1 Pendahuluan

1.1 Latar Belakang

Pada zaman sekarang ini proses yang terjadi dalam industri sudah tidak lagi sederhana, sehingga dibutuhkan suatu sistem kontrol yang saling terintegrasi dan dapat mengatur instrumen-instrumen yang ada untuk keberlangsungan proses agar sesuai dengan kondisi yang dibutuhkan. Dalam penelitian ini industri yang ditinjau adalah industri pupuk, khususnya pada pabrik amonia. DCS merupakan salah satu sistem kontrol yang biasa digunakan dalam industri. Pada pabrik amonia ini, DCS yang digunakan adalah Distributed Control System (DCS) Centum CS3000 Yokogawa. Dalam pengoperasian DCS ini tentu dibutuhkan operator yang handal. Operator tersebut harus dapat mengoperasikan DCS yang digunakan dan dapat memahami karakteristik dari proses yang dikontrolnya, sehingga operator tersebut dapat mengontrol unit proses tersebut dengan baik dan terutama dapat segera menyadari apabila terjadi keadaan darurat.

Untuk menjadi seorang operator yang handal maka operator tersebut harus belajar dan berlatih. Saat ini cara seorang operator untuk belajar adalah dengan mempelajari teori dasar dari karakteristik unit proses tersebut dan kemudian menjadi pengamat di lapangan. Cara belajar seperti ini membutuhkan waktu yang cukup lama dan tidak produktif, selain itu kondisi yang dapat diamati cenderung hanya untuk kondisi normal operasi. Padahal kondisi lainnya, seperti startup, shutdown, dan kondisi darurat merupakan hal yang sangat penting untuk dipelajari langsung untuk dapat melatih operator supaya lebih tanggap. Solusi dalam masalah ini adalah dengan menggunakan Operator training simulator. Penelitian ini bertujuan untuk membuat suatu operator training simulator yang dapat dengan mudah digunakan serta dapat merepresentasikan proses unit metanasi pada pabrik amonia dengan menggunakan DCS Centum CS3000 Yokogawa. Pada penelitian ini simulator proses yang akan dibuat adalah unit metanasu pada pabrik amonia dengan asumsi proses metanasi yang disimulasikan dalam rekator hanya dipengaruhi oleh senyawa CO² dan tekanan pada unit metansi diasumsikan tetap pada 20 kg/cm² G.

2 Konsep / Teori Dasar

2.1 Operator Training Simulator

Operator training simulator (OTS) merupakan aplikasi berbasis komputer dalam mensimulasikan suatu proses dalam indutri beserta sistem kontrolnya untuk keperluan pelatihan operator pabrik/industri. Plant dalam suatu OTS merupakan suatu plant virtual yang dibuat berdasarkan pemodelan dari dinamika proses plant sebenarnya, sehingga dapat merepresentasikan karaktersistik dari plant tersebut. Tampilan simulator tersebut juga dibuat sedemikian rupa sehingga mirip dengan tampilan pada operator display yang ada di control room.

2.2 DCS Centum CS3000 Yokogawa

Distributed Control System (DCS) merupakan komponen sistem kontrol yang biasa digunakan pada sistem manufaktur atau proses-proses dinamis dimana pengontrolnya tidak terpusat, namun terdistribusikan pada setiap sub-sistem. Keseluruhan sistem pengontrol saling terhubung untuk dapat saling berkomunikasi sehingga operator lebih mudah dalam melakukan pengawasan. Dalam suatu DCS terdapat tiga komponen utama, yaitu FCS (Field Control Station), HIS (Human Interface Station), dan field instrument yang saling terhubung satu sama lain.

2.3 Metanasi

Metanasi merupakan proses untuk mengkonversi kandungan CO dan CO² dengan mereaksikan CO dan CO² dengan hidrogen sehingga membentuk CH4.

\[CO + 3H_2 \rightarrow CH_4 + H_2O\] (1)

\[CO_2 + 4H_2 \rightarrow CH_4 + 2H_2O\] (2)

Metanasi merupakan proses dengan reaksi eksoterm. Reaksi kimia yang terjadi menghasilkan kalor yang turut menaikan temperatur dari gas dalam reaktor. Salah satu faktor yang menentukan proses metanasi adalah keaktifan katalis. Semakin tinggi temperatur dalam reaktor maka katalis akan semakin aktif bekerja, namun umur dari katalis juga akan semakin cepat.

2.4 Skenario Proses Unit Metanasi

Gas masukan dari unit metanasi pertama kali dialirkan melewati heat exchanger gas-gas exchanger (1-E-311). Selanjutnya gas ini akan dipanaskan kembali oleh trim heater (1-E-211). Trim Heater merupakan heat exchanger yang berfungsi sebagai pemanas tambahan dan pemanas awal. Apabila temperatur keluaran dari gas-gas exchanger belum dapat mencapai temperatur yang diharapkan dari temperatur masukan metanator maka trim heater lah yang akan digunakan. Selanjutnya gas keluaran dari trim heater dialirkan menuju metanator. Metanator merupakan reaktor yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya reaksi metanasi. Reaksi pembentukan metana yang terjadi merupakan reaksi eksoterm, sehingga reaksi ini akan menghasilkan kalor yang akan menaikan temperatur gas. Selanjutnya gas keluaran dari metanator akan dialirkan menuju gas-gas exchanger (1-E-311) kembali untuk didinginkan. Gas ini kemudian didinginkan kembali dengan dialirkan pada heat exchanger final cooler.

3 Hasil dan Analisis

Simulator proses ini telah menampilkan proses yang terjadi pada unit metanasi pabrik pembuatan amonia. Tampilan dari simulator unit metanasi ini ditampilkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Tampilan simulator proses unit metanasi

Variabel masukan yang dapat diubah pada simulator ini adalah temperatur masukan awal dari unit metanasi, temperatur set point untuk setiap heat exchanger, laju aliran gas masukan, dan konsentrasi awal CO² dari gas masukan. Dengan mengubah variabel masukan sesuai dengan skenario proses maka dapat disimulasikan kondisi startup dari unit metanasi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Grafik kenaikan temperatur reaktor saat startup

Pada tahap kondisi operasi, dilakukan pengujian karakteristik respon proses. Pada pengujian ini respon keluaran yang diamati dalam satu waktu hanya berdasarkan pada setiap satu perubahan variabel masukan yang mempengaruhi kestabilan temperatur keluaran serta konsentrasi keluaran CO² dari reaktor, yaitu laju aliran gas, konsentrasi CO² awal dalam gas, serta temperatur set point gas-gas exchanger (temperatur masukan reaktor). Hasil pengujian ini ditampilkan dalam bentuk tabel, pada Tabel 1, Tabel 2, dan Tabel 3.

Tabel 1 Pengaruh pengubahan laju aliran gas masukan

Tabel 2 Pengaruh pengubahan konsentrasi CO2 masukan

Tabel 3 Pengaruh pengubahan temperatur masukan reaktor

Dengan mengetahui karakteristik respon dari proses maka operator akan lebih tanggap saat melakukan pengaturan sistem kontrol sebenarnya. Operator dapat memahami variabel apa yang harus diubah apabila terjadi kebutuhan untuk mengubah variabel masukan.

Setelah melakukan uji respon dari simulator, simulator diujicobakan kepada mahasiswa. Berdasarkan hasil survei yang dilakukan kepada 17 orang mahasiswa tingkat akhir jurusan Teknik Fisika setelah mencoba menggunakan simulator proses unit metanasi ini, didapat hasil seperti yang ditampilkan pada Gambar 3.

Gambar 3 Hasil survei penggunaan simulator

4 Kesimpulan

Operator training simulator ini telah dapat merepresentasikan kondisi startup, kondisi normal operasi, dan kondisi shut down dari unit metanasi. Simulator ini memberikan fasilitas pengubahan variabel masukan. Variabel masukan yang dapat diubah adalah laju aliran gas masukan, konsentrasi awal CO2, dan temperatur set point dari heat exchanger. Masing-masing variabel masukan memiliki nilai batasan maksimum dan minimum sebagai berikut :

• 1. F^M = 1 m3/s 49 m3/s
• 2. CAi = 0 mol/m³ 6 mol/m³
• 3. Tst untuk gas-gas exchanger = 250C 3250C
• 4. Tst untuk trim heater = 250C 2900C
• 5. Tst untuk final cooler = 250C 4500C

Latar belakang dari pengguna simulator juga memberikan pengaruh terhadap nilai yang diberikan untuk performa simulator ini. Terlihat pada pengguna kelompok 1 dengan latar belakang yang jarang menggunakan simulator proses memberikan nilai rata-rata 17.82. Kelompok 2 dengan latar belakang cukup sering menggunakan simulator proses memberikan nilai rata-rata 19.63. Sedangkan kelompok 3 yang memiliki latar belakang sangat sering menggunakan simulator proses memberikan nilai 21.75. Berdasarkan hasil survei, 76% dari pengguna simulator menyatakan telah memahami proses yang disimulasikan setelah menggunakan simulator unit metanasi ini. Hal ini dicapai walaupun dengan 64% pengguna memiliki latar belakang yang belum paham dengan industri proses dan 70% pengguna sangat jarang dalam menggunakan simulator. Faktor-faktor yang menyebabkan para pengguna dapat dengan mudah memahami proses yang disimulasikan adalah pemberian deskripsi simulator yang cukup memadai sebelum simulator digunakan, tampilan dari simulator yang cukup mudah dimengerti dan user friendly sehingga mudah digunakan, serta fleksibilitas yang cukup memadai dalam pengubahan variabel masukan.

5 Daftar Pustaka

• [1] Irianto, B. N, dkk. (2002). "Petunjuk Operasi Pabrik Ammoniak Kaltim-4". Bontang: PT Pupuk Kalimantan Timur
• [2] Prasetya, H. (2010). "Pembuatan Operator Training Simulator Unit Primary Reformer Pabrik Amonia Menggunakan DCS CENTUM CS3000 YOKOGAWA" Tugas Akhir S1, Institut Teknologi Bandung, Indonesia.

• [3] Stephanopoulos, G. (1984). "Chemical Process Control; An Introduction to Theory and Practice". Prentice Hall. New Jersey
• [4] Herwijnen, T, dkk. (1973). "Kinetics of The Methanation of CO and CO² on a Nickel Catalyst". Journal of Catalyst 28, 391-412
• [5] Khorsand, K, dkk. (2007). "Modelling and Simulation of Methanation Catalytic Reactor in Ammonia Unit". Petroleum & Coal 49, 46-53
• [6] Coughanowr D. R. (1991). "Proscess System Analysis and Control". McGraw-Hill
• [7] Doebelin, E. O. (1990). "Measurement Systems Application and Design". Ohio: McGraw-Hill
• [8] McCabe, W. dkk. (1995). "Unit Operation of Chemical Engineering Fifth Edition". Singapura: McGraw-Hill
• [9] Wibowo, A. (2007). "Pembangunan Simulator Proses CO² Absorber Menggunakan Perangkat Lunak DCS CS1000 YOKOGAWA" Tugas Akhir S1, Institut Teknologi Bandung, Bandung, Indonesia
• [10]Yokogawa Electric Corporation. (1998). "User's Manual CS3000/CS1000". Yokogawa Electric Corporation
• [11]http://www.lpik.itb.ac.id
• [12]http://www.engineering-page.com