Plant Operation - Complex Loop AGRU Regenerator

Pembahasan mengenai mode operasi dan fitur pada tulisan sebelumnya akan dapat membantu kita dalam memahami apa yang akan kita pelajari kali ini. 

Silahkan download instrumentation symbol melalui dropbox saya di link berikut supaya familiar dengan closed loop yang akan kita bahas pada tulisan ini.

Download Instrumentation Symbol

Mari kita lihat salah satu closed loop sistem kontrol pada AGRU Regenerator Unit pada skema gambar dibawah

AGRU Closed Loop

Pada skema gambar diatas, bisa kita lihat bahwa duty reboiler yang direpresentasikan oleh FIC-411 yakni pengaturan jumlah steam yang masuk ke reboiler, ditentukan berdasarkan rate lean solvent atau reflux. Hal ini bisa kita lihat pada FY-423B, yang berfungsi sebagai selector untuk memilih input diantara dua parameter tersebut. FY-423B akan memilih nilai terbesar antara rate lean solvent atau reflux yang ditunjukkan dengan tanda “>”.

Pertanyaannya adalah mengapa dua parameter tersebut dijadikan sebagai input SET POINT untuk mengontrol duty reboiler?

1. Rate Reflux,

Sebagaimana telah kita pelajari sebelumnya bahwa reflux dihasilkan dari beban reboiler. Hal ini bisa kita ketahui dari perbandingan antara duty condenser dengan reboiler yang tidak terpaut jauh. Dengan kata lain, semakin besar duty reboiler maka akan semakin besar pula duty condenser. Di sisi lain, kita membutuhkan aliran reflux untuk memberikan pendinginan yang cukup pada uap yang naik menuju condenser untuk mencegah fraksi berat terbawa menuju ke reflux drum. 

Untuk mengatur jumlah aliran reflux, pada skema diatas ada dua kontrol yang berperan, yakni FIC-423A dan FIC-423B. Normalnya, FIC-423B adalah controller yang berperan untuk menentukan jumlah aliran reflux berdasarkan level dari reflux drum. Jika nilai FIC-423B terlalu kecil, maka fungsi kontrol akan diambil alih oleh FIC-423A. FIC-423A berfungsi sebagai batasan untuk mengontrol minimum rate reflux yang dibutuhkan oleh regenerator. Nilai SET POINT FIC-423A ini ditentukan oleh Vendor. Jika sudah dikontrol oleh FIC-423A, maka akan secara otomatis jika output FT-423 terlalu kecil karena level refluks drum rendah, FIC-423A akan memberikan SET POINT FIC-411 untuk membuka lebih banyak, sehingga duty reboiler bertambah dan level reflux drum terjaga.

2. Rate lean solvent,

Secara tidak langsung, rate lean solvent yang keluar dari regenerator dijadikan sebagai controlled variable untuk mengatur jumlah steam yang masuk reboiler. Hal ini bisa dilakukan jika rate lean solvent yang keluar dari regenerator memiliki nilai yang sama dengan rate rich solvent yang masuk ke dalam regenerator. Mari kita asumsikan demikian.

Untuk tiap rich solvent yang masuk ke dalam regenerator dibutuhkan sejumlah energi panas untuk melepaskan gas H2S sehingga kita bisa mendapatkan lean solvent. Energi panas tersebut tentu saja berasal dari steam supply ke reboiler. Maka dari itu, untuk mendapatkan nominal steam yang dibutuhkan, pada skema diatas, kita mendapati HIC-411, yakni rasio antara rate steam dengan rich solvent. Dengan menggunakan blok fungsi perkalian, FY-401, untuk mengkalikan rate solvent flow dengan HIC-411, maka kita akan mendapatkan hubungan rate solvent dengan kebutuhan steam. Untuk diketahui bahwa nilai HIC-411 adalah berdasarkan dari hasil tuning. Normalnya nilai untuk blok fungsi tersebut adalah 0.103 kg steam/kg solvent. Untuk mencegah perubahan yang signifikan yang bisa menyebabkan proses menjadi tidak seimbang, maka nilai tersebut dibatasi antara 0.080 - 0.120 kg steam/kg solvent. Kita tidak akan bisa menginput nilai diluar dari range tersebut.

Berdasarkan hal tersebut diatas, maka kita bisa menyimpulkan bahwa mode operasi menggunakan rate refluks terjadi ketika kondisi operasi minimum, sedangkan mode kontrol dengan menggunakan rate solvent terjadi ketika kondisi operasi maksimum. Inilah yang disebut sebagai fungsi split yang nanti akan juga kita bahas pada complex loop Incinerator pada tulisan selanjutnya.

START-UP

Sebelum start-up, komunikasi yang baik harus dibangun dengan operator yang bekerja pada kolom absorpsi. Hal ini dikarenakan operasi gas sweetening harus menggunakan dua kolom tersebut secara bersama-sama.

Diasumsikan solvent telah tersirkulasi dengan baik diantara dua kolom tersebut dan regenerator telah dipanaskan secara MANUAL. Diasumsikan posisi beberapa controller sebagaimana berikut:

FIC-411 pada posisi MANUAL

FIC-423B pada posisi CASCADE

FIC-423A pada posisi MANUAL

LIC-421 pada posisi AUTO

TIC-421 pada posisi AUTO

FIC-302 pada posisi AUTO

Maka operator bisa merubah,

FIC-411 menjadi CASCADE

FIC-423A menjadi AUTO

Kolom Pemisah -part 1

Kita telah mempelajari proses yang terjadi pada Acid Gas Removal Unit (AGRU) pada artikel sebelumnya. Fenomena yang terjadi pada proses AGRU meliputi absorbsi dan juga regenerasi yang telah kita bahas merupakan salah satu dari banyak cara pemisahan gas. Hal ini sebagai gambaran bahwa banyak cara dalam proses pemisahan gas.

Dalam tabel dibawah, disajikan beberapa alternatif cara pemisahan gas khususnya CO2 dari campuran gas

Pemisahan gas CO2 dengan menggunakan amine masuk ke dalam kategori chemical absorption. 

Selain itu, kita dapat mengetahui dari tabel tersebut, jenis pemisahan gas dengan menggunakan mekanisme yang lain dari yang pernah kita bahas sebelumnya, misalkan dengan menggunakan media membrane.

Siklus proses AGRU telah kita bahas sebelumnya. Namun, hal itu masih belum cukup untuk menjelaskan peristiwa apa yang terjadi di dalamnya. Bagaimana sebuah kolom didesain untuk bisa menjalankan tugasnya dalam memisahkan gas dan menghasilkan produk sesuai dengan yang kita kehendaki, terutama berkaitan dengan kualitas produk yang kita inginkan. Misalkan, dalam kasus AGRU, untuk dapat menghasilkan produk treated gas dengan konsentrasi dibawah 50 ppm H2S dari umpan yang mengandung 1-2% mol H2S. 

Tentu kita bertanya, bagaimana cara kita men-develop perpindahan massa H2S dari gas ke larutan amine untuk mendapatkan treated gas dengan kualitas sesuai dengan yang kita inginkan, dimana konsentrasi H2S pada gas umpan terkadang berubah-ubah. Hal ini akan berpengaruh terhadap tindakan yang harus kita lakukan untuk merespon hal tersebut.

Selain yang telah disebutkan diatas, alasan mengapa kita harus mempelajari kolom pemisah erat hubungannya dengan segi pengoperasian. Terutama yang berkaitan dengan timbulnya gejala-gejala yang tidak kita kehendaki dalam segi operasi. Misalkan, hilangnya pelarut (loss of solvent), peristiwa pembentukan busa (foaming), peristiwa keabnormalan kolom, seperti perbedaan tekanan atas dan bawah kolom (dP) yang terlalu tinggi. Hal ini bisa mengakibatkan proses tidak bisa berjalan dengan sempurna. Sehingga menyebabkan, kita tidak bisa mendapatkan produk yang kita inginkan.

Pemisahan yang terjadi pada sebuah kolom fraksinasi bisa terjadi atas dua sebab yang berbeda :

1. Distillation, jika pemisahan didasarkan atas perbedaan titik didih, misalkan kasus pada penyulingan minyak bumi
2. Pemisahan tidak didasarkan atas perbedaan titik didih.  Disebut Absorpsion, jika dengan menggunakan suatu pelarut tertentu untuk mengekstrak komponen tertentu dari campuran, atau Stripping, dengan mengandalkan tekanan parsial sebuah gas pembawa, dua jenis peristiwa ini kita dapatkan dalam kasus AGRU, yakni masing-masing terjadi pada kolom absorbsi dan regenerasi.

Perbedaan mekanisme ini akan sangat berpengaruh terhadap desain kolom dan juga cara pengoperasian sebuah unit   

Mari kita lihat gambar kolom berikut :

Diatas adalah sebuah tipikal gambar skematik sebuah kolom pemisah. Kolom ini berfungsi untuk memisahkan campuran fluida (mixture) menjadi beberapa kelompok, tergantung dari jumlah produk yang kita inginkan. Pada contoh diatas, kita hanya mendapatkan dua outlet produk, overhead product dan bottom product. Tentu saja, kita bisa membagi lagi salah satu produk yang dihasilkan dari contoh diatas jika memungkinkan, hal ini biasa dilakukan pada LPG recovery di LNG plant, dengan menyusun beberapa kolom fraksinasi secara seri menjadi sebuah train. Pada kasus yang lain, misalkan pemisahan minyak bumi, kita akan mendapatkan banyak sekali outlet produk. 

LPG recovery in LNG Plant 

Merujuk kembali pada diagram skematis fraksinasi, kita bisa melihat umpan (feed) yang dimasukkan ke dalam kolom. Umpan tersebut biasanya terdiri atas dua fase, cair dan uap. Dalam kolom, uap dari umpan akan naik ke atas kolom melewati rectifiying section. Setelah itu, uap tersebut akan didinginkan dengan condenser. Cairan yang terbentuk dari uap yang didinginkan tadi masuk ke dalam reflux drum, dimana cairan kondensasi tadi akan diumpankan lagi ke dalam kolom sebagai reflux dan sebagian diarahkan keluar kolom sebagai overhead product. Reflux tersebut secara otomatis akan kontak secara countercurrent dengan uap yang naik ke atas dari bawah kolom. 

Ada kalanya uap yang tidak terkondensasi di reflux drum, dikirim keluar dari sistem. Sistem ini disebut sebagai partial reflux, yang menghasilkan dua produk pada overhead kolom, sedangkan pada contoh skematik diatas merupakan full reflux. 

Umpan yang berbentuk cairan, akan menuju kebawah kolom melewati stripping section. Pada akhirnya ia akan ditampung sementara di dalam reboiler sebelum menuju ke bawah kolom dan keluar sebagai bottom product. Didalam reboiler, cairan tersebut dipanaskan dan sebagian membentuk uap yang akan naik ke atas kolom. Uap tersebut akan kontak secara countercurrent dengan cairan yang jatuh ke bawah kolom.

Apa pengaruh reboiler dan condenser terhadap hasil produk yang dihasilkan? Mutlaklah kedua alat tersebut diperlukan dalam proses pemisahan? Sebagaimana kita tahu, alat tersebut menghabiskan banyak energi ketika dijalankan?

Apakah yang terdapat dalam rectifying/stripping section? Peristiwa apakah yang melatarbelangi penyebutan rectifying section dan stripping section pada sebuah kolom pemisah? Fenomena apa yang terjadi pada section yang dimaksud sehingga harus dibedakan?   

Jawaban akan kita kupas minggu depan.

Gas Sweetening : Siklus Proses

Setelah membahas mengenai penggunaan solvent amine MDEA untuk menyerap gas H2S dan CO2 pada proses Acid Gas Removal Unit (AGRU), kali ini kita akan membahas mengenai siklus proses pada gas sweetening. Untuk mengetahui mengenai peran solvent amine MDEA bisa dilihat pada posting sebelumnya disini.

Pada proses gas sweetening dengan menggunakan reaktan Amine, secara umum diagram alirnya seperti ditunjukkan pada gambar dibawah:

AGRU Flow Diagram

Berikut penjelasan beberapa istilah untuk memudahkan kita mempelajari sistem AGRU ini :

- Feed gas         ==> Gas alam yang masih mengandung H2S dan CO2
- Lean Solvent  ==> Larutan Amine yang sedikit mengandung gas asam
- Rich Solvent   ==> Larutan Amine yang kaya akan gas asam
- Treated Gas    ==> Gas alam yang telah diambil H2S dan CO2, setelah melewati proses absorbsi

Kolom pertama pada bagian kiri disebut sebagai kolom absorber. Di kolom ini terjadi peristiwa absorbsi gas CO2 dan H2S dari feed gas dengan lean solvent Amine yang dikontakkan secara berlawanan atau counter-current. Dimana hasilnya adalah, treated gas yang sedikit mengandung gas asam yang keluar dari atas kolom dan rich solvent yang keluar dari bawah kolom.
Rich solvent tersebut kemudian ditransfer ke dalam flash vessel, dimana fungsi dari flash vessel tersebut adalah untuk menguapkan hydrocarbon fraksi ringan yang terikut ketika dalam proses absorbsi. Adanya hydrocarbon bisa menyebabkan peristiwa terbentuknya busa (foaming) pada larutan Amine yang menyebabkan proses absorbsi menjadi kurang sempurna karena efektifitas transfer massanya menjadi terganggu dan produk gas menjadi off-spec.
Setelah flash vessel, rich solvent akan mengalami pre-heating dengan cara dikontakkan dalam heat exchanger, dimana media yang menjadi pemanas adalah lean solvent yang keluar dari kolom regenerator. Oleh karena itulah alat penukar panas tersebut disebut sebagai lean-rich exchanger.
Rich solvent yang telah dipanaskan kemudian masuk ke dalam kolom regenerator. Disebut sebagai regenerator karena fungsinya adalah menghasilkan lean solvent yang bisa digunakan kembali untuk proses absorbsi. Di dalam regenerator, terdapat sebuah reboiler yang fungsinya adalah untuk menguapkan air yang tergantung di dalam larutan Amine. Sebagaimana kita ketahui bahwa larutan Amine merupakan larutan yang terdiri dari 40-45% Amine dan sisanya adalah air. Di dalam proses regenerasi ini akan dilepaskan gas asam yang terkandung dalam rich amine, sehingga didapatkan lean solvent. Lean solvent keluar lewat bagian bawah kolom regenerator kemudian dipompa masuk ke dalam kolom absorbser dan proses absorbsi terjadi kembali. Sebelum masuk ke dalam kolom absorbser, lean Amine akan terlebih dahulu didinginkan dengan menggunakan lean solvent cooler.

Pertanyaan sehubungan dengan siklus proses AGRU diatas adalah sebagaimana berikut: 

Mengapa kolom absorber bekerja pada kondisi suhu rendah dan tekanan tinggi sedangkan sebaliknya, pada regenerator bekerja pada kondisi suhu tinggi, namun dengan tekanan rendah?

Gas Sweetening : Reaktan yang Digunakan

Acid Gas Removal Unit (AGRU) merupakan sebuah unit pengolah yang biasanya ditempatkan di pabrik pengolahan gas untuk menyerap komponen asam yang biasa terkandung dalam gas bumi, terutama adalah H2S dan juga CO2.

H2S harus dipisahkan dalam gas bumi karena merupakan sebuah zat yang beracun, gampang terbakar (flammable) dan juga bersifat korosif. H2S tidak berwarna dan jika dibakar akan bereaksi untuk membentuk SO2 yang merupakan gas polutan yang bisa menyebabkan hujan asam. Maka dari itulah, keberadaan H2S dalam gas alam harus dikurangi seminimal mungkin. Biasanya gas alam yang telah diproses, treated gas/ sweet gas, memiliki kandungan H2S berkisar antara angka 10-100 ppm volume.

Disisi lain, CO2, yang merupakan gas asam selain H2S, juga harus dikurangi karena bisa menyebabkan berkurangnya nilai bakar (heating value) sehingga gas tidak dapat menghasilkan energi yang optimal ketika dibakar. Adanya CO2 juga tidak diinginkan pada proses pencairan (liquefaction) untuk menghasilkan LNG karena bisa menyebabkan peristiwa terbentuknya dry ice CO2 yang bisa menyebabkan penyumbatan

Sour Gas atau gas asam merupakan istilah yang sering digunakan pada inlet gas yang masuk pada AGRU. Biasanya suatu gas asam memiliki kandungan H2S pada kisaran 1-2% mol dan  CO2 hingga 45% mol dari jumlah total mol gas.

Gas yang telah keluar dari AGRU disebut sebagai sweet gas. Maka dari itulah, proses AGRU biasanya disebut sebagai Gas Sweetening.

Pada proses gas sweetening, reaktan Amine biasa digunakan untuk menyerap H2S dan CO2. Beberapa contoh Amine yang digunakan dalam AGRU :

- Diethanolamine (DEA)
- Monoethanolamine (MEA)
- Methyldiethanolamine (MDEA)
- Diisopropanolamin (DIPA)
- Aminoetoksietanol (Diglikolamina) (DGA)

Saat ini, banyak proses sweetening gas yang menggunakan MDEA sebagai reaktan yang digunakan untuk menyerap gas asam. Hal ini dikarenakan MDEA memiliki selektifitas yang tinggi terhadap gas H2S dibandingkan dengan CO2. Tentu saja hal ini sangatlah penting karena kita menginginkan produk dengan kandungan H2S seminimal mungkin. Jangan sampai CO2 yang terserap oleh reaktan lebih sempurna dibanding dengan H2S sehingga menyebabkan penyerapan terhadap H2S menjadi terganggu.

Reaksi Amine dengan H2S dan CO2