Asro Pun’ Blog

Process Equipment Control : (1) Heat Exchanger Control.

Posted by asro pada 15 Oktober 2008

Suatu unit proses (process unit) selalu terdiri dari serangkaian peralatan process (process equipment) seperti Heat Exchanger, Pump, Compressor, Distillation Tower, Reactor, Tank, dsbnya.  Membahas sistem kontrol dalam suatu unit proses sama saja dengan membahas sistem kontrol dari peralatan-peralatan proses tersebut.  Tulisan ini merupakan sebuah tulisan berseri mengenai sistem kontrol pada peralatan proses, yang diawali dengan sistem kontrol pada Heat Exchanger.

Heat Exchanger (HE) merupakan peralatan yang banyak digunakan dalam industri proses (process industry) yang berfungsi menukarkan/mengalirkan panas dari suatu fluida ke fluida lainnya. HE yang dibahas dalam tulisan ini adalah dari tipe Shell and Tube.  Secara sederhana, prinsip kerja HE adalah sbb: dua fluida yang berbeda temperature, yang satu dialirkan dalam tube dan yang lainnya dalam shell hingga bersentuhan secara tidak langsung, sehingga panas dari fluida yang temperaturenya lebih tinggi berpindah ke fluida yang temperaturenya lebih rendah. Hasil dari proses ini adalah fluida panas yang masuk akan menjadi lebih dingin dan fluida dingin yang masuk akan menjadi lebih panas.

Dalam membahas sistem kontrol di HE, ada dua hal yang menjadi issue penting, yaitu penentuan controlled variable (variable yang akan dikontrol) dan manipulated variable (variable yang akan diubah-ubah dalam rangka menjaga controlled variable pada setpoint-nya).  Berdasarkan prinsip kerja/fungsi HE, maka yang paling efektif adalah mengambil fluksi panas (jumlah panas yang berpindah antara kedua fluida) sebagai controlled variable, akan tetapi ini tidak mungkin dilakukan mengingat dalam prakteknya fluksi panas (heat flux) tersebut sulit diukur. Oleh karena itu yang paling mungkin adalah dengan mengontrol temperature salah satu fluida yang keluar dari HE.  Untuk issue kedua,  penentuan manipulated; ada beberapa variable yang bisa dipilih sebagai manipulated variable, yaitu aliran fluida panas yang masuk, aliran fluida dingin yang masuk, aliran fluida panas yang keluar atau aliran fluida dingin yang keluar.  Masing-masing alternative pilihan ini memiliki kelebihan dan kekurangan, yang akan dijelaskan pada pembahasan selanjutnya.

Terdapat banyak jenis HE, diantaranya yang akan dibahas disini adalah: liquid-to-liquid exchanger dan steam heater.

Liquid-to-Liquid Exchanger.          Yang dimaksud dengan liquid-to-liquid exchanger adalah jenis HE dimana kedua fluida berbentuk cair (liquid phase).   Sebenarnya HE memiliki dua fungsi yang bersamaan, yaitu memanaskan fluida dingin yang masuk sekaligus mendinginkan fluida panas yang masuk.  Akan tetapi dari sisi sistem control (juga proses) kita harus menentukan mana dari kedua fungsi tersebut yang paling penting, karena seperti dijelaskan diatas, hanya  ada satu controlled variable, apakah itu temperature fluida yang dipanaskan atau temperature fluida yang didinginkan, tidak bisa dua-duanya.  Jika tujuan utama kita adalah memanaskan fluida maka yang akan dikontrol adalah temperature fluida yang dipanaskan (hasil pemanasan), HE jenis ini disebut juga dengan Heater.  Sebaliknya jika tujuan utama kita adalah mendinginkan fluida, maka yang akan dikontrol adalah temperature fluida yang didinginkan, HE jenis ini disebut juga dengan Cooler.  Untuk membedakan fluida mana yang akan dikontrol dan mana yang digunakan sebagai pemanas atau pendingin, maka untuk selanjutnya, fluida yang dikontrol disebut sebagai process fluida, sedangkan fluida yang kedua disebut sebagai medium fluida.

Terdapat beberapa jenis konfigurasi control yang biasa digunakan, selanjutnya akan dibahas beberapa diantaranya.  Gambar berikut adalah HE control dengan aliran process fluida sebagai manipulated variable.

Dalam gambar diatas terlihat pengontrolan temperature process fluida dilakukan dengan mengubah-ubah aliran process fluida yang keluar dari HE dan yang di-bypass.  Dalam konfigurasi ini, aksi kontrol bisa berupa split-range atau opposite action.   Dalam konfigurasi split-range, sinyal kontrol 0% – 50% digunakan untuk menutup control valve keluaran HE (CV1) dan 50% – 100% untuk membuka control valve bypass (CV2).  Dalam konfigurasi opposite action, jika salah satu control valve membuka, maka control valve lainnya akan menutup atau sebaliknya. Dalam konfigurasi opposite action, selain menggunakan dua buah two-way control valve seperti pada gambar diatas, bisa juga menggunakan three-way diverter valve (yang diletakan pada inlet HE) atau three-way mixing valve (yang diletakan pada outlet HE).

Umumnya konfigurasi seperti ini hanya untuk HE yang berfungsi sebagai Cooler seperti pada gambar diatas.  Jika konfigurasi ini diterapkan pada Heater, maka akan timbul masalah yaitu kemungkinan terjadinya kerak/coke pada HE akibat temperature process yang tinggi menyamai temperature medium yang masuk.  Penjelasannya adalah sbb: Pada konfigurasi diatas, pada suatu saat bisa saja terjadi control valve CV1 menutup penuh, yang berarti tidak ada aliran process yang keluar dari HE atau dengan kata lain ada sebagian process fluida yang tertahan dalam HE.  Untuk HE yang berfungsi sebagai Heater, pada kondisi ini temperature fluida dalam HE akan meningkat mendekati temperatur medium,  yang bisa menyebabkan terjadinya kerak/coke dalam HE.

Untuk mengatasi permasalahan diatas, maka untuk aplikasi Heater, yang digunakan sebagai manipulated variable adalah medium flow, seperti diperlihatkan pada gambar berikut.

Pada konfigurasi ini, control valve ditempatkan di outlet HE bukan pada inlet.  Pertimbangannya adalah jika ditempatkan di inlet dengan temperature medium yang masih tinggi, maka pressure drop pada valve dapat menyebabkan terjadinya gas yang bisa menurunkan performance HE.  Pertimbangan lainnya adalah harga valve yang digunakan lebih murah dan lebih awet karena service temperature-nya yang rendah.

Sangat jarang konfigurasi medium sebagai manipulated variable ini digunakan dalam Cooler, terutama jika mediumnya adalah air (cooling water).  Hal ini dikarenakan umumnya cooling water bersifat corrosive dan tidak terlalu bersih sehingga tidak bijak jika menempatkan control valve disitu.  Akan tetapi, jika memang harus digunakan terutama jika mediumnya bukan cooling water, maka control valve agar ditempatkan di outlet untuk menghindari terjadinya gas dalam HE yang dapat menurunkan kinerja HE.

Konfigurasi bypass seperti pada contoh pertama diatas, juga cocok untuk Cross Exchanger, dimana kedua fluida (process maupun medium) merupakan suatu process stream, seperti HE yang digunakan pada feed-product suatu tower distilasi.  Pada HE jenis ini, flow kedua fluida tidak boleh dimanipulasi (diubah-ubah flownya) karena akan mengganggu process distilasi.

Untuk beberapa aplikasi, HE tidak perlu dikontrol agar perpindahan panas dapat berlangsung maksimal.  Sebagai contoh pada aplikasi yang menggunakan rangkaian HE.  Pada aplikasi ini, umumnya yang dikontrol adalah HE yang terakhir karena untuk menjaga temperature pada nilai yang dibutuhkan oleh process berikutnya, sedangkan HE-HE sebelumnya tidak dikontrol.

 

Steam Heater.    Steam heater merupakan HE jenis heater dengan steam/uap air sebagai media pemanasnya.  Sama seperti pada liquid-to-liquid exchanger, kontrol pada steam heater juga dapat dilakukan dengan mengambil medium flow atau process flow sebagai menipulated variable.

Gambar berikut adalah konfigurasi control dengan medium flow sebagai manipulated variable dimana control valve diletakan pada inlet medium (steam line).

Pada kondisi beban tinggi, konfigurasi control ini dapat memberikan kinerja yang cukup baik.  Akan tetapi pada beban rendah, kinerja konfigurasi control ini kurang memuaskan, penjelasannya adalah sbb: Pada beban rendah, flow/tekanan steam yang masuk heater rendah sehingga tekanan condensate yang terjadi dalam heater juga rendah yaitu berada dibawah tekanan atmosfir.  Keadaan ini menyebabkan condenste yang terjadi tersebut tidak bisa langsung dibuang oleh steam trap.  Akibatnya akan terjadi akumulasi condensate dalam heater hingga tekanannya mencapai tekanan kerja steam treap.  Proses akumulasi condensate dalam heater ini menyebabkan heat tranfer area yang awalnya besar, semakin lama semakin kecil seiring dengan terakumulasinya condensate.  Pada saat pressure condensate mencapai tekanan kerja steam trap, semua condensate dalam heater serta merta akan dibuang keluar sehingga heat transfer area heater kembali seperti semula.  Dari prespektif control, kejadian ini mencerminkan dinamika sistem kerja heater yang berubah-ubah sehingga sulit untuk dikontrol.  Untuk mengatasi permasalahan ini, konfigurasi kontrol ini dilengkapi dengan condensate lifting/pumping trap, yang dapat membuang condensate walaupun tekanannya masih dibawah atmosfir.

Selanjutnya mari kita lihat bagaimana jika control valve diletakan di condensate line.  Ketika beban berkurang, posisi bukaan control valve hampir menutup penuh hingga akumulasi condensate dalam heater mencepai level tertentu dimana pengurangan heat tranfer area sudah sesuai dengan beban.  Pada arah perubahan beban ini (arah beban berkurang), process dynamic sangat lamban karena menunggu akumulasi condensate di heater.  Sebaliknya ketika beban bertambah, process dynamic sangat cepat karena hanya sedikit perubahan bukaan control valve, sudah banyak condensate yang terbuang.  Dari sisi control, process dynamic seperti ini sangat sulit untuk dikontrol.  Oleh karena itu, penempatan control valve di condensate line tidak direkomendasikan.

Salah satu konfigurasi control yang digunakan untuk mengatasi permasalahan low condensate pressure adalah dengan menggunakan condensate level control seperti gambar berikut.

Setpoint untuk level control dapat diubah-ubah untuk disesuaikan dengan beban, pada beban rendah, setpoint level control diset tinggi, begitu pula sebaliknya.  kelemahan dari konfigurasi control ini adalah harganya yang mahal.  Untuk mengatasinya, level control dapat diganti dengan continuous drain trap, yang fungisnya sama dengan level control tetapi harganya jauh lebih murah.

Bagaimana dengan konfigurasi control yang menggunakan process flow sebagai manipulated variable?  Konfigurasi yang sudah dibicarakan sebelumnya pada liquid-to-liquid exchanger  berlaku juga untuk steam heater.  Gambar berikut adalah process bypass control yang menggunakan Diverter Valve.

HE Enhanced Control.    Apabila gangguan (distrubance) sering terjadi dalam pengoperasian HE, maka konfigurasi basic control yang baru saja dibahas tidak dapat memberikan hasil yang memuaskan.  Untuk mengatasinya diperlukan konfigurasi baru yang disebut enhanced control.  Enhanced control ini dibentuk dengan menambah cascade control (untuk mengatasi gangguan pada manipulated variable) dan feedforward control (untuk mengatasi gangguan pada beban) serta kalkulasi/perhitungan pendukungnya pada konfigurasi basic control.  Sebagai contohnya adalah konfigurasi enhanced control untuk steam heater berikut.

Konfigurasi enhanced control ini dibuat dengan asumsi gangguan yang terjadi adalah pada process flow (gangguan beban) dan pada steam flow (gangguan manipulated variable).  Jika gangguan terjasi pada variable lainnya seperti process temperature, steam temperature, steam pressure atau variable lainnya, maka konfigurasi enhanced control juga akan berbeda.

12 Tanggapan to “Process Equipment Control : (1) Heat Exchanger Control.”

  1. madja said

    mas boleh tanya dunk?
    kenapa max di pressure drop pada HE 12 psi…
    boleh jelasin ke email mas..
    tararengkyu..

  2. madja said

    oh ya…sekalian.
    dalam design HE ada penghitungan RD (dirty)
    fungsi secara spesifik apa ya…
    n ada standart max yg harus di pakai nggak ?

  3. asro said

    Pertanyaan Madja menyangkut design HE, jadi lebih tepat ditujukan ke process engineer (teknik kimia). Madja bisa tanyakan ke Mas Budi TJ melalui link di blogroll. Atau kalau Mas Budi berkunjung ke sini bisa dijawab pertanyaan ini Mas.

  4. dickaker said

    pak,klo bleh tau, kan didalam tanki ada.,pipa ya dlengkuk- lengkukkan. atau di buat melingkar…pertanyaan ya.? kenapa harus dbuat seperti itu?? dan bahan pipa ya apa y??

  5. dickaker said

    kenapa di pipa hot bentuknya harus berbok belok!!!!!

  6. asro said

    Untuk Dickaker, semestinya pertanyaan ini ditujukan ke mechanical engineer atau process engineer.
    Kalau tidak salah pipa dibuat berbelok-belok untuk tujuan memperpanjang/memperluas area transfer panas.

  7. syafaat said

    Ekspansi yang Ditimbulkan oleh Temperatur fluida yang mengalir dalam pipa, nantinya akan diserap oleh adanya belokkan yang di buat.

  8. Candra Wijoyo Linardi said

    Mohon,bersedia tidak untuk mensupport saya dalam proyek pemasangan HE untuk pipa cat bersirkulasi dengan sistem kontrol temperatur pada HE tsb disetting +/- 1 derajat dengan temperatur normal 25 derajat, urgent dan dari Chiller pengambilan airnya..salam.
    Bila bersedia mohon hubungi Candra W.L.-0813 10465 776/021 9228 7004
    dan profit sharring dari nilai gross profit,open dan transparan..Terima kasih.

  9. Nanda said

    mantap om blognya…

    nanti saya menyusul…

  10. Beny said

    Pak saya mw bertanya..apabila kita mw mengendalikan level pada suatu heater, mengapa perhitungan matematis untuk neraca kalor tdak diperhitungkan? terima kasih atas perhatiannya..:)
    blog yang sangat bermanfaat

  11. Andik Hariyanto said

    Pak saya membuat tanki tabung dengan diameter 1.5 m dan tinggi 4m, tetapi tanki tsb akan saya isi dgnl imbah oli B3 hanya sebatas 3 m dari tinggi tanki tsb. pertanyaan saya berapa kapasitas heater yang harus saya pasang untuk bisa memanaskan limbah oli B3 sampai 300 derajat celcius…
    Makasih.

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

 
%d blogger menyukai ini: