Aplikasi Software dan Simulator dalam St

Aplikasi

Software

dan

Simulator

dalam Studi Teknik Kimia

Yulius D. Hermawan*, Muhammad Rosihan, Yustinus Setyo S.

Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri

Universitas Pembangunan Nasional “Veteran” Yogyakarta Jl. Lingkar Utara 104 Condongcatur Yogyakarta

* Email: hermawanyd@yahoo.com

Abstrak

Dewasa ini perkembangan bidang teknik kimia berkembang dengan pesat seiring kemajuan teknologi, permasalahan dalam teknik kimia semakin kompleks dan membutuhkan pemecahan yang cepat dan tepat. Penyelesaian secara analitis sangat membutuhakan kemampuan pemahaman matematis yang baik dan mungkin memerlukan waktu yang cukup lama. Oleh karena itu perlu dipikirkan alternatif penyelesaian secara komputasi dan numerik sehingga dapat membantu mempercepat penyelesaian masalah yang muncul. Paper ini menjelaskan manfaat dan aplikasi beberapa software yang sering digunakan untuk membantu penyelesaian masalah-masalah teknik kimia, diantaranya yaitu VBA Excel, MatLab, dan HYSYS.

Kata kunci: komputasi proses, software, dan simulator

Pendahuluan

Permasalahan-permasalahan teknik kimia seperti proses kimia, perancangan proses, reaktor, dan unit operasi berkembang dengan pesat. Di lain pihak, permasalahan tersebut biasanya cenderung kompleks dan penyelesaiannya memerlukan sejumlah langkah-langkah perhitungan yang sifatnya iteratif. Penggunaan analisa numerik merupakan salah satu solusi dari sulitnya menyelesaikan permasalahan sistem secara analitik, dan pemanfaatansoftware sangat mendukung komputasi proses sehingga waktu penyelesainnya menjadi lebih cepat dibandingkan dengan penyelesaian manual. Oleh karena itu, dengan memanfaatkan

sotfware, perhitungan-perhitungan yang semula dianggap tidak mungkin (unfeasible) menjadi mungkin (feasible).

Dalam paper ini, kami ingin menyajikan manfaat dan aplikasi beberapa software dan simulator

dalam membantu permasalahan teknik kimia, diantaranya: VBA Excel, MatLab, dan HYSYS. Proses

hydrodealkylation of toluene (HDA) dan masalah dinamika proses lainnya diangkat sebagai studi kasus dalam paper ini.

Software Simulasi Proses

Software(program) berisi instruksi atau perintah yang ingin kita jalankan pada komputer. Dalam aplikasi teknik kimiasoftwaremerupakan suatu alat bantu (tool) untuk menghitung neraca massa dan energi dengan menggunakan deretan model-model matematika dalam suatu flowsheet yang terintegrasi. Tiap model matematika akan menerangkan fungsi yang spesifik, yaitu kinerja dari unit operasi dan hubungan antara unit operasi. Ada beberapa kategori penting padasoftware, yaituoperating system,application software, dan

user. Gambar 1 mengilustrasikan hubungan antara kategori tersebut dengan perangkat keras (hardware) komputer.

Operating System

Beberapasoftware, seperti operating system(WindowsdanLinux), biasanya didapatkan bersamaan saat membelihardware(perangkat keras).Operating systemmenyediakan hubungan permukaan antara anda (user) danhardwaredengan menyediakan kenyamanan dan efisinsi lingkungan sistem yang mana user dapat memilih dan mengeksekusisoftwarepada sistem anda.

Gambar 1. Hubungan Software dengan Hardware

Berikut adalah kegunaansoftwaresimulasi proses :

 Melakukan perhitungan neraca massa dan energi dari suatu proses baik kondisi tunak (steady state) maupun dinamik (unsteady state)

 Memprediksi efek-efek perubahan input proses (T,P,F) terhadap output proses (production rate, purity, etc.)

 Mengoptimasi suatu proses secara lebih cepat

 Sebagai alat bantu untuk lebih memahami tentang proses yang terjadi dalam sebuah pabrik (plant)

Walaupun keberadaan simulator proses dianggap sangat handal dalam membantu penyelesaian permasalahan-permasalahan kompleks, tetapi tidak akan efektif, jika para pengguna (user) tidak mempunyai pengetahuan yang cukup tentang sistem proses dan prosedur penyelesaiannya. Untuk menyelesaikan permasalahan dengan simulator proses, kita akan dihadapkan pada berbagai kondisi dan berbagai pilihan yang harus diambil, misal kondisi proses, pemilihan model termodinamika dan kinetika, estimasi awal perhitungan, dan pemilihan spesifikasi unit operasi. Beberapa software dan simulator yang kami sajikan antara lain:Visual Basic for Application Excel, Matlab,danHYSYSdipaparkan sebagai berikut.

Visual Basic for Application Excel

Ms.Excel merupakan salah satu aplikasi spreadsheet yang paling populer dalam lingkungan pemakai windows. Pemakai dari berbagai profesi menggunakan Ms.Excel untuk berbagai keperluan, utamanya, misalnya untuk mengerjakan tugas-tugas perkantoran.

Akhir-akhir ini telah banyak pemakai yang berasal dari bidang teknik kimia yang mulai menggunakan Ms.Excel. Aplikasi yang berisi perhitungan yang cukup rumit dapat dibangun dalam Ms.Excel dengan menggunakan fasilitas fungsibuilt-inMs.Excel,Macrodan aplikasi pemrograman berbahasa BASIC dengan menggunakan Visual Basic for Application (VBA). Permasalahan dalam teknik kimia yang melibatkan trial dan error, analisis data, analisa numeris, optimasi, dan perancangan pabrik kimia dapat diselesaikan dengan VBA Excel.

MatLab

MatLab adalah singkatan dari Matrix Laboratory, dan merupakan sebuah software yang mengintegrasikan analisa numerik, komputasi matriks, dan grafik dalam suatu lingkungan yang mudah digunakan dimana masalah dan solusinya ditulis sesuai dengan persamaan matematisnya. MatLab merupakan salah satusoftware yang handal dalam membantu penyelesaian numerik dari sistem linear dan tak-linear. MatLab telah menyediakan subrutin numerik yang dapat digunakan dengan leluasa dalam menyelesaikan masalah-masalah komputasi proses.

HYSYS

HYSYS adalah salah satu simulator yang dapat digunakan untuk mensimulasikan unit proses dan atau gabungan unit-unit proses pada kondisi tunak dan dinamis. HYSYS dapat melakukan perhitungan neraca massa dan neraca panas suatu proses. HYSYS merupakan sebuah program yang bersifat Object Oriented Program yaitu pemrograman berorientasi obyek. Pemrograman OOP banyak digunakan untuk membuat aplikasi-aplikasi yang bekerja dalam lingkungan sistem operasi Windows. HYSYS berbeda dengan software-softwarediatas karena HYSYS adalah sebuahsimulator khususnya di bidang teknik kimia yang bertujuan memudahkan para pengguna dalam merancang atau mensimulasikan sebuah pabrik kimia.

Di dalam HYSYS tersimpan data fisik seperti: densitas, viskositas, panas jenis, dll untuk beberapa komponen hidrokarbon maupun non-hidrokarbon. Beberapa model termodinamika tersedia di dalam fluid packagepada simulation basis manager(SBM). Secara garis besar model termodinamika dalam HYSYS dikelompokkan ke dalam lima bagian, yaitu: (1)Equation of State (EOS) Models,(2)Activity Models, (3)

Chao-Seader Models, (4)Vapor Pressure Models, dan (5) Miscellaneous (special application) Types. Jika sistem proses yang akan disimulasikan mempunyai reaksi untuk mengubah material menjadi produk tertentu, maka jenis reaksi harus ditentukan melalui SBM. Jenis-jenis reaksi yang tersedia di dalam HYSYS adalah (1)

Conversion, (2)Equilibrium, (3)Heterogeneous Catalytic, (4)Kinetic, dan (5)Simple Rate.

Contoh-Contoh Masalah Teknik Kimia dan Penyelesaiannya

Contoh kasus perancangan reaktor proses HDA:

Hydrodealkylation of toluene process(HDA) diambil sebagai contoh untuk studi kasus. Contoh ini diambil dariDouglas 1988. Reaksi fase gas pembentukanbenzenedari proses HDA dalam reaktor pipa (plug flow reactor) adalah sebagai berikut:

C7H8 + H2 C6H6 + CH4

(toluene) (hydrogen) (benzene) (methane)

2 C6H6 C12H10 + H2

(benzene) (diphenyl) (hydrogen)

Laju reaksi untuk masing-masing reaksi dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut: r1= 3.6858 x 106exp (-25616/T)PT P_{i :}tekanan parsial komponen [psia]

Kondisi operasi dan umpan reaktor PFR dilaporkan pada Tabel 1. Dari penyusunan neraca massa dan energi diperoleh model matematis proses HDA di reaktor PFR sebagai berikut:

Untuk tekanan sepanjang reaktor diperoleh berdasarkan persamaan dengan asumsi gas ideal dan

V



V

o;

dimana:

F_i : laju alir volumetrik komponen i [ft3_/jam] Pi : Tekanan komponen [Psia]

T : Suhu [F]

Z :Panjang reaktor [ft]

H_R : Panas reaksi [Btu/lbmol]

Cpi : Kapasitas panas komponen i [Btu/lbmol K]

Tabel 1. Kondisi operasi dan umpan reaktor PFR untuk proses HDA

Temperature [F] 1150

Pressure [psia] 521

Molar Flow [lbmole/hr] 4869.8 Mol Fraction

Hydrogen 0.4169

Methane 0.4922

Benzene 0.0080

Toluene 0.0829

BiPhenyl 0.0000

Tabel 2. Hasil perhitungan reaktor PFR proses HDA

Hasil Keluaran Reaktor

Nama Arus Umpan

VBA Excel* HYSYS** TMODS***

Temperature [F] 1150.00 1217.24 1231.33 1263.20

Pressure [psia] 503.00 483.13 486.00 486.00

Molar Flow [lbmole/hr] 4382.50 4382.50 4382.50 4382.50 Mol Fraction

Hydrogen 0.4291 0.3774 0.3650 0.3644

Methane 0.4800 0.5320 0.5454 0.5463

Benzene 0.0053 0.0333 0.0681 0.0685

Toluene 0.0856 0.0568 0.0202 0.0193

BiPhenyl 0.0000 0.0006 0.0013 0.0015

*: Hermanan Y.D. dkk (2007), **: Hermanan Y.D. (2004), ***: Luyben et al. (1999)

proses reaktor PFR pada kondisi tunak dengan HYSYS disajikan pada Tabel 2. Dari Tabel 2, perhitungan dengan VBA Excel, HYSYS, maupun TMODS menghasilkan keluaran yang dekat. Gambar 3 menunjukkan diagram alir proses HDA dari HYSYS lengkap dengan konfigurasi pengendaliannya. Hasil neraca massa dan energi proses HDA dengan HYSYS tersedia di Hermawan Y.D. (2004).

Gambar 2. Ilustrasi reaktor PFR untuk proses HDA dari HYSYS (Hermawan, Y.D., 2004)

Gambar 3. Diagram alir proses HDA dari HYSYS dilengkapi dengan konfigurasi pengendalian proses (Hermawan, Y.D., 2004).

Contoh kasus stabilisasi proses tidak stabil

Contoh kasus stabilisasi proses tidak stabil ini diambil dari Stephanopoulos, G. (1984). Diketahui suatu proses mempunyai fungsi transfer sebagai berikut:

Dari fungsi transfer tersebut jelas menghasilkan respon yang tidak stabil (Gambar 4), karena akar dari pole fungsi transfer proses positif (di sebelah kanan sumbu imaginer). Jika proses tersebut dikenai perubahan input fungsi tahap maka akan menghasilkan respon yang tidak stabil seperti Gambar 4. Hasil tersebut diperoleh dengan menggunakan software MatLab (Bequette, B.W., 2003).

Dalam kasus ini, proses tersebut akan dikendalikan denganfeedback proportional control (P Control). Blok diagram pengendalian proses dengan paket simulink disajikan pada Gambar 5. Respon dinamik untuk proses terkendali disajikan pada Gambar 6.

0 0.5 1 1.5 2

0 10 20 30 40

Time

y

Gambar 5. Blok diagram pengendalian proses dengan simulink (Bequette, B.W., 2003)

0 0.5 1 1.5 2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Time

y

Gambar 6. Respon dinamik proses terkendali denganP Control.

Fungsi transfer loop tertutup disajikan sebagai beikut:

Dari fungsi transfer loop tertutup, respon dinamik akan stabil jika dipilihKc> 1/10. Respon dinamik dengan Kc= 1 ditunjukkan pada Gambar 6. Dari Gambar 6 terlihat jelas bahwa respon dinamik loop tertutup stabil.

Kesimpulan

Dari contoh-contoh kasus teknik kimia yang telah dipaparkan, software dan simulator tersebut sangat membantu kita khususnya mahasiswa dan dosen teknik kimia. Dengan software dan simulator

masalah-masalah teknik kimia yang memerlukan perhitungan berulang-ulang (iterasi) dapat diselesaikan dengan cepat. Oleh karena itu, aplikasi softwaredansimulator dalam studi teknik kimia sangat diperlukan dan direkomendasikan.

Daftar Pustaka

Bequette, B.W., (2003), Process Control, Modeling, Design, and Simulation, Prentice Hall International Series in the Physical and Chemical Engineering Series, USA.

Douglas, J.M. (1988),Conceptual Design of Chemical Process, New York, McGraw Hill.

Etter, Dolores M., (1997),Engineering Problem Solving with MatLab, Prentice Hall International Edition, 2nd

ed., New Jersey.

Hermawan, Y.D. (2004),Design of Plantwide Control Structure of HDA Process With Energy Integration Schemes, Dr.Eng Dissertation, Department of Chemical Engineering, Chulalongkorn University, Thailand.

Luyben, W.L., Tyreus, B.D., and Luyben, M.L., (1999), Plantwide Process Control, New York, McGraw Hill.