Perancangan Pengendalian Proses Pabrik

Transkripsi

1 07 Perancangan Pengendalian Proses Pabrik Tujuan: Mempelajari perancangan alternatif-alternatif konfigurasi pengendalian untuk proses multi-input-multi-output pada pabrik Materi: 1. Tinjauan Umum Pengendalian Proses MIMO 2. Derajat Kebebasan 3. Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif 4. Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit 5. The Nine Steps of Plantwide Process Control Procedure 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 1

2 7.1 Tinjauan Umum Pengendalian Proses MIMO Tinjau Proses dengan beberapa input & output: Measured (d) External Disturbances... Unmeasured (d )... Manipulated Variables (m) Input... PROCESSING SYSTEM Measured Outputs (y) Unmeasured Outputs (z) 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 2

3 7.1 Tinjauan Umum Pengendalian Proses MIMO Pertanyaan yang harus dijawab sebelum merancang sistem pengendalian: 1. Apa tujuan pengendalian? Berapa jumlah CV? & yang mana? 2. Output apa yang harus diukur? Primer? Atau Sekunder? 3. Input apa yang dapat diukur? Primer? Atau Sekunder? Jika diasumsikan semua MV dapat diukur, maka dapat diterapkan adaptive & Inferential Control. Disturbance: hanya sedikit yang dapat diukur, maka dapat diterapkan FFC-FBC, Ratio Control. 4. MVapa yang harus dipilih? 5. Konfigurasi loop pengendalian apa yang digunakan? Sistem MIMO, menghasilkan banyak alternatif konfigurasi pengendalian 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 3

4 7.2 Derajat Kebebasan Degree of Freedom (DOF) Bermanfaat dalam penentuan jumlah controlled variables (CV) dan jumlah manipulated variables (MV) Didefinisikan: DOF = V E (7.2.1) Dimana: V = Jumlah Variabel Bebas E = Jumlah Persamaan Bebas; hubungan antar V Perancangan Pengendalian: DOF = 0 V = E 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 4

5 Dua pers. tambahan untuk menurunkan DOF menjadi nol: 1. Pengaruh eksternal: (a) lingkungan yang mempengaruhi sistem operasi, (b) unit upstream sebagai umpan proses, (c) unit downstream (bila outflow proses adalah inflow yang dimanipulasi untuk unit downstream) 2. Sistem Pengendalian: korelasi: MV & CV (FBC) MV & d (FFC) 7.2 Derajat Kebebasan Jumlah CV = DOF Jumlah Input Eksternal (7.2.2) Berapa banyak MV yang diperlukan untuk menjaga output (CV) pada nilai yang diinginkan (setpoint)? 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 5

6 Tinjau proses dengan spesifikasi sebagai berikut: N : output yang dikendalikan (y 1, y 2,, y N ) M : manipulasi bebas (m 1, m 2,, m M ) dengan M N L : jumlah gangguan eksternal (d 1, d 2,, d L ) 7.2 Derajat Kebebasan Anggap: N persamaan hubungan y, m, dan d adalah sbb: y 1 = f 1 (m 1, m 2,, m M ; d 1, d 2,, d L ) y 2 = f 2 (m 1, m 2,, m M ; d 1, d 2,, d L ) (7.2.3) y N = f N (m 1, m 2,, m M ; d 1, d 2,, d L ) Dengan perubahan d, nilai y harus tetap: hal ini mungkin jika N dari M buah MV dapat diubah secara bebas. 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 6

7 7.2 Derajat Kebebasan Untuk Perancangan Pengendalian: Jumlah MV bebas = Jumlah CV = DOF Jumlah Input Eksternal (7.2.4) Catatan-Catatan: 1. Tinjau pers. (7.2.2); Jika jumlah CV = k buah, & CV nyata = l & l < k. Jumlah var. yang tidak dikendalikan = (k l) buah; hal ini dapat menyebabkan masalah, namun bila pengaruhnya dapat diterima pada operasi proses, maka logis untuk mpy CV < pers. (7.2.2). 2. TIDAK MUNGKIN merancang sistem pengendalian yang dapat mengatur CV melebihi CV pada pers. (7.2.2). 3. DOF dinamik DOF tunak 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 7

8 7.2 Derajat Kebebasan Contoh 7.2.1: DOF pada sistem tangki cairan (Gambar 7.2.1) Neraca Massa: f i (t) dh( t) A dt = f i ( t) f o ( t) h(t) f o (t) Var. bebas = 3 (h, f i, f o ) Persamaan = 1 A adalah parameter yang ditetapkan (dimensi tangki) Gambar Tangki cairan DOF = 3 1 = 2 Karena f i (t) ditetapkan oleh kondisi eksternal, jumlah CV = 2 1 = 1 Feedback loop antara h dan f o 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 8

9 7.2 Derajat Kebebasan Contoh 7.2.2: Menentukan jumlah CV dan MV untuk flash drum Vapor y i, F V Umpan cair t.d.d. N komponen fraksi mol z i i = 1,2,,N Flash darip F ke P P F >> P Feed zi, P F, T F, F F P, T Steam menjaga T tetap Masalah: Steam w s (t), lb/mnt T s (t), o F T Condensate Liquid x i, F L 1. Identifikasi CV 2. Identifikasi MV 3. Konfigurasi loop pengendalian Gambar Flash Drum 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 9

10 Penyelesaian Soal 7.2.2: Neraca Massa Total (asumsi ρ konstan) dh A ρ = F + F V dt d ( h. x ) ( F. y + F x ) i A ρ = F F. z i V i L. dt ( F F ) Neraca Massa Komponen L Dimana i = 1,2,, N 1 i Eq. = Derajat Kebebasan Eq. = N 1 Neraca Panas Cp L d A ( h. T ) dt = Cp F F T F F ( Cp F T + Cp F T ) + UA ( T T ) V V L L S S Eq. = 1 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 10

11 Penyelesaian Soal (lanjutan): 7.2 Derajat Kebebasan Hubungan Kesetimbangan Vapor-Liquid y = K, i i ( T P) x i Dimana i = 1,2,, N Eq. = N Batasan N i= 1 x i = 1 dan N i= 1 y i = 1 Eq. = 2 Jumlah Persamaan: E = 1 + (N 1) N + 2 = 2N PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 11

12 7.2 Derajat Kebebasan Penyelesaian Soal (lanjutan): Jumlah Variabel Konstan: A, A S, ρ, U, Cp F, Cp V, Cp L = 7 Eksternalyg ditentukan : K i (T,P) T F = 1 z i = N 1 = N Subtotal 1 = N + 7 Subtotal 2 Eksternal yg tidak ditentukan : = N F F, F V, F L, P, T, h, T s (atau w S ) = 7 x i, y i (untuk i = 1, 2,, N) = 2N Subtotal 3 = 2N + 7 Jumlah Variabel: V = N+7 + N + 2N + 7 = 4N PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 12

13 Penyelesaian Soal (lanjutan): 7.2 Derajat Kebebasan DOF = V E = (4N + 14) (2N + 3) = 2N + 11 Jumlah variabel eksternal yg ditentukan = N N = 2N + 7 Jumlah MV = Jumlah CV = DOF Jumlah Input Eksternal = (2N + 11) (2N + 7) = 4 Dipilih 4 CV dari (2N + 7) unspecified variables T dan P untuk mendapatkan pemisahan yang diinginkan F F untuk mendapatkan produksi tetap h untuk menjaga level/volume cairan tetap 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 13

14 7.2 Derajat Kebebasan Gambar Konfigurasi Pengendalian Proses Flash Drum (Lengkap dengan sistem sensor/transmitter) F SP F V FT 10 FC 10 PT 10 PC 10 P SP F F P, T TT 10 LT 10 T SP TC 10 LC 10 h SP w s T F L 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 14

15 Gambar Penyederhanaan Gambar Konfigurasi Pengendalian Proses Flash Drum (Contoh 7.2.2) 7.2 Derajat Kebebasan F SP F V FC PC P SP F F P, T T SP TC LC h SP w s T F L 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 15

16 7.3 Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif UntukSistemdenganN CV dann MV Terdapat sekitar N! konfigurasi loop yang berbeda Misal, CV = 2 ; MV = 2 ; Konfigurasi Loop = 2! = 2 x 1 = 2 Lihat Gambar Konfigurasi Loop Alternatif untuk proses 2 x 2 Jika N = 3 Konf. Loop = 3! = 6 N = 4 Konf. Loop = 4! = 24 N = 5 Konf. Loop = 5! = 120 MASALAH: memilih konfigurasi yang baik dari semua kemungkinan yang ada 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 16

17 7.3 Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif Gambar Konfigurasi Loop Alternatif Proses 2 x 2 Controller Controller m 1 m 2 PROCESS y 1 y 2 m 1 m 2 PROCESS y 1 y 2 Controller Controller (a) (b) 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 17

18 7.3 Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif Kriteria Pemilihan Konfigurasi Loop Alternatif Secara Kualitatif: 1. Pilih MV yang mempunyai efek langsung dan cepat terhadap CV 2. Pilih pasangan MV dan CV yang memberikan time delay (t d ) sekecil mungkin 3. Pilih pasangan MV dan CV dengan interaksi loop-loop pengendali sekecil mungkin Secara Kuantitatif (tidak dibahas dalam MKA ini) 1. Teknik Singular Value Decomposition (SVD) 2. Teknik Relative Gain Array (RGA) 3. Penentuan Condition Number (CN) 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 18

19 7.3 Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif Contoh 7.3.1: Menentukan konfigurasi loop alternatif untuk flash drum secara kualitatif Tinjau kembali Contoh 7.2.2: MV = 4 ; CV = 4 Konfigurasi Loop = 4! = 4 x 3 x 2 x 1 = 24 CV F F, P, T, h MV F F, F L, w S, F V Bagaimana konfigurasi loop yang mungkin? Penyelesaian: 1. Susun Kemungkinan Konfigurasi Loop Alternatif 2. Eliminasi beberapa Alternatif berdasarkan analisis kualitatif 3. Pilih Alternatif terbaik (satu diantara kemungkinan yang ada) 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 19

20 7.3 Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif Tabel Alternatif-alternatif konfigurasi loop untuk Flash Drum No. Konf. F F Dikontrol Oleh P Dikontrol Oleh T Dikontrol Oleh h Dikontrol Oleh 1 F F F L w S F V 2 F F F L F V w S best 3 F F F V w S F L 4 F F F V F L w S 5 F F w S F L F V 6 F F w S F V F L 7 F L F F w S F V 8 F L F F F V w S 9 F L F V w S F F 10 F L F V F F w S 11 F L w S F F F F 12 F L w S F V F V 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 20

21 Tabel Lanjutan 7.3 Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif No. Konf. F F Dikontrol Oleh P Dikontrol Oleh T Dikontrol Oleh h Dikontrol Oleh 13 F V F F F L w S 14 F V F F w S F L 15 F V w S F F F L 16 F V w S F L F F 17 F V F L F F w S 18 F V F L w S F F 19 w S F F F L F V 20 w S F F F V F L 21 w S F L F F F V 22 w S F L F V F F 23 w S F V F F F L 24 w S F V F L F F 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 21

22 7.3 Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif Argumentasi kualitatif untuk memilih konfigurasi loop alternatif terbaik: 1. Pengaruh F F, F V, dan F L terhadap T adalah tidak langsung dan lambat, sedangkan w S berpengaruh langsung dan cepat terhadap T. pilih No. konf : 1, 3, 7, 9, 14, dan Pengaruh w S dan F L terhadap P adalah tidak langsung dan lambat. F F dan F V adalah MV yang baik untuk P. dari seleksi pertama, pilih No. konf. : 3, 7, 9, dan Dari No. konf. : 3, 7, 9, dan 14 ; 3 adalah yang terbaik, karena: F L cepat untuk mengendalikan level (h) F V dapat mengendalikan P secara langsung dan cepat 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 22

23 7.3 Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif Berdasarkan argumentasi kualitatif, diperoleh konfigurasi loop: Tabel Pasangan CV/MV pada konfigurasi pengendalian flash drum Controller TC PC LC FC CV T P h F F MV w S F V F L F F Lihat Gambar konfigurasi loop pengendalian flash drum pada Contoh 7.2.2! 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 23

24 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaski Unit-Unit Tinjau proses yang disusun dari N unit yang berinteraksi satu dengan yang lain melalui aliran massa dan energi. Prosedur sistematik untuk menentukan konfigurasi pengendalian untuk keseluruhan proses: 1. Kelompokkan proses menjadi blok-blok terpisah, dimana tiap blok berisi satu unit pemisah atau sejumlah kecil unit pemroses. 2. Tentukan DOF, jumlah CV dan MV untuk tiap-tiap blok. 3. Tentukan semua loop konfigurasi yang mungkin untuk tiap blok 4. Gabungkan kembali blok-blok dengan loop konfigurasinya. 5. Eliminasi konflik/pertentangan diantara sistem kendali dari berbagai blok 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 24

25 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Contoh 7.4.1: Konflik loop kendali pada unit-unit proses Gambar Proses dengan 2 unit seri Unit 1 Unit 2 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 25

26 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Gambar Konflik loop pengendalian pada 2 unit-proses-seri Konflik Controller Unit 1 Unit 2 Controller (a) 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 26

27 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Gambar Lanjutan Konflik Unit 1 Unit 2 Controller Controller (b) 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 27

28 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Contoh 7.4.2: Membangun konfigurasi loop pengendalian untuk proses kimia sederhana (Lihat Gambar 7.4.2). Penjelasan proses: Reaksi A B eksotermis dilaksanakan dalam CSTR dengan pendingin jaket. Umpan reaktor dipanaskan awal memakai hasil reaksi dan steam. Pendingin dicabang dua, dilengkapi dengan pemanas dan pendingin (Q h dan Q c ). Hasil reaktor didinginkan di HE dan dipisahkan dalam flash drum. Suhu drum diatur dengan pendingin air. Tujuan operasi: 1. Menjaga konversi reaktor sebesar mungkin 2. Menjaga laju produksi tetap 3. Menjaga komposisi produk cair dari flash drum tetap 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 28

29 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Gambar Pabrik kimia (untuk contoh 7.4.2) F i, T i, C Ai Steam Vapor Heating F C, T CO A B T f, P f Coolant F i, T R, C A Reactor F i, T O Feed Cooling water Cooling Feed preheating Coolant system Liquid Flash drum 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 29

30 Langkah 1 Membagi proses ke dalam 4 blok (lihat Gambar): 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit (1) Coolant system, (2) Reactor, (3) Feed preheating, (4) Flash drum Langkah 2 & 3 Menentukan DOF, MV, dan CV untuk tiap-tiap blok. Pilih konfigurasi terbaik dari tiap-tiap blok Coolant system Jml var. = 8 (P cf, T cf, F c1, T c1, F c2, T c2, F c, T co ) di luar par. konstan Jml var. yang ditetapkan = 2 (P cf, T cf ) Jml var. yang tidak ditetapkan = 6 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 30

31 Coolant System 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Jml pers. Model = 4 NE pemanas ; NE pendingin ; NE pencampuran arus ; NM pencampuran arus DOF = 8 4 = 4 Jml MV = Jml CV = DOF Var yg ditetapkan = 4 2 = 2 CV = 2 MV = 2 F c T co No. konf. 1 2 F c dikendalikan oleh F c F c1 + F c2 T co dikendalikan oleh F c1 & F c2 F c1 / F c2 Dipilih dari: Fc, F c1, F c2, F c1 + F c2, dan F c1 /F c F c2 F c1 F c1 + F c2 F c1 + F c2 F c1 F c2 F c1 F c2 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 31

32 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Gambar Loop pengendali untuk unit pendingin (cooling system) dalam contoh Heating F C1, T C1 FC Q h Coolant P Cf, T Cf, F C F C, T C0 Q C Cooling F C2, T C2 TC 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 32

33 Feed Preheating System Jml var. = 6 (W s, T o, T i, T r, T int, F i ) 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Jml var. yang ditetapkan = 3 (T o, T r, F i ) Jml var. yang tidak ditetapkan = 3 Jml pers. (model) = 2 : NE steam heater & NE FEHE DOF = 6 2 = 4 Jml MV = Jml CV = DOF Var yg ditetapkan = 4 3 = 1 CV = 1 MV = 1 T i W s W s berpengaruh langsung dan cepat terhadap T i 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 33

34 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Gambar Loop pengendali untuk feed preheating unit dalam contoh To Reactor T i TC Steam W S T int Reactor effluent To Flash Drum F i, T R F i, T O Feed 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 34

35 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Reactor System Jml var. = 9 (V, T r, C A, C Ai, T i, F i, F c, T c, T co ) Jml var. yang ditetapkan = 4 (F i, C Ai, T i, T co (atau F c )) Jml var. yang tidak ditetapkan = 5 Jml pers. (model) = 3 : NM komp. A ; NE camp. reaksi & NE jaket pendingin DOF = 9 3 = 6 Jml MV = Jml CV = DOF Var yg ditetapkan = 6 4 = 2 CV = 2 MV = 2 C A, T r F i, Fc (atau T co ) 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 35

36 Reactor System Konfigurasi alternatif untuk Reaktor No. konf C A dikendalikan oleh F i F c (atau T co ) F i T r dikendalikan oleh F c (atau T co ) F i F c (dgn TC sbg pengukuran sekunder dalam Cascade control) No. 1 : T r dikendalikan dengan FBC konvensional No. 3 : Tr dikendalikan dengan Cascade Control (Advanced FBC) 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 36

37 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Gambar Loop pengendali untuk reactor unit dalam contoh TC F i, C Ai, T i TC F i, C Ai, T i TC CC CC A B F C, T CO F i, T R, C A T R, V, C A A B F C, T CO F i, T R, C A T R, V, C A (a) Classical FBC in TC (b) Cascade Control in TC Alternatif (a) atau (b) dapat diterapkan pada reaktor contoh PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 37

38 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Flash Drum System Seperti contoh (steam heating diganti cooling water) CV = 4 (F i, P f, T f, h) MV = 4 (F i, F V, F L, F W ) Terbentuk 24 konfigurasi Pilih yang terbaik 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 38

39 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Gambar Loop pengendali untuk flash drum dalam contoh Vapor FC PC F i,, T R, C A P f TC T f h LC Cooling water F W Liquid 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 39

40 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Langkah 4 Menggabungkan kembali keempat blok dengan konfigurasi pengendaliannya. Untuk 4 blok secara keseluruhan mempunyai sekitar 432 = (6x1x3x24) konfigurasi 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 40

41 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Gambar Penggabungan konfigurasi pengendalian untuk contoh sebelum penghilangan konflik Konflik TC Konflik FC TC F i, C Ai, T i W S Steam Vapor Heating F C1, T C1 TC Q h CC T int FC PC Coolant A B P f P Cf, T Cf, F C Q C F C, T C0 T R, V, C A F i, T R, C A Feed F i, T O TC T f h LC Cooling F C2, T C2 TC Cooling water F W Liquid 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 41

42 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Langkah 5 Eliminasi konflik diantara loop-loop pengendali berbagai blok 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 42

43 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Gambar Hasil konfigurasi pengendalian untuk contoh setelah penghilangan konflik TC TC F i, C Ai, T i Steam W S Vapor Heating F C1, T C1 TC Q h CC T int PC Coolant A B P f P Cf, T Cf, F C Q C F C, T C0 T R, V, C A F i, T R, C A Feed F i, T O TC T f h LC Cooling F C2, T C2 TC Cooling water F W Liquid 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 43

44 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit TUGAS: Perancangan Konfigurasi Pengendalian pada Proses dengan Interaksi Unit-Unit (Gambar ) Bagilah unit-unit proses (Gambar ) ke dalam blok yang sesuai! Rancanglah sistem pengendalian proses untuk tiap-tiap blok! Gabungkan sistem pengendalian proses pada tiap-tiap blok menjadi satu sistem pengendalian pabrik dilengkapi dengan argumentasi kualitatif untuk eliminasi konflik! 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 44

45 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Gambar Diagram alir proses pabrik (untuk TUGAS) Fresh A Steam Recycle A Cooling water Steam Condenser Mixer HE-1 HE-2 DT Cooling water A B Steam CSTR Reboiler Product B 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 45

46 7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit Penjelasan Proses (Gambar ) Suatu pabrik mempunyai lima unit operasi (Gambar ): Tangki Pencampur (Mixer), Pemanas-1 (HE-1), Reaktor-Alir-Tangki- Berpengaduk (CSTR), Pemanas-2 (HE-2), dan Menara Distilasi (DT). Di dalam CSTR berlangsung reaksi fase cair A B, reaksi ini bersifat eksotermis sehingga reaktor harus dilengkapi dengan pendingin jaket. Hasil keluaran reaktor adalah campuran A dan B, dan dipanaskan dahulu di HE-2 sebelum diumpankan ke DT untuk proses pemisahan. Hasil bawah DT mengandung sebagian besar produk B. Hasil atas DT yang sebagian besar mengandung A direcycle kembali ke dalam proses dan dicampur dengan umpan segar A di Mixer. Sebelum diumpankan ke CSTR, campuran reaktan keluaran Mixer dipanaskan dahulu sampai suhunya mencapai suhu masuk reaktor di HE-1. 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 46

47 9 steps procedure for plantwide process control By Luyben et al., PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 47

48 Plantwide Control Design Procedure (Luyben et al., 1997) 1. Establish control objectives 2. Determine control degrees of freedom 3. Establish energy management system 4. Set production rate 5. Control product quality and handle safety 6. Control inventories (pressure and liquid level) 7. Check component balances 8. Control individual unit operations 9. Optimize economic and improve dynamic controllability 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 48

49 Plantwide control procedure Step 1. Establish control objectives Assess steady-state design and dynamic control objectives for the process These objectives include reactor and separation yields, product quality specifications, product grades and demand determination, environmental restrictions, and the range of operating conditions. 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 49

50 Plantwide control procedure Step 2. Determine control degrees of freedom Count the number of control valves available For example: HDA process has 23 control valves 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 50

51 Plantwide control procedure Step 3. Establish energy management system provide a control system that remove exothermic heats of reaction from the process provide a control system that prevents propagation of the thermal disturbances HDA alt. 6 has many mass and heat recycles 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 51

52 Plantwide control procedure Step 4. Set production rate Establish the variables that dominate the productivity of the reactor and determine the most appropriate manipulator to control production rate This may be the feed flow to the process, the flow rate of recycle stream, the flow rate of initiator or catalyst to the reactor, the reactor heat removal rate, the reactor temperature, and so forth. 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 52

53 Plantwide control procedure Step 5. Control product quality and handle safety Select the best valves to control each of the product-quality, safety, and environmental variables 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 53

54 Plantwide control procedure Step 6. Control inventories (pressure and liquid level) Determine the valve to control each inventory variable (including all gas pressures and liquid levels) An inventory variable should typically be controlled with the manipulated variable that has the largest effect on it within that unit a flow controller should be presented in all liquid recycle loops 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 54

55 Plantwide control procedure Step 7. Check component balances Identify how chemical components enter, leave, and are generated or consumed in the process Fresh reactant makeup feed stream can be manipulated to control reactor feed composition or a recycle stream composition Purge stream can also be used to control a recycle stream composition 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 55

56 Plantwide control procedure Step 8. Control individual unit operations Establish the control loops necessary to operate each of the individual unit operations Control the reactor inlet temperature by manipulating the duty of furnace utility Cooling water flowrate can be used to control the separator temperature 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 56

57 Plantwide control procedure Step 9. Optimize economic and improve dynamic controllability Establish the best way to optimize steady-state economic performance (e.g., minimize energy, maximize selectivity) or to improve dynamic response in particular case, a selective controller may be required 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 57

58 Plantwide Energy Management reduce cooling and heating utility requirement install feed-effluent-heat-exchangers (FEHEs) around reactors and distillation columns However, Energy integration creates a new path of disturbance propagation; thus the control strategy is very important. 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 58

59 Typical Heat-Integrated Plant Hot stream Furnace Cold stream FEHE Fuel Cooler Reactor Coolant (a) Single FEHE Reboiler Hot stream Furnace Cold stream FEHE-1 FEHE-2 Reactor Fuel Cooler Coolant (b) Multiple FEHEs 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 59

60 Heat Pathways in The Process Path 1: from inside the process and flows out e.g. heat generated by exothermic reaction is dissipated to the environment Q d Environment T o Q e Path 2: conveys heat from the utilities to the process e.g. heat supplied by the furnace flows to the distillation columns and reaches its destination in the condensers Path #1 T Process Q h/c Path #3 Path #2 Path 3: internal to the process; heat flows back and forth between different unit T H Energy sources e.g. the heating and cooling circuit that starts from the reactor exit and goes through the FEHE units to heat up the cold feed streams that travel back to the reactor 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 60

61 Control of Process-to-Process Exchangers Use of Auxiliary Exchangers 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 61

62 Control of Process-to-Process Exchangers Bypass control A. Controlling and bypassing hot stream B. Controlling cold stream and bypassing hot stream C. Controlling and bypassing cold stream D. Controlling hot stream and bypassing cold stream. 7 PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK YDH / INDALPRO / 62