STRUKTUR KONTROL KOLOM DISTILASI ALDEHYDE

Transkripsi

1 STRUKTUR KONTROL KOLOM DISTILASI ALDEHYDE Totok R. Biyanto Jurusan Teknik Fisika - FTI ITS Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya Telp : Fax : trb@ep.its.ac.id Abstract Decreasing supply of natural gas at East Java has affected to consistency of raw material of petrochemical industries. Aldehyde distillation column that separate Isobutyraldehyde and Normalbutyraldehyde, also affected of the decreasing natural gas supply. The decrease of gas supply causes product composition inconsistency and energy inefficiency. The focus of this paper is developing the control strategy on aldehyde distillation column. The objective are maintain the consistency of product s composition, energy saving and cost effective. The method is replacing control structure from inferential control to direct control with LV structure. The disturbance given by changes composition mole fraction and mole flow rate of feed. Direct control with LV structure purposed to minimize Internal Absolute Error (IAE and increase energy efficiency. Experiment results that the direct control with LV structure an improved consistency of composition and able to decrease IAE compared to inferential control structure. The result of this research shown that direct control with LV structure has lower Integral Absolute Error (IAE compare to inferential control structure, improved product composition consistency, increase energy efficiency. Keywords: Control Structure, aldehyde distillation column, Product composition, Energy saving Abstrak Kelangkaan gas alam di Jawa Timur, menimbulkan permasalahan dalam ketersediaan bahan baku industri petrokimia. Salah satu proses yang mengalami penurunan laju feed adalah pemisahan Isobutyraldehyde (C4H8O dan Normalbutyraldehyde (C4H8O dari crude aldehyde menggunakan kolom distilasi. Masalah utama yang dialami oleh sebuah perusahaan petrokimia di Jawa Timur dalam pengoperasian kolom distilasi aldehyde adalah biaya operasi yang tinggi, yaitu dapat mencapai 50% dari biaya keseluruhan pengoperasian kolom distilasi. Ditambah lagi 1

2 sulitnya mendapatkan bahan baku, menyebabkan produksi menurun tetapi pemakaian energi hampir sama dan mengganggu konsistensi komposisi produk. Makalah ini membahas alternatif strategi kontrol pada kolom distilasi yang mampu mempertahankan konsistesi komposisi produk, menghemat pemakaiaan energi walaupun terjadi penurunan laju feed ataupun komposisi feed akibat ketersediaan gas alam. Metodelogi yang digunakan adalah dengan merubah struktur kontrol yang ada yaitu dari pengendalian inferensial ke pengendalian secara direct dengan struktur LV. Hasil simulasi menunjukkan bahwa struktur yang yang diajukan lebih mampu mempertahankan komposisi produk dan lebih hemat energi ketika terjadi disturbance. Pengujian dilakukan dengan membandingkan nilai Integral Absolute Error (IAE dan energi yang dibutuhkan kedua struktur kontrol ketika terjadi disturbance. Dari pengujian diperoleh bahwa struktur pengendalian secara direct mempunyai nilai IAE yang jauh lebih kecil daripada struktur pengendalian secara inverential untuk pengendalian kolom distilasi aldehyde dengan disturbance berupa penurunan laju feed dan perubahan komposisi feed. Kata kunci : Struktur kontrol, kolom distilasi aldehyde, komposisi produk, penghematan energi PENDAHULUAN Aldehyde column merupakan kolom distilasi biner yang memisahkan isobutyraldehyde (i-butanal dan normalbutyraldehyde (n-butanal dari crude aldehyde. Kelemahan utama kolom distilasi adalah konsumsi energinya yang sangat besar, yaitu mencapai 40%-50% dari total biaya operasinya [10,11]. Hal ini akan akan menyebabkan biaya produksi yang besar, apalagi ditengah melambungnya harga LPG yang merupakan bahan bakar pada boiler. Kesulitan mendapatkan bahan baku berupa gas alam membuat kolom distilasi aldehyde tidak bisa berproduksi sesuai kapasitas yang maksimal [7]. Dengan berkurangnya bahan baku juga akan mengurangi laju feed pada kolom distilasi aldehyde, yang pada akhirnya menurunkan laju produksi. Namun penurunan laju panas pada reboiler tidak sebanding dengan besarnya dengan penurunan laju produksi, sehingga efisiensi pemakaian energi menurun. Penurunan laju feed pada kolom distilasi aldehyde juga akan mempengaruhi kualitas komposisi produk yang dihasilkan. Padahal kualitas komposisi produk merupakan prioritas yang harus dicapai dan dipertahankan melalui pengendalian proses [2]. Untuk meminimalkan konsumsi energi pada kolom distilasi dapat dilakukan dengan cara penerapan integrasi panas pada kolom distilasi [1,8,11]. Namun untuk penerapan integrasi panas harus merubah konstruksi dari kolom distilasi. Hal ini sulit dilakukan karena selain biaya yang sangat mahal dan memakan waktu yang lebih lama, kolom distilasi aldehyde ini sudah terpasang dan harus terus beroperasi. Untuk mengatasi hal itu maka alternatif lain adalah merubah strategi kontrol sudah terpasang dengan strategi kontrol yang mampu mengatasi terjadinya gangguan berupa penurunan laju feed. 2

3 Permasalahannya adalah bagaimana strategi kontrol yang dapat menjaga komposisi produk tetap stabil dan juga sekaligus bisa meminimalkan pemakaiaan energi. Penelitian ini bertujuan untuk mencari alternatif strategi kontrol pada kolom distilasi untuk proses pemisahan Isobutyraldehyde dan Normalbutyraldehyde yang dapat menjaga kestabilan komposisi produk dan tahan terhadap gangguan serta meminimalkan penggunaan energi, khususnya energi panas pada reboiler. KOLOM DISTILASI BINER Prinsip dasar dari proses distilasi adalah memisahkan campuran zat cair menjadi dua zat cair yang murni melalui perbedaan titik didih dengan menggunakan pemanasan pada campuran zat cair sampai pada temperatur diantara titik didih mereka [5]. Selain itu proses distilasi juga bergantung pada konsentrasi komponen tersebut [9]. Perhitungan Rigorous Kondensor dan refluk drum Neraca massa total: dm D VNT LNT 1 D (1 Neraca massa komponen: M DxD (2 VNT ynt ( LNT 1 D xd Neraca massa panas: M DhD VNT H NT LNT 1H NT 1 Dh Q (3 D Reboiler dan base kolom Neraca massa total: dm n L 1 B (4 RB Neraca massa komponen: M B x B L1 x1 Neraca massa panas: M BhB L1h 1 rectifying Vd,Yd RB L y B Bx b (5 (6 L n-1,x n-1 Vn,Yn F, X f R D,X D Ln,Xn V n-1,y n-1 stripping Lb,Xb Tray umpan (n = Neraca massa total: L,Xd V Vb,Yb reboiler kondensor Qr Reflux drum B,Xb Gambar 1. Skema kolom distilasi dm L L F 1 Neraca massa komponen: M X L Neraca panas : M h Tray ke-n L 1 (7 X L X h Neraca massa total: dmn RB L h Ln Ln n 1 n Y H Y H F X (8 (9 1 (10 Neraca massa komponen: M nxn Ln 1xn 1 Ln xn n 1yn 1 n yn H B Bh b Q b (11 z Fh F F 3

4 Neraca massa panas: d M nhn Ln 1hn 1 Lnhn n 1H n 1 nhn ( (12 PENGENDALI PID PID merupakan pengendali yang sering digunakan di industri karena mudah untuk diaplikasikan dan pada umumnya sudah cukup untuk mengendalikan plant yang ada. PID terdiri atas susunan pengendali proporsional (P, integral (I dan derivative (D. Gambar 2 Blok diagram pengendali PID Fungsi transfer pengendali PID pada Gambar 2 dapat dinyatakan dalam domain waktu (t sebagai berikut : 1 de U( t K e e T (13 p d T i METODOLOGI Pemodelan Kolom Distilasi dengan Metode Short Cut Pemodelan dan simulasi pada penelitian ini menggunakan software Hysys 3.1. Parameterparameter yang didapatkan dari pemodelan secara short cut pada kolom distilasi aldehyde column adalah sebagai berikut: Jumlah minimum tray = Jumlah tray optional = Letak feed tray = Sedangkan parameter-parameter yang harus diketahui oleh perancang adalah: Laju Feed (kmol/jam = Temperatur Feed (C = 52.8 Tekanan Feed (kpa = Komposisi Feed = 0.9 Light key in bottom (i-butanal = 0.01 Heavy key in distillate (n-butanal = 0.01 Tekanan Kondenser (kpa = Tekanan Reboiler (kpa = Pemodelan Kolom Distilasi dengan Metode Rigorus Hasil dari perancangan secara short cut digunakan sebagai dasar perancangan kolom distilasi secara rigorus. Parameter-parameter yang dimasukkan dalam perancangan Aldehyde column secara rigorus adalah: Jumlah tray = 45 Letak feed tray = 32 Laju Feed (kmol/h = Temperatur Feed (C = 52.8 Tekanan Feed (kpa = Komposisi Feed (n-butanal = 0.9 Tekanan Condenser (kpa = Tekanan Reboiler (kpa = Reflux ratio = 30 Light key in Distillate (i-butanal = 0.99 Hasil perancangan kolom distilasi aldehyde column dapat dilihat pada Gambar 3. Ada tiga material stream yaitu feed (F, distillate (D, bottom (B dan dua energy stream yaitu kondenser (Qc dan reboiler (Qr. Kolom terdiri dari 45 tray dan feed tray terletak pada tray ke-32. 4

5 ANALISA DAN PEMBAHASAN Uji Perubahan Laju Feed Uji penurunan laju feed dilakukan hingga laju feed turun menjadi 200 kmol/jam dari mula-mula sebesar kmol/jam selama 9.1 jam (Gambar 4. Penurunan F Terhadap t Pengendalian Secara Direct Gambar 3 Hasil perancangan kolom distilasi aldehyde Pemilihan Strategi Kontrol Strategi kontrol pada makalah ini ditekankan pada struktur kontrol, sedangkan algoritma kontrol tetap, yaitu PID yang sudah terpasang. Pemilihan struktur kontrol dilakukan untuk menggantikan struktur kontrol yang telah ada yaitu sistem pengendalian secara inferential, yang tidak mampu menjaga kestabilan komposisi produk atas maupun produk bawah ketika terjadi gangguan dan efisiensi energi yang relatif lebih rendah, dan mengganti dengan sistem pengendalian secara direct. Pada sistem pengendalian secara direct terdapat beberapa struktur yang bisa diaplikasikan dalam mengendalikan kolom distilasi aldehyde diantaranya struktur L-V, struktur D-V, struktur L-B, struktur RR- V, struktur RR-BR. Diantara struktur-struktur tersebut, struktur L-V adalah yang paling cocok untuk sistem pengendalian kolom distilasi biner [2]. Maka dipilihlah stuktur L-V untuk mengendalikan kolom distilasi aldehyde. 5 Laju Aliran (kmol/jam Gambar 4 Grafik penurunan laju feed terhadap waktu Pengaruh Penurunan F Terhadap Xd - Gambar 5 Grafik respon Xd oleh adanya penurunan laju feed pada pengendalian secara direct Gambar 5 menunjukkan bagaimana respon komposisi produk atas dengan pengendalian secara direct struktur LV ketika terjadi penurunan laju feed. Komposisi produk atas selalu kembali F

6 mendekati nilai setpoint walaupun pada setiap penurunan laju feed terjadi overshoort yang kecil, yaitu maksimumnya sebesar dari nilai setpoint. Pada komposisi produk atas ini diperoleh nilai IAE sebesar Sedang untuk respon komposisi produk atas dengan pengendalian secara inferential dapat dilihat pada Gambar 6. Komposisi produk atas terus naik hingga mencapai nilai dan didapatkan nilai IAE sebesar Kenaikan nilai komposisi produk atas ini disebabkan tidak adanya pengendalian secara langsung terhadap komposisi. Ketika laju feed turun akan menyebabkan laju distilat juga turun dan laju refluk tetap karena dikendalikan, maka nilai refluk rasio yaitu perbandingan antara laju refluk dan laju distilat semakin besar. Dengan bertambahnya nilai refluk rasio ini, komposisi produk atas juga semakin besar atau semakin murni Pengaruh Penurunan F Terhadap Xd - Gambar 6 Grafik respon Xd oleh adanya penurunan laju feed pada pengendalian secara inferential Komposisi produk bawah dengan pengendalian secara inferential nilainya menurun ketika terjadi penurunan laju feed (Gambar 7. Penurunan ini menyebabkan nilai IAE yang cukup besar, yaitu Pengaruh Penurunan F Terhadap Xb - 0 Gambar 7 Grafik respon Xb oleh adanya penurunan laju feed pada pengendalian secara inferential Pengaruh Penurunan F Terhadap Xb Gambar 8 Grafik respon Xb oleh adanya penurunan laju feed pada pengendalian secara direct Nilai IAE komposisi produk bawah dengan pengendalian secara inferential sangat jauh bila dibandingkan dengan pengendalian secara direct struktur LV yang hanya sebesar Komposisi produk bawah dengan pengendalian secara direct struktur LV walaupun terlihat berosilasi, namun dalam range yang sangat kecil yaitu sekitar plus minus dari nilai setpoint yang ditentukan (Gambar 8. Penurunan nilai komposisi produk bawah dengan pengendalian secara inferential disebabkan adanya kenaikan komposisi produk atas. Sehingga komposisi produk bawah harus turun sesuai dengan

7 hukum kesetimbangan pada kolom distilasi. Pada pengendalian direct struktur LV, komposisi produk bawah dikendalikan secara langsung dengan memanipulasi laju panas pada reboiler. Sehingga ketika ada penurunan laju feed komposisi produk bawah akan berubah, namun kembali lagi mengikuti setpoint. Laju Panas (kj/jam 3.00E E E E E E+06 Pengaruh Penurunan F Terhadap Qr E+00 Gambar 9 Grafik respon Qr oleh adanya penurunan Laju Panas (kj/jam laju feed pada pengendalian secara direct 2.55E E E E E+07 Pengaruh Penurunan F Terhadap Qr E+07 Gambar 10 Grafik respon Qr oleh adanya penurunan laju feed pada pengendalian secara inferential Dilihat dari sisi Qr Qr penghematan, khususnya konsumsi energi pengendalian secara direct dengan struktur LV lebih banyak pengurangan laju panas reboilernya dibandingkan dengan pengendalian secara inferential. Pada Gambar 9 ditunjukkan penurunan laju feed hingga 200 kmol/jam pada pengendalian secara direct dengan struktur LV bisa menurunkan laju panas reboiler sebesar %, yaitu dari 27,000,000 kj/jam turun menjadi 22,300,000 kj/jam. Bila menggunakan pengendalian secara inferential laju panas reboiler hanya turun sebesar 3.98 % yaitu dari 25,100,000 kj/jam turun menjadi 24,100,000 kj/jam (Gambar 10. Uji Perubahan Komposisi Feed. Komposisi mula-mula pada feed adalah 0.1 i- butanal dan 0.9 n-butanal. Uji perubahan komposisi feed ini ada dua macam yaitu penurunan dan kenaikan kandungan i-butanal dalam feed masingmasing naik sebesar 0.05 dan turun Komposisi Feed Turun Pada pengujian dengan menurunkan kandungan i-butanal sebesar 0.05 menjadi 0.05 i- butanal dan 0.95 n-butanal didapatkan respon komposisi produk atas seperti pada Gambar 11 untuk pengendalian secara inferential dan Gambar 12 untuk pengendalian secara direct struktur LV Pengaruh Penurunan Xf Terhadap Xd Gambar 11 Grafik respon Xd oleh adanya penurunan komposisi feed pada pengendalian secara inferential Untuk pengendalian secara direct struktur LV walaupun naik namun komposisi produk atas kembali mendekati setpoint yaitu 0.988, sedangkan 7

8 komposisi produk atas pada pengendalian secara inferential tidak bisa mencapai setpoint yang diinginkan dan nilai IAE yang didapatkan yaitu Pengaruh Penurunan Xf Terhadap Xd Gambar 12. Grafik respon Xd oleh adanya penurunan komposisi feed pada pengendalian secara diect Laju Aliran (kmol/jam Pengaruh Penurunan Xf Terhadap D - 0 Gambar 13 Grafik respon D oleh adanya penurunan komposisi feed pada pengendalian secara inferential Untuk pengendalian secara direct struktur LV nilai IAE-nya adalah , karena pada pengendalian secara direct struktur LV, komposisi produk atas mampu kembali mendekati setpoint setelah adanya gangguan berupa perubahan komposisi feed. Walaupun mempunyai nilai IAE yang lebih kecil untuk komposisi produk atas, namun pengendalian secara inferential tidak bisa diterapkan karena dengan adanya penurunan komposisi feed laju D distilat menjadi 0 kmol/jam atau atau sama sekali tidak ada aliran (Gambar 13. Padahal laju aliran distilat ini nantinya menjadi input untuk proses produksi selanjutnya, jadi bila tidak ada aliran pada distilat maka akan mengganggu proses selanjutnya. Untuk komposisi produk bawah masingmasing respon dari pengendalian secara inferential dan pengendalian secara direct struktur LV dapat dilihat pada Gambar 14 dan Pengaruh Penurunan Xf Terhadap Xb - 0 Gambar 14 Grafik respon Xb oleh adanya penurunan komposisi feed pada pengendalian secara inferential Pengaruh Penurunan Xf Terhadap Xb Gambar 15 Grafik respon Xb oleh adanya penurunan komposisi feed pada pengendalian secara diect Walaupun nilai komposisi produk bawah dengan pengendalian secara direct struktur LV terlihat mengalami osilasi, namun nilai IAE-nya lebih kecil dari pada nilai IAE pada pengendalian 8

9 secara inferential. Hal ini disebabkan karena walaupun berosilasi namun masih berada di sekitar nilai setpoint, dan range osilasinya pun sangat kecil. Nilai IAE untuk komposisi produk bawah dengan pengendalian secara direct struktur LV adalah , sedang dengan pengendalian secara inferential adalah Pengaruh Kenaikan Xf Terhadap Xd Komposisi Feed Naik Pengujian dilakukan dengan menaikkan kandungan i-butanal menjadi 0.15 dari mula-mula 0.1 pada komposisi feed, jadi komposisi feed menjadi 0.15 i-butanal dan 0.85 n-butanal. Seperti pada penurunan komposisi feed, pada kenaikan komposisi feed ini akan dilihat respon komposisi produk atas dan produk bawah dari kedua jenis pengendalian. Respon komposisi produk atas dengan pengendalian secara inferential dapat dilihat pada Gambar 16. Komposisi produk atas terus turun hingga melewati range yang diizinkan yaitu sebesar 0.94 hingga untuk komposisi produk atas, sehingga menyebabkan nilai IAE juga besar yaitu Hal ini tidak dipebolehkan, karena mutu produk akhir berupa iso butyl alcohol tidak konsisten Pengaruh Kenaikan Xf Terhadap Xd Gambar 16 Grafik respon Xd oleh adanya kenaikan komposisi feed pada pengendalian secara inferential Gambar 17 Grafik respon Xd oleh adanya kenaikan komposisi feed pada pengendalian secara direct Pengaruh Kenaikan Xf Terhadap Xb Gambar 18 Grafik respon Xb oleh adanya kenaikan komposisi feed pada pengendalian secara direct Pengaruh Kenaikan Xf Terhadap Xb Gambar 19 Grafik respon Xb oleh adanya kenaikan komposisi feed pada pengendalian secara inferential Berbeda dengan respon komposisi produk atas dengan pengendalian secara direct struktur LV yang dapat mempertahankan komposisi produk atas. Walaupun sempat turun, namun komposisi produk 9

10 atas kembali naik dan mendekati setpoint. Dengan pengendalian secara direct struktur LV ini didapatkan nilai IAE sebesar Respon komposisi produk bawah pada pengendalian secara direct struktur LV didapatkan nilai IAE sebesar , sedang pada pengendalian secara inferential adalah Pada pengendalian secara direct struktur LV terlihat respon komposisi produk bawah berosilasi di sekitar nilai setpoint (Gambar 18, sedang pada pengendalian secara inferential komposisi produk bawah naik dan menjauhi nilai setpoint (Gambar 19. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Struktur pengendalian secara direct lebih mampu menjaga kestabilan komposisi produk kolom distilasi aldehyde column terhadap adanya disturbance berupa penirunan laju feed dan perubahan komposisi feed. Ketika terjadi disturbance berupa penurunan laju feed hingga 200 kmol/jam, nilai IAE untuk pengendalian secara direct lebih kecil dari pada pengendalian secara inferential. Penurunan laju panas reboiler ketika terjadi disturbance berupa penurunan laju feed hingga 200 kmol/jam adalah % untuk pengendalian secara direct dan 4.78 % untuk pengendalian secara inferential. Ketika terjadi disturbance berupa penurunan komposisi feed yaitu i-butanal sebesar 0.05, nilai IAE untuk pengendalian secara inferential lebih kecil dari pada pengendalian secara direct, namun tidak diperbolehkan karena terjadi kekosongan pada laju distilat. Ketika terjadi disturbance berupa kenaikan komposisi feed yaitu i-butanal sebesar 0.05, nilai IAE untuk pengendalian secara direct lebih kecil dari pada pengendalian secara inferential Saran Kelemahan struktur kontrol secara direct adalah memerlukan sensor komposisi yang relatif mahal, reliabiliti ynag lebih rendah dibandingkan sensor variabel termodinamik dan respon yang lambat. Sehingga pemakaian soft sensor yang juga telah kami kembangkan akan dapat mengatasi permasalahan ini [3]. DAFTAR PUSTAKA [1] Biyanto, TR., Kusmartono, B, Mahfud, AH, 2005,. Controllability and Total Annual Cost Analysis of Design and Control Acetone-Ethanol-Butanol Distillation Column with Heat Integration, Journal Academia ISTA Vol.10 No 1, June [2] Biyanto, TR., 2005, LV, DV and RR-V Binary Distillation Column Control Performance Evaluation, Industrial Electronic Seminar V 2005, Electronic Engineering Polytechnic Institute of Surabaya ITS, Surabaya, November 24th. [3] Biyanto, TR., 2005, Design of Non Linier Soft Sensor for Predict Composition (molefraction distillate and Bottom Product in Single Methanol-water Binary Distillation Column, International Conference on Instrumentation, Communication and Information Technology (ICICI 2005 Proc., Universitat Munchen-ITB, Bandung, August 3rd -5th. 10

11 [4] dist_sim.html. [5] Luyben, William L, 1990, Process Modelling, simulation and Control for Chemical Engineers, McGraw-Hill Publishing Company, Ney York [6] [7] Laporan utama. [8] Design of a heat- Integrated Distillation Column. [9] Distillation [10] Distillation Column Modeling Tools [11] Heat-integrated Distillation Column". 11