BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Pengendalian proses adalah disiplin ilmu yang melibatkan statistika dan teknik yang melibatkan pembuatan mekanisme dan algoritma untuk mengendalikan keluaran dari suatu proses tertentu. Sebagai contoh adalah sistem pengaturan temperatur ruangan agar temperatur ruangan terjaga konstan setiap saat, misalnya pada 20 °C. Pada kasus ini, temperatur disebut sebagai variabel terkendali. Selain itu, karena temperatur diukur oleh suatu termometer dan digunakan untuk menentukan kerja pengendali (apakah ruangan perlu didinginkan atau tidak), temperatur juga merupakan variable input. Temperatur yang diinginkan (20 °C) adalah setpoint. Keadaan dari pendingin (misalnya laju keluaran udara pendingin) dinamakan
variabel termanipulasi karena merupakan variabel yang terkena aksi pengendalian.
Alat pengendalian yang umum digunakan adalah Programmable Logic
Controller (PLC). Alat ini digunakan untuk membaca input analog maupun digital,
melakukan serangkaian program logika, dan menghasilkan serangkaian output analog maupun digital. Pada kasus sistem pengaturan temperatur, temperatur ruangan menjadi input bagi PLC. Pernyataan-pernyataan logis akan membandingkan setpoint dengan masukan nilai temperatur dan menentukan apakah perlu dilakukan penambahan atau pengurangan pendinginan untuk menjaga temperatur agar tetap konstan. Output dari PLC akan memperbesar atau memperkecil aliran keluaran udara pendingin bergantung pada kebutuhan. Untuk suatu sistem pengendalian yang kompleks, perlu digunakan sistem pengendalian yang lebih kompleks daripada PLC.
1.2. Rumusan Masalah
1) Bagaimana prinsip-prinsip dari alat pengendalian proses pembuatan Urea 2) Apa contoh alat pengendalian yang digunakan dalam pembuatan Urea. 1.3. Tujuan
1) Dapat mengetahui bagaimana prinsip-prinsip dari alat pengendalian proses pembuatan Urea
2) Dapat mengetahui contoh alat pengendalian proses tersebut yang digunakan dalam pembuatan Urea.
1.4. Manfaat
1) Memberikan pengetahuan dan pemahaman prinsip-prinsip dan contoh alat pengendalian proses.
2) Menjadikan salah satu referensi pembelajaran mata kuliah pengendalian proses mengenai prinsip-prinsip alat pengendalian proses.
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Tujuan pemasangan alat pengendalian
Agar proses selalu stabil dibutuhkan instalasi alat-alat pengendalian. Alat-alat pengendalian dipasang dengan tujuan:
1. Menjaga keamanan dan keselamatan kerja.
Keamanan dalam operasi suatu pabrik kimia merupakan kebutuhan primer untuk orang-orang yang bekerja di pabrik dan untuk kelangsungan perusahaan. Untuk menjaga terjaminnya keamanan, berbagai kondisi operasi pabrik seperti tekanan operasi, temperatur, konsentrasi bahan kimia, dan lain sebagainya harus dijaga tetap pada batas-batas tertentu yang diizinkan.
2. Memenuhi spesifikasi produk yang diinginkan.
Pabrik harus menghasilkan produk dengan jumlah tertentu (sesuai kapasitas desain) dan dengan kualitas tertentu sesuai spesifikasi. Untuk itu dibutuhkan suatu sistem pengendali untuk menjaga tingkat produksi dan kualitas produk yang diinginkan.
3. Menjaga peralatan proses dapat berfungsi sesuai yang diinginkan dalam desain. Peralatan-peralatan yang digunakan dalam operasi proses produksi memiliki kendala-kendala operasional tertentu yang harus dipenuhi. Pada pompa harus dipertahankan NPSH, pada kolom distilasi harus dijaga agar tidak flooding, temperatur dan tekanan pada reaktor harus dijaga agar tetep beroperasi aman dan konversi menjadi produk optimal, isi tangki tidak boleh luber ataupun kering, serta masih banyak kendalakendala lain yang harus diperhatikan.
4. Menjaga agar operasi pabrik tetap ekonomis.
Operasi pabrik bertujuan menghasilkan produk dari bahan baku yang memberi keuntungan yang maksimum, sehingga pabrik harus dijalankan pada kondisi yang menyebabkan biaya operasi menjadi minimum dan laba yang diperoleh menjadi maksimum.
5. Memenuhi persyaratan lingkungan.
Operasi pabrik harus memenuhi berbagai peraturan lingkungan yang memberikan syarat-syarat tertentu bagi berbagai buangan pabrik kimia.
Untuk memenuhi persyaratan diatas diperlukan pengawasan (monitoring) yang terus menerus terhadap operasi pabrik kimia dan intervensi dari luar (external
intervention) untuk mencapai tujuan operasi. Hal ini dapat terlaksana melalui suatu
rangkaian peralatan (alat ukur, kerangan, pengendali, dan komputer) dan intervensi manusia (plant managers, plants operators) yang secara bersama membentuk control
system. Dalam pengoerasian pabrik diperlukan berbagai prasyarat dan kondisi operasi
tertentu, sehingga diperlukan usaha-usaha pemantauan terhadap kondisi operasi pabrik dan pengendalian proses supaya kondisi operasinya stabil.
2.2 Sistem Pengendalian
Sistem pengendali diterapkan untuk memenuhi 3 kelompok kebutuhan, yaitu: 1) menekan pengaruh gangguan eksternal
2) memastikan kestabilan suatu proses kimiawi 3) optimasi kinerja suatu proses kimiawi
Variabel-variabel yang terlibat dalam proses operasi pabrik adalah F (laju alir), T (temperatur), P (tekanan) dan C (konsentrasi). Variabel-variabel tersebut dapat dikategorikan menjadi 2 kelompok, yaitu variabel input dan variabel output. Variabel input adalah variabel yang menandai efek lingkungan pada proses kimia yang dituju.
Variabel ini juga diklasifikasikan dalam 2 kategori, yaitu:
1) manipulated (adjustable) variable, jika harga variabel tersebut dapat
diatur dengan bebas oleh operator atau mekanisme pengendalian
2) disturbance variable, jika harga tidak dapat diatur oleh operator atau
sistem pengendali, tetapi merupakan gangguan.
Sedangkan variabel output adalah variabel yang menandakan efek proses kimia terhadap lingkungan yang diklasifikasikan dalam 2 kelompok:
1. measured output variables, jika variabel dapat diketahui dengan
pengukuran langsung
2. unmeasured output variables, jika variabel tidak dapat diketahui dengan
pengukuran langsung.
2.3. Contoh alat pengendalian Proses
2.3.1. HP STRIPPER (HIGH PRESSURE STRIPPER)
Alat ini berada pada unit sintesa urea di pabrik urea PT. Pupuk Kaltim. Dalam sintesa urea, reaksi pembentukan urea di reaktor tidak berlangsung sempurna. Akibatnya produk yang keluar reaktor masih mengandung ammonium carbamate
yang belum terkonversi menjadi urea serta terdapat kelebihan NH3. Kedua produk sampingan ini harus dipisahkan dari larutan urea yang dihasilkan. Untuk memisahkan reaktan ini, dilakukan stripping dengan menggunakan gas CO2 dalam alat yang bernama High Pressure Stripper.
Alat ini merupakan shell and tube exchanger yang terdiri dari 2560 tube type straight dengan outside diameter 31 mm dan inside dimeter shell 2300 mm. Fluida
shell side adalah steam dengan mass flow 54900 kg/jam dan temperatur 214 oC, sedang fluida tube side adalah sistem larutan urea – gas CO2.
1) Filosofi Proses
Larutan urea dari reaktor pada suhu ±183 oC dikontakkan dengan gas CO2 pada suhu ±120 oC secara counter current. Urea mengalir turun membasahi sepanjang dinding tube mebentuk lapisan tipis (film), dan gas CO2 yang masuk dari bawah
men-stripping ammonium carbamate yang terurai menjadi gas CO2 dan NH3 karena bantuan steam untuk dikembalikan ke HPCC (High Pressure Ammonium Carbamate
Condenser). Sedangkan urea yang mengandung sedikit ammonium carbamate
meninggalkan HP stripper pada temperatur ±165 oC menuju unit resirkulasi, sedang campuran gas yang sebagian besar mengandung CO2 menuju bagian atas HP stripper pada temperatur ±187 oC menuju HPCC.
Karena reaksi penguraian ammonium carbamate menjadi gas CO2 dan NH3 merupakan reaksi endotermis, maka alat ini juga memerlukan panas. Panas di supplai dari luar (berupa steam), panas ini juga untuk menjaga agar larutan tetap pada titik didihnya serta untuk menguraikan ammonium carbamate menjadi CO2 dan NH3. Akibat aliran gas CO2 yang bersinggungan dengan lapisan film larutan pada dinding tube akan membantu penguraian ammonium carbamate menjadi CO2 dan NH3, dengan demikian dapat mengurangi pemakaian steam dalam penguraian di HP stripper, sehingga mengurangi resiko terbentukya biuret.
2) Pengendalian Proses
Di bagian bawah HP stripper, kondisinya sangat sesuai untuk berlangsungnya hidrolisa urea dan pembentukan biuret, karena bersuhu tinggi dan konsentrasi
ammonium carbamate rendah. Untuk mengurangi resiko terbentunya biuret, selain
dengan pendinginan oleh gas CO2, dapat juga dilakukan dengan menjaga level steam kondensat di shell side HP stripper. Penjagaan level dilakukan dengan mengontrol suhunya, jika suhunya di atas 165 oC maka valve akan membuka dan steam akan keluar sehingga temperatur bagian bawah stripper tetap 165 oC. Akibatnya, transfer panas dapat dikurangi sehingga resiko terbentuknya biuret bisa dihindari.
3) Variabel Proses
Set Point : Temperatur
Process Varible : Level
Manipulated Variable : Laju Alir ( Control Valve )
4) Gambar Unit
2.3.2. Rectifying Column
Alat ini terdapat pada unit resirkulasi pada pabrik urea di PT. Pupuk Kaltim. Alat ini berupa separator yang berfungsi sebagai pemisah urea (55%) yang keluar dari HP Stripper dari ammonium carbamate dengan cara menguraikannya menjadi CO2 dan NH3. Bagian atas alat ini berupa separator, dan bagian bawahnya berupa heater. 1) Filosofi Proses
Hasil reaksi pembentukan urea di unit sintesa urea, menghasilkan urea dengan kadar 55% saja. Sisanya berupa larutan ammonium carbamate dan air. Di unit resirkulasi ini, urea dibersihkan dari reaktan yang tidak terkonversi (ammonium
carbamate) dan produk lain (air). Alat utama pada unit ini adalah rectifying column.
Pertama-tama laruttan urea 55% dari unit sintesa dimasukkan ke rectifying
column bagian atas. Sebelum masuk, tekanan larutan tekanan diturunkan secara
tiba-tiba dari 145 – 160 kg/cm2 menjadi 4,2 kg/cm2. Selanjutnya larutan di spray di bagian atas rectifying column. Sesuai dengan reaksi pembentukan ammonium carbamate, sebagai berikut :
2NH3 + CO2 NH2COONH4 + Q ... (*)
Bila tekanan diturunkan kesetimbangan akan bergeser ke daerah yang memiliki koefisien lebih besar, dalam hal ini CO2 dan NH3. Artinya, jika tekanan diturunkan, maka ammonium carbamate yang tidak terkonversi di unit sintesa akan terurai menjadi CO2 dan NH3 dalam fase gas yang akan langsung menuju ke Low
Pressure Carbamate Condenser (LPCC). Pada tahap ini juga terdapat air yang
teuapkan dan ikut ke LPCC bersama den gan CO2 dan NH3.
Selain penurunan tekanan, pemurnian urea 55% juga dilakukan dengan menggunakan heater yang terdapat di bagian bawah rectifying column. Setelah larutan masuk melalui bagian atas rectifying column, larutan akan bergerak turun menuju bagian bawah, yaitu heater. Sesuai dengan reaksi, maka dengan pemanasan maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaktan, sehingga ammonium carbamate yang masih tersisa akan terurai menjadi CO2 dan NH3 diikuti dengan penguapan air
yang tersisa. CO2, NH3, dan uap air ini kemudian menyusul ke LPCC. Selanjutnya, larutan urea yang telah menjadi lebih pekat dikirim/masuk ke flash tank.
2) Pengendalian Proses
Unit resirkulasi menggunakan tekanan sebesar 4,2 kg/cm2 absolut dan temperature larutan yang keluar rectifying column dijaga 130 – 140 oC. Jika temperatur terlalu rendah, maka banyak ammonia (NH3) hasil penguraian ammonium
carbamate bukannya masuk ke LPCC tapi malah ikut dengan urea masuk ke flash tank. Namun, bila temperatur terlalu tinggi (>140 oC), maka akan semakin banyak air yang ikut ke LPCC dan akan terbentuk biuret.
Biuret adalah hasil samping yang tidak diinginkan dari reaksi pembentukan urea. Reaksinya adalah sebagai berikut :
2NH2CONH2 NH2CONHCONH2 + NH3 - Q
Biuret akan selalu terbentuk dalam pembentukan urea, sehingga tidak bisa dihindari. Karena biuret merupakan racun bagi tanaman, maka kandungan biuret dalam urea untuk keperluan pertanian harus dijaga serendah mungkin (maksimal 1%). Dari reaksi pembentukan biuret di atas, terlihat bahwa biuret mudah terbentuk dalam kondisi sebagai berikut :
• Konsentrasi urea tinggi • Konsentrasi ammonia rendah • Temperatur tinggi
3) Variable Process :
Set Point : Temperatur
Process Variable : Steam masuk
Manipulated Variable : Laju alir steam
4) Gambar Unit 5) Gambar Alat TC flash tank HP stripper LPCC larutan urea CO2 dan NH3 larutan urea steam kondensat 4,2 kg/cm2 114 oC 4,2 kg/cm2 135 oC 4,2 kg/cm2
2.3.3. Flash tank
Flash tank merupakan alat yang terletak setelah rectifying column pada unit
resirkulasi. Flash tank memiliki dua fungsi, yang pertama adalah sebagai pengatur level. Dan yang kedua adalah sebagai separator yang memisahkan ammonium
carbamate yang belum terurai di rectifying column menjadi CO2 dan NH3 dengan cara menurunkan tekanan (flashing) dari 4,2 kg/cm2 menjadi 0,45 kg/cm2 (vakum). 1) Filosofi Proses
Setelah larutan urea mangalami dua tahap pemurnian di rectifying column, urea yang sudah menjadi lebih murni di masukkan ke flash tank dan kembali mengalami penurunan tekanan dari 4,2 kg/cm2 menjadi vakum. Karena adanya penurunan tekanan ini, maka sisa ammonium carbamate yeng tidak terurai di
rectifying column akan terurai di sini. Penurunan tekanan ini terjadi di valve sebelum flash tank. Akibat dari penurunan tekanan, kadar urea meningkat dari 55% menjadi
75% – 76%. Larutan yang keluar dari flash tank turun secara gravitasi ke Urea Storage Tank (UST). Urea ini terdiri dari 75% - 76% urea, dan sisanya air serta sedikit CO2 dan NH3.
2) Pengendalian Proses
Di flash tank, tekanan sangat mempengaruhi temperatur larutan. Jadi, dengan adanya penurunan tekanan menjadi vakum, otomatis temperatur akan turun. Temperatur awal saat larutan keluar dari rectifying column 130 – 140 oC turun menjadi 87 – 90 oC. Temperatur harus dipertahankan dalam range tersebut. Karena bila temperatur berada di bawah range akan terjadi kristalisasi. Dan jika temperatur berada di atas range, maka akan terbentuk biuret. Inilah gunanya tekanan dibuat vakum. Yang berakibat turunnya temperatur. Karena, pada tahap akhir pemrosesan urea, kecenderungan terbentuknya biuret sangat besar akibat kondisinya optimalnya terpenuhi. Hal ini dapat dikurangi dengan memprosesnya di bawah kondisi vakum. Karena kondisi vakum akan menurunkan titik didih sehingga temperatunya juga lebih rendah. Ini akan mengurangi jumlah biuret yang terdapat pada urea.
3) Variable Process :
Set Point : Temperature
Process Variable : Tekanan
Manipulated Variable : Control Valve
Disturbance : Urea yang keluar dari flash tank
4) Gambar Unit
2.3.4. Evaporator
Alat ini berada pada unit evaporasi yang terletak setelah unit resirkulasi di pabrik urea PT. Pupuk Kaltim. Evaporator adalah suatu peralatan yang berfungsi memisahkan uap air dengan larutannya sehingga larutan menjadi lebih pekat. Bagian bawahnya berupa heater dan bagian atasnya berupa separator.
1) Filosofi Proses
Evaporator ini di operasikan pada tekanan dan temperatur yang rendah untuk
memekatkan urea keluaran dari unit resirkulasi dari 75% – 76% menjadi 99,7%. Penurunan tekanan (menjadi vakum) diperoleh dengan menggunakan sistem kondensor dan ejector.
a) Kondensor adalah alat yang berfungsi mengkondensasikan gas menggunakan cooling water.
b) Ejector adalah perealatan yang berfungsi membuat sistem menjadi vakum.
Dari sifat fisis larutan urea, maka untuk memekatkan urea menjadi 99,7% digunakan dua tingkat evaporator. Hal ini dilakukan untuk menghindari terjadinya kristalisasi urea. Di unit ini terdapat dua step :
a) Evaporator tingkat 1 (first stage evaporator)
Larutan dipanaskan menjadi 130 – 135 oC (di heater) dengan tekanan 0,35 – 0,4 kg/cm2 (vakum).
b) Evaporator tingkat 2 (second stage evaporator)
Temperatur larutan dijaga maksimal 140 oC (di heater) dengan tekanan diturunkan menjadi 0,035 kg/cm2 (vakum).
Larutan yang mengandung 75 – 76% urea dari urea storage tank dipompa ke first stage evaporator yang beroperasi pada tekanan vakum 0,35 kg/cm2 dan masuk ke heater yang bertemperatur 130 – 135 oC. Akibatnya air dalam larutan akan menguap. Larutan kemudian dipisahkan, gas/uap air masuk ke separator sehingga terpisah dari larutannya.
Karena tekanan pada second stage evaporator lebih rendah dari first stage
temperatur larutan dinaikkan dan dijaga konstan 140 oC. Sama seperti di first stage
evaporator, air dalam larutan akan kembali menguap dan masuk ke separator.
Larutan yang keluar dari second stage evaporator berupa urea melt (bubur) dengan konsentrasi 99,7% yang selanjutnya di pompa ke bagian atas prilling tower untuk proses selanjutnya.
Penurunan tekanan yang diikuti pemanasan pada dasarnya akan menyebabkan air yang berada dalam larutan menguap. Yang perlu diperhatikan di sini adalah bila tekanan awal evaporator langsung diturunkan menjadi 0,035 kg/cm2, maka larutan akan langsung mengkristal, akibatnya urea mengkristal sebelum waktunya ini tidak bisa dikirim ke prilling tower. Selain itu, kristal urea juga akan membuntu pada pipa dan peralatan pada unit ini. Inilah sebabnya maka digunakan dua tingkat evaporator dengan menurunkan tekanan secara bertahap sampai 0,035 kg/cm2.
Resiko dari alat ini adalah terbentuknya biuret, karena selama proses evaporasi larutan dipanaskan. Namun, pembentukan biuret ini dapat diminimalisasi dengan penurunan tekanan, yang disamping untuk membantu menguapkan air, juga agar panas yang digunakan penguapan tidak banyak sehingga resiko pembentukan biuret dapat ditekan.
2) Pengendalian Proses
Tekanan first stage evaporator dijaga 0,35 – 0,4 kg/cm2 dan temperatur juga dijaga 135 – 140 oC. Jika tekanan lebih besar lagi, maka konsentrasi urea akan berkurang (air yang menguap sedikit) yang mengakibatkan second stage evaporator terbebani (overload) dan ada resiko terbentuk biuret. Namun, jika tekanan lebih rendah, temperatur juga ikut turun dan mengakibatkan kristalisasi.
Seperti halnya first stage evaporator, tekanan dan temperatur second stage
evaporator juga dijaga 0,035 kg/cm2 dan 140 oC.
3) Variable Process :
Set Point : Temperatur
Manipulated Variable : Laju alir steam
Disturbance : Temperatur dalam steam
5) Gambar Alat gas proses prilling tower kondensat steam larutan urea steam kondensat larutan urea campuran gas campuran gas melt urea (99.7%) TC TC 1st evaporator 86 oC 130 oC 140 oC 2nd evaporator 130 oC 0,34 kg/cm2 140 oC 0,030 kg/cm2 113 oC 0,12 kg/cm2
Daftar Pustaka http://id.wikipedia.org/wiki/Pengendalian_proses
http://idpupuk.blogspot.com/2012/11/industri-pupuk-urea.html http://majarimagazine.com/2008/02/pengendalian-proses-1/
