program studi teknik kimia fakultas teknik universitas
Post on 17-Mar-2022
3 Views
Preview:
TRANSCRIPT
PENGENDALIAN PROSESTK6543
KONSEP DASAR PENGENDALIAN PROSES
Program Studi Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret 2020
Tika Paramitha, S.T., M.T.
1
Contoh Pengendalian Proses
2
Contoh pengendalian proses dalam kehidupan
sehari-hari, yaitu pengendalian proses pada
water heater.
Terdapat sensor air dan sensor pemantik api
yang terhubung dengan panel.
Termostat : alat kontrol suhu air. Jika suhu air
melebihi 70°C, maka aliran gas akan berhenti.
TRAGEDI BHOPAL (kegagalan pengendalian proses)
3https://www.youtube.com/watch?v=dGUmw8WyXpo
BAB 1
“Incentives for Chemical Process Control”
4
PENGENDALIAN PROSES ???
5
Proses dalam kata pengendalian proses dan industri proses menunjuk pada “cara perubahan”
materi atau energi untuk memperoleh produk akhir.
Mengendalikan (kata kerja) adalah “memperoleh” keadaan yang diinginkan
dengan cara mengatur variabel tertentu dalam sistem.
Pengendalian proses adalah “cara memperoleh” keadaan proses agar sesuai
dengan yang diinginkan.
Persyaratan dalam Menjalankan Pabrik Kimia
6
1. Keamanan (safety): menjalankan operasi dengan aman dari suatu
proses kimia adalah persyaratan utama. Sehingga kondisi operasi
dilakukan pada batasan tertentu.
2. Spesifikasi produk: suatu pabrik memproduksi produk dengan
jumlah dan kualitas produk sesuai yang diharapkan.
3. Peraturan lingkungan: memperhatikan peraturan lingkungan,
seperti temperatur, konsentrasi bahan kimia, dan laju aliran keluaran
dari pabrik harus dalam batasan tertentu.
Persyaratan dalam Menjalankan Pabrik Kimia
7
4. Batas operasional: mempertahankan kondisi tetap dalam batas
operasional (operational constraint) sehingga produktivitas dan kualitas
produk terjaga.
5. Keuntungan (profitability): operasi yang dijalankan harus
memperhatikan ketersediaan bahan baku dan kebutuhan produk oleh
konsumen. Selain itu, pemanfaatan bahan baku, energi, tenaga buruh
harus optimal. Proses yang berjalan optimum akan menghasilkan
keuntungan maksimum.
Tujuan Pengendalian Proses
8
1. Menekan pengaruh gangguan eksternal
2. Memastikan stabilitas proses kimia
3. Mengoptimalkan kinerja proses kimia
Tujuan Pengendalian Proses
9
Menekan pengaruh gangguan eksternal
Example 1.1. Kontrol pada tangki pemanas berpengaduk
Set point : T sesuai dengan Ts dan V sesuai dengan Vs
Tujuan Pengendalian Proses
10
Menekan pengaruh gangguan eksternal
Feedback : sistem kontrol mengukur variabel T setelah variabel yang mengganggu
memberikan efek pada sistem.
Feedforward : sistem kontrol tidak menunggu efek gangguan pada sistem, tetapi bertindak
sebelum mempengaruhi sistem.
Kontrol terhadap Temperatur
Tujuan Pengendalian Proses
11
Menekan pengaruh gangguan eksternal
Kontrol terhadap Volume (Feedback)
Tujuan Pengendalian Proses
12
Memastikan stabilitas proses kimia
SELF REGULATING : kembali ke kondisi awal,
dan tetap pada kondisi tersebut tanpa
intervensi dari luar.
Proses tidak stabil dan membutuhkan
controller untuk menstabilkannya.
Tujuan Pengendalian Proses
13
Memastikan stabilitas proses kimia
Example 1.2. Kontrol pada CSTR dengan jaket pendingin
Berdasarkan gambar 1.8. P2 tidak stabil, sedangkan P1 dan P3 stabil.
Tujuan Pengendalian Proses
14
Memastikan stabilitas proses kimia
G (T) : jumlah panas yang terbangkitkan (generated heat)
R (T) : jumlah panas yang terambil oleh pendingin (removal heat)
Jika reaksi terjadi pada P3, maka :
Suhu naik menjadi dari T3 menjadi T3’: R
> G, sehingga suhu akan turun ke T3.
Suhu turun menjadi dari T3 menjadi T3”:
G > R, sehingga suhu akan naik ke T3.
Hal yang sama akan terjadi juga jika
reaksi terjadi pada P1.
Kestabilan P1 dan P3
Tujuan Pengendalian Proses
15
Memastikan stabilitas proses kimia
G (T) : jumlah panas yang terbangkitkan (generated heat)
R (T) : jumlah panas yang terambil oleh pendingin (removal heat)
Jika reaksi terjadi pada P2, maka :
Suhu naik dari T2 menjadi T2’: G > R,
sehingga suhu akan naik terus-menerus
menjauhi T2.
Suhu turun dari T2 menjadi T2”: R > G,
sehingga suhu akan turun terus-menerus
menjauhi T2.
Ketidakstabilan P2
Tujuan Pengendalian Proses
16
Memastikan stabilitas proses kimia
Operasi harus dilakukan pada T2 dengan
pertimbangan :
T1 : suhu terlalu rendah (reaksi berjalan
lambat)
T3 : suhu terlalu tinggi (unsafe/mahal),
bisa merusak katalis dan mendekomposisi
produk.
Tujuan Pengendalian Proses
17
Mengoptimalkan kinerja proses kimia
Tujuan : SAFETY dan SPESIFIKASI PRODUK
Selanjutnya, PROFITABLE.
Example 1.3. Optimasi performa reaktor batch
Reaksi : A → B → C
B merupakan produk utama, sedangkan C merupakan produk yang tidak diinginkan.
Maksimum profit= 0tR
pendapatan hasil penjualan B − biaya uap dt + biaya pembelian A
Tujuan Pengendalian Proses
18
Berdasarkan persamaan menentukan keuntungan, yang dapat diatur dalam suatu
operasi adalah kebutuhan steam.
1) Q (t) besar (laju alir steam besar) : suhu reaksi akan besar dan kecepatan reaksi
besar.
Pada awalnya CA besar, maka yield B besar. Dengan bertambahnya waktu, B akan
terurai menjadi C, sehingga produk B akan menurun.
2) Q (t) = 0 : tidak membutuhkan biaya steam dan tidak ada produksi B.
Sehingga diperlukan sistem kontrol untuk mengatur laju alir steam.
→ Jumlah aliran steam sebagai fungsi waktu
BAB 2
“Design Aspects of a Process Control System”
19
Klasifikasi variabel pada proses kimia
20
Variabel yang berhubungan dengan proses kimia:
1. Input variables adalah variabel yang masuk ke proses.
2. Output variables adalah variabel yang keluar dari proses.
Input variables :
1. Manipulated variables adalah
variabel yang nilainya dapat diatur.
2. Disturbances adalah variabel yang
nilainya bukan hasil pengaturan.
Output variables :
1. Measured output variables adalah
variabel yang nilainya diketahui
dengan mengukur secara langsung.
2. Unmeasured output variables
adalah variabel yang nilainya tidak
dapat dihitung secara langsung
Klasifikasi variabel pada proses kimia
21
Example 2.3.
Reaktor CSTR dengan pendingin jaket
Input variables :
Manipulated variables : Fc dan F
Disturbances : Cai, Ti, Fi, Tci
Output variables :
Measured output variables : T, Tco (termokopel),
F (venturimeter), V (differential pressure cell).
Unmeasured output variables : Ca (gas
kromatografi, infrared spectrometer).
Klasifikasi variabel pada proses kimia
22
Example 2.4.
Tangki pemanas berpengaduk
Input variables :
Manipulated variables : Fst, F
Disturbances : Ti, Fi
Output variables :
Measured output variables : T dan V
Elemen desain sistem kontrol
23
1. Menentukan tujuan pengendalian proses
1. Menekan pengaruh gangguan eksternal
2. Memastikan stabilitas teknik kimia
3. Mengoptimalkan kinerja proses kimia
Tujuan proses bisa dipilih dari ketiga tujuan di bawah, atau kombinasinya.
Elemen desain sistem kontrol
24
2. Menentukan pengukuran
Menentukan variabel apa saja yang akan diukur.
Example 2.9.
Untuk proses tangki pemanas berpengaduk variabel
yang diukur yaitu temperatur dan volume cairan.
Elemen desain sistem kontrol
25
2. Menentukan pengukuran
Example 2.10.
Menara distilasi sederhana bertujuan memisahkan dua komponen (pentan dan heksan)
menjadi dua aliran produk yaitu pentan (hasil atas) dan heksan (hasil bawah). Spesifikasi
yang diinginkan yaitu hasil atas berupa 95% mol pentan.
Elemen desain sistem kontrol
26
2. Menentukan pengukuran
Gambar 1 : yang diukur komposisi hasil atas (feedback control configuration)
Gambar 2 : yang diukur komposisi umpan (feedforward control configuration)
Gambar 3 : yang diukur temperatur tray (inferential control configuration)
Elemen desain sistem kontrol
27
3. Menentukan manipulated variables
Gambar 1 : manipulated variable adalah laju alir keluaran (F)
Gambar 2 : manipulated variable adalah laju alir masuk (Fi)
Elemen desain sistem kontrol
28
4. Menentukan konfigurasi pengendalian
Ada dua sistem kontrol :
1) Variabel yang diukur/dikontrol berbeda → manipulated variables/variabel yang diatur sama.
Gambar 1 : variabel yang diukur T pada tangki, variabel yang diatur laju alir steam (Fst)
Gambar 2 : variabel yang diukur Ti pada umpan, variabel yang diatur laju alir steam (Fst)
Elemen desain sistem kontrol
29
4. Menentukan konfigurasi pengendalian
Ada dua sistem kontrol :
2) Variabel yang diukur/dikontrol sama → manipulated variables/variabel yang diatur berbeda.
Gambar 1 : variabel yang diukur V pada tangki, variabel yang diatur laju alir keluar (F)
Gambar 2 : variabel yang diukur V pada tangki, variabel yang diatur laju alir umpan (Fi)
Elemen desain sistem kontrol
30
4. Menentukan konfigurasi pengendalian
Berdasarkan jumlah variabel yang dikontrol dan variabel yang diatur, dibedakan menjadi :
1) SISO (single input, single output)
Contoh : kontrol ketinggian cairan dengan mengatur laju alir keluaran.
Elemen desain sistem kontrol
31
4. Menentukan konfigurasi pengendalian
2) MIMO (multiple input, multiple output)
Contoh : kontrol ketinggian cairan dan temperatur dengan mengatur laju alir steam dan
laju alir umpan.
Elemen desain sistem kontrol
32
4. Menentukan konfigurasi pengendalian
Tiga jenis konfigurasi pengendalian proses adalah :
1) Pengendalian Umpan Balik (Feedback control configuration) : pada konfigurasi ini,
variabel yang diukur/dikontrol adalah output variables untuk mengatur manipulated
variables.
2) Pengendalian Inferential (Inferential control configuration) : pada konfigurasi ini
menggunakan pengukuran secara tidak langsung yaitu dengan mengukur output
variables tertentu untuk mengestimasi variabel yang akan dikendalikan. Hal ini dilakukan
karena variabel terkontrol tidak dapat diukur secara langsung.
3) Pengendalian Umpan Maju (Feedforward control configuration) : pada konfigurasi
ini, variabel yang diukur adalah gangguan (disturbances) untuk mengatur manipulated
variables.
Elemen desain sistem kontrol
33
Feedback Variabel yang diukur : Measured output variables :
komposisi hasil atas
Variabel yang diatur : Manipulated variables : Reflux
ratio
Elemen desain sistem kontrol
34
Feedforward Variabel yang diukur : Disturbances : komposisi umpan
Variabel yang diatur : Manipulated variables : Reflux
ratio
Elemen desain sistem kontrol
35
Variabel yang diukur : variabel sekunder : temperatur pada tray
Variabel yang diatur : Manipulated variables : Reflux ratio
Inferential
Elemen desain sistem kontrol
36
4. Mendesain controller
Kondisi steady state :
Kondisi transient :
Kedua persaman di atas menjadi :
Elemen desain sistem kontrol
37
4. Mendesain controller
Propotional control
Propotional control tidak stabil ketika
diaplikasikan.
Elemen desain sistem kontrol
38
4. Mendesain controller
Integral control
Integral control : semakin besar nilai α, maka
semakin kecil waktu yang dibutuhkan untuk
stabil dan semakin kecil error yang
dihasilkan.
Elemen desain sistem kontrol
39
4. Mendesain controller
Propotional-Integral Control
Aspek kontrol untuk keseluruhan proses pabrik kimia
40
Example 2.13.
Terdiri dari dua unit yaitu CSTR dan menara distilasi.
Reaksi : A + B → C
Reaksi endotermis, panas disuplai dari steam.Tujuan :
1) Spesifikasi produk :
Menjaga aliran produk (Fp)
Menjaga kemuarnian produk (C)
2) Hambatan dalam operasi :
Reaktor CSTR dijaga agar tidak overflow
Menara distilasi dijaga agar tidak flooding
3) Pertimbangan ekonomi :
Memaksimalkan keuntungan dengan
meminimalkan biaya operasional (harga
bahan baku, steam (reaktor dan menara
distilasi), cooling water (menara distilasi).
Aspek kontrol untuk keseluruhan proses pabrik kimia
41
Disturbances/gangguan :
1) Laju alir, komposisi, temperatur bahan
baku
2) Tekanan pada menara distilasi
3) Temperatur pendingin pada kondensor
(jika yang digunakan air, maka
temperatur pendingin pada siang hari
dan malam hari berbeda)
Aspek kontrol untuk keseluruhan proses pabrik kimia
42
Kontrol dilakukan pada dua unit proses
1) Hasil atas menara distilasi dikontrol dengan mengatur laju alir steam
pada reboiler
2) Konversi pada reaktor dikontrol dengan rasio FA/FB dan temperatur.
Keluaran reaktor mempengaruhi operasi
pada menara distilasi
Hasil atas menara distilasi mempengaruhi
konversi pada reaktor
BAB 3
“Hardware for a Process Control System”
43
Perangkat keras sistem kontrol
44
1. Proses : proses terjadinya operasi kimia dan fisika.
2. Instrumen/sensor: alat untuk mengukur gangguan, variabel output, maupun variabel
sekunder.
Variabel Sensor
Temperatur Thermocouple, resistance thermometer
Tekanan Manometer
Laju alir Orifice meter, venturimeter
Level ketinggian cairan Differensial pressure cell (DP cell)
Komposisi Chromatographic analyzer
Perangkat keras sistem kontrol
45
3. Transmitter: mengubah hasil pengukuran sensor menjadi sinyal standar. Sinyal standar
yang dapat dipakai adalah sinyal pneumatik dan sinyal listrik.
Transduser: mengubah sinyal arus ke tekanan udara (I/P).
Perangkat keras sistem kontrol
46
4. Transmission lines: kabel untuk menyampaikan sinyal listrik.
Terkadang hasil pengukuran sinyal sangat lemah, sehingga tidak dapat ditransmisikan
untuk jarak jauh. Sehingga perlu ada penambahan amplifier yang dapat meningkatkan level
sinyal. Misalnya : hasil pengukuran termokopel hanya beberapa milivolt diubah menjadi
beberapa volt.
Sensor ControllerFinal control element,
ex. Control valve
Perangkat keras sistem kontrol
47
5. Kontroler : menerima informasi dari sensor dan menentukan output/tindakan
yang harus dilakukan.
- Perhitungan sinyal dari sensor
- Aksi apa yang akan diambil
6. Elemen kontrol : alat untuk mengimplementasikan output kontroler.
- Control valve, pump, compressor
7. Alat perekam : merekam fenomena dari proses tersebut.
- Video display unit
Perangkat keras sistem kontrol
48
Perangkat keras sistem kontrol
49
Sketsa dan simbol katup kendali pneumatik
Berdasar aksi katup oleh adanya
perubahan tekanan udara, katup kendali
dibedakan menjadi dua macam, yaitu :
1. air-to-open (AO) atau disebut fail-
closed (FC)
2. air-to-close (AC) atau disebut fail-
open (FO).
Air-to-open, katup akan membuka jika mendapat tekanan udara. Atau dengan kata lain,
bila terjadi kegagalan pasokan udara hingga tekanan jatuh ke minimum, katup akan
menutup.
Air-to-close, katup akan menutup jika mendapat tekanan udara. Atau dengan kata lain,
bila terjadi kegagalan pasokan udara hingga tekanan jatuh ke minimum, katup akan
membuka.
Perangkat keras sistem kontrol
50
Sketsa dan simbol katup kendali pneumatik
Berdasar aksi penggerak (actuator)
oleh adanya perubahan tekanan
udara, katup kendali dibedakan
menjadi dua macam, yaitu:
1. direct acting
2. reverse acting.
Direct acting, sinyal tekanan udara masuk dari atas. Dengan kenaikan sinyal
tekanan udara, stem bergerak ke bawah.
Reverse acting, sinyal masuk dari bawah. Dengan kenaikan sinyal tekanan udara,
stem bergerak ke atas.
Perangkat keras sistem kontrol
51
Direct acting
Jika level tanki mengalami kenaikan melebihi
setpoint maka control valve akan membuka lebih
besar untuk menjaga level tanki kembali ke
setpoint
Reverse acting
Jika level tangki mengalami kenaikan melebihi
setpoint, maka control valve harus
mengurangi bukaannya untuk menjaga level
tangki tidak melebihi setpoint
Perangkat keras sistem kontrol
52
Diagram Instrumentasi Pengendalian Suhu dan Level Reaktor
Perangkat keras sistem kontrol
53
Diagram Instrumentasi Pengendalian Suhu dan Level Reaktor (disederhanakan)
54
Pengendalian umpan maju tidak mengukur variabel proses melainkan
gangguan. Padahal tidak semua gangguan dapat atau mudah diukur. Sebagai
contoh, kehilangan panas ke lingkungan termasuk besaran yang sukar diukur. Karena
tidak semua gangguan dapat diukur, maka hasil pengendalian umpan maju tidak
terlalu bagus. Lebih jauh, tidak ada jaminan bahwa nilai variabel proses sama
dengan setpoint. Oleh sebab itu pengendalian umpan maju hampir selalu
dipakai bersama pengendalian umpan balik. Pengendalian umpan balik bertugas
mengantisisapi gangguan tak terukur serta memastikan nilai variabel proses sesuai
yang diharapkan. Pengendalian umpan maju dipakai untuk mengantisipasi gangguan
sebelum berpengaruh ke variabel proses. Satu-satunya keunggulan pengendalian
umpan maju adalah kestabilan sistem.
TERIMA KASIH
top related