program studi teknik kimia fakultas teknik universitas

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


9

Menekan pengaruh gangguan eksternal

Example 1.1. Kontrol pada tangki pemanas berpengaduk

Set point : T sesuai dengan Ts dan V sesuai dengan Vs


10


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


11


Kontrol terhadap Volume (Feedback)


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.


13


Example 1.2. Kontrol pada CSTR dengan jaket pendingin

Berdasarkan gambar 1.8. P2 tidak stabil, sedangkan P1 dan P3 stabil.


14


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


15


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


16


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.


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


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


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).


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.


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.


25


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.


26


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)


27

3. Menentukan manipulated variables

Gambar 1 : manipulated variable adalah laju alir keluaran (F)

Gambar 2 : manipulated variable adalah laju alir masuk (Fi)


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)


29


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)


30


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.


31


2) MIMO (multiple input, multiple output)

Contoh : kontrol ketinggian cairan dan temperatur dengan mengatur laju alir steam dan

laju alir umpan.


32


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.


33

Feedback Variabel yang diukur : Measured output variables :

komposisi hasil atas

Variabel yang diatur : Manipulated variables : Reflux

ratio


34

Feedforward Variabel yang diukur : Disturbances : komposisi umpan

Variabel yang diatur : Manipulated variables : Reflux

ratio


35

Variabel yang diukur : variabel sekunder : temperatur pada tray

Variabel yang diatur : Manipulated variables : Reflux ratio

Inferential


36

4. Mendesain controller

Kondisi steady state :

Kondisi transient :

Kedua persaman di atas menjadi :


37


Propotional control

Propotional control tidak stabil ketika

diaplikasikan.


38


Integral control

Integral control : semakin besar nilai α, maka

semakin kecil waktu yang dibutuhkan untuk

stabil dan semakin kecil error yang

dihasilkan.


39


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).


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)


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


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).


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


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


48


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.


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.


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


52

Diagram Instrumentasi Pengendalian Suhu dan Level Reaktor


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

program studi teknik kimia fakultas teknik universitas

Documents