MAKALAH PENGENDALIAN PROSES

PRINSIP-PRINSIP ALAT DAN CONTOH PENGENDALIAN PROSES

OLEH :

ADI SANTOSO NIM : 0610 3040 1010

ETCHI YUNTI RENI PRATIWI NIM : 0610 3040 1016

RAHMAWATY NIM : 0610 3040 1025

RICKY MARULI SIAHAAN NIM : 0610 3040 1026

Kelas: 5 KIB

Dosen Pembimbing : H. Yohandri Bow, S.T., M.S.

POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA

PALEMBANG

2012

KATA PENGANTAR

Segala puji bagi Allah SWT atas nikmat dan karunia-Nya penyusun dapat

menyelesaikan penyusunan makalah berjudul pengertian humidifikasi ini. Salawat dan salam

juga penyusun persembahkan kepada Nabi Besar Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat

serta pengikutnya sampai akhir zaman.

Penyusun menyadari bahwa makalah ini masih banyak kekurangan dan jauh dari

kesempurnaan. Untuk itu penulis masih mengharapkan kritik dan saran yang bersifat

membangun guna penyempurnaan makalah di masa datang.

Dalam penyelesaian makalah ini penyusun banyak mendapatkan bantuan dan

pengarahan dari berbagai pihak terutama dari dosen pembimbing. Maka pada kesempatan ini

penyusun ingin mengucapkan terima kasih yang tulus kepada H. Yohandri Bow, ST., MS.

selaku dosen pembimbing mata kuliah Pengendalia Proses.

Atas semua bantuan dan bimbingan yang telah diberikan kepada penulis, semoga akan

mendapatkan imbalan yang setimpal dari Allah SWT. Akhir kata penyusun mengharapkan

semoga makalah ini dapat bermanfaat dan berguna baik bagi penyusun maupun bagi

pembaca, Amin.

Palembang, November 2012

Penyusun

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 variabel 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

Adapun rumusan masalah dalam makalah ini adalah bagaimana prinsip-prinsip

dari alat pengendalian prose situ dan apa contoh alat pengendalian tersebut yang

digunakan dalam industri.

1.3 Tujuan dan Manfaat

Tujuan dalam makalah ini adalah :

Agar dapat mengetahui bagaimana prinsip-prinsip dari alat pengendalian proses dan

contoh alat pengendalian proses tersebut yang digunakan dalam industri.

Manfaat pembuatan makalah ini adalah :

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

Contoh alat pengendalian Proses

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 flow 54900 kg/jam dan temperatur 214 oC, sedang fluida tube side adalah sistem

larutan urea – gas CO2.

a) 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 menstripping 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.

b) 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.

c) Variable Process :

Set Point : Temperatur

Process Varible : Level

Manipulated Variable : Laju Alir ( Control Valve )

Disturbance : Steam yang masuk

d) Gambar Unit

e) Gambar Alat

2. RECTIFYING COLUMN

ammoniumcarbam

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.

a) 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 ......... (*)

Maka, 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.

b) 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

ure biure

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

c) Variable Process :

Set Point : Temperatur

Process Variable : Steam masuk

Manipulated Variable : Laju alir steam

Disturbance : Temperatur dalam steam

d) Gambar Unit

e) Gambar Alat

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).

a) 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.

b) 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.

c) Variable Process :

Set Point : Temperature

Process Variable : Tekanan

Manipulated Variable : Control Valve

Disturbance : Urea yang keluar dari flash tank

d) Gambar Unit

e) Gambar Alat

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.

a) 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.

Kondensor adalah alat yang berfungsi mengkondensasikan gas menggunakan cooling

water.

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 :

ü Evapotator tingkat 1 (first stage evaporator)

Larutan dipanaskan menjadi 130 – 135 oC (di heater) dengan tekanan 0,35 – 0,4 kg/cm2

(vakum).

ü 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 evaporator,

maka larutan mengalir secara alami ke second stage evaporator dimana 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.

b) 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.

c) Variable Process :

Set Point : Temperatur

Process Variable : Steam masuk

Manipulated Variable : Laju alir steam

Disturbance : Temperatur dalam steam

d) Gambar Unit

e) Gambar Alat

BAB III

PENUTUP

KESIMPULAN

Contoh Alat-alat Pengendalian Proses

1. HP Stripper (High Pressure Stripper)

2. Flash Tank

3. Evaporator

4. Rectyfing Coloumn