Proposal Tugas Akhir - Ajie [PDF]

Citation preview

PROPOSAL TUGAS AKHIR (INSTRUMENTASI) OPTIMISASI PLANTWIDE DAN KONDISI OPERASI PADA PROSES CO2 ABSORBTION PLANT



Disusun Oleh: Aditya Damar Jati NRP. 02311640000100



Dosen Pembimbing : Totok Ruki Biyanto, Ph.D NIP. 19710702 199802 1 001



PROGRAM STUDI S-1 DEPARTEMEN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2019



LEMBAR PENGESAHAN PROPOSAL TUGAS AKHIR DEPARTEMEN TEKNIK FISIKA FTI-ITS Judul



: Optimisasi Plantwide Control dan Kondisi Operasi pada Proses CO2 Absorbtion Plant Bidang Studi : Rekayasa Instrumentasi dan Kontrol 1. a. Nama : Aditya Damar Jati b. NRP : 02311640000100 c. Jenis Kelamin : Laki-Laki 2. Jangka Waktu : 5 bulan 3. Pembimbing : Totok Ruki Biyanto, Ph.D 4. Usulan Proposal Ke : I 5. Status : Baru



Surabaya, 22 Agustus 2019



Pengusul,



Aditya Damar Jati NRP. 02311640000100



Menyetujui, Pembimbing I,



Totok Ruki Biyanto, Ph.D NIP. 19710702 199802 1 001



I.



Judul Optimisasi Plantwide Control dan Kondisi Operasi pada Proses CO2 Absorbtion Plant



II.



Mata Kuliah Pilihan Bidang Minat yang Diambil 1. Sistem Pengendalian Modern 2. Pengendalian Proses 3. Plantwide Control



III. Pembimbing 1. Totok Ruki Biyanto, Ph.D IV. Latar Belakang Gas alam merupakan senyawa hidrokarbon yang terdiri dari campuran beberapa macam gas hidrokarbon yang mudah terbakar dan non hidrokarbon (impuritas) seperti Hg, CO2, dan H2S (M. Faisol Haq, 2012)[1]. Gas alam menjadi salah satu bahan baku dalam pembuatan LNG di PT Badak LNG. Untuk menghilangkan kadar CO2 maka dilakukan proses pemurnian dengan cara menyerap CO2 melalui proses CO2 absrobtion plant. Proses CO2 absrobtion plant merupakan tahap pemurnian gas dari kandungan CO2. Menurut Irfan Javed dkk (2010) dalam jurnalnya, salah satu proses dalam CO2 absorbtion plant adalah proses absorbsi CO2 dimana gas akan dikondensasi pada suhu rendah dan tekanan tinggi agar dapat terserap oleh larutan Benfield[2] . Proses CO2 absorbtion plant tersebut membutuhkan energi panas dengan jumlah yang besar. Menurut Rochelle G. dan Oyenekan B. (2006), kinerja proses tersebut dapat dilihat dari spesifikasi produk, kuantitas produk, maupun efisiensi energi[3] . Proses pada kolom absorber menggunakan energi yang cukup banyak karena harus beroperasi pada suhu rendah. Energi diambil dari pemanasan maupun pendinginan yang bekerja pada sistem dan energi dari produk atau energi recovery. Energi recovery sangat bergantung terhadap efisiensi pembakaran pada heat exchanger. Padahal efisiensi heat exchanger bisa menurun sepanjang waktu operasi. Kondisi operasi menurun disebabkan oleh kualitas dan kuantitas bahan baku saat plant beroperasi sehingga pemodelan desain awal set up tidak lagi optimal. Oleh karena itu perlu dilakukan evaluasi dengan membandingkan desain dan kondisi operasi di lapangan agar mendapatkan kinerja yang optimal menggunakan optimasi plant wide control. V.



Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang diatas, maka permasalahan yang akan diangkat dalam tugas akhir ini yaitu: 1. Bagaimana Optimisasi Plantwide Control dan Kondisi Operasi pada Proses CO2 Absorbtion Plant? 2. Bagaimana dampak penerapan Optimisasi Plantwide Control dan Kondisi Operasi pada Proses CO2 Absorbtion Plant terhadap kuantitas dan kualitas produk, penggunaan energi, serta sisi ekonomi yang lain? VII. Tujuan Tujuan dilakukan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Merancang Optimisasi Plantwide Control dan Kondisi Operasi pada Proses CO2 Absorbtion Plant



2. Menganalisa dampak penerapan Optimisasi Plantwide Control dan Kondisi Operasi pada Proses CO2 Absorbtion Plant terhadap kuantitas dan kualitas produk, penggunaan energi, serta sisi ekonomi yang lain. VII. Lingkup Kerja Ruang lingkup yang dikaji dalam tugas akhir ini meliputi: 1. Proses yang dikaji adalah Proses CO2 absorbtion plant pada perusahaan gas di Kaliantan Timur. 2. Menerapkan strategi plantwide control karya Skogestad. VIII. Tinjauan Pustaka Beberapa pustaka yang menimbulkan gagasan dan mendasari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Haq, M. Faisol. 2012. Optimasi Penyerapan H2S terhadap Perubahan Suhu Ambient dalam Amine Contactor dengan Metode Pemrograman Non Linear pada Industri Pengolahan Gas Alam di Gresik. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. 2. S. Skogestad. 2004. Control structure design for complete chemical plants. Sumber ini berisi prosedur struktur desain plantwide control karya Skogestad, dimana menjelaskan tentang top-down analysis dan bottom-up design. 3. Jones, Dustin, etc. 2014. Plant-wide control system design: Primary controlled variable selection. Sumber ini berisi penjelasan bagaimana pemilihan variabel kontrol primer, yaitu dengan melihat sisi ekonomisnya. Sehingga tujuan utamanya adalah mengoptimasi biaya operasi yang digunakan pada proses. 4. Jones, Dustin, etc. 2014. Plant-wide control system design: Secondary controlled variable selection. Sumber ini berisi penjelasan bagaimana pemilihan variabel kontrol sekunder, yaitu dengan melihat kemudahan dalam pengukuran dan sensitivitas terhadap input. Sehingga tujuan utamanya adalah menjaga hasil output tetap sesuai dengan keinginan dengan meminimalisir error. 5. Biyanto, Totok R. 2015. Design Plant-wide Control to Waste Heat Recovery Generation on Cement Industry Based HYSYS. Sumber ini berisi penjelasan mengenai penerapan plant-wide control pada Waste Heat Recovery Generation (WHRG) pada industri semen menggunakan HYSYS yang dapat dijadikan referensi pada perancangan plant-wide control pada tugas akhir ini. IX. 9.1



Teori Penunjang



Absorber Absorber adalah alat pemisahan suatu komponen gas oleh zat cair sebagai pelarut. Prinsip kerjanya adalah suatu campuran gas diumpankan dari bawah (bottom) tower absorber, untuk dikontakkan dengan zat cair dari atas (top) absorber. Kompenen gas yang mempunyai kelarutan terbesar pada cairan tersebut akan larut bersama adsorben (zat cair) dan menjadi bottom produk, sedangkan komponen gas lainnya yang tidak terlarut dalam



absorben akan ke atas sebagai top produk. Karna prinsip kerja Absorber berdasarkan kelarutan gas dalam cairan, maka kondisi operasi Absorber adalah pada temperatur rendah, dan tekanan tinggi. Dimana pada kondisi ini, daya larut gas dalam fase cair akan maksimal (ingat hukum gas ideal ). 9.2



Heat Exchanger Heat exchanger merupakan alat yang digunakan untuk proses transfer energi thermal (enthalpy) antara dua fluida atau lebih, antara sebuah permukaan solid dan sebuah fluida ataupun antara suatu bagian dari solid terhadap fluida pada temperatur yang berbeda dan dalam kontak thermal. Aplikasi dari heat exchanger banyak digunakan pada proses pemanasan (heating) dan pendinginan (cooling) dari suatu aliran fluida, selain itu digunakan juga pada proses evaporasi dan kondensasi dari aliran fluida dengan komponen tunggal maupun campuran. Prinsip kerja dari heat exchanger ini adalah mengontakan antar fluida yang akan dinaikan atau diturunkan temperaturnya, namun pada umumnya proses kontak yang terjadi tidak secara langsung melainkan dipisahkan oleh sebuah dinding. Heat exchanger memiliki beberapa jenis yaitu shell and tube, plates, open-flow dan rotating. 9.3



Striper Stiper adalah kebalikan dari absorber. Striper adalah alat yang digunakan untuk memisahkan suatu komponen zat cair dari campurannya dengan menggunakan gas sebagai penyerap. Prinsip kerja stipper berdasarkan kemampuan zat cair untuk menguap ke gas stipping. Kebalikan dari absorber, kondisi operasi stipper yaitu pada temperatur tinggi dan tekanan rendah. Temperatur yang digunakan disesuaikan dengan titik didih larutan yang ingin dipisahkan dari campurannya. Adapun cara kerja nya yaitu camouran zat cair di umpankan dari top stipper, dan dikontakkan dengan gas stipping dari bottom stipper. Komponen zat cair tertentu akan tersripping/ menguap bersama aliran gas kebagian top sripper, sedangkan cairan ang tidak terstipping akan mengalir ke bottom stipper sebagai bottom produk. 9.4



Peng-Robinson Equation of State Equation of state (persamaan keadaan) adalah persamaan termodinamika yang menggambarkan keadaan materi di bawah keadaan fisik yang ada. Persamaan ini merupakan persamaan konstitutif yang menyediakan hubungan matematis antara dua atau lebih fungsi keadaan terkait dengan zat atau unsur, seperti suhu, tekanan, volume, atau energi internal. Persamaan keadaan berguna untuk mengkorelasikan kepadatan gas dan cairan dengan suhu dan tekanan. Terdapat beberapa macam equation of state salah satunya yaitu Peng-Robinson equation of state yang dinyatakan dalam rumus di bawah ini. 𝑝=𝑉



𝑅𝑇



𝑚 −𝑏



𝑎𝛼



−𝑉



2 2 𝑚 +2𝑏𝑉𝑚 −𝑏 2 2 𝑅 𝑇𝑐



𝑎 = 0,45724 𝑏 = 0,07780



𝑃𝑐 𝑅𝑇𝑐 𝑃𝑐



𝑘 = 0,37464 + 1,5422𝜔 − 0,26922𝜔2 𝛼 = (1 + 𝜅(1 − 𝑇𝑟 0,5 ))2



(1) (2) (3) (4) (5)



𝑇



𝑇𝑟 = 𝑇



𝑐



(6)



dimana: p = tekanan (mutlak) V = volume n = jumlah mole pada zat 𝑉



𝑉𝑚 = 𝑛 = volume molar, volume dari 1 mole gas atau cair T R 𝑃𝑐 𝑇𝑐



= temperatur mutlak = gas konstan ideal (8,3144621 J/molK) = tekanan pada titik kritis = temperatur mutlak pada titik kritis.



Persamaan Peng-Robinson ditemukan pada tahun 1976 untuk menyempurnakan persamaan sebelumnya di University of Alberta oleh Ding-Yu Peng dan Donald Robinson untuk memenuhi tujuan berikut [7].  Parameter-parameter dapat dinyatakan dalam sifat kritis dan faktor aksentrik.  Model memberikan tingkat akurasi yang mendekati titik kritis, terutama untuk perhitungan faktor kompresibilitas dan densitas cairan.  Aturan dalam pencampuran tidak harus menggunakan lebih dari satu parameter interaksi biner tunggal, yang harus independen dari tekanan suhu dan komposisi.  Persamaan berlaku untuk semua perhitungan dari semua sifat fluida dalam proses gas alam. 9.5



Plant Wide Control Plantwide control melibatkan satu atau beberapa sistem dan strategi yang digunakan untuk mengendalikan plant, dimana pada plant tersebut terdapat unit operasi yang saling berhubungan. Tiga jenis unit operasi yang biasa menjadi permasalahan pada suatu plant sehingga dibutuhkan plantwide control antara lain adalah adanya material recycle, integrasi panas dan komponen kimia yang beragam. Adapun tujuan dari plantwide control adalah mencapai kondisi operasi yang aman dan lancar, mampu mempertahankan kualitas produk dengan adanya gangguan, mampu beroperasi secara otomatis sepanjang waktu tanpa perlu perhatian lebih dari operator, memenuhi batasanbatasan lingkungan seperti emisi gas berbahaya dan sebagainya. Dalam mencapai tujuan tersebut, terdapat banyak prosedur plantwide control yang dikembangan. Dua prosedur yang cukup populer di industri saat ini adalah prosedur plantwide control karya Luyben dan prosedur plantwide control karya Skogestad. Pada tugas akhir kali ini, prosedur plantwide control yang digunakan adalah karya Skogestad. Dimana langkah–langkah penerapannya terbagi menjadi 2 bagian utama, yaitu top-down analysis dan bottom-up design. Top-down analysis adalah metode yang digunakan untuk mengoptimasi proses demi tujuan meningkatkan profit atau menurunkan cost. Sedangkan bottom-up design adalah metode untuk mempertahankan stabilitas dari sistem [8] Dalam pemilihan variable optimasi pada plant wide control, terdapat dua jenis variabel yakni variabel primer dan sekunder. Variabel primer adalah variabel yang berkaitan langsung pada sisi ekonomi pada sistem [9]. Sedangkan variabel sekunder



adalah variabel yang mudah diukur dan sensitivitasnya tinggi sehingga dapat menghasilkan respon yang cepat [10]. Berikut ini adalah langkah-langkah penerapan plantwide control karya Skogestad [11]. Analisa Top-down 1. Tentukan tujuan operasional berupa fungsi biaya dan batasan – batasannya. 2. Tentukan derajat kebebasan (Degrees of freedom/DOF), gangguan yang mungkin terjadi dan lakukan optimasi pada operasi dengan derajat kebebasan yang ada serta dengan mempertimbangan gangguan yang telah ditentukan. 3. Identifikasi variabel proses yang akan dijadikan sebagai objek pengukuran, lalu dari variabel proses tersebut dipilih variabel kendali utama (Controlled variable 1/CV1) guna meminimalisir kerugian proses ditinjau dari segi ekonomi. 4. Tentukan lokasi Througput Manipulator (TPM) yang menjadi pengatur besar laju produk per satuan waktu. Analisa Bottom-up 5. Pilih struktur pada tingkat pengendalian regulatory dengan menentukan variabel kendali kedua (Controlled Variable 2/CV2) yang fokus pada stabilisasi proses dan juga pemilihan pasangan variabel proses – variabel manipulasi. 6. Pilih struktur pada tingkat pengawasan atau supervisory dengan mempertimbangkan pasangan variabel proses – variabel manipulasi dan juga penentuan pengendali, apakah dengan menggunakan struktur pengendali yang terdesentralisasi atau pengendali multi-variabel. 7. Pilih struktur pada tingkat optimisasi yang berfungsi untuk menentukan set point optimum pada proses.



X. Metodologi Penelitian Penelitian pada tugas akhir ini dirancang pada beberapa tahapan, yang digambarkan pada diagram alir seperti pada berikut. Tahapan tersebut meliputi beberapa hal berikut:



Gambar 10.1 : Diagram alir penelitian 1. Pengumpulan Data Komponen dan Konfigurasi peralatan pada CO2 Absorbtion Plant Data yang di ambil merupakan data-data yang diperlukan untuk memodelkan proses berdasarkan column internal datasheet, P&ID, dan PFD sehingga di dapatkan gambaran umum proses serta properties deethanizer dari perusahaan yang akan digunakan untuk memodelkan variable pada CO2 Absorbtion plant.



2.



Pemodelan Proses Kolom pada CO2 Absorbtion Plant. Data spesifikasi serta feed kolom deethanizer yang telah didapat kemudian disimulasikan pada software hysys untuk mendapatkan kondisi real CO2 Absorbtion Plant. 3. Validasi Pemodelan Proses Kolom pada CO2 Absorbtion Plant. Validasi dari pemodelan proses kolom dilakukan dengan cara melakukan perbandingan antara nilai pada masing-masing stream dari hasil simulasi pada hysys dengan nilai pada masing-masing stream pada data design. 4. Perancangan Plant Wide Control Merancang sistem CO2 Absorbtion Plant menggunakan plant wide control dengan menggunakan metode top-down dan bottom-up untuk mengoptimalkan kinerja sistem. 5. Pengujian Performansi Sistem dan Analisa Sistem yang telah teroptimasi diuji performansinya, kemudian dilakukan analisis hasil serta pembahasan untuk laporan tugas akhir. XI.



Jadwal Kegiatan Kegiatan penelitian Tugas Akhir ini akan dilaksanakan dalam jangka waktu 5 bulan dengan rincian sebagai berikut:



No 1



2



3



4



5



6



Kegiatan Studi literatur Pengumpulan data kolom deetanizer pada proses cryogenic Pemodelan proses kolom deetanizer Perancangan plantwide control Pengujian performansi sistem dan analisa Penyusunan laporan



Bulan September Oktober Nopember Desember 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4



XII.



Daftar Pustaka



[1] M. Pilling, Be Smart about Column Design, Sulzer Chemtech USA, 2012. [2] L. N. Komariah, Tijauan Teoritis Perancangan Kolom Distilasi Untuk PraRencana Pabrik Skala Industri, 2009. [3] M. L. Gray, United States Patent: Cryogenic Recovery of LPG from Natural Gas, 1984. [4] https://auduboncompanies.com/using-cryogenic-separation-for-ngl-extraction101/ [Diakses 27 Januari 2019]. [5] C. L. Yaws, Enthalpy of Vaporization at Boiling Point - Organic Compounds. [6] T. R. Biyanto, "Design Plant-wide Control to Waste Heat Recovery Generation on Cement Industry Based HYSYS," 2015. [7] D. Y. Peng and D. B. Robinson, "A New Two-Constant Equation of State," in Industrial and Engineering Chemistry: Fundamentals 15, 1976, p. 59–64. [8] T. R. Biyanto, Design Plant-wide Control to Waste Heat Recovery Generation on Cement Industry Based HYSYS, 2015. [9] D. Jones, Plant Wide control system design : Primary controlled variable selection., 2014. [10] D. Jones, Plant Wide control system design : Secondary controlled variable selection., 2014. [11] S. Skogestad, Control structure design for complete chemical plants, 2004.