View
56
Download
3
Category
Preview:
DESCRIPTION
Alat ini berfungsi untuk melakukan penukar energi kalor dari satu fluida ke fluida yang lain tanpa mencampur kedua fuida tersebut. Berbagai tipe reboiler atau disebut juga heat exchanger antara lain shell and tube heat exchanger, plate type heat exchanger, spiral tube heat exchanger, dan double pipe heat exchanger. Salah satu tipe heat exchanger yang digunakkan RU VI Balongan adalah shell and tube. Tipe ini juga sangat umum digunakkan pada industri perminyakkan. Pada konstruksi heat axchanger shell and tube ini terdiri dari satu tabung besar dan terdapat berkas pipa-pipa yang mempunyai diameter kecil berada di dalam tabung tersebut.
Citation preview
1
PERBANDINGAN ANTARA PENGENDALIAN PREFLASH COLUMN
DAN PIPESTILL MENGGUNAKAN MODEL PREDICTIVE CONTROL
(MPC) DAN PENGENDALI KONVENSIONAL
Indra Lesmana*)
dan Renanto Handogo
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Sukolilo, Surabaya 60111 *)
email : indra.lesmana09@mhs.chem-eng.its.ac.id
Abstract
Preflash and Pipestill Column are two main units of petroleum processing industry which are
interconnected each other. Recently the main unit used by this industry is Crude Oil Refinery Unit. As
the time goes by therefore the use of preflash and pipestill column became more popular because of
its ability to reduce energy cost. The operation guidelines for these unit is always aim to safety and
certain product flowrate and quality. In this work assumptions are made where, process variables
always change as the process goes. Model Predictive Control was used because of it had better
response compared to the conventional controller. The steady state and dynamic simulation was
conducted using Aspen DynamicTM
, and MatlabTM
.+15% flowrate disturbance and +25% oil-1 mass
fraction disturbance were applied to the process. The dynamic performance of the controllers was
compared between MPC and conventional controller using Integral of The Absolute Value of The
Error (IAE). The result showed the dynamic performance of MPC controller were more superior than
that of conventional controller.
Keywords : conventional controller, disturbance, model predictive control, preflash, pipestill
Abstrak
Preflash Column dan Pipestill adalah dua unit utama dari industri kilang minyak bumi yang saling
terkait satu dengan yang lainnya. Pada mulanya unit utama yang digunakan oleh industri kilang
minyak adalah (Crude Oil Refinery Unit) beserta furnace-nya. Seiring dengan berkembangnya
teknologi maka penggunaan unit preflash column untuk memisahkan light naptha terlebih dahulu
sebelum masuk ke pipestill menjadi populer karena konfigurasi seperti ini dapat menghemat banyak
energi. Pedoman pengoperasian unit operasi dari proses kimia berdasarkan selalu bertujuan pada
keamanan proses, tercapainya kapasitas produksi, dan tercapainya spesifikasi produk yang
diinginkan. Dengan berjalannya proses, variabel-variabel proses akan selalu berubah terhadap
waktu sehingga diperlukan pemantauan yang merupakan tugas dari alat pengendali untuk mencapai
tujuan di atas. Dalam penelitian ini diambil sistem pengendali Model Predictive Control (MPC) yang
diperkirakan memiliki respon yang lebih baik dalam mengendalikan Preflash Column dan Pipestill.
Simulasi steady state dan dinamik dijalankan dengan menggunakan program Aspen DynamicTM
dan
MatlabTM
Pada simulasi dinamik untuk mengamati performa pengendalian diberikan gangguan laju
alir sebesar +15% dan gangguan komposisi sebesar +25% fraksi massa oil-1. Performa pengendali
konvensional dan MPC dibandingan dengan menggunakan parameter Integral of The Absolute Value
of The Error (IAE). Hasil penelitian menunjukkan bahwa MPC memiliki performa yang lebih baik.
Kata kunci : gangguan; model predictive control; pengendali konvensional; pipestill; preflash
Pendahuluan
Setelah krisis energi yang terjadi tahun 1970-an pendesainan ulang dari sebuah proses untuk meningkatkan
recovery energi dan menurunkan biaya menjadi sangat menarik. Sebuah kasus yang tipikal adalah pada oil
refinery plant dimana penggunaan energinya besar sehingga cukup menjanjikan untuk dijadikan sebagai objek
penghematan energi. Pemasangan Preflash column sebelum Pipestill dapat menurunkan konsumsi energi pada
plant ini.(Errico et al.2009).
Preflash Column dan Pipestill adalah dua unit utama dari industri kilang minyak bumi yang saling terkait satu
dengan yang lainnya. Unit ini adalah hasil perancangan ulang dan pengintegrasian panas dari unit sebelumnya
2
yaitu Crude Destillation Unit (CDU) beserta furnace-nya. Dua unit ini mempunyai peranan besar karena
menangani ribuan komponen minyak bumi dalam kapasitas yang besar pada industri kilang minyak, pertama-
tama umpan berupa crude oil masuk dan diolah dalam Preflash column, produk atas dari Preflash column ini
adalah light naphta sedangkan produk bawahnya akan masuk ke Pipestill dan diubah menjadi produk atas LPG,
heavy naphtha, kerosene, diesel, atmospheric gasoil dan produk bawah berupa atmospheric residue.
Beberapa usaha untuk energi mengoptimalkan konsumsi dari segi parameter operasi, baik pada proses yang
terdahulu (menggunakan CDU) maupun pada konfigurasi unit yang baru (Preflash Column dan Pipestill) sudah
dilakukan antara lain optimasi CDU menggunakan neural networks (Liau et al, 2004) dan pemodelan kolom
distilasi berdasarkan transport phenomena (Kumar et al, 2001). Selain itu pengaruh dari jenis crude sangat
berperan pada performance dari Pipestill dan efisiensi energi (Stojic et al, 2004).
Peran alat pengendalian untuk menjaga agar Preflash Column dan Pipestill beroperasi pada batasan yang
benar juga telah dikaji oleh Haydary dan Pavlik, 2009. Dari hasil yang didapat, disimpulkan bahwa pengendalian
komposisi produk keluar dari Pipestill dengan menggunakan pengendali konvensional akan menghasilkan
performa yang lebih cepat mencapai steady-state bila menggunakan manipulated variabel suhu plate kedua dari
Pipestill. Hal ini didapat setelah membandingkan kontrol dengan komposisi produk keluar (ASTM D86) sebagai
manipulated variabel.
Ada berbagai macam metode kontrol yang dapat digunakan untuk mengendalikan proses yang rumit mulai
dari metode kontrol yang konvensional menggunakan PID controller sampai kepada metode kontrol advanced,
MPC misalnya. Masing-masing metode pengendalian ini memiliki kelebihan dan kelemahannya masing-masing.
Kelemahan metode pengendalian konvensional adalah sulit bila digunakan untuk mengendalikan banyak
variabel dengan interaksi yang signifikan. Sementara kelemahan pengendali advanced adalah ketidak pastian
mencapai kondisi steady-state pada gangguan yang berbeda-beda. Pada penelitian kali ini dicoba metode
pengendalian dengan MPC mengingat metode ini andal untuk proses dengan banyak variabel dan interaksi antar
variabel (Seborg, 2004).
Metode Penelitian
Dalam penelitian ini model yang disusun adalah kolom Preflash dan Pipestill (Gambar 2.1 dan 2.2)
Penelitian dibagi dalam beberapa tahap :
1. Pemilihan model termodinamika (fluid package). 2. Tahap pemodelan steady state dengan menggunakan program Aspen Plus TM. 3. Validasi model steady state dengan data dari literatur (Luyben, 2006) 4. Tahap sizing dan simulasi dinamik menggunakan program Aspen Dynamic TM. 5. Menambahkan pengendali konvensional pada simulasi dinamik. 6. Melakukan step test pada simulasi dinamik untuk mendapatkan data yang akan digunakan untuk membuat
model MPC di matlab.
7. Memasukkan model pada m file yang akan digunakan untuk mengamati pengendalian menggunakan MPC. 8. Mengamati performa pengendali konvensional dan MPC dengan memberikan gangguan laju alir dan
gangguan komposisi dan melakukan tuning pengendali.
9. Pengujian performa pengendali dengan metoda Integral of The Absolute Value of The Error (IAE). 10. Membandingkan performa MPC dengan pengendali konvensional dan mengambil kesimpulan.
3
PF Steam
Crude 1
Crude 2
PF Water
Lights
Naptha
CDU-Feed
Kolo
m P
reflash
FC
FC
FC
LC
LC
LC DT
10
MPC
:
DT
1 2 3 4 1 2 3 4
Gambar 2.1 Struktur Pengendalian Menggunakan MPC pada Kolom Preflash
Pipestill
Feed
Pipestill-Steam
Pipestill-Water
Kerosene
Steam 1
Diesel
AGO
Hnaptha
FC Wash
Kolo
m P
ipestill
Steam 2
Steam 3
LC
OLC
LC
LC
LC
WLC
19
BChnaptha95
DT
DT
DT
DT
22
MPC
:
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Gambar 2.2 Struktur Pengendalian Menggunakan Pengendali MPC pada Kolom Pipestill
4
Pasangan pengendali untuk pengendali konvensional dapat dilihat pada Gambar 2.1dan 2.2. Untuk
pengendalian menggunakan MPC dibuat model 14 x 14 dengan melakukan step test pada sistem yang dimaksud
menggunakan software Aspen Dynamic TM
untuk semua controlled variables(CV) dan manipulated
variables(MV) namun tidak termasuk CV dan MV untuk pengendali ketinggian cairan.
Hasil dan Pembahasan
Simulasi steady state dibuat dengan menggunakan model termodinamik BK-10 (Braun K-10). Model
termodinamik ini dipilih berdasarkan literatur (Carlson, 1996). Hasil simulasi steady state divalidasi dengan
membandingkan kondisi operasi kolom Preflash dan data TBP (True Boiling Point) produk dari kolom Pipestill
dengan literatur (Luyben, 2006). Sizing alat dilakukan dengan menggunakan fitur tray sizing di Aspen PlusTM
untuk menentukan diameter tray dan mengambil waktu tinggal cairan dalam sebesar 10 menit dan H/D = 2 untuk
menentukan tinggi dan diameter bejana alat. Hasil sizing alat dapat dilihat pada Tabel 3.1 Setelah dilakukan
sizing file dieksport ke Aspen Plus DynamikTM
dan dipasang pengendali konvensional dengan parameter yang
tercantum pada Tabel 3.2. Parameter untuk MPC adalah P=110, M=10, N=100, Q = [5 1 100 1 7 1 7 5.5 9 9 1 1
1 1.5], R = [0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 ], dimana Q dan R adalah matrik pembobotan
Perbandingan respon dari berbagai variable proses antara pengendalian menggunakan pengendali
konvensional dan pengendali MPC dengan pemberian gangguan kenaikan laju alir massa umpan total sebesar
+15% dan gangguan komposisi sebesar +25% fraksi massa oil 1 dapat dilihat pada Gambar 3.1 dan Gambar 3.2
Perbandingan parameter IAE untuk pengendali konvensional dan MPC dapat dilihat pada Tabel 3.3 dan Tabel
3.4. Dari hasil yang telah didapatkan MPC memliki performa pengendalian yang lebih bagus bila dibandingkan
dengan pengendali konvensional.
Tabel 3.1 Hasil Sizing
Parameter Preflash Pipestill
Stripper
1
Stripper
2
Stripper
3
Jumlah Tray(buah) 10 25 4 3 2
Diameter Kolom(m) 3,00 6,15 1,42 1,37 0,98
Tinggi Kolom (m)* 5,85 16,82 1,46 0,73 0,00
Jarak Antar Tray(m) 0,61 0,61 0,61 0,61 0,61
Tinggi Weir(m) 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05
Diameter Sump Kolom(m) 4,09 3,14 2,14 2,49 1,99
Tinggi Sump Kolom(m) 8,17 6,29 4,28 4,98 3,98
Diameter Refluk Drum
Kolom(m) 2,65 3,05 - - -
Tinggi Refluk Drum Kolom(m) 5,31 6,09 - - -
Tabel 3.2 Parameter Pengendali Konvensional (Luyben, 2006)
Jenis Pengendali
Parameter Pengendali
Kc i Dead
Time(menit)
Pengendali Suhu Aliran Keluar Furnace 0.6 4 1
Pengendali 95 % Boiling Point Aliran Lt. Naptha 0.46 13 3
Pengendali 95 % Boiling Point Aliran Hv. Naptha 2.1 46 3
Pengendali 95 % Boiling Point Aliran Diesel 2 51 3
Pengendali 5 % Boiling Point Aliran Diesel 1.2 51 3
5
Gambar 3.1 Perbandingan antara respon pengendalian menggunakan pengendali konvensional dan MPC dengan
pemberian gangguan +15% laju alir massa umpan
Gambar 3.2 Perbandingan antara respon pengendalian menggunakan pengendali konvensional dan MPC dengan
pemberian gangguan +25% fraksi massa OIL-1
Tabel 3.3 Perbandingan IAE untuk pengendali konvensional dan MPC bagian 1
CV1 CV2 CV3
Gangguan PI MPC PI MPC PI MPC
Flow +15% 230.010 2.783 252.383 17.261 365.950 1.417
Komposisi OIL1 +25% 10.186 2.317 57.663 17.317 56.217 1.160
Tabel 3.4 Perbandingan IAE untuk pengendali konvensional dan MPC bagian 2
CV4 CV5 CV6
Gangguan PI MPC PI MPC PI MPC
Flow +15% 1334.517 1.922 2920.861 1.582 1864.168 2.113
Komposisi OIL1 +25% 290.099 1.628 1445.150 0.977 1070.863 2.190
100 110 120 130 140 150492
494
496
498
500
502Suhu Keluaran Furnace Preflash
Waktu(Menit)
T(K
)
100 150 200455
460
465
470Lt. Naptha ASTM D86 95% bp.
Waktu(Menit)
100 110 120 130 140 150615
620
625
630
635Suhu Keluaran Furnace Pipestill
Waktu(Menit)
T(K
)
100 200 300 400 500456
458
460
462
464Hv. Naptha ASTM D86 95% bp.
Waktu(Menit)
T(K
)
100 200 300 400 500595
600
605
610
615Diesel ASTM D86 95% bp.
Waktu(Menit)
T(K
)
100 200 300 400 500515
520
525
530Diesel ASTM D86 5% bp.
Waktu(Menit)
T(K
)
100 110 120 130 140 150501
501.2
501.4
501.6
501.8
502Suhu Keluaran Furnace Preflash
Waktu(Menit)
T(K
)
100 150 200462
463
464
465
466
467Lt. Naptha ASTM D86 95% bp.
Waktu(Menit)
100 110 120 130 140 150631
631.5
632
632.5Suhu Keluaran Furnace Pipestill
Waktu(Menit)
T(K
)
100 200 300 400 500463
464
465
466Hv. Naptha ASTM D86 95% bp.
Waktu(Menit)
T(K
)
100 200 300 400 500610
615
620
625Diesel ASTM D86 95% bp.
Waktu(Menit)
T(K
)
100 200 300 400 500528
530
532
534
536Diesel ASTM D86 5% bp.
Waktu(Menit)
T(K
)
6
Kesimpulan
Dari hasil yang telah didapatkan bahwa dalam mengendalikan sistem kolom preflash dan pipestill, MPC
memliki performa pengendalian yang lebih bagus bila dibandingkan dengan pengendali konvensional.
Daftar Pustaka
Aspen Plus : Getting Started Modeling Petroleum Processes, Aspen Technology, Inc., Ten Canal Park,
Cambridge, MA 02141-2201, 2006. Carlson, E. C.(1996), Dont Gamble With Physical Properties for Simulations, Chemical Engineering
Progress, October 1996.
Haydary, J. dan Thomas, P. (2009), Steady-State dan Dynamic Simulation Of Crude Oil Distillation Using Aspen Plus and Aspen Dynamics, Petroleum & Coal, Vol. 51 (2), hal. 100-109.
Liau, L.C-K, Yang, T.C-K. dan Tsai, M-T. (2004), Expert system of a crude oil distillation unit for process optimization using neural networks, Expert Systems with Applications, Vol. 26, hal. 247255.
Luyben,W. (2006), Distillation Design and Control Using Aspentm
Simulation, John Wiley & Sons, Inc., New
Jersey.
Errico, M., Tola, G. dan Mascia, M. (2009), Energy saving in a crude distillation unit by a Preflash implementation, Applied Thermal Engineering, Vol. 29, hal. 16421647.
Stoji, M.M., Nedeljkov, S.Lj., Krsti, D.M. dan Mauhar, S. (2004), Simulation Of Atmospheric Crude Unit "Badger" Using Aspen Plus, Petroleum & Coal, Vol. 46 (2), hal. 57-62.
Seborg, D.E., Edgar, T.F. dan Mellichamp, D.A. (2004) , Process Dynamics dan Control, John Wiley and Sons,
Inc., New Jersey.
Kumar, V., Sharma, A., Chowdhury, I.R., Ganguly, S. dan Saraf, D.N. (2003), A crude distillation unit model suitable for online applications, Fuel Processing Technology, Vol. 73, hal. 121.
Recommended