## Pemodelan Kolom Distilasi Pabrik Petrokimia dengan Menggunakan Distributed Control System
Hafid S.N. Muzwar, Atindriyo K. Pamososuryo, dan Estiyanti Ekawati Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung Email: 1atindriyo.kusumo@students.itb.ac.id

## Abstrak
Kolom  distilasi  merupakan  unit  proses  industri  yang  sangat  penting.  Di  dalamnya  berlangsung pemisahan  fisis  dua  jenis  larutan  yang  berbeda  volatilitasnya  pada  temperatur  relatif  tinggi  dan tekanan rendah. Pada penelitian ini dibangun model matematis  dan simulasi rangkaian dua kolom distilasi, yaitu deethanizer dan depropanizer pada pabrik olefin. Parameter proses ini didapatkan dari desain pabrik. Simulasi ini dibangun untuk menampilkan dinamika proses serta penjalaran fluktuasi antar  nampan  dari  satu  kolom  ke  kolom  lainnya  sehingga  dapat  digunakan  untuk  menentukan strategi alarm management .
Kata Kunci:kolom distilasi, pemodelan.

## Abstract
Distillation column is an important industrial unit process. The column facilitates physical separation of two homogeneous liquids of different volatility at relatively high temperature and low pressure. This study  developed  mathematical  and  simulation  program  for  a  train  of  distillation  columns  in  Olefin industry  namely,  deethanizer  and  depropanizer.  The  respective  process  parameter  was  based  on plant design data. The simulation was developed to show process dynamics and the propagation of process  fluctuations  across  trays  and  columns.  The  result  facilitated  the  design  of  an  alarm management system.

## Keywords: distillation column, modeling

## 1 Pendahuluan
Industri  proses  merupakan  industri  yang  mengolah  bahan  baku  menjadi  suatu  produk dengan memanfaatkan proses-proses fisis dan kimiawi. Industri petrokimia adalah cabang dari  industri  proses  yang  menggunakan  bahan  baku  olefin,  minyak  bumi,  gas  alam,  dan sebagainya. Bahan baku tersebut diolah untuk menjadi produk dengan nilai ekonomis yang lebih tinggi.
Proses distilasi merupakan  proses  yang sangat penting dalam industri petrokimia. Tujuan proses  distilasi  adalah  untuk  memisahkan  komponen-komponen  dari  satu  campuran seperti  gas  alam,  menjadi  komponen  penyusunnya,  seperti  metana,  etana,  propana, butana, pentana, dan sebagainya. Komponen tersebut dipisahkan berdasarkan perbedaan volatilitas,  yakni  tingkat  kemudahan  suatu  zat  untuk  menguap.  Pada  proses  distilasi, proses pemisahan dilakukan bertingkat, bergantung pada produk yang akan dihasilkan [2]. Penelitian ini secara khusus menyajikan pemodelan kolom distilasi dengan menggunakan DCS.  Penelitian  ini  memanfaatkan  parameter-parameter  fisis  sistem  kolom  distilasi berdasarkan penelitian [2].

## 2 Proses Pemisahan dengan Kolom Distilasi Biner
Distilasi biner merupakan proses pemisahan secara fisika campuran homogen dua larutan yang  berbeda  menggunakan  temperatur  tinggi  dan  tekanan  rendah  sehingga  terjadi penguapan  berdasarkan  perbedaan  titik  didih  atau  volatilitas  komponen  tersebut. Kemudian  uap  yang  terbentuk  diembunkan  dalam  kondensor.  Di  dalam  kolom  distilasi, komponen  yang  memiliki  titik  didih  lebih  rendah  akan  menguap,  sedangkan  komponen yang memiliki titik didih lebih tinggi akan tetap berfase cair.  Komponen dengan titik lebih rendah  dalam  fase  gas  berakumulasi  pada  bagian  atas  kolom  distilasi  dan  menuju kondenser. Komponen dalam fase cair menuju ke bagian bawah kolom menuju proses di unit selanjutnya.

## 3 Deskripsi Proses Kolom Deethanizer dan Depropanizer
Dalam  industri  petrokimia,  kolom  distilasi  merupakan  salah  satu  proses  yang  penting, karena  berhubungan  dengan  produk  industri  tersebut.  Pabrik-pabrik  petrokimia  dalam proses produksi umumnya menggunakan kolom distilasi bertingkat. Produk dari satu kolom distilasi  akan  dipergunakan  sebagai  umpan  untuk  kolom  distilasi  selanjutnya  sehingga didapatkan  pecahan-pecahan  hidrokarbon  dengan  panjang  rantai  karbon  tertentu  yang diinginkan.  Pada  penelitian  ini,  kolom  yang  digunakan  adalah  kolom  deethanizer  dan depropanizer. Kedua kolom ini terletak bersusun di mana produk bawah kolom deethanizer berperan  sebagai  umpan  pada  kolom  depropanizer.  Ilustrasi  susunan  kolom  deethanizer dan depropanizer pada pabrik petrokimia dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Kolom distilasi pada penelitian

## 3.1 Kolom Deethanizer
Kolom  deethanizer  merupakan  kolom  pemisah  etana  (C 2 H 4 )  dari  hidrokarbon  lebih  berat lainnya (C 3+ ). Etana berperan sebagai komponen ringan ( light component ) dan hidrokarbon
yang lebih berat berperan sebagai komponen berat ( heavy component ). Kolom deethanizer memiliki  tiga  buah  umpan  berupa  umpan  pertama  yang  berasal  dari green  oil  effluent pump ,  umpan  kedua  merupakan  produk  bawah  kolom  demetanizer,  dan  umpan  ketiga berasal dari dryer feed chiller . Bagian bawah kolom deethanizer memiliki 70 buah nampan yang berfungsi untuk membantu proses pemisahan antara fase cair dan uap [2].

## 3.2 Kolom Depropanizer
Kolom depropanizer bertugas untuk memisahkan komponen propana (C 3 H 8 ) dari campuran umpan  yang  mengandung  komponen  berat  lainnya  (C 4+ ).  Untuk  menjaga  kestabilan  suhu operasi  di  dalam  kolom,  kolom  depropanizer  ini  menggunakan  dua  buah reboiler yang terdapat  pada  nampan  ke-41  dan  ke-50.  Secara  keseluruhan  kolom  depropanizer  ini memiliki  50  buah  nampan  dan  memiliki  dua  buah  umpan.  Umpan  pertama  berasal  dari produk kolom deetanizer dan umpan kedua dari unit lainnya.

## 4 Pemodelan Distilasi
Pemodelan proses distilasi dilaksanakan menggunakan Persamaan kesetimbangan massa [3][4].  Pemodelan  dinamika  proses  pada  bagian-bagian  utama  kolom  distilasi  akan dijelaskan pada butir-butir berikut.

## 4.1 Tangki Akumulator
Uap yang mengalir menuju nampan paling atas disalurkan menuju kondenser (V 1 ) sehingga fasenya  akan  berubah  menjadi  cair  secara  keseluruhan.  Produk  yang  berfase  cair kemudian  dibagi  dua  menjadi  refluks  (L D )  yang  akan  kembali  kepada  kolom  distilasi  dan distilat (D). Persaman perhitungan untuk akumulator adalah sebagai berikut:
Gambar 2 Diagram kesetimbangan massa kolom distilasi pada nampan teratas dan akumulator
(1) (2)

## 4.2 Nampan Selain Nampan Umpan
Pada  setiap  nampan  selain  nampan  umpan,  komponen  berfase  cair  bergerak  menuju bagian  bawah  kolom  dan  komponen  berfase  uap  bergerak  menuju  bagian  atas  kolom. Persaman  perhitungan  berdasarkan  kesetimbangan  massa  yang  digunakan  sebagai berikut:
Gambar 3 Diagram kesetimbangan massa pada nampan selain nampan umpan
(3)
(4)

## 4.3 Nampan Umpan
Prinsip  kesetimbangan  massa  yang  berlaku  pada  nampan  umpan  sama  dengan  nampan selain  umpan  ditambah  dengan  masukan  umpan.  Persamaan  yang  diturunkan  dapat dilihat sebagai berikut:
Gambar 4 Diagram kesetimbangan massa pada nampan ke-4, -16, dan -34 (Deethanizer), nampan ke-30 dan ke-44 (Depropanizer)
(5) Nampan ke - n Nampan umpan Umpan (F)
(6)

## 4.4 Bagian Bawah Kolom
Pada  nampan  terbawah  kolom  distilasi  terdapat reboiler yang  berperan  sebagai  penjaga suhu operasi. Jumlah dan konfigurasi dari reboiler beragam tergantung fungsi tujuan dari kolom distilasi. Persamaan yang diturunkan sebagai berikut:
Gambar 5 Diagram kesetimbangan massa pada bawah kolom
(7)
(8)
Secara  keseluruhan,  dengan  demikian  model  kolom  deethanizer  terdiri  dari  144 Persamaan diferensial, sedangkan depropanizer terdiri dari 58 Persamaan differensial.

## 5 Pembangunan Simulasi
Pembangunan simulasi ini dilakukan dalam beberapa tahapan, sebagaimana dapat dilihat dalam Gambar 6.
Gambar 6 Diagram alir pembangunan simulasi alarm management system

## 5.1 Pemodelan Proses dengan MATLAB
Pemodelan  proses  distilasi  pada  kolom  deethanizer  dan  depropanizer berdasarkan pustaka  [3]  dan  dituliskan  dalam  bentuk  Persamaan  diferensial  massa  dan  konsentrasi hasil  distilasi  pada  Persamaan  (1)-(8).  Persamaan-Persamaan  tersebut  kemudian diimplementasikan dalam program simulasi MATLAB. Masukan dari sistem MATLAB kolom distilasi  ini  adalah  saluran  umpan  dan  refluks,  sedangkan  hasil  dari  sistem  ini  adalah saluran top  product dan bottom  product dari  kolom.  Gangguan  ( disturbance )  diberikan pada model melalui umpan. Keluaran dari model ini adalah hold up likuid dan fraksi mol komponen ringan.
Pembuatan model MATLAB pada penelitian ini secara garis besar dibagi menjadi 3 bagian utama:
1. program utama yang mengandung segala nilai parameter dan nilai awal;
2. program ‘model’ yang mengandung perhitungan-perhitungan dari Persamaan (1)-(8);
3. program ‘ events’ yang menghasilkan informasi atau menterminasi simulasi bila kondisi tertentu dipenuhi.

## 5.2 Pembuatan Project Baru pada DCS
Untuk memfasilitasi pelatihan operator, dibangun pula simulasi pada platform Distributed Control  System (DCS).  DCS  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah  Centum  VP  dan pemrograman  dilakukan  di  fasilitas function  block DCS  tersebut.  Langkah  pertama pembuatan model simulasi pada DCS dengan membuat project yang dapat diakses pada menu System View – File – Create New – Project.

## 5.3 Pembuatan Function Block
Pembuatan control drawing dilakukan pada menu ‘ FUNCTION_BLOCK’. ‘FUNCTION BLOCK’ sendiri dapat ditemukan pada menu ‘FCS’ dari project yang dibuat. Control drawing akan dibuat  berdasarkan  Persamaan  diferensial  dinamika  proses  yang  telah  dituliskan  pada subbab 4. Terdapat lima tipe function block yang digunakan pada pengerjaan penelitian ini, yaitu blok ‘CALCU’, ‘INTEG’, ‘MLD-PVI’, ‘PVI’, dan ‘DLAY’. Persamaan dinamika seperti dm/dt dan  dx/dt  akan  dihitung  pada  blok  ‘CALCU’.  Operasi  integrasi  akan  dilakukan  pada  blok ‘INTEG’. Untuk parameter yang akan diubah secara manual oleh pengguna digunakan blok ‘MLD-PVI’. Blok ‘PVI’ digunakan untuk memberikan alarm pada variabel proses tertentu.

## 5.4 Pembuatan Human Machine Interface (HMI)
HMI  adalah  sebuah  bentuk  antar-muka  antara  manusia  dengan  DCS.  HMI  dibuat  pada bagian  HIS pada project . Dengan  HMI  ini, diharapkan  proses  pembelajaran  menjadi  lebih mudah  tanpa  harus  memanggil  satu-persatu tag  name dari function  block dalam memahami  proses.  HMI  dalam  penelitian  ini  meliputi faceplate,  tuning  window,  graphic window, dan trend group .

## Gambar 6 Tampilan HMI

## 5.5 Pembuatan Simulasi Kolom Distilasi
Kondisi awal dari simulasi merupakan kondisi kolom distilasi saat umpan tengah mengalir dengan  laju  sesuai  data  pabrik  petrokimia.  Parameter  beserta  nilai-nilai  yang  digunakan dalam simulasi dapat dilihat pada Tabel 1-Tabel 3.
Tabel 1 Nilai laju aliran umpan pada deethanizer dan depropanizer saat kondisi awal
D eet ha ni zer Lokasi Laju Aliran Umpan (mol/detik)
D epropa nize r Lokasi Laju Aliran Umpan (mol/detik) Umpan ke-1 90,5 Umpan ke-1 240,167 Umpan ke-2 316,167 Umpan ke-2 199,167 Umpan ke-3 132,667
Tabel 2 Nilai fraksi mol komponen ringan pada deethanizer dan depropanizer saat
kondisi awal
D eet ha ni zer Lokasi Fraksi mol komponen ringan (mol%) D epropa nize r
Lokasi Fraksi mol komponen ringan (mol%) Akumulator 0.976 Akumulator 0.999 Umpan ke-1 0.934 Umpan ke-1 0.719 Umpan ke-2 0.766 Umpan ke-2 0.606 Umpan ke-3 0.514 Bawah kolom 0.595 Bawah kolom 0.01
Tabel 3 Parameter beserta nilai yang digunakan dalam simulasi No. Parameter Nilai 1 Nilai hold up cair pada dua kolom distilasi 500 mol 2 Delay time antar nampan 0,063 menit = 3,78 detik 3 Aliran refluks nominal 2,70629 x total laju aliran umpan 4 Aliran pendidih ulang/ reboiler nominal 3,20629 x total laju aliran umpan 5 Nilai volatilitas relatif (α) 1,5

## 6 Hasil Simulasi
Gambar 7  Grafik fraksi mol komponen ringan pada kolom deethanizer dalam keadaan operasi normal & Grafik massa hold up pada kolom deethanizer dalam keadaan operasi normal
Gambar 8 Grafik fraksi mol komponen ringan pada kolom deethanizer dalam keadaan terganggu & Grafik massa hold up pada kolom deethanizer dalam keadaan terganggu Hasil  simulasi  pada  Matlab  ditunjukan  pada  Gambar  7.  Simulasi  ini  menunjukan  kondisi operasional  kolom  deethanizer  dan  kolom  depropanizer  yang  stabil.  Namun  apabila mengalami gangguan, seperti ditunjukan  pada  Gambar  8  maka  fraksi mol maupun liquid hold up berfluktuasi dan memburuk saat menjalar ke kolom depropanizer.
Gambar 9 Grafik fraksi mol komponen ringan pada kolom depropanizer dalam keadaan operasi normal & grafik massa hold up pada kolom depropanizer dalam keadaan operasi normal
Gambar 10 Grafik fraksi mol komponen ringan pada kolom depropanizer dalam keadaan terganggu & grafik massa hold up pada kolom depropanizer dalam keadaan terganggu
Hasil  simulasi  menunjukan  bahwa  dinamika  proses  dalam  kolom  distilasi  sangat  sensitif terhadap  ganguan  dan  cenderung  memburuk  bila  terjadi  dalam  rangkaian  kolom. Fenomena  yang  tampak  ini  akan  sangat  berguna  untuk  membangun  sistem  manajemen alarm.

## 7 Kesimpulan
1. Pada  penelitian  ini  telah  dibuat  pemodelan  kolom  distilasi  deethanizer  dan depropanizer pada platform Matlab dan DCS.
2. Hasil  simulasi  telah  mengGambarkan  dinamika  proses  dalam  kolom  dan  siap digunakan  untuk  perancangan  sistem  manajemen  alarm  maupun  perancangan sistem kontrol lainnya.

## 8 Daftar Simbol
B : laju aliran massa pada bottom product (kg/s) D :
laju aliran massa distilat (kg/s)
F :
laju aliran umpan (kg/s)
L D : laju aliran massa refluks (kg/s) L n,n-1,n+1 : laju aliran massa fase cair pada nampan ke n, n-1 dan n+1 (kg/s) M B : massa cairan yang tertampung pada bawah kolom (kg) M D : massa cairan yang tertampung pada tangki akumulator (kg) M n : massa cairan yang tertampung pada nampan ke-n (kg) M nF : massa cairan yang tertampung pada nampan umpan (kg) N : jumlah nampan pada kolom distilasi Q F : persentase jumlah fase cair pada umpan (%) V n,n-1,n+1 : laju aliran massa fase uap pada nampan ke n, n-1 dan n+1 (kg/s) V Reb : laju aliran massa uap pendidih ulang/ reboiler (kg/s) x B : fraksi mol komponen ringan pada fase cair di bottom uap (% mol) x D : fraksi mol komponen ringan pada distilat (% mol) x F : fraksi mol komponen ringan pada umpan (% mol) x n : fraksi mol komponen ringan pada fase cair di nampan ke-n (% mol) x nF : fraksi mol komponen ringan pada fase cair di nampan umpan (% mol) y n : fraksi mol komponen ringan pada fase uap di nampan ke-n (% mol) y nF : fraksi mol komponen ringan pada fase uap di nampan umpan (% mol) y Reb : fraksi mol komponen ringan pada fase uap di bagian bawah kolom (% mol) α
: volatilitas relatif
9 Daftar Pustaka
[1] ANSI/ISA-18.2-2009.  “Management  of  Alarm  Systems  for  the  Process  Industries.” 2009.
[2] Hersaputri,  M.  2014.  Perancangan  Struktur  Plant  dan  Konfigurasi  Pengontrol  pada High  Purity  Binary  Distillation  Columns  di  Pabrik  Petrokimia  Olefin.  Tug.Tesis  pada Sarjana Strata 2 Instrumentasi dan Kontrol ITB Bandung: tidak diterbitkan.
[3] Skogestad,  S.  1997A.  Dynamics  and  Control  of  Distillation  Columns:  A  Tutorial Introduction, Trans. IchemE, 75, Part A.
[4] Stephanopoulos,  G.  1984. Chemical  Process  Control:  An  Introduction  in  Theory  and Practice . New Jersey: Prentice Hall.