## Pembuatan Operator Training Simulator Unit Tanur Anoda dan Pengolahan pada Pabrik Pemurnian Tembaga menggunakan
Fasilitas Pemrograman Function Block Distributed Control

## System
Nico Febrian
Program Studi Teknik Fisika – Institut Teknologi Bandung

## Abstrak
Operator Training Simulator (OTS) merupakan simulator  yang dibuat untuk menggambarkan proses aktual di lapangan dan dapat menjadi sebuah metode pembelajaran bagi operator baru tanpa harus terjun langsung ke lapangan untuk meningkatkan efisiensi waktu dan biaya. OTS pada penelitian ini dibuat berdasarkan proses sebenarnya pada unit tanur anoda dan unit refinery di PT Smelting Gresik menggunakan  fasilitas  pemrograman function  block pada  DCS  Centum  CS3000  Yokogawa. Pemodelan pada simulator menggunakan persamaan kesetimbangan energi dan massa. Pembuatan OTS ini berdasarkan kebutuhan efisiensi proses pemurnian tembaga yang tinggi, baik waktu maupun biaya karena hanya terdapat satu pabrik pemurnian tembaga di Indonesia.
Simulasi pada unit tanur anoda meliputi proses oksidasi dan reduksi. Sedangkan pada unit Refinery , simulasi meliputi proses electrorefining (elektrolisis). Secara keseluruhan, simulasi menggambarkan penurunan  kadar  pengotor  di  dalam  tembaga  cair.  Hasil  simulasi  telah  divalidasi  terhadap  data aktual  lapangan  dan  didapat  galat  sebesar  0.  08%  untuk  proses  oksidasi,  0.  91%  untuk  proses reduksi dan 1. 06% untuk proses refining.

## Kata Kunci: Operator training simulator, Anoda, Refinery, Tembaga, DCS

## Abstract
Operator Training Simulator (OTS) is a simulator that describes actual process at plant. In this study, OTS was build based on actual process at anode furnace and refinery unit at PT Smelting Gresik using function block in DCS Centum CS3000 Yokogawa in order to increase  efficiency of copper smelting process. Simulator  calculations are based on Law  of conservation of mass and energy. Simulations for anode furnace unit consist of oxidation and reduction process. Meanwhile refinery unit consist of electro refining process. Simulation obtained that contaminant level on molten cooper were decrease. Simulation  results  have  been  validated  by  actual  data,  obtained  errors  at  oxidation,  reduction,  and refining process, 0.08%, 0.91%, and 1.06%, respectively.
Keyword: operator training simulator, anode, refinary, cooper, DCS

## 1 Pendahuluan

## 1.1 Latar Belakang
Indonesia kaya dengan tembaga yang terbukti dari posisi Indonesia pada peringkat ketujuh dunia sebagai negara yang memiliki cadangan tembaga terbanyak yaitu sebesar 4,1% yang tersebar  di  Papua,  Jawa  barat,  dan  Sulawesi  Utara  [1].  Namun  hal  ini  sangat  kontras dengan  minimnya  jumlah  pabrik  pengolahan  tembaga  di  Indonesia  yaitu  hanya  terdapat satu  pabrik  pemurnian  tembaga  yang  menangani  seluruh  hasil  alam  ini  [2].  Hal  ini menyebabkan kebutuhan efisiensi yang tinggi dari proses pemurnian tembaga, baik waktu maupun  biaya  yang  dapat  dipenuhi  oleh  adanya Operator  Training  Simulator ( OTS ) . OTS dapat  meningkatkan  efisiensi  waktu  dan  biaya  melalui  pelatihan  operator  baru  tentang proses  pada plant dalam  waktu  yang  singkat  tanpa  mengganggu  proses  pemurnian
tembaga  yang  sedang  berlangsung  [3].  OTS  merupakan  simulator  proses  yang menggambarkan  pabrik  pemurnian  tembaga,  khususnya  unit  tanur  anoda  dan refinery untuk  kondisi  tunak  dan startup dengan  menggunakan  fasilitas  pemrograman function block pada  DCS  Centum  CS3000  Yokogawa.  Untuk  mengetehui  keakuratan  simulator, dilakukan  validasi  hasil  simulasi  OTS  terhadap  data  aktual  proses  di  lapangan menggunakan Simulink pada MATLAB ® .

## 2 Konsep / Teori Dasar

## 2.1 Proses Pemurnian Tembaga
Proses  pemurnian  tembaga  terdiri  dari  proses combustion dan electrorefining .  Tahap pemurnian  ini  bertujuan  mendapatkan  tembaga  murni  99.99%.  Proses combustion merupakan  tahap  awal  untuk  memisahkan  tembaga  dari  pengotornya  menggunakan proses pemanasan. Proses combustion terdiri dari 2 unit yaitu unit smelter (tanur S, Cl dan C)  dan  unit  tanur  anoda.  Pada  unit smelter ,  proses  berlangsung  secara  kontinyu  dan dihasilkan leburan matte dan terak sebagai keluaran dari tanur S dan tanur Cl. Sedangkan pada tanur C, dihasilkan tembaga cair ( blister ) yang menjadi masukan untuk tanur anoda. Proses ini terlihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Proses pemurnian tembaga Pada tanur anoda terjadi proses semi-batch dimana blister akan ditampung di dalam tanur anoda  dan  oksigen  akan  ditembakkan  dari  dalam blister secara  kontinyu. Blister akan mengalami  proses  oksidasi  dan  reduksi  sehingga  didapat  keluaran  berupa  lempeng tembaga  anoda.  Lempeng  tembaga  anoda  mengandung  99.4%  tembaga  murni  yang kemudian  akan  dielektrolisis  ( electrorefining )  pada  unit refinery sehingga  menghasilkan tembaga murni 99.99%.

## 2.2 Tanur Anoda
Pada tanur anoda terjadi beberapa tahap proses yaitu: penerimaan ( receiving ), preoksidasi, oksidasi,  reduksi  dan casting .  Namun,  dalam  pemurnian  tembaga  proses  oksidasi  dan reduksi memiliki peran yang besar. Proses oksidasi bertujuan menurunkan kadar sulfur di dalam  blister  hingga  kurang  dari  0.01%  menggunakan  udara  yang  diperkaya  oksigen sesuai persamaan (1).
S (aq) + O 2(g)  SO 2(g) (1)
Proses  oksidasi  akan  menyebabkan  kandungan  oksigen  terlarut  di  dalam blister akan meningkat  sehingga  dibutuhkan  proses  reduksi.  Proses  reduksi  bertujuan  menurunkan kadar  oksigen  di  dalam  blister  hingga  kurang  dari  0.15%  menggunakan  minyak  solar (C 12 H 23 ). Proses reduksi akan menghasilkan gas CO 2 dan H 2 O sesuai persamaan (2).
C 12 H 23(l) +   O 2(aq)  12 CO 2(g) +   H 2 O   (2)
Dalam  memodelkan  peluruhan  kadar  sulfur  dan  oksigen  di  dalam blister ,  digunakan persamaan dinamis kesetimbangan massa.
(3)

## 2.3 Unit Refinery
Pada unit refinery , terjadi proses pemurnian tembaga menggunakan proses electrorefining . Proses electrorefining adalah  proses  pemurnian  tembaga  menggunakan  sel  elektrolisis dengan  tembaga  99.4%  sebagai  anoda  dan  baja  anti  karat  sebagai  katoda.  Proses  ini memindahkan  partikel  tembaga  menggunakan  arus  listrik  searah  (DC)  ke  katoda. Banyaknya  tembaga  yang  terbentuk  di  katoda  untuk  selang  waktu  tertentu  dapat ditentukan dengan persamaan (4).
(4)
Proses  elektrolisis  dipanen  sebanyak  dua  kali  dengan  lama  proses  yang  berbeda  beda. Pada  tahap  pertama,  proses  berlangsung  selama  7  (tujuh)  hari  dan  akan  diperoleh  plat baja  yang  ditempeli  tembaga  99.99%  sebanyak  50-60  kg.  kemudian  plat  baja  akan ditanam  kembali  ke  dalam  tangki  elektrolisis  selama  12  hari  dan  didapatkan  tembaga 99.99%  seberat  100  kg.  Pada  sel  elektrolisis  ini  jumlah  anoda  harus  1  lempeng  lebih banyak daripada katoda karena diharapkan 2 lempeng anoda mengapit 1 katoda sebagai media tempel partikel tembaga 99.99% [4].

## 2.4 Operator Training Simulator
Operator  training  simulator merupakan  sebuah  aplikasi  yang  digunakan  sebagai  media pelatihan  operator  yang  berbasis  computer  dengan  melakukan  simulasi  suatu  proses industri  lengkap  dengan  sistem  kontrolnya.  Perangkat  ini  melatih  operator-operator  baru agar  dapat  memahami  karakteristik  proses  dari  plant  dengan  mengubah-ubah  nilai masukan  proses  pada  virtual  plant  di  OTS  tanpa  memberi  pengaruh  untuk  plant sebenarnya.  Selain  itu,  operator  baru  dapat  melakukan  simulasi  proses  dari  kondisi startup , kondisi tunak, shut down dan emergency yang jarang ditemui dalam kenyataannya sehingga OTS dapat menghemat waktu pembelajaran operator baru. Oleh karena itu, OTS dibuat sedemikian rupa agar memiliki tampilan yang sama persis dengan Human Machine Interface yang  terdapat  pada control  room agar  operator  yang  baru  terbiasa menggunakannya.

## 2.5 DCS Centum CS3000 Yokogawa
Distributed  Control  System (DCS)  merupakan  sebuah  sistem  kontrol  terdistribusi  yang menggunakan jaringan VL net sebagai media penghubung sensor, pengontrol, aktuator dan terminal  operator  dengan  tujuan  mengakuisisi  data  lapangan  dan  menentukan  respon sistem  terhadap  data  lapangan.  Pada  DCS  terdapat  tiga  komponen  utama  yaitu Field Control  Station (FCS), Human  Interface  Station (HIS)  dan field  instrument (sensor  dan aktuator). Pada penelitian ini, OTS dibangun dengan menggunakan fasilitas function block pada  DCS  Centum  CS3000  Yokogawa  yang  bertujuan  untuk  memudahkan  para  operator baru  beradaptasi  dengan  perangkat  yang  terdapat  di control  room pabrik  pemurnian tembaga.

## 3 Pembangunan Simulator
Simulator proses dibuat sesuai dengan kondisi aktual lapangan sehingga dibutuhkan studi literatur mengenai pemodelan sistem untuk proses yang berlangsung pada  pabrik. Selain studi literatur, juga dibutuhkan penelitian lapangan sebagai metode pembelajaran proses aktual  pada plant dan  pengumpulan  data  aktual  proses.  Pemodelan  sistem  meliputi parameter yang berpengaruh untuk keberlangsungan proses baik masukan sistem maupun keluaran  dan  sistem  penunjang.  Pemodelan  yang  sesuai  dengan  proses  akan  dibangun dalam function  block pada  DCS  dan  dilakukan  simulasi  proses.  Agar  dapat  melihat  hasil simulasi,  dibutuhkan  perancangan Human  Machine  Interface (HMI)  terlebih  dulu  pada DCS. Hasil simulasi yang didapatkan, divalidasi terhadap data aktual proses.

## 4 Hasil dan Analisis
Simulator proses ini telah menampilkan proses pemurnian tembaga pada unit tanur anoda dan refinery di pabrik. Tampilan dari OTS untuk unit tanur anoda dan refinery terlihat pada Gambar 2. Pada OTS ini, dapat diketahui laju penurunan kadar pengotor pada tembaga cair sebagai masukan proses untuk tanur anoda dalam bentuk grafik dan display data numerik. Tidak hanya penurunan kadar pengotor, data masukan serta produk dari proses juga dapat diketahui melalui simulasi proses ini.
Gambar 2 HMI simulator unit tanur anoda dan refinery
Simulator  dijalankan  dari  kondisi startup hingga  kondisi  normal  operasi  (tunak)  yang disajikan pada Gambar 3.
Gambar 3 Grafik kondisi startup hingga tunak unit tanur anoda dan Refinery
Validasi  hasil  simulasi  terhadap  data  lapangan  dilakukan  pada  kondisi  normal.  Validasi berfokus pada kandungan sulfur yang terkandung di dalam blister untuk proses oksidasi, kandungan  oksigen  yang  terkandung  di  dalam blister untuk  proses  reduksi  dan  massa tembaga  yang  terbentuk  pada  proses electrorefining berdasarkan  data  lapangan  dan literatur.  Validasi  dilakukan  menggunakan  fasilitas  pemrograman  pada  Simulink  MATLAB seperti pada Gambar 4.
Gambar 4 Validasi data simulator terhadap data lapangan Dari  proses  validasi  yang  dilakukan  didapat  galat  antara  data  hasil  simulasi  dan  data aktual proses lapangan sesuai Gambar 5.
Kandungan Pengotor (kmol) % Absolut Error Relatif Simulasi OTS Kondisi Aktual Lapangan Oksidasi 1.251 1.250 0.08 Reduksi 18.790 18.621 0.91 Massa Tembaga (kg) % Absolut Error Relatif Simulasi OTS Kondisi Aktual Lapangan Refinery 50.10 50.63 1.06
Gambar 5 Nilai error antara data simulator dan data lapangan
Beberapa  galat  yang  terjadi  antara  hasil  simulasi  OTS  dengan  data  aktual  proses  di lapangan  disebabkan  oleh  beberapa  hal  yaitu  adanya  masukan  sistem  tambahan  pada proses di lapangan yang tidak diikutsertakan dalam perhitungan, reaksi kimia diasumsikan berlangsung  sempurna,  pengaruh  laju  aliran  elektrolit  diabaikan  dalam  pembentukan tembaga pada unit refinery .

## 5 Kesimpulan
Operator  Training  Simulator yang  dibuat  menggambarkan  kondisi startup hingga  kondisi tunak pada tanur Anoda dan hanya kondisi tunak pada unit refinery dari pabrik pemurnian tembaga dengan validasi data yang hanya dapat dilakukan pada kondisi tunak saja. Pada tanur anoda diperoleh persentase absolut error relatif 0. 08% untuk proses oksidasi dan 0. 91%  untuk  proses  reduksi.  Sedangkan  pada  unit  refinery  diperoleh  persentase  absolut kesalahan  relatif  sebesar  1.06%  untuk  proses electrorefining .  Pada  tanur  anoda,  galat terjadi karena adanya beberapa konsentrat yang diikutsertakan dalam proses di lapangan tapi  tidak  masuk  dalam  stoikiometri  proses.  Konsentrat  tersebut  berperan  sebagai katalisator  proses,  input  tambahan  yang  berasal  dari  lempeng  tembaga  cacat  produksi, dan  pengatur  temperatur  proses.  Sedangkan  pada  unit refinery ,  galat  terjadi  karena adanya  pengaruh  dari  aliran  elektrolit  pada  sel  untuk  kondisi  aktual  lapangan.  Aliran elektrolit mempengaruhi banyaknya  perpindahan partikel massa, mencegah penumpukan partikel  massa  di  satu  titik  dan  menjaga  temperatur  [5].  Sedangkan  untuk  pemodelan berdasarkan OTS, aliran elektrolit diasumsikan tidak memberi pengaruh dalam peluruhan partikel tembaga.

## 6 Daftar Pustaka
[1] http://www.djmbp.esdm.go.id/modules/news/index.php?_Act=detail&sub=news minerbapabum&news id=3042
[2] Booklet Pengenalan PT. Smelting, Gresik. 2010. Indonesia.
[3] van der Wal, G. et al. 1996. Minimising Investment with Dynamic Simulation . Dicetak ulang dari Petroleum Technology Quarterly.
[4] Mitsubishi  Corporation.  1998. Operation  Manual  For  Gresik  Copper  Smelter  and Refinery (3) Smelter Ref 0.1998.0403 . Mitsubishi Corporation.
[5] Anonymous.  2010. Extractive  Metallurgical  of  Non-Ferrous  Metals  IA .  class  notes ENG06631.  Metallurgical  and  Materials  Engineering,  School  of  Engineering,  Federal University of Rio Grande do Sul, UFRGS.