atau hasil (‘Report’), buka menu ‘View’ dan pilih pilihan Anda. Menyimpan informasi sebagai file Notepad (txt teks.), yang kemudian dapat diimpor ke Word atau Excel dan mencetak jauh lebih efisien. Laporan default memiliki informasi lebih banyak daripada yang biasanya Anda butuhkan. Hindari pencetakan laporan tanpa meninjau mereka atau menyisipkan mereka dalam dokumen Word atau Anda akan menghabiskan kuota cetak secara cepat!

 7.5 Menyimpan Pekerjaan Anda

Ketika Anda bekerja dengan Aspen plus dan Properti Aspen, menyimpan file dalam format ‘backup’ akan memastikan bahwa mereka dapat dibuka di versi berikutnya dari Aspen. Saat ini tidak mungkin untuk membuka file ‘standard’ ketika melakukan upgrade Aspen. Format cadangan diakhiri dengan ‘bkp’ sebagai bagian terakhir dari ekstensi file.

 7.6 Menjalankan simulasi lagi dan inisialisasi ulang

Anda akan ingin memodifikasi parameter proses Anda untuk menjalankan kasus lagi. Setelah memodifikasi, Anda dapat mengklik tombol ‘Next’, atau tombol ‘Run’. Tombol ‘Run’ segitiga biru ‘>’ di toolbar utama. Aspen akan ‘reuse’ keadaan terakhir untuk memulai simulasi berikutnya. Apabila kasus crash, ini biasanya tidak diinginkan. Untuk menginisialisasi ulang, gunakan ‘|<‘ tombol di toolbar utama. Pastikan untuk mengeksplorasi perilaku fase dari sistem dalam desain Anda. Hal ini dapat frustrasi untuk mencoba untuk mendapatkan Aspen untuk memberikan hasil fisik tidak mungkin, tetapi banyak mahasiswa telah berjuang dengan ini, dan menyalahkan Aspen. Tidak semua pemisahan adalah mungkin karena azeotropes, pinch point, dan / atau batas distilasi.

8. Fitur Tambahan untuk Jelajahi Perilaku Termodinamika

8.1 Mendapatkan satu set lengkap parameter termodinamika.

Tampilan folder standar tidak memberikan pandangan penuh dari parameter yang digunakan oleh APSEN. Untuk mendapatkan tampilan penuh, gunakan ” Tools > Retrieve Parameter Results.

8.2 Menghitung Properti Murni, Perilaku Fasa Biner atau Ternary Residu Curves

Setelah semua data telah dimuat, Anda dapat menggunakan “Tools > Analysis > Pure atau Tools > Analysis > Binary  atau  Tools > Analysis > Residue untuk mengevaluasi sifat fisis.

Gambar 15. Analisis properti murni dan campuran

Sebagai contoh, setelah membuat sistem asam asetat + air menggunakan metode Hayden-O Connell untuk fugacities uap dan metode UNIQUAC untuk properti cair, diagram Txy dapat dengan cepat dihasilkan dengan menggunakan Tools àAnalysis à Binary. Pastikan untuk mengedit kotak Valid phase jika Anda mengharapkan mungkin ada kesetimbangan VLL. (Jangan gunakan ‘Free water” kecuali Anda dapat dengan aman berasumsi bahwa fase cair air adalah air murni. Asumsi ini kadang-kadang dapat digunakan dalam pengolahan hidrokarbon minyak bumi. Tetapi tidak berlaku untuk sebagian besar fungsional organik).

Gambar 16. Menu diagram Txy

Diagram tersebut ditampilkan berikut:

Gambar 17. Diagram Txy untuk sistem acetic acid/water

Ketika Anda menutup diagram Anda akan menemukan tabel dengan beberapa perhitungan menengah. Jika Anda ingin mendapatkan nilai-nilai ke Excel, tarik mouse di atas kolom, dan copy. Kemudian paste ke dalam Excel.

Berikut ini adalah contoh untuk metanol + benzena

Gambar 18. Menu diagram Txy untuk sistem methanol/benzen

Gambar 19. Grafik Txy methanol/benzene

 

Ref: Prof. Lira, CEMS MSU

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: