STRATEGI KONTROL KOLOM DISTILASI TUNGGAL SISTEM BINER METANOL-AIR (CONTROL STRATEGY OF SINGLE DISTILLATION COLOMN BINARY SYSTEM OF METHANOL-WATER) Totok R. Biyanto1), Heri Wahyudi1) ,Hari Hadi Santoso 2) 1) Jurusan Teknik Fisika - FTI – ITS Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 E-mail :
[email protected] 2) LIPI – Serpong - Tangerang ABSTRAK Pengendalian kolom distilasi sebenarnya merupakan pengendalian komposisi produk fraksi mol atas (distilat) dan produk fraksi mol bawah (bottom). Performansi dari kolom distilasi ditentukan oleh desain yang baik, strategi kontrol yang diterapkan (struktur kontrol) dan algoritma kontrol yang digunakan. Sehingga perlu untuk mendapatkan suatu struktur kontrol pada proses kolom distilasi tunggal sistem biner metanol–air yang memberikan performansi terbaik. Penelitian ini dimulai dengan perancangan kolom distilasi secara shortcut dan rigorous, mensimulasikan keadaan dinamik sistem(struktur kontrol) dengan Xd dan Xb saat terjadi perubahan setpoint dan disturbance. Performansi struktur kontrol dinilai dengan seberapa tangguh sistem dalam mengikuti perubahan setpoint dan kembali pada setpoint semula bila ada disturbance yang ditunjukan dalam Integral Absolute Error (IAE). Struktur yang diteliti adalah struktur LV, DV, LB, RR-V, RR-BR, dan diperoleh bahwa struktur LV adalah yang paling sesuai untuk pengendalian kolom distilasi tunggal sistem biner metanol-air dengan nilai IAE yang terkecil. ABSTRACT Control of distillation column actually to control composition of product from distillate mole fraction and product from bottom mole fraction. Performance of distillation column depend on design, control strategy and control algorithm that used. One of aspect in controlling of distillation column is control strategy applied (control structure). So that need to get a structure control at single distillation column binary system of methanol-water process that giving the best performance. This research started with the scheme of distillation column by shortcut and rigorous, simulated of circumstance of dynamic system/control structure by Xd and Xb when set-point and disturbance has change. Performance of control structure assessed how strong the system can follow set-point if its change and back to set-point if there are any disturbance which presented in Integral Absolute Error (IAE). Structure which observed is structure LV, DV, LB, RR-V, RR-BR, and obtained that structure LV is most appropriate for the operation of single distillation column binary system of methanol-water with the smallest value IAE Kata kunci : Kolom distilasi tunggal sistem biner metanol-air, struktur kontrol, performansi. Keyword : Single distillation column binary system of methanol-water, control structure, performance.
1 PENDAHULUAN Pengendalian proses secara otomatik sangatlah penting, maka dari itu dikembangkanlah suatu sistem kontrol sehingga kita dapat melakukan optimasi dan mengatur kondisi operasi untuk menanggapi masukan serta gangguan yang berubah-ubah. Efektivitas operasi dari kolom distilasi ditentukan oleh banyak variable manipulasi[5]. Pengendalian kolom distilasi sebenarnya merupakan pengendalian konposisi fraksi mol produk atas/distilat dan
fraksi mol produk bawah/battom. Performansi dari kolom distilasi tergantung pada desain yang baik, struktur kontrol dan algoritma kontrol yang digunakan. Dalam studi penelitian yang dilakukan oleh Jim Downs (1992), Downs[3] mengatakan kontrol strategi untuk masing-masing unit operasi harus dikembangkan dengan kerangka kerja dari keseluruhan komponen struktur inventori kontrol. Struktur kontrol kolom distilasi biner dikembangkan atas kontrol inventori yang terdiri dari kontrol level kondenser, kontrol level pada bottom dan kontrol komposisi yang terdiri dari kontrol komposisi distilat dan komposisi produk bawah. Strategi kontrol yang digunakan dalam pengendalian kolom distilasi pada masing-masing unit operasi sangatlah penting, dengan permintaan energi minimum, memberikan performansi terbaik, dan pada akhirnya diperoleh kontrol kualitas produk terbaik. Jadi pemilihan struktur kontrol sangatlah menentukan sehingga menberikan performansi terbaik pada proses pengendalian kolom distilasi tungal sistem biner metanol-air 2 KOLOM DISTILASI SISTEM BINER Persyaratan utama untuk memisahkan komponen menggunakan distilasi adalah volatility dari uap berbeda dari volatility cair yang akan mencapai kesetimbangan pada titik didih dari cairan.[1] Gambar 2.1 merupakan diagram neraca bahan untuk contoh umum kolom distilasi[4]. Kolom di umpan dengan F kgmol/jam dengan konsentrasi Xf, dan menghasilkan D kgmol/jam hasil atas dengan konsentrasi Xd, serta B kgmol/jam hasil bawah dengan konsentrasi Xb. Vd,Yd kondensor rectifying
L L,Xd
Ln-1,Xn-1
Reflux drum
Vn,Yn
F, Xf
R Ln,Xn
D,XD
Vn-1,Yn-1
V stripping
Qr
Vb,Yb Lb,Xb
reboiler
B,Xb
Gambar 2.1 Kolom Distilasi Tunggal Sistem Biner Kolom distilasi biner mempunyai kesetimbangan massa dan energi yang dapat diterangkan sebagai berikut [3]:
Kesetimbangan massa pada kondensor dan reflux drum
Gambar 2.2 Kesetimbangan massa pada kondensor dan reflux drum Neraca massa total : dM D (1) V NT L NT 1 D dt
Neraca massa komponen : (2)
d (M D X D ) VNT YNT ( LNT 1 D) X D dt
Neraca panas : d ( M D hD ) VNT H NT LNT 1hNT 1 DhD Qc dt
(3)
Kesetimbangan massa pada tiap tray Neraca massa total : dM n Ln 1 Ln Vn 1 Vn dt
(4)
Neraca massa komponen : d (M n X n ) Ln 1 X n1 Ln X n Vn 1Yn1 VnYn dt
(5)
Neraca massa panas : d ( M n hn ) Ln 1hn 1 Ln hn Vn 1 H n 1 Vn H n dt
(6)
Gambar 2.3 Kesetimbangan massa pada tiap tray
Kesetimbangan massa pada tray umpan ( n = NF )
Gambar 2.4 Kesetimbangan massa pada tray umpan Neraca massa total : dM NF LNF 1 LNF F VNF 1 VNF dt
(7)
Neraca massa komponen : d ( M NF X NF ) LNF 1 X NF 1 LNF X NF VNF 1YNF 1 VNF YNF Fz X F dt
(8)
Neraca panas : d ( M NF hNF ) LNF 1hNF 1 LNF hNF VNF 1 H NF 1 VNF H NF Fh F dt
Neraca panas :
(9)
d ( M n hn ) Ln 1hn 1 Ln hn Vn 1 H n 1 Vn H n dt
(10)
Kesetimbangan massa pada reboiler dan base kolom
Gambar 2.5 Kesetimbangan massa pada Reboiler dan base kolom Neraca massa total : dM n (11) L1 VRB B dt
Neraca massa komponen : (12)
d (M B X B ) L1 X 1 VRB YB BX B dt
Neraca panas : d ( M B hB ) L1 h1 VRB H B BhB QR dt
(13)
Struktur kontrol terbaik untuk kolom distilasi sistem biner sangatlah berpengaruh dalam pengendalian proses plantwide. Dan dari neraca massa dan neraca panas yang telah diuraikan serta gambar-gambar diatas telihat bahwa kemungkinan struktur pengendalian inventori dan komposisi distilate Xd dan komposisi produk bawah Xb yang mungkin adalah LV, DV, LB, RR-V dan RR-BR, yang dapat dijelaskan sebagai berikut :
Strukutr L-V Struktur ini menggunakan aliran reflux L untuk mengatur komposisi distilat Xd dan heat input Qr ke dalam reboiler digunakan untuk mengatur komposisi vapor yang menguap pada bottom V dan Xb. Distillate flow rate D dipakai untuk mempertahankan reflux drum level dan bottom flow rate B untuk mengatur level pada kolom.seperti terlihat pada gambar 2.6.
CC
R LC
F, Xf XD CC LC
V XB
Gambar 2.6 Struktur L-V[3]
Struktur D-V Pada gambar 2.7 komposisi distilat Xd diatur dengan laju aliran distilat D, sedangkan komposisi bottom Xb diatur dengan heat input Qr ke dalam reboiler untuk meguapkan uap pada bottom V. Reflux flow rate D dipakai untuk mempertahankan reflux drum level dan bottom flow rate B untuk mengatur level pada dasar kolom.
R
CC LC
F, Xf XD CC CC LC
V XB
Gambar 2.7 Struktur D-V[3]
Struktur L-B Struktur ini menggunakan aliran reflux L untuk mengatur komposisi distilat Xd dan heat input Qr ke dalam reboiler digunakan untuk mengatur level. Distillate flow rate D dipakai untuk mempertahankan reflux drum level dan bottom flow rate B untuk mengatur komposisi pada bottom Xb, seperti terlihat pada gambar 2.8.
Struktur RR-V Terlihat pada gambar 2.9 Rasio reflux (L/D) digunakan untuk mengatur komposisi distilat Xd dan heat input Qr digunakan untuk mengatur komposisi pada bottom Xb. Reflux drum level diatur dengan laju aliran reflux L dan bottom flow rate B untuk mengatur level pada dasar kolom, sedangkan komposisi bottom diatur dengan heat input ke dalam reboiler untuk meguapkan uap pada bottom V.
CC
R LC
F, Xf XD V LC CC
XB
Gambar 2.8 Struktur L-B[3]
R FT
CC LC
E-13
F, Xf XD
FC
Ratio
CC
V
CC LC
XB
Gambar 2.9 Struktur RR-V[3]
Struktur RR-BR Terlihat pada gambar 2.10 Rasio reflux (L/D) digunakan untuk mengatur komposisi distilat Xd. Reflux drum level diatur dengan laju aliran reflux L dan bottom flow rate B untuk mengatur level pada dasar kolom, sedangkan komposisi bottom Xb diatur dengan rasio heat input Qr ke dalam reboiler dan flow rate B
R FT
CC LC
E-17
F, Xf
CC LC
Ratio
FC
CC
Ratio
V
XD
FC V FT
XB
Gambar 2.10. Struktur RR-BR[3] 3 METODOLOGI Metodologi dimulai dengan mendesain kolom distilasi biner menggunakan metode shortcut untuk mendapatkan jumlah tray NT, letak feed tray NF, beban reboiler Qr dan kondenser Qc, reflux flow rate L dengan memberikan informasi komposisi dan flow rate pada feed (Xf,F), distilat (Xd,D) dan bottom produk (Xb,B). Membuat dinamika kolom distilasi menggunakan metode rigorous, memberikan inventori kontrol dan komposisi kontrol sesuai masing-masing strategi yang digunakan. Algoritma kontrol untuk setiap loop menggunakan PID auto tuning dengan persamaan kontroler PID seperti persamaan 14, dengan Gc, Kc, E, D, I, Ps berturut-turut adalah fungsi transfer kontroler, gain proporsional kontroler, error, waktu derivatif, waktu integral dan bias.
GC ( s) Kc E Kc D
t
dE Kc E dt Ps dt I 0
(14)
Pengujian performansi dilakukan dengan memberikan gangguan pada input berupa laju feed (F) dan komposisi feed (Xf), serta melakukan perubahan setpoint Xd dan Xb, mencatat perubahan output terhadap gangguan dari input. Data output yang dicatat adalah fraksi distilat (Xd) dan fraksi bawah (Xb). Selanjutnya menentukan Integral Absolute Error (IAE) fraksi distilat (Xd) dan fraksi bawah (Xb) dari masing-masing struktur kontrol yang di terapkan untuk mendapatkan performansi dari sistem secara kuantitatif[2], struktur kontrol yang diterapkan adalah struktur kontrol LV, DV, LB, RR-V, RRBR 4 SIMULASI DAN ANALISA Sistem pengendalian kolom distilasi tunggal sistem biner metanol-air dapat diketahui performansinya dengan melakukan pengujian pada perubahan set-point dan perubahan beban mol flowrate input F dan mol fraksi input Xf, untuk masimg-masing struktur kontrol yang diterapkan. 4.1 Pengujian Perubahan Set-point Pada struktur kontrol LV, untuk pengujian perubahan setpoint Xd bertambah sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.02929 dan Xb bertambah sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.00640 (Gambar 4.1). Sedangkan untuk pengujian perubahan setpoint Xd berkurang sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.02854 dan Xb berkurang sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.00740 (Gambar 4.2). Xd + 0.001
0.0120
0.9915
0.0115
0.9910
%CH4O
%CH4O
Xb + 0.001
0.0110 0.0105
0.9905 0.9900
0.0100
0.9895
0.0095 0
10000
20000
30000
0
40000
10000
Xb
20000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec)
Xd
Sp
Sp
Gambar 4.1 Perubahan setpoint Xd dan Xb plus 0.001 pada struktur LV Xb - 0.001
0.9905
0.0105
0.9900
0.0100 %CH4O
%CH4O
Xd - 0.001
0.9895 0.9890
0.0095 0.0090 0.0085 0.0080
0.9885 0
10000
20000
30000
0
10000
20000
30000
waktu(sec)
waktu(sec) Xd
40000
Sp
Xb
Sp
Gambar 4.2 Perubahan setpoint Xd dan Xb minus 0.001 pada struktur LV
40000
Pada struktur kontrol LB, untuk pengujian perubahan setpoint Xd bertambah sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.25873 dan Xb bertambah sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 278.77234 (Gambar 4.3). Sedangkan untuk pengujian perubahan setpoint Xd berkurang sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.33745 dan Xb berkurang sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 279047234 (Gambar 4.4). Xd + 0.001
Xb + 0.001 0.5000 %CH4O
%CH4O
0.4000 0.3000 0.2000 0.1000 0.0000 0
10000
20000
30000
0.9925 0.9920 0.9915 0.9910 0.9905 0.9900 0.9895
40000
0
10000
waktu(sec) Xb
20000
30000
40000
30000
40000
waktu(sec) Sp
Xd
Sp
Gambar 4.3 Perubahan setpoint Xd dan Xb plus 0.001 pada struktur LB Xb - 0.001 0.5000
0.9905 0.9900 0.9895 0.9890 0.9885 0.9880 0.9875
0.4000 %CH4O
%CH4O
Xd - 0.001
0.3000 0.2000 0.1000 0.0000
0
10000
20000
30000
0
40000
10000
waktu(sec)
waktu(sec) Xd
20000
Sp
Xb
Sp
Gambar 4.4 Perubahan setpoint Xd dan Xb minus 0.001 pada struktur LB Pada struktur kontrol DV, untuk pengujian perubahan setpoint Xd bertambah sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.43001 dan Xb bertambah sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.00718 (Gambar 4.5). Sedangkan untuk pengujian perubahan setpoint Xd berkurang sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.46630 dan Xb berkurang sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.00805 (Gambar 4.6). Xb + 0.001
0.9912 0.9910 0.9908 0.9906 0.9904 0.9902 0.9900 0.9898
0.0120 0.0115 %CH4O
%CH4O
Xd + 0.001
0.0110 0.0105 0.0100 0.0095
0
10000
20000
30000
waktu(sec) Xd
40000
0
10000
20000
30000
waktu(sec) Sp
Xb
Sp
Gambar 4.5 Perubahan setpoint Xd dan Xb plus 0.001 pada struktur DV
40000
Xb - 0.001
0.9902 0.9900 0.9898 0.9896 0.9894 0.9892 0.9890 0.9888
0.0105 0.0100 %CH4O
%CH4O
Xd - 0.001
0.0095 0.0090 0.0085 0.0080
0
10000
20000
30000
40000
0
10000
waktu(sec) Xd
20000
30000
40000
waktu(sec) Sp
Xb
Sp
Gambar 4.6 Perubahan setpoint Xd dan Xb minus 0.001 pada struktur DV Pada struktur kontrol RR-V, untuk pengujian perubahan setpoint Xd bertambah sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.45095 dan Xb bertambah sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.00541 (Gambar 4.7). Sedangkan untuk pengujian perubahan setpoint Xd berkurang sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 1.23542 dan Xb berkurang sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.03508 (Gambar 4.8). Xb + 0.001
0.9912 0.991 0.9908 0.9906 0.9904 0.9902 0.99 0.9898
%CH4O
%CH4O
Xd + 0.001
0
10000
20000
30000
0.0112 0.011 0.0108 0.0106 0.0104 0.0102 0.01 0.0098 0
40000
10000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec) Xd
20000
Xb
Sp
SP
Gambar 4.7 Perubahan setpoint Xd dan Xb plus 0.001 pada struktur RR-V Xb - 0.001
0.9910 0.9900 0.9890 0.9880 0.9870 0.9860 0.9850
%CH4O
%CH4O
Xd - 0.001
0
10000
20000
30000
0
10000
20000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec) Xb
40000
0.0102 0.01 0.0098 0.0096 0.0094 0.0092 0.009 0.0088 0.0086
SP
Xb
SP
Gambar 4.8 Perubahan setpoint Xd dan Xb minus 0.001 pada struktur RR-V Pada struktur kontrol RR-BR, untuk pengujian perubahan setpoint Xd bertambah sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.53176 dan Xb bertambah sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.33912 (Gambar 4.9). Sedangkan untuk pengujian perubahan setpoint Xd berkurang sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.54986 dan Xb berkurang sebesar 0.001 mempunyai IAE sebesar 0.26451 (Gambar 4.10)
Xd +0.001
0.0112 0.0110 0.0108 0.0106 0.0104 0.0102 0.0100 0.0098
%CH4O
%CH4O
Xb +0.001
0
10000
20000
30000
0.9912 0.9910 0.9908 0.9906 0.9904 0.9902 0.9900 0.9898 0
40000
10000
waktu(sec) Xb
20000
30000
40000
waktu(sec) Sp
Sp
Xd
Gambar 4.9 Perubahan setpoint Xd dan Xb plus 0.001 pada struktur RR-BR Xd - 0.001
0.0102 0.0100 0.0098 0.0096 0.0094 0.0092 0.0090 0.0088
%CH4O
%CH4O
Xb - 0.001
0
10000
20000
30000
waktu(sec) Xb
40000
0.9902 0.9900 0.9898 0.9896 0.9894 0.9892 0.9890 0.9888 0
10000
20000
30000
40000
waktu(sec)
Sp
Sp
Xd
Gambar 4.10 Perubahan setpoint Xd dan Xb minus 0.001 pada struktur RR-BR Dari hasil pengujian keseluruhan perubahan setpoint sebesar plus-minus 0.001 pada produk atas (Xd) dan plusminus 0.001 pada produk bawah (Xb) selama waktu t adalah 700 menit dapat dilihat bahwa struktur LV mempunyai nilai IAE terkecil (tabel 4.1) atau secara kuantitas memiliki performansi yang lebih baik dibandingkan dengan struktur DV, LB, RR-V, RR-BR dan mampu mengikuti perubahan setpoint. Tabel 4.1 Perbandingan Uji Setpoint antar Struktur Kontrol Uji perubahan setpoint IAE Struktur: (t=700menit) LV DV LB RR-V RR-BR Xd + .0.001 0.02929 0.43001 0.25873 0.45095 0.53176 Xd - .0.001 0.02854 0.46630 0.33745 1.23542 0.54986 Xb + .0.001 0.00640 0.00718 278.77234 0.00541 0.33912 Xb - .0.001 0.00740 0.00805 279.47234 0.03508 0.26451 4.2 Pengujian Perubahan beban F dan Xf Pada pengujian perubahan beban laju flowrate input F dilakukan perubah beban sebesar plus minus sepuluh persen begitu juga dengan komposisi fraksi input metanol-air Xf dirubah sebesar plus minus sepuluh persen.
Pengujian Perubahan Beban F = 550 kgmol/jam Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol LV diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.11 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 0.0192 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.0069 pada fraksi bawah (Xb) F = 550 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.9902 0.9901 0.9900 0.9899 0.9898 0.9897 0.9896 0.9895
%CH4O
%CH4O
F = 550 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0
10000
20000
30000
0.0108 0.0106 0.0104 0.0102 0.0100 0.0098 0.0096 0
40000
10000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec) Xd
20000
Xb
Sp
Sp
Gambar 4.11 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban F = 550 kgmol/jam pada struktur LV Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol DV diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.12 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 0.1305 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.0149 pada fraksi bawah (Xb) F = 550 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.9903 0.9902 0.9901 0.9900 0.9899 0.9898 0.9897
%CH4O
%CH4O
F = 550 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0
10000
20000
30000
0
10000
20000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec) Xd
40000
0.0108 0.0106 0.0104 0.0102 0.0100 0.0098 0.0096
Sp
Xb
Sp
Gambar 4.12 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban F = 550 kgmol/jam pada struktur DV Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol LB diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.13 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 0.0207 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 256.9588 pada fraksi bawah (Xb)
F = 550 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.9901
0.5000
0.99
0.4000 %CH4O
%CH4O
F = 550 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.9899 0.9898
0.3000 0.2000 0.1000
0.9897
0.0000
0
10000
20000
30000
40000
0
10000
waktu(sec) Sp
20000
30000
40000
waktu(sec)
Xd
Xb
Sp
Gambar 4.13 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban F = 550 kgmol/jam pada struktur LB Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol RR-V diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.14 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 4.8470 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.1816 pada fraksi bawah (Xb) F = 550 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.9920 0.9900 0.9880 0.9860 0.9840 0.9820 0.9800 0.9780
0.0150 %CH4O
%CH4O
F = 550 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.0100 0.0050 0.0000
0
10000
20000
30000
40000
0
10000
waktu(sec) Xd
20000
30000
40000
waktu(sec)
Sp
Xb
SP
Gambar 4.14 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban F = 550 kgmol/jam pada struktur RR-V Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol RR-BR diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.15 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 3.4410 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 20.4966 pada fraksi bawah (Xb) F = 550 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.9920 0.9900 0.9880 0.9860 0.9840 0.9820 0.9800
0.0800 %CH4O
%CH4O
F = 550 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.0600 0.0400 0.0200 0.0000
0
10000
20000
30000
waktu(sec) Xd
40000
0
10000
20000
30000
40000
waktu(sec)
Sp
Xb
Sp
Gambar 4.15 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban F = 550 kgmol/jam pada struktur RR-BR
Pengujian Perubahan Beban F = 450 kgmol/jam Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol LV diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.16 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 0.0210 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.0072 pada fraksi bawah (Xb) F = 450 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.0106 0.0104 0.0102 0.0100 0.0098 0.0096 0.0094 0.0092
%CH4O
%CH4O
F = 450 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0
10000
20000
30000
0.9905 0.9904 0.9903 0.9902 0.9901 0.9900 0.9899 0.9898 0
40000
10000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec) Xb
20000
Xd
Sp
Sp
Gambar 4.16 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban F = 450 kgmol/jam pada struktur LV Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol DV diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.17 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 16.2496 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.0162 pada fraksi bawah (Xb) F = 450 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5 1.0000
0.0104 0.0102 0.0100 0.0098 0.0096 0.0094 0.0092
0.9900 %CH4O
%CH4O
F = 450 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.9800 0.9700 0.9600 0.9500
0
10000
20000
30000
0
10000
20000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec) Xb
40000
Sp
Xd
Sp
Gambar 4.17 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban F = 450 kgmol/jam pada struktur DV Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol LB diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.18 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 0.1235 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 285.0665 pada fraksi bawah (Xb)
F = 450 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5 0.5000
0.9930 0.9920 0.9910 0.9900 0.9890 0.9880 0.9870
0.4000 %CH4O
%CH4O
F = 450 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.3000 0.2000 0.1000 0.0000
0
10000
20000
30000
0
40000
10000
waktu(sec) Xd
20000
30000
40000
waktu(sec) Xb
Sp
Sp
Gambar 4.18 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban F = 450 kgmol/jam pada struktur LB Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol RR-V diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.19 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 2.5589 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.0276 pada fraksi bawah (Xb) F = 450 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0
%CH4O
%CH4O
F = 450 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0
10000
20000
30000
0.995 0.994 0.993 0.992 0.991 0.99 0.989
40000
0
10000
waktu(sec) Xb
20000
30000
40000
waktu(sec)
SP
Xd
Sp
Gambar 4.19 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban F = 450 kgmol/jam pada struktur RR-V Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol RR-BR diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.20 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 3.6710 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 6.5740 pada fraksi bawah (Xb) F = 450 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0.0120 0.0100 0.0080 0.0060 0.0040 0.0020 0.0000
%CH4O
%CH4O
F = 450 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.5:0.5
0
10000
20000
30000
0
10000
20000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec) Xb
40000
0.995 0.99 0.985 0.98 0.975 0.97 0.965 0.96
Sp
Sp
Xd
Gambar 4.20 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban F = 450 kgmol/jam pada struktur RR-BR
Pengujian Perubahan Beban Xf metanol = 0.45 Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol LV diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.21 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 0.0116 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.0038 pada fraksi bawah (Xb) F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.45:0.55
0.0103 0.0102 0.0101 0.0100 0.0099 0.0098 0.0097
%CH4O
%CH4O
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.45:0.55
0
10000
20000
30000
0.9903 0.9902 0.9902 0.9901 0.9901 0.9900 0.9900 0.9899 0
40000
10000
waktu(sec) Xb
20000
30000
40000
waktu(sec) Xd
Sp
Sp
Gambar 4.21 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban Xf metanol = 0.45 pada struktur LV Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol DV diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.22 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 16.2361 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.0113 pada fraksi bawah (Xb) F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.45:0.55
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.45:0.55 1 %CH4O
%CH4O
0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0
10000
20000
30000
0
10000
20000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec) Sp
40000
0.0103 0.0102 0.0101 0.0100 0.0099 0.0098 0.0097
Xd
Xb
Sp
Gambar 4.22 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban Xf metanol = 0.45 pada struktur DV Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol LB diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.23 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 0.1743 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 249.2456 pada fraksi bawah (Xb)
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.45:0.555 0.5000
0.9908 0.9906 0.9904 0.9902 0.9900 0.9898 0.9896 0.9894 0.9892
0.4000 %CH4O
%CH4O
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.45:0.55
0.3000 0.2000 0.1000 0.0000
0
10000
20000
30000
0
40000
10000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec) Xd
20000
Xb
Sp
Sp
Gambar 4.23 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban Xf metanol = 0.45 pada struktur LB Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol RR-V diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.24 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 2.1553 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.0149 pada fraksi bawah (Xb) F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.45:0.55
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.45:0.55
0.994 %CH4O
%CH4O
0.993 0.992 0.991 0.99 0.989 0
10000
20000
30000
waktu(sec) Sp
40000
0.0110 0.0108 0.0106 0.0104 0.0102 0.0100 0.0098 0.0096 0.0094 0
10000
20000
30000
40000
waktu(sec)
Xd
Xb
SP
Gambar 4.24 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban Xf metanol = 0.45 pada struktur RR-V Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol RR-BR diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.25 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 0.8281 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 6.3682 pada fraksi bawah (Xb)
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.45:0.55 0.9920
0.0120 0.0100 0.0080 0.0060 0.0040 0.0020 0.0000
0.9900 %CH4O
%CH4O
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.45:0.55
0.9880 0.9860 0.9840 0.9820
0
10000
20000
30000
40000
0
10000
waktu(sec) Xb
20000
30000
40000
waktu(sec)
Sp
Xd
Sp
Gambar 4.25 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban Xf metanol = 0.45 pada struktur RR-BR Pengujian Perubahan Beban Xf metanol = 0.55 Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol LV diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.26 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 0.0162 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.0131 pada fraksi bawah (Xb) F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.55:0.45
0.9902 0.9901 0.9900 0.9899 0.9898 0.9897 0.9896
%CH4O
%CH4O
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.55:0.45
0
10000
20000
30000
0
10000
20000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec) Xd
40000
0.0120 0.0100 0.0080 0.0060 0.0040 0.0020 0.0000
Sp
Xb
Sp
Gambar 4.26 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban Xf metanol = 0.55 pada struktur LV Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol DV diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.27 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 0.5405 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.0237 pada fraksi bawah (Xb)
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.55:0.45
0.0120 0.0100 0.0080 0.0060 0.0040 0.0020 0.0000
%CH4O
%CH4O
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.55:0.45
0
10000
20000
30000
0.9912 0.991 0.9908 0.9906 0.9904 0.9902 0.99 0.9898
40000
0
10000
waktu(sec) Xb
20000
30000
40000
waktu(sec) Sp
Sp
Xd
Gambar 4.27 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban Xf metanol = 0.55 pada struktur DV Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol LB diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.28 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 0.1156 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 295.8512 pada fraksi bawah (Xb) F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.55:0.45
0.5000
0.991
0.4000
0.9905 %CH4O
%CH4O
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.55:0.45
0.3000 0.2000
0.99 0.9895 0.989
0.1000
0.9885
0.0000 0
10000
20000
30000
0
10000
20000
30000
40000
waktu(sec)
waktu(sec) Xb
40000
Sp
Sp
Xd
Gambar 4.28 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban Xf metanol = 0.55 pada struktur LB Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol RR-V diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.29 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 4.2292 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 0.0925 pada fraksi bawah (Xb)
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.55:0.45
0.0140 0.0120 0.0100 0.0080 0.0060 0.0040 0.0020 0.0000
%CH4O
%CH4O
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.55:0.45
0
10000
20000
30000
40000
0.992 0.99 0.988 0.986 0.984 0.982 0.98 0
10000
waktu(sec) Xb
20000
30000
40000
waktu(sec) SP
Sp
Xd
Gambar 4.29 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban Xf metanol = 0.55 pada struktur RR-V Pada pengujian perubahan beban mol flowrate F untuk sistem pengendalian dengan menggunakan struktur kontrol RR-BR diperoleh performansi sistem pengendalian seperti pada gambar 4.30 untuk pengaruh terhadap Xd dan Xb. Dari hasil simulasi diperoleh IAE sebesar 2.7766 pada fraksi atas (Xd) dan IAE sebesar 18.7036 pada fraksi bawah (Xb) F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.55:0.45
0.9920
0.1000
0.9900
0.0800 %CH4O
%CH4O
F = 500 kgmol/jam, Xf CH4O:Xf H2O = 0.55:0.45
0.9880 0.9860 0.9840
0.0600 0.0400 0.0200
0.9820
0.0000 0
10000
20000
30000
waktu(sec) Xd
40000
0
10000
20000
30000
40000
waktu(sec) Sp
Xb
Sp
Gambar 4.30 Grafik Xd dan Xb terhadap perubahan beban Xf metanol = 0.55 pada struktur RR-BR Tabel 4.2 Perbandingan Uji Perubahan Beban antar Struktur Kontrol Xf + Uji Perubahan Beban F +10% F - 10% Xf - 10% 10% (t = 700 menit) 0.0192 0.0210 0.0116 0.0162 IAE struktur LV Xd 0.0069 0.0072 0.0038 0.0131 Xb 0.1305 16.2496 16.2361 0.5405 IAE struktur DV Xd 0.0149 0.0162 0.0113 0.0237 Xb 0.0207 0.1235 0.1743 0.1156 IAE struktur LB Xd Xb 256.9588 285.0665 249.2456 295.8512 4.8470 2.5589 2.1553 4.2292 IAE struktur RR-V Xd 0.1816 0.0276 0.0149 0.0925 Xb IAE struktur RR3.4410 3.6710 0.8281 2.7766 BR Xd 20.4966 6.5740 6.3682 18.7036 Xb
Hasil IAE keseluruhan pengujian perubahan beban laju flowrate input F sebesar plus minus sepuluh persen begitu juga dengan komposisi fraksi input metanol-air Xf dirubah sebesar plus minus sepuluh persen. dalam waktu 700 menit pada masing-masing struktur kontrol dapat dilihat pada tabel 4.2 Dari pengujian keseluruhan perubahan beban mol flowrate F dan mol fraksi input Xf plusminus 10 persen pada masing-masing struktur kontrol diperoleh bahwa struktur LV mempunyai nilai IAE lebih kecil dibandingkan dengan struktur kontrol yang lainnya atau secara kuantitas memiliki performansi yang lebih baik dibandingkan dengan struktur DV, LB, RR-V, RR-BR serta mampu mengembali pada setpoint semula bila ada disturbance. Struktur kontrol LV mampu mengikuti perubahan setpoint serta mampu mengembali pada setpoint semula bila ada disturbance. Hal ini menandakan bahwa struktur LV paling sesuai untuk pengendalian kolom distilasi metanol-air dengan menggunakan aliran refluks L untuk mengatur komposisi distilat Xd dan heat input V ke dalam reboiler digunakan untuk mengatur komposisi bottom Xb. Distillate flow rate D dipakai untuk mempertahankan reflux drum level dan bottom flow rate B untuk mengatur level pada kolom. 5. KESIMPULAN Dari hasil pengujian untuk perubahan setpoint Xd dan Xb sebesar plus-minus 0.001 dari setpoint semula selama waktu 700 menit diperoleh bahwa struktur LV mampu mengikuti perubahan setpoint. Selanjutnya dari hasil pengujian untuk perubahan beban mol flowrate F dan mol fraksi input Xf sebesar plus-minus sepuluh persen dalam waktu 700 menit diperoleh bahwa struktur LV mampu mengembalikan setpoint pada setpoint semula bila ada disturbance. Dari hasil simulasi dan analisa keseluruhan pengujian diperoleh bahwa struktur LV mempunyai performansi lebih baik dan paling sesuai untuk pengendalian kolom distilasi tunggal sistem biner metanol-air dibandingkan dengan struktur kontrol yang lainnya. Hal ini ditunjukan secara kuantitatif dengan nilai IAE yang dimiliki oleh masing-masing struktur kontrol dan untuk struktur LV adalah yang memiliki nilai IAE terkecil. 6. DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4] [5]
Geankoplis, Christie J., Transport Process and Unit Operation, Prentice Hall, India, 1997. Gunterus, F., Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses, Elex Komputindo, Jakarta, 1994. Luyben, William L. Tyreus, Bjorn D. Luyben, Michael L., Plantwide Process Control, Mc Graw–Hill, New York, 1998. McCabe, Warren L. Smith, Julian C. Harriot, Peter., Unit Operations of Chemical Engineering Fifth Edition, McGraw-hill, New York, 1993 Willis, M.J., Selecting a Distillation Column Control Strategy (a basic guide), Departement of Chemical and Process Engineering University of Newcastle, Newcastle, 2000.
7. SARAN Untuk penelitian lebih lanjut perlu analisa pemakaian energi pada reboiler dan kondensor untuk setiap struktur kontrol yang telah diterapkan, sebagai indikasi performansi kinerja kolom distilasi yang sangat besar pada konsumsi energi. 8. NOTASI B
= laju aliran produk bawah, laju bottom (kgmol/jam)
D F IAE L LNT Ln Qr R V Vn VNT VRB Xb Xd Xf Xn Yn YNT Yb Zf
= laju aliran produk atas, laju distilat(kgmol/jam) = laju aliran umpan, laju feed(kgmol/jam) = integral absolute error = laju liquid (kgmol/jam) = laju liquid pada tray teratas(kgmol/jam) = laju liquid pada tray ke-n(kgmol/jam) = laju steam pada reboiler(kgmol/jam) = rasio refluks = laju vapor (kgmol/jam) = laju vapor pada tray ke-n(kgmol/jam) = laju vapor pada tray teratas(kgmol/jam) = laju vapor pada reboiler(kgmol/jam) = fraksi metanol pada produk bawah, fraksi bottom = fraksi metanol pada produk atas, fraksi distilat = fraksi umpan, fraksi feed = komposisi liquid pada tray ke-n = komposisi vapor pada tray ke-n = kmposisi vapor pada tray teratas = komposisi vapor pada reboiler = fraksi metanol pada umpan, fraksi feed
