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 variable 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

1) Bagaimana prinsip-prinsip dari alat pengendalian proses pembuatan Urea

2) Apa contoh alat pengendalian yang digunakan dalam pembuatan Urea.

1.3. Tujuan

1) Dapat mengetahui bagaimana prinsip-prinsip dari alat pengendalian proses

pembuatan Urea

2) Dapat mengetahui contoh alat pengendalian proses tersebut yang digunakan

dalam pembuatan Urea.

1.4. Manfaat

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.

2.3. Contoh alat pengendalian Proses

2.3.1. 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 mass flow 54900 kg/jam dan temperatur 214 oC,

sedang fluida tube side adalah sistem larutan urea – gas CO2.

1) 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 men-

stripping 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.

2) 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.

3) Variabel Proses

Set Point : Temperatur

Process Varible : Level

Manipulated Variable : Laju Alir ( Control Valve )

Disturbance : Steam yang masuk

4) Gambar Unit

5) Gambar Alat

2.3.2. Rectifying Column

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.

1) 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 ......... (*)

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.

2) 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

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

3) Variable Process :

Set Point : Temperatur

Process Variable : Steam masuk

Manipulated Variable : Laju alir steam

Disturbance : Temperatur dalam steam

4) Gambar Unit

5) Gambar Alat

2.3.3. 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).

1) 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.

2) 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.

3) Variable Process :

Set Point : Temperature

Process Variable : Tekanan

Manipulated Variable : Control Valve

Disturbance : Urea yang keluar dari flash tank

4) Gambar Unit

5) Gambar Alat

2.3.4. 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.

1) 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.

a) Kondensor adalah alat yang berfungsi mengkondensasikan gas menggunakan

cooling water.

b) 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 :

a) Evaporator tingkat 1 (first stage evaporator)

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

kg/cm2 (vakum).

b) 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.

2) 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.

3) Variable Process :

Set Point : Temperatur

Process Variable : Steam masuk

Manipulated Variable : Laju alir steam

Disturbance : Temperatur dalam steam

4) Gambar Unit

5) Gambar Alat

Daftar Pustaka

http://id.wikipedia.org/wiki/Pengendalian_proses

http://idpupuk.blogspot.com/2012/11/industri-pupuk-urea.html

http://majarimagazine.com/2008/02/pengendalian-proses-1/