FORMULASI SISTEMATIKA KNOWLEDGE-BASED ENGINEERING UNTUK PENANGANAN PERMASALAHAN PROSES DENGAN STUDI KASUS REAKTOR UREA PABRIK KALTIM-1 TESIS Karya Tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung oleh SURAHMAD WIJI WIDODO NIM : 23005003 Program Studi Teknik Kimia INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
FORMULASI SISTEMATIKA KNOWLEDGE-BASED ENGINEERING UNTUK PENANGANAN PERMASALAHAN PROSES DENGAN STUDI KASUS REAKTOR UREA PABRIK KALTIM-1 Oleh Surahmad Wiji Widodo NIM : 23005003 Program Studi Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung Menyetujui Tanggal... Pembimbing I Pembimbing II (Ir. Yazid Bindar, MSc., PhD) (Ir. Praharso, MSc., PhD)
ABSTRAK Formulasi Sistematika Knowledge-Based Engineering Untuk Penanganan Permasalahan Proses dengan Studi Kasus Reaktor Urea Pabrik Kaltim-1 Oleh Surahmad Wiji Widodo NIM : 23005003 Pabrik pupuk adalah pabrik petrokimia yang termasuk salah satu industri strategis nasional. Pengetahuan merupakan aset penting bagi perusahaan yang harus dikelola sebaik-baiknya agar memberikan manfaat dan keuntungan yang optimal. Tanpa pengetahuan yang cukup dalam mengoperasikan pabrik, maka masalah proses yang dihadapi cenderung diselesaikan dengan percobaan di lapangan yang hasilnya tidak pasti dan mengakibatkan kerugian bagi perusahaan. Dengan sistem berbasis pengetahuan, maka pengetahuan disimpan, terorganisasi dan dapat diakses kembali untuk menyelesaian masalah proses, serta tindakan coba-coba yang menghasilkan kesalahan dapat diminimalkan. Dalam tesis ini formulasi sistem berbasis pengetahuan untuk penanganan permasalahan proses pada unit reaktor sintesis urea dilakukan dengan melakukan kajian pengetahuan heuristis, kajian model kesetimbangan reaksi sintesis urea, kajian simulasi CFD tray reaktor, serta kajian model pengembangan sistem berbasis pengetahuan proses. Model kesetimbangan yang digunakan dapat menjelaskan pengaruh suhu, rasio NH 3 /CO 2 dan rasio H 2 O/CO 2 terhadap konversi. Hasil perhitungan untuk konversi dan komposisi keluaran reaktor menunjukkan kesesuaian dengan data rancangan pabrik. Hasil kajian simulasi CFD menunjukkan bahwa dengan konfigurasi tray baru dihasilkan efek pencampuran fasa cair dan gas yang lebih baik daripada dengan tray konvensional. Model sistem pakar untuk troubleshooting proses pada pengoperasian reaktor urea telah dibuat dengan expert system shell CLIPS. Pengetahuan heuristis dari pengalaman dan pengetahuan berdasarkan model proses menjadi basis pengetahuan yang dikembangkan sebagai model sistem berbasis pengetahuan untuk menyelesaikan masalah proses di unit proses sintesis urea. Kata kunci : basis pengetahuan, pengetahuan proses, pengetahuan heuristis, simulasi, CFD, reaktor urea i
ABSTRACT Knowledge-Based Engineering System Formulation for Process Problem Solving with Case Study of Kaltim-1 Plant Urea Reactor By Surahmad Wiji Widodo NIM : 23005003 Urea plant is a petrochemical plant considered as one of strategic industries in Indonesia. Knowledge is important asset for the company that should be managed well in order to give the optimal profit. Without the adequate knowledge to operate the process plant, the process problems tend to be solved by trial-error effort in the field with unknown result and can cause the losses for the company. With the knowledge-based system, the knowledge can be stored, organized can be accessed again to solve the process problem and minimize the trial-error losses. In this thesis knowledge-based sistem formulation for process problem solving in urea synthesis process unit done by study the heuristic knowledge, study the urea synthesis equilibrium model, study the urea tray reactor with CFD simulation and study of development of process knowledge-based system model. Urea reaction equilibrium model used can explain the effects of temperature, NH 3 /CO 2 molar ratio and H 2 O/CO 2 molar ratio to the urea conversion. Calculation results of conversion and reactor outlet composition show the agreement with the reactor data. Results of CFD simulation show that the new tray configuration gives the better mixing effect of liquid and gas phase than the conventional tray. Expert system model for process troubleshooting of urea reactor operation has been developed successfully with CLIPS expert system shell. Heuristic knowledge based on the experience and the knowledge based on process model become the knowledge base for development of knowledge-based system model for process problem solving in urea synthesis process unit. Keywords : knowledge-based, process knowledge, heuristic, simulation, CFD, urea reactor ii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung. iii
KATA PENGANTAR Segala puji hanya kepada Allah atas segala petunjuk dan rahmat-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ir.Yazid Bindar M.Sc.Ph.D dan Ir. Praharso M.Sc. Ph.D sebagai pembimbing atas saran dan bimbingannya kepada penulis selama penelitian dan penulisan tesis ini. Terimakasih penulis sampaikan pula kepada Manajemen PT. Pupuk Kaltim, Departemen Operasi Kaltim-1, Biro Teknologi serta Biro Pengembangan SDM PT. Pupuk Kaltim yang telah memberi kesempatan, dukungan dan bantuan kepada penulis dalam mengikuti pendidikan magister ini. Juga kepada rekan-rekan program magister Teknik Kimia dan rekan-rekan di Laboratorium Termofluida dan Sistem Utilitas, atas segala bantuan dan dukungannya. Penulis menyadari bahwa pelaksanaan dan hasil dari penelitian ini masih belum sempurna. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran untuk perbaikan dan pengembangan selanjutnya. Bandung, Juni 2007 Surahmad W. Widodo iv
DAFTAR ISI ABSTRAK ABSTRACT PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS i ii iii KATA PENGANTAR iv DAFTAR ISI DAFTAR LAMPIRAN v viii DAFTAR GAMBAR ix DAFTAR TABEL xi Bab I Pendahuluan 1 I.1 Latar Belakang 1 I.2 Perumusan Masalah 4 I.3 Tujuan Penelitian 7 I.4 Ruang Lingkup Penelitian 7 I.5 Sistematika Tesis 8 Bab II Tinjauan Pustaka 10 II.1 Kinerja Pabrik 10 II.1.1 Utilisasi Aset 10 II.1.2 Klasifikasi Persoalan Pabrik 13 II.1.3 Reliabilitas 16 II.1.4 Analisis Akar Persoalan 18 II.2 Manajemen Pengetahuan 19 II.3 Basis Pengetahuan 24 II.3.1 Definisi 24 II.3.2 Representasi Pengetahuan 26 II.3.3 Metode Pengembangan Basis Pengetahuan 27 II.4 Basis Pengetahuan Pada Industri Proses 29 II.4.1 Pengetahuan Proses 29 II.4.2 Representasi Pengetahuan Proses II.4.2 Aplikasi Sistem Berbasis Pengetahuan Proses 31 33 Bab III Metodologi Penelitian 36 v
Bab IV Bab V Bab VI Bab VII III.1 Metodologi Umum 36 III.2 Pengetahuan Proses III.3 Pengetahuan Heuristis 37 40 III.4 Studi Pengembangan Sistem Berbasis Pengetahuan 41 Pengetahuan Heuristis Sebagai Sumber Pengetahuan 43 IV.1 Pendahuluan 43 IV.2 Pengetahuan Heuristis Berdasarkan Pengalaman Internal Pabrik 43 IV.3 Pengetahuan Heuristis Dari Eksternal Pabrik 45 IV.4 Peran Pengetahuan Heuristis Dalam Basis Pengetahuan 46 Pengetahuan Proses Pada Unit Sintesis Urea 48 V.1 Pendahuluan 48 V.2 Kesetimbangan dan Konversi Reaksi sintesis Urea 48 V.3 Parameter Proses Yang Berpengaruh Terhadap Konversi Kesetimbangan Reaksi Sintesis Urea 49 V.4 Perhitungan Konversi Reaksi Sintesis Urea Pabrik Kaltim-1 53 V.5 Pengendalian Proses Pada Pengoperasian Reaktor Urea Kaltim-1 56 V.6 Aplikasi Pengetahuan Proses Sintesis Urea Sebagai Basis Pengetahuan di Pabrik Urea 60 Formulasi Pengetahuan Melalui Simulasi Aliran Fluida Tiga Dimensi 62 VI.1 Pendahuluan 62 VI.2 Model Geometri Tray Reaktor Urea 62 VI.3 Definisi Model dan Penyelesaian dengan CFD solver 65 VI.4 Hasil Simulasi CFD 66 VI.5 Potensi Implementasi Konfigurasi Tray Baru Untuk Reaktor Urea 71 VI.6 Peran Simulasi CFD Dalam Membangun Basis Pengetahuan Proses di Pabrik 72 Model Sistem Pakar Troubleshooting Proses Reaktor Urea 74 VII.1 Pendahuluan 74 vi
VII.2 Pengendalian Proses di Reaktor Urea VII.3 Model dan Penulisan Program Sistem Pakar VII.4 Hasil VII.5 Alternatif Model Aplikasi Sistem dan Pengembangannya 75 77 79 81 Bab VIII Konsep Tahapan Pengembangan Aplikasi Sistem Pakar di Pabrik Bab IX Urea VIII.1 Pendahuluan VIII.2 Perencanaan VIII.3 Akuisisi Pengetahuan VIII.4 Pemrograman VIII.5 Evaluasi Kesimpulan dan Saran 84 84 84 87 90 91 93 IX.1 Kesimpulan 93 IX.2 Saran 94 DAFTAR PUSTAKA 95 vii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Reaksi Sintesis Urea 98 Lampiran B Skema dan Data Neraca Massa Reaktor Urea Kaltim-1 100 Lampiran C Perhitungan Konversi Reaksi Sintesis Urea 102 Lampiran D Langkah-Langkah Simulasi CFD 104 Lampiran E Kode Program Sistem Pakar Dalam CLIPS 109 Lampiran F Langkah-Langkah Menjalankan Sistem Pakar Dengan CLIPS 131 viii
DAFTAR GAMBAR Gambar I.1 Tren penelitian mengenai manajemen pengetahuan 2 Gambar I.2 Distribusi topik-topik penelitian bidang manajemen 3 pengetahuan Gambar I.3 Komponen pembentuk pengetahuan 5 Gambar I.4 Peranan pengetahuan pada siklus penyelesaian masalah 6 Gambar II.1 Data distribusi penyebab downtime pabrik urea Kaltim-1 15 Gambar II.2 Hirarki pengembangan reliabilitas 17 Gambar II.3 Sumber-sumber pengetahuan, proses dan hasil dari manajemen pengetahuan 21 Gambar II.4 Contoh hirarki manajemen organisasi tradisional 23 Gambar II.5 Hirarki elemen-elemen organisasi pengetahuan 24 Gambar II.6 Siklus pengembangan sistem berbasis pengetahuan 29 Gambar II.7 Diagram SDG untuk persamaan gas 32 Gambar II.8 Contoh bagian diagram alir proses di pabrik 32 Gambar II.9 Contoh representasi frame untuk reaktor 33 Gambar III.1 Metodologi formulasi sistem berbasis pengetahuan proses 37 Gambar III.2 Langkah-langkah simulasi proses 38 Gambar III.3 Langkah-langkah simulasi CFD 39 Gambar III.4 Model interaksi fluida-struktur 40 Gambar III.5 Sumber pengetahuan heuristis dari internal dan eksternal 41 Gambar III.6 Struktur aplikasi sistem berbasis pengetahuan 41 Gambar IV.1 Penyelesaian masalah melalui deep knowledge atau shallow knowledge 47 Gambar V.1 Pengaruh suhu terhadap konversi kesetimbangan 50 Gambar V.2 Pengaruh perbandingan mol H 2 O/CO 2 terhadap konversi kesetimbangan 51 Gambar V.3 Pengaruh perbandingan mol NH 3 /CO 2 terhadap konversi kesetimbangan 52 Gambar V.4 Skema unit proses MPCC yang menyuplai larutan karbamat ke reaktor 59 ix
Gambar VI.1 Sketsa model tray dengan spesifikasi dimensi 63 Gambar VI.2 Model mesh geometri tray reaktor urea untuk simulasi CFD 64 Gambar VI.3 Perbandingan profil arah aliran fluida dalam reaktor dari kedua tipe tray 67 Gambar VI.4 Perbandingan profil kecepatan fluida untuk kedua tipe tray reaktor 68 Gambar VI.5 Perbandingan kontur kecepatan fluida dalam tray reaktor 69 Gambar VI.6 Perbandingan kontur kecepatan fraksi volume gas 69 Gambar VI.7 Perbandingan kontur kecepatan fluida pada penampang reaktor 70 Gambar VII.1 Diagram hirarki masalah pada proses di reaktor urea 78 Gambar VII.2 Kompilasi rules pada CLIPS 79 Gambar VII.3 Tampilan menu utama program 80 Gambar VII.4 Tamplan submenu kemungkinan penyebab masalah proses hingga rekomendasi tindakan 81 Gambar VII.5 Contoh diagram struktur langkah-langkah diagnosis masalah 83 Gambar VIII.1 Blok diagram tahap-tahap pengembangan sistem pakar 85 Gambar VIII.2 Akuisisi pengetahuan untuk penyelesaian masalah proses 88 x
DAFTAR TABEL Tabel I.1 Kapasitas produksi pabrik PT. Pupuk Kalimantan Timur 1 (ton/tahun) Tabel II.1 Grup fungsional dan kategori penyebab hilang produksi 14 Tabel II.2 Pendekatan reliabilitas dari sudut pandang proses dan 16 pemeliharaan Tabel II.3 Definisi manajemen pengetahuan 20 Tabel II.4 Tahapan-tahapan pengembangan basis pengetahuan 27 Tabel V.1 Perbandingan konversi reaktor urea Kaltim-1 dari hasil perhitungan dan data perancangan 54 Tabel VI.1 Dimensi model tray reaktor urea 64 Tabel VII.1 Batasan normal operasi parameter proses di reaktor urea 76 Tabel A-1 Parameter kinetika reaksi pembentukan urea dan biuret 99 Tabel B-1 Kondisi operasi dan komposisi 101 xi