Perancangan Pengendalian Proses Pabrik

07

Perancangan Pengendalian Proses Pabrik

Tujuan: Mempelajari perancangan alternatif-alternatif konfigurasi pengendalian untuk proses multi-input-multi-output pada pabrik Materi: 1. 2. 3. 4. 5.

Tinjauan Umum Pengendalian Proses MIMO Derajat Kebebasan Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit The Nine Steps of Plantwide Process Control Procedure

7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 1

7.1 Tinjauan Umum Pengendalian Proses MIMO Tinjau Proses dengan beberapa input & output: External Disturbances Measured (d)

Unmeasured (d′)

. . .

PROCESSING SYSTEM

. . .

Input

. . .

Manipulated Variables (m)

. . . Measured Outputs (y)

. . . Unmeasured Outputs (z)


YDH / INDALPRO / 2

7.1 Tinjauan Umum Pengendalian Proses MIMO

Pertanyaan yang harus dijawab sebelum merancang sistem pengendalian: 1. Apa tujuan pengendalian? Berapa jumlah CV? & yang mana? 2. Output apa yang harus diukur? Primer? Atau Sekunder? 3. Input apa yang dapat diukur? Primer? Atau Sekunder? Jika diasumsikan semua MV dapat diukur, maka dapat diterapkan adaptive & Inferential Control. Disturbance: hanya sedikit yang dapat diukur, maka dapat diterapkan FFC-FBC, Ratio Control. 4. MVapa yang harus dipilih? 5. Konfigurasi loop pengendalian apa yang digunakan? Sistem MIMO, menghasilkan banyak alternatif konfigurasi pengendalian 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 3

7.2 Derajat Kebebasan Degree of Freedom (DOF) Bermanfaat dalam penentuan jumlah controlled variables (CV) dan jumlah manipulated variables (MV) Didefinisikan:

DOF = V – E Dimana:

… (7.2.1)

V = Jumlah Variabel Bebas E = Jumlah Persamaan Bebas; hubungan antar V

Perancangan Pengendalian: DOF = 0 Æ V = E 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 4

7.2 Derajat Kebebasan

Dua pers. tambahan untuk menurunkan DOF menjadi nol: 1. Pengaruh eksternal: (a) lingkungan yang mempengaruhi sistem operasi, (b) unit upstream sebagai umpan proses, (c) unit downstream (bila outflow proses adalah inflow yang dimanipulasi untuk unit downstream) 2. Sistem Pengendalian: → korelasi: MV & CV (FBC) MV & d (FFC) → Jumlah CV = DOF – Jumlah Input Eksternal

… (7.2.2)

Berapa banyak MV yang diperlukan untuk menjaga output (CV) pada nilai yang diinginkan (setpoint)? 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 5


Tinjau proses dengan spesifikasi sebagai berikut: N : output yang dikendalikan (y1, y2, … , yN) M : manipulasi bebas (m1, m2, … , mM) dengan M ≥ N L : jumlah gangguan eksternal (d1, d2, … , dL)

Anggap: N persamaan hubungan y, m, dan d adalah sbb: y1 = f1 (m1, m2, … , mM ; d1, d2, … , dL) y2 = f2 (m1, m2, … , mM ; d1, d2, … , dL)

… (7.2.3)

… yN = fN (m1, m2, … , mM ; d1, d2, … , dL) Dengan perubahan d, nilai y harus tetap: hal ini mungkin jika N dari M buah MV dapat diubah secara bebas. 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 6


Untuk Perancangan Pengendalian: Jumlah MV bebas = Jumlah CV = DOF – Jumlah Input Eksternal

… (7.2.4)

Catatan-Catatan: 1. Tinjau pers. (7.2.2); Jika jumlah CV = k buah, & CV nyata = l & l < k. Jumlah var. yang tidak dikendalikan = (k – l) buah; hal ini dapat menyebabkan masalah, namun bila pengaruhnya dapat diterima pada operasi proses, maka logis untuk mpy CV < pers. (7.2.2). 2. TIDAK MUNGKIN merancang sistem pengendalian yang dapat mengatur CV melebihi CV pada pers. (7.2.2). 3. DOFdinamik ≥ DOFtunak


YDH / INDALPRO / 7


Contoh 7.2.1: DOF pada sistem tangki cairan (Gambar 7.2.1) Neraca Massa: fi(t)

dh(t ) A = f i (t ) − f o (t ) dt Var. bebas = 3 (h , fi , fo) h(t)

fo(t)

Gambar 7.2.1. Tangki cairan

Persamaan = 1 A adalah parameter yang ditetapkan (dimensi tangki) DOF = 3 – 1 = 2

Karena fi(t) ditetapkan oleh kondisi eksternal, jumlah CV = 2 – 1 = 1 Feedback loop antara h dan fo 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 8


Contoh 7.2.2: Menentukan jumlah CV dan MV untuk flash drum Vapor yi , FV

• Umpan cair t.d.d. N komponen fraksi mol zi Æ i = 1,2,…,N • Flash dari PF ke P → PF >> P • Steam → menjaga T tetap

P, T

Feed zi , PF , TF , FF Steam ws(t), lb/mnt Ts(t), oF

• Masalah: 1. Identifikasi CV 2. Identifikasi MV

T

Condensate

Liquid xi , FL

3. Konfigurasi loop pengendalian

Gambar 7.2.2. Flash Drum 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 9


Penyelesaian Soal 7.2.2: Neraca Massa Total (asumsi ρ konstan)

dh Aρ = FF − (FV + FL ) dt

Eq. = 1

Neraca Massa Komponen

d (h.xi ) Aρ = FF .zi − (FV . yi + FL .xi ) dt

Eq. = N – 1

Dimana i = 1,2, …, N – 1 Neraca Panas

d (h.T ) CpL A = CpF FF TF − (CpV FV T + CpL FLT ) + UAS (TS − T ) dt Eq. = 1 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 10


Penyelesaian Soal 7.2.2 (lanjutan): Hubungan Kesetimbangan Vapor-Liquid

yi = K i (T , P )xi

Eq. = N

Dimana i = 1,2, …, N Batasan N

∑x i =1

i

= 1 dan

N

∑y i =1

i

=1

Eq. = 2

Jumlah Persamaan: E = 1 + (N – 1) + 1 + N + 2 = 2N + 3


YDH / INDALPRO / 11


Penyelesaian Soal 7.2.2 (lanjutan): Jumlah Variabel • Konstan: A , AS , ρ , U , CpF , CpV , CpL Ki(T,P) Subtotal 1 • Eksternal yg ditentukan :

=7 =N =N+7

TF = 1 zi

Subtotal 2 • Eksternal yg tidak ditentukan :

=N–1 =N FF , FV , FL , P , T , h , Ts (atau wS) = 7 xi , yi (untuk i = 1, 2, …, N) Subtotal 3

Jumlah Variabel:

= 2N = 2N + 7

V = N+7 + N + 2N + 7 = 4N + 14


YDH / INDALPRO / 12


Penyelesaian Soal 7.2.2 (lanjutan): DOF = V – E = (4N + 14) – (2N + 3) = 2N + 11 Jumlah variabel eksternal yg ditentukan = N + 7 + N = 2N + 7 Jumlah MV = Jumlah CV = DOF – Jumlah Input Eksternal = (2N + 11) – (2N + 7) =4 Dipilih 4 CV dari (2N + 7) “unspecified variables” 9 T dan P untuk mendapatkan pemisahan yang diinginkan 9 FF untuk mendapatkan produksi tetap 9 h untuk menjaga level/volume cairan tetap


YDH / INDALPRO / 13


Gambar 7.2.3. Konfigurasi Pengendalian Proses Flash Drum (Lengkap dengan sistem sensor/transmitter) FV

FSP FC 10

PC 10

FT 10

PSP

PT 10

FF

P, T TT 10

TSP

LT 10 LC 10

TC 10

ws

hSP

FL T


YDH / INDALPRO / 14


Gambar 7.2.4. Penyederhanaan Gambar Konfigurasi Pengendalian Proses Flash Drum (Contoh 7.2.2) FV

FSP

FC

PSP

PC

FF

P, T

TSP

hSP

LC TC

ws

FL T


YDH / INDALPRO / 15

7.3 Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif Untuk Sistem dengan N CV dan N MV ¾Terdapat sekitar N! konfigurasi loop yang berbeda ¾Misal, CV = 2 ; MV = 2 ; Konfigurasi Loop = 2 ! = 2 x 1 = 2 ¾Lihat Gambar Konfigurasi Loop Alternatif untuk proses 2 x 2 ¾Jika N = 3 Konf. Loop = 3 ! = 6 N = 4 Konf. Loop = 4 ! = 24 N = 5 Konf. Loop = 5 ! = 120

MASALAH: memilih konfigurasi yang baik dari semua kemungkinan yang ada 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 16

7.3 Penentuan Konfigurasi Loop Alternatif

Gambar 7.3.1. Konfigurasi Loop Alternatif Proses 2 x 2

Controller m1 m2

PROCESS

Controller y1 y2

m1 m2

PROCESS

Controller

Controller

(a)

(b)


y1 y2

YDH / INDALPRO / 17


Kriteria Pemilihan Konfigurasi Loop Alternatif Secara Kualitatif: 1. Pilih MV yang mempunyai efek langsung dan cepat terhadap CV 2. Pilih pasangan MV dan CV yang memberikan time delay (td) sekecil mungkin 3. Pilih pasangan MV dan CV dengan interaksi loop-loop pengendali sekecil mungkin Secara Kuantitatif (tidak dibahas dalam MKA ini) 1. Teknik Singular Value Decomposition (SVD) 2. Teknik Relative Gain Array (RGA) 3. Penentuan Condition Number (CN) 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 18


Contoh 7.3.1: Menentukan konfigurasi loop alternatif untuk flash drum secara kualitatif Tinjau kembali Contoh 7.2.2: MV = 4 ; CV = 4 Æ Konfigurasi Loop = 4 ! = 4 x 3 x 2 x 1 = 24 CV ≡ FF , P , T , h MV ≡ FF , FL , wS , FV

Bagaimana konfigurasi loop yang mungkin?

Penyelesaian: 1. Susun Kemungkinan Konfigurasi Loop Alternatif 2. Eliminasi beberapa Alternatif berdasarkan analisis kualitatif 3. Pilih Alternatif terbaik (satu diantara kemungkinan yang ada)


YDH / INDALPRO / 19


Tabel 7.3.1 Alternatif-alternatif konfigurasi loop untuk Flash Drum No. FF Dikontrol Konf. Oleh

best

P Dikontrol Oleh

T Dikontrol Oleh

h Dikontrol Oleh

1

FF

FL

wS

FV

2

FF

FL

FV

wS

3

FF

FV

wS

FL

4

FF

FV

FL

wS

5

FF

wS

FL

FV

6

FF

wS

FV

FL

7

FL

FF

wS

FV

8

FL

FF

FV

wS

9

FL

FV

wS

FF

10

FL

FV

FF

wS

11

FL

wS

FF

FF

12

FL

wS

FV

FV


YDH / INDALPRO / 20


Tabel 7.3.1 Lanjutan No. FF Dikontrol Konf. Oleh

P Dikontrol Oleh

T Dikontrol Oleh

h Dikontrol Oleh

13

FV

FF

FL

wS

14

FV

FF

wS

FL

15

FV

wS

FF

FL

16

FV

wS

FL

FF

17

FV

FL

FF

wS

18

FV

FL

wS

FF

19

wS

FF

FL

FV

20

wS

FF

FV

FL

21

wS

FL

FF

FV

22

wS

FL

FV

FF

23

wS

FV

FF

FL

24

wS

FV

FL

FF


YDH / INDALPRO / 21


Argumentasi kualitatif untuk memilih konfigurasi loop alternatif terbaik: 1. Pengaruh FF, FV, dan FL terhadap T adalah tidak langsung dan lambat, sedangkan wS berpengaruh langsung dan cepat terhadap T. → pilih No. konf : 1 , 3 , 7 , 9 , 14 , dan 18 2. Pengaruh wS dan FL terhadap P adalah tidak langsung dan lambat. FF dan FV adalah MV yang baik untuk P. → dari seleksi pertama, pilih No. konf. : 3 , 7 , 9 , dan 14 3. Dari No. konf. : 3 , 7 , 9 , dan 14 ; 3 adalah yang terbaik, karena: 9 FL cepat untuk mengendalikan level (h) 9 FV dapat mengendalikan P secara langsung dan cepat


YDH / INDALPRO / 22


Berdasarkan argumentasi kualitatif, diperoleh konfigurasi loop: Tabel 7.3.2 Pasangan CV/MV pada konfigurasi pengendalian flash drum

Controller

CV

MV

TC

T

wS

PC

P

FV

LC

h

FL

FC

FF

FF

Lihat Gambar konfigurasi loop pengendalian flash drum pada Contoh 7.2.2 ! 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 23

7.4 Pengendalian Proses dengan Interaski Unit-Unit Tinjau proses yang disusun dari N unit yang berinteraksi satu dengan yang lain melalui aliran massa dan energi. Prosedur sistematik untuk menentukan konfigurasi pengendalian untuk keseluruhan proses: 1. Kelompokkan proses menjadi blok-blok terpisah, dimana tiap blok berisi satu unit pemisah atau sejumlah kecil unit pemroses. 2. Tentukan DOF, jumlah CV dan MV untuk tiap-tiap blok. 3. Tentukan semua loop konfigurasi yang mungkin untuk tiap blok 4. Gabungkan kembali blok-blok dengan loop konfigurasinya. 5. Eliminasi konflik/pertentangan diantara sistem kendali dari berbagai blok 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 24

7.4 Pengendalian Proses dengan Interaksi Unit-Unit

Contoh 7.4.1: Konflik loop kendali pada unit-unit proses

Gambar 7.4.1. Proses dengan 2 unit seri

Unit 1


Unit 2

YDH / INDALPRO / 25


Gambar 7.4.2. Konflik loop pengendalian pada 2 unit-proses-seri

Konflik

Controller

Unit 1

Unit 2

Controller

(a)


YDH / INDALPRO / 26


Gambar 7.4.2. Lanjutan

Konflik

Unit 1

Unit 2

Controller

Controller

(b)


YDH / INDALPRO / 27


Contoh 7.4.2: Membangun konfigurasi loop pengendalian untuk proses kimia sederhana (Lihat Gambar 7.4.2). Penjelasan proses: Reaksi A → B eksotermis dilaksanakan dalam CSTR dengan pendingin jaket. Umpan reaktor dipanaskan awal memakai hasil reaksi dan steam. Pendingin dicabang dua, dilengkapi dengan pemanas dan pendingin (Qh dan Qc). Hasil reaktor didinginkan di HE dan dipisahkan dalam flash drum. Suhu drum diatur dengan pendingin air. Tujuan operasi: 1. Menjaga konversi reaktor sebesar mungkin 2. Menjaga laju produksi tetap 3. Menjaga komposisi produk cair dari flash drum tetap


YDH / INDALPRO / 28


Gambar 7.4.3 Pabrik kimia (untuk contoh 7.4.2) Fi , Ti , CAi Vapor

Steam

Heating FC , TCO

Tf , Pf

AÆB

Coolant

Fi , TR , CA

Reactor Cooling

Coolant system

Fi , TO

Feed

Cooling water

Feed preheating Liquid

Flash drum


YDH / INDALPRO / 29


Langkah 1 Membagi proses ke dalam 4 blok (lihat Gambar): (1) Coolant system, (2) Reactor, (3) Feed preheating, (4) Flash drum Langkah 2 & 3 Menentukan DOF, MV, dan CV untuk tiap-tiap blok. Pilih konfigurasi terbaik dari tiap-tiap blok ☻ Coolant system Jml var. = 8 (Pcf , Tcf , Fc1 , Tc1 , Fc2 , Tc2 , Fc , Tco) Æ di luar par. konstan Jml var. yang ditetapkan = 2 (Pcf , Tcf ) – Jml var. yang tidak ditetapkan = 6


YDH / INDALPRO / 30


☻ Coolant System Jml pers. Model = 4 Æ NE pemanas ; NE pendingin ; NE pencampuran arus ; NM pencampuran arus

DOF = 8 – 4 = 4 Jml MV = Jml CV = DOF – Var yg ditetapkan = 4 – 2 = 2 CV = 2

Fc Tco

MV = 2 Dipilih dari: Fc , Fc1 , Fc2 , Fc1 + Fc2 , dan Fc1/Fc2 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

No. konf.

Fc dikendalikan oleh

Tco dikendalikan oleh

1

Fc

Fc1 & Fc2

2

Fc1 + Fc2

Fc1 / Fc2

3

Fc2

Fc1

4

Fc1

Fc2

5

Fc1 + Fc2

Fc1

6

Fc1 + Fc2

Fc2 YDH / INDALPRO / 31


Gambar 7.4.4 Loop pengendali untuk unit pendingin (cooling system) dalam contoh 7.4.2 FC Heating FC1 , TC1 Qh Coolant FC , TC0

PCf , TCf , FC QC FC2 , TC2 Cooling


TC

YDH / INDALPRO / 32


☻ Feed Preheating System Jml var. = 6 (Ws , To , Ti , Tr , Tint , Fi) Jml var. yang ditetapkan = 3 (To , Tr , Fi ) – Jml var. yang tidak ditetapkan = 3 Jml pers. (model) = 2 : NE steam heater & NE FEHE DOF = 6 – 2 = 4 Jml MV = Jml CV = DOF – Var yg ditetapkan = 4 – 3 = 1 CV = 1

Ti

MV = 1

Ws


Ws berpengaruh langsung dan cepat terhadap Ti YDH / INDALPRO / 33


Gambar 7.4.5 Loop pengendali untuk feed preheating unit dalam contoh 7.4.2 To Reactor TC

Ti

Steam WS

Tint Reactor effluent

To Flash Drum

Fi , TR Fi , TO


Feed

YDH / INDALPRO / 34


☻ Reactor System Jml var. = 9 (V , Tr , CA , CAi , Ti , Fi , Fc , Tc , Tco) Jml var. yang ditetapkan = 4 (Fi , CAi , Ti , Tco (atau Fc) ) – Jml var. yang tidak ditetapkan = 5 Jml pers. (model) = 3 : NM komp. A ; NE camp. reaksi & NE jaket pendingin DOF = 9 – 3 = 6 Jml MV = Jml CV = DOF – Var yg ditetapkan = 6 – 4 = 2 CV = 2

CA , Tr

MV = 2

Fi , Fc (atau Tco)


YDH / INDALPRO / 35

☻ Reactor System Konfigurasi alternatif untuk Reaktor No. konf.

CA dikendalikan oleh

Tr dikendalikan oleh

1

Fi

Fc (atau Tco)

2

Fc (atau Tco)

Fi

Fi

Fc (dgn TC sbg pengukuran sekunder dalam Cascade control)

3

No. 1 : Tr dikendalikan dengan FBC konvensional No. 3 : Tr dikendalikan dengan Cascade Control (Advanced FBC) 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 36


Gambar 7.4.6 Loop pengendali untuk reactor unit dalam contoh 7.4.2

Fi , CAi , Ti

TC

Fi , CAi , Ti

TC

TC CC

CC

AÆB

AÆB Fi , TR , CA

FC , TCO T R , V , CA

(a) Classical FBC in TC

Fi , TR , CA

FC , TCO T R , V , CA

(b) Cascade Control in TC

Alternatif (a) atau (b) dapat diterapkan pada reaktor contoh 7.4.2. 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 37


☻ Flash Drum System Seperti contoh 7.3.1 (steam heating diganti cooling water) CV = 4 (Fi , Pf , Tf , h) MV = 4 (Fi , FV , FL , FW )

Terbentuk 24 konfigurasi

Pilih yang terbaik 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 38


Gambar 7.4.7 Loop pengendali untuk flash drum dalam contoh 7.4.2 Vapor

FC

PC Pf

Fi ,, TR , CA

h TC

Cooling water

LC

Tf

FW

Liquid


YDH / INDALPRO / 39


Langkah 4 Menggabungkan kembali keempat blok dengan konfigurasi pengendaliannya. Untuk 4 blok secara keseluruhan mempunyai sekitar 432 = (6x1x3x24) konfigurasi


YDH / INDALPRO / 40


Gambar 7.4.8 Penggabungan konfigurasi pengendalian untuk contoh 7.4.2 sebelum penghilangan konflik Konflik

Konflik

TC

FC Heating FC1 , TC1

Steam

Fi , CAi , Ti

TC

Vapor

WS TC CC

Tint

Qh Coolant

FC Pf

AÆB FC , TC0

PCf , TCf , FC

FC2 , TC2 Cooling

TC

h

Fi , TR , CA T R , V , CA

QC

PC

Feed Fi , TO Cooling water

TC

LC

Tf

FW

Liquid


YDH / INDALPRO / 41


Langkah 5 Eliminasi konflik diantara loop-loop pengendali berbagai blok


YDH / INDALPRO / 42


Gambar 7.4.9 Hasil konfigurasi pengendalian untuk contoh 7.4.2 setelah penghilangan konflik TC Steam

Fi , CAi , Ti

TC

Vapor

WS Heating FC1 , TC1

TC CC

Tint

Qh Coolant

PC Pf

AÆB FC , TC0

PCf , TCf , FC

T R , V , CA

QC FC2 , TC2 Cooling

TC

h

Fi , TR , CA Feed Fi , TO Cooling water

TC

LC

Tf

FW

Liquid


YDH / INDALPRO / 43


TUGAS: Perancangan Konfigurasi Pengendalian pada Proses dengan Interaksi Unit-Unit (Gambar 7.4.10)

• Bagilah unit-unit proses (Gambar 7.4.10) ke dalam blok yang sesuai ! • Rancanglah sistem pengendalian proses untuk tiap-tiap blok ! • Gabungkan sistem pengendalian proses pada tiap-tiap blok menjadi satu sistem pengendalian pabrik dilengkapi dengan argumentasi kualitatif untuk eliminasi konflik !


YDH / INDALPRO / 44


Gambar 7.4.10 Diagram alir proses pabrik (untuk TUGAS)

Recycle A Fresh A

Steam

Cooling water Condenser

Steam Mixer

HE-1 DT HE-2 Cooling water

AÆB CSTR

Steam Reboiler Product B


YDH / INDALPRO / 45


Penjelasan Proses (Gambar 7.4.10) Suatu pabrik mempunyai lima unit operasi (Gambar 7.4.10): Tangki Pencampur (Mixer), Pemanas-1 (HE-1), Reaktor-Alir-TangkiBerpengaduk (CSTR), Pemanas-2 (HE-2), dan Menara Distilasi (DT). Di dalam CSTR berlangsung reaksi fase cair A → B, reaksi ini bersifat eksotermis sehingga reaktor harus dilengkapi dengan pendingin jaket. Hasil keluaran reaktor adalah campuran A dan B, dan dipanaskan dahulu di HE-2 sebelum diumpankan ke DT untuk proses pemisahan. Hasil bawah DT mengandung sebagian besar produk B. Hasil atas DT yang sebagian besar mengandung A direcycle kembali ke dalam proses dan dicampur dengan umpan segar A di Mixer. Sebelum diumpankan ke CSTR, campuran reaktan keluaran Mixer dipanaskan dahulu sampai suhunya mencapai suhu masuk reaktor di HE-1.


YDH / INDALPRO / 46

9 steps procedure for plantwide process control By Luyben et al., 1997


YDH / INDALPRO / 47

Plantwide Control Design Procedure (Luyben et al., 1997) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Establish control objectives Determine control degrees of freedom Establish energy management system Set production rate Control product quality and handle safety Control inventories (pressure and liquid level) Check component balances Control individual unit operations Optimize economic and improve dynamic controllability


YDH / INDALPRO / 48

Plantwide control procedure Step 1. Establish control objectives 9Assess steady-state design and dynamic control objectives for the process 9These objectives include reactor and separation yields, product quality specifications, product grades and demand determination, environmental restrictions, and the range of operating conditions. 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 49

Plantwide control procedure Step 2. Determine control degrees of freedom

• Count the number of control valves available • For example: HDA process has 23 control valves


YDH / INDALPRO / 50

Plantwide control procedure Step 3. Establish energy management system 9provide a control system that remove exothermic heats of reaction from the process 9provide a control system that prevents propagation of the thermal disturbances 9HDA alt. 6 has many mass and heat recycles


YDH / INDALPRO / 51

Plantwide control procedure Step 4. Set production rate • Establish the variables that dominate the productivity of the reactor and determine the most appropriate manipulator to control production rate • This may be the feed flow to the process, the flow rate of recycle stream, the flow rate of initiator or catalyst to the reactor, the reactor heat removal rate, the reactor temperature, and so forth.


YDH / INDALPRO / 52

Plantwide control procedure Step 5. Control product quality and handle safety

• Select the best valves to control each of the product-quality, safety, and environmental variables


YDH / INDALPRO / 53

Plantwide control procedure Step 6. Control inventories (pressure and liquid level) • Determine the valve to control each inventory variable (including all gas pressures and liquid levels) • An inventory variable should typically be controlled with the manipulated variable that has the largest effect on it within that unit • a flow controller should be presented in all liquid recycle loops


YDH / INDALPRO / 54

Plantwide control procedure Step 7. Check component balances •

Identify how chemical components enter, leave, and are generated or consumed in the process

•

Fresh reactant makeup feed stream can be manipulated to control reactor feed composition or a recycle stream composition Purge stream can also be used to control a recycle stream

•

composition


YDH / INDALPRO / 55

Plantwide control procedure Step 8. Control individual unit operations • Establish the control loops necessary to operate each of the individual unit operations ÆControl the reactor inlet temperature by manipulating the duty of furnace utility ÆCooling water flowrate can be used to control the separator temperature


YDH / INDALPRO / 56

Plantwide control procedure Step 9. Optimize economic and improve dynamic controllability • Establish the best way to optimize steady-state economic performance (e.g., minimize energy, maximize selectivity) or to improve dynamic response

Æ in particular case, a selective controller may be required


YDH / INDALPRO / 57

Plantwide Energy Management ¾reduce cooling and heating utility requirement ¾install feed-effluent-heat-exchangers (FEHEs) around reactors and distillation columns ¾However, Energy integration creates a new path of disturbance propagation; thus the control strategy is very important. 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 58

Typical Heat-Integrated Plant Hot stream Furnace

Cold stream

Reactor

FEHE Fuel

Cooler Coolant

(a) Single FEHE

Hot stream Reboiler Furnace

Cold stream

FEHE-1

FEHE-2

Reactor

Fuel

Cooler Coolant

(b) Multiple FEHEs 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 59

Heat Pathways in The Process Path 1: from inside the process and flows out e.g. heat generated by exothermic reaction is dissipated to the environment Path 2: conveys heat from the utilities to the process e.g. heat supplied by the furnace flows to the distillation columns and reaches its destination in the condensers

Qe

Environment To

Qd

Path #1

Path #2 Qh/c T Process

Path 3: internal to the process; heat flows back and forth between different unit

Path #3 TH Energy sources

e.g. the heating and cooling circuit that starts from the reactor exit and goes through the FEHE units to heat up the cold feed streams that travel back to the reactor 7 – PERANCANGAN PENGENDALIAN PROSES PABRIK

YDH / INDALPRO / 60

Control of Process-to-Process Exchangers

• Use of Auxiliary Exchangers


YDH / INDALPRO / 61

Control of Process-to-Process Exchangers •

Bypass control

A.

Controlling and bypassing hot stream Controlling cold stream and bypassing hot stream Controlling and bypassing cold stream Controlling hot stream and bypassing cold

B.

C. D.

stream.


YDH / INDALPRO / 62

Perancangan Pengendalian Proses Pabrik

Recommend Documents