## Pembuatan Operator Training Simulator Unit Desulfurisasi Pabrik Amonia Menggunakan DCS DELTA-V Fisher Rosemount

## Yatrizal dan Sutanto Hadisupadmo

## Departemen Teknik Fisika – Institut Teknologi Bandung

## Abstrak
Dalam  proses  produksi  terdapat  berbagai  variasi  kondisi  operasi  dengan  berbagai  parameter  yang menentukan  kuantitas  dan  kualitas  dari  produk.  Oleh  karena  itu,  para  operator  harus  dapat memahami  proses  industri  yang  sedang  berlangsung  dengan  baik.  Untuk  mendukung  operator memahami  proses  maka  diperlukan  suatu Operator  Training Simulator (OTS)  yang  memungkinkan operator untuk mempelajari karakteristik plant tanpa mengganggu kondisi plant yang sesungguhnya. OTS ini kemudian dibangun menggunakan DCS Delta V Fisher  Rosemount dengan studi kasus unit desulfurisasi  pada  sistem  produksi  amonia.  Dinamika  proses  didefinisikan  pada function  block menggunakan  persamaan  laju  perubahan  temperatur  dan  laju  perubahan  kandungan  H 2 S  melalui fasilitas control studio yang terdapat pada DCS Delta V Fisher Rosemount. Human Machine Interface (HMI)  dibangun  pada  Delta  V  Operate  agar  memudahkan  operator  atau  pengguna  OTS  mengamati dinamika  proses  yang  terjadi.  Dengan  melakukan  pengaturan  pada  parameter  dan  nilai  input, didapatkan kandungan H 2 S pada operasi normal keluaran unit desulfurisasi sebesar 0, 85 ppm (part per  million)  dan  temperatur  output sebesar  634  kelvin.  Rentang  kerja Operator  Training  Simulator adalah pada kondisi flow in natural gas 6 m 3 /s s.d 25 m 3 /s dan temperatur masukan flue gas 473 Kelvin  s.d  561  Kelvin.  Kondisi  trip  terjadi  apabila  flow  in  natural  gas  <  6  m 3 /s  atau  temperatur masukan flue gas ≥ 562 Kelvin
Kata Kunci: DCS, Operator Training Simulator, Desulfurisasi, HMI, Function Block

## Abstract
In  the  process  production  there  are  many  conditions  of  the  operation  as  a  quantity  and  quality parameter  of  the  product.  Therefore,  an  operator  should  well  understand  the  production  process. Supporting the operator to learn the  process, operator training simulator was built to resemble the real plant. In this research OTS was built using DCS Delta V Fisher Rosemount for desulfurisation unit at Ammonia plant. Human machine interface was also built to visualize dynamic process results of the simulator.  Setting  input  parameter,  simulation  results  were  obtained:  H2S  content  at  normal operation is 0.85 ppm and temperature output is 634 K. Span at flow in condition are 6 m 3 /Sec - 25 m 3 /Sec, span of temperature are 473 Kelvin  -561 Kelvin. Trip condition occurred at flow in natural gas < 6 m 3 /Sec or flue gas input ≥ 562 Kelvin.
Keyword: DCS, operator training simulator, desulfurisation, HMI,function block

## 1 Pendahuluan
Dalam  proses  produksi  terdapat  berbagai  variasi  kondisi  operasi  dengan  berbagai parameter  yang  menentukan  kuantitas  dan  kualitas  dari  produk  akhir.  Keberhasilan mengoperasikan  satu  tahapan  akan  menentukan  kelancaran  tahapan  berikutnya.  Karena itu  dibutuhkan  operator  yang  terampil  dan  memahami  karakteristik  proses  yang  sedang ditanganinya  agar  dapat  mengendalikan  proses  sesuai  dengan  kriteria  operasi  yang disyaratkan.  Untuk  mendukung  keterampilan  operator  tersebut,  maka  diperlukan  suatu simulator yang  memungkinkan  operator  untuk  mempelajari  karakteristik plant tanpa mengganggu  kondisi plant yang  sesungguhnya . Simulator  diharapkan  dapat  membantu operator mempelajari berbagai kondisi seperti keadaan emergency , kondisi startup , kondisi shutdown atau kondisi operasi  yang jarang dijumpai selama melakukan tugasnya sebagai
operator.  Dengan  pemahaman  yang  cukup  mengenai  kondisi  operasi  melalui  sarana edukasi  yang  tersedia  pada  simulator,  maka  diharapkan  operator  menjadi  lebih  terampil dan kegagalan operasi akibat kelalaian operator dapat dikurangi. Terdapat berbagai sarana yang  digunakan  untuk  membuat  simulator,  salah  satunya  adalah  menggunakan  fasilitas yang tersedia pada Distributed Control System (DC S) Delta V Fisher Rosemount.
Distributed  Control  System (DC S)  merupakan  instrumen  yang  mengontrol  berbagai  sistem secara  terdistribusi  dengan  tiap  komponen  dari subsystem dikontrol  oleh  satu  atau  lebih kontroler.  Aplikasi  DCS  sangat  um um  ditemukan  dalam  dunia  industri.  DCS  digunakan untuk  pengendalian  dan  pemantauan  operasi  sehingga  fungsinya  sangat  penting  dalam meningkatkan  kualitas  dan  kuantitas  produk  yang  dihasilkan.  Pada  penelitian  ini  aplikasi DCS  digunakan  untuk  membuat Operator  Training  Simulator (OTS)  yaitu  suatu  perangkat simulasi pelatihan bagi operator.
Pemanfaatan  simulator menggunakan  DCS  telah  dilakukan  oleh  berbagai  pihak .  Pada penelitian sebelumnya [4], telah dibuat simulator proses  dengan menggunakan perangkat lunak  DCS  CS-3000  Yokogawa  untuk  unit primary  reformer pada  pabrik  pembuatan amonia. Selain itu Emerson Process Management, salah satu perusahaan manufaktur yang bergerak  pada bidang industri telah mengembangkan perangkat simulator yang dinamakan Delta V Express. Pengembangan serupa dilakukan oleh perusahaan manufaktur Yokogawa dengan  nama  produk  VM  Plant.  Pada  penelitian  ini  simulator  dibangun  menggunakan perangkat  lunak  DC S  Delta  V  Fisher  Rosemount  untuk  unit  desulfurisasi  pada  pabrik pembuatan amonia Teori dasar

## 1.1 Proses Desulfurisasi
Bahan baku natural gas yang akan melewati proses synthesis dapat mengandung senyawa sulfur  hingga  50  ppm  [3].  Senyawa  sulfur  ini  harus  dihilangkan  terlebih  dahulu  pada  unit desulfuriasi  sebelum  dialirkan  menuju  unit reforming  section ,  karena  katalis  pada  unit reforming section sangat sensitif terhadap sulfur.
Proses  pelepasan  sulfur  pada  unit  desulfurisasi  dilakukan  dalam  dua  tingkat.  Senyawa sulfur organik  diubah  menjadi  H 2 S  atau  hidrogen  sulfida  pada  reaktor hydrogenerator. Selanjutnya  pada  tahap  kedua  H 2 S  atau  hidrogen  sulfida  diserap  pada  reaktor sulfur absorber .

## 1.1.1 Hydrogenator [3]
Natural  gas  sebelum  memasuki  reaktor hydrogenator terlebih  dahulu  dipanaskan pada heat  exchanger hingga  temperatur  tertentu  baru  kemudian  dialirkan  menuju  reaktor hydrogenator .  Reaktor hydrogenator berisi  katalis  HTAS Hydrogeneration dengan  basis katalis Nickel Molibdenum (NiMo) [6]
Reaksi yang terjadi pada reaktor hydrogenator adalah sebagai berikut :
(1)
Sepanjang  proses  berlangsung  katalis Nickel  Molibdenum (NiMo)  tidak  boleh  bereaksi dengan natural  gas tanpa  adanya  hidrogen,  karena  akan  menyebabkan  rendahnya konversi senyawa sulfur anorganik sehingga akan meningkatnya jumlah sulfur organik yang terlepas  menuju reformer  section yang  pada  akhirnya  akan  meracuni  katalis  pada  unit reformer section .

## 1.1.2 Sulfur Absorber [3]
Natural  gas keluaran  reaktor hydrogenerator kemudian  dialirkan  menuju  reaktor sulfur absorber . Pada  reaktor sulfur absorber terdapat dua katalis yaitu HTZ -5 dengan komponen utama zinc oxide dan ST-101 dengan komponen utama tembaga.  Katalis Zinc oxide akan bereaksi dengan hidrogen sulphida  pada reaksi kesetimbangan berikut :
(2)
Pada penelitian ini komponen utama katalis yang tinjau adalah HTZ-5 dengan basis katalis zinc oxide , karena  reaksi penyerapan  sulfur pada permukaan katalis  ST -101 dengan basis tembaga  hanya  terjadi  pada  kondisi  umpan natural  gas dengan  kandungan  sulfur  yang tinggi [3]
E-7 1R-201 1R-202 BED 1 BED2 1H-201 Menuju Reforming Section 1E-204B TT1 TT-0 TT-2 TT-3 C-1 C-2 C-3 NATURAL GAS Gambar 1 Proses pada unit desulfurisasi
Pada  Gam bar  1 natural  gas dipanaskan  di heat  exchanger (1E-204B),  kemudian natural gas dialirkan menuju  reaktor hydrogenator (1R-201) agar kandungan sulfur organik dapat diubah  menjadi  sulfur  anorganik  dalam  fasa  gas.  Reaksi  ini  berlangsung  secara eksotermal,  sehingga  temperatur natural  gas setelah  reaksi  akan  mengalami  kenaikan. Selanjutnya natural  gas yang  telah  dipisahkan  antara  gugus  karbon  dengan  gugus  sulfur akan direaksikan pada reaktor sulfur absorber (1R-202). Reaktor sulfur absorber memiliki dua bed katalis dengan basis ZnO. Pada reaktor ini kandungan sulfur anorganik (H 2 S) akan diserap  dengan  katalis  ZnO  sehingga  diharapkan  kandungan  sulfur  anorganik (H 2 S) mengalami penurunan.

## 1.2 Pemodelan
Untuk  mendapatkan  suatu  model  persamaan  dinamik  dari  unit  desulfurisasi  ini,  dapat dibagi  menjadi  tiga  bagian  yaitu heat  exchanger ,  reaktor hydrogenator dan  reaktor sulfur absorber. Untuk  setiap  bagian  dapat  ditulis  persamaan  kesetimbangan  massa  dan persamaan kesetimbangan temperatur  pada masing-masing bagian. Data parameter pada perubahan laju temperatur dan kandungan  H 2 S mengacu pada data operasi pabrik amonia
[3],  sedangkan  data  kinetika  reaksi  pada  reaktor hydrogenator mengacu  pada  [6].
Persamaan kinetika pada reaktor sulfur absorber mengacu pada [9]
Berikut  adalah  model  persamaan  yang  digunakan  dalam  pembangunan  OTS  unit desulfurisasi :
1. Heat exchanger :
(3)
2. Reaktor Hydrogenator
(4) (5)
3. Reaktor Sulfur Absorber
Bed I
(6) (7) Bed II (8) (9)

## 2 Pembangunan Simulator
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menghasilkan  simulator  dari  unit  desulfurisasi  dengan menggunakan  perangkat  lunak  DC S  Delta  V  Fisher  Rosemount.  Simulator  dibangun menggunakan  fasilitas  yang  tersedia  pada  perangkat  lunak  tersebut  untuk merepresentasikan  fenomena  fisis  pada  unit  desulfurisasi.  F enomena  fisis  yang  dapat diamati pada simulator unit desulfurisasi ini antara lain:
1. Temperatur keluaran heat exchanger
2. Temperatur keluaran reaktor hydrogenator
3. Temperatur keluaran bed I reaktor sulfur absorber
4. Temperatur keluaran bed II reaktor sulfur absorber
5. Kandungan sulfur keluaran reaktor hydrogenator
6. Kandungan sulfur keluarah bed I reaktor sulfur absorber
7. Kandungan sulfur keluaran bed II reaktor sulfur absorber Alur proses pembangunan simulator dalam  perangkat lunak DCS  Delta V Fisher Rosemount dapat dilihat pada diagram alir pada Gambar 2 .

## Gambar 2 Diagram  alir pembangunan simulator

## 2.1 Pembuatan Plant Area Baru
Sebelum  memulai  membuat  sebuah  simulator  maka  terlebih  dahulu  harus  dibuat  suatu plant area. Plant area merupakan hierarki teratas pada strate gi pemrograman DCS Delta V. Plant  Area kemudian  akan  diunduh  kedalam  kontroler.  Dalam  membuat plant  area sebaiknya  nama plant  area sesuai  dengan  proses  yang  akan  dimodelkan  atau  yang  akan dikontrol. Pada simulator ini plant area yang digunakan dinamakan desulfurisasi.

## 2.2 Pembuatan Modul
Setelah plant  area dibuat  maka  langkah  selanjutnya  adalah  mendeskripsikan  modul. Modul  merupakan  kumpulan function  block yang  saling  berhubungan  membentuk  suatu algoritma,  sistem  alarm  dan  karakteristik  lain  yang  dideskripsikan  oleh  pengguna.  Modul bersifat  unik  karena  memiliki tagname yang  berbeda. Tagname ini  digunakan  untuk mengakses  informasi  pada  modul  tersebut  sehingga  perlu  dibedakan  antara  satu  modul dengan modul lainnya. Modul merupakan elemen yang sangat mendasar pada  DCS Delta V karena  akses  data  dilakukan  melalui  struktur  modul.  Modul  dapat  diunduh  kedalam kontroler  secara  langsung  ataupun  dalam  satu  kelompok plant  area .  Modul  dapat ditambahkan ataupun dihapus tanpa mempengaruhi modul lainnya kecuali ada  hubungan interlink antara modul terkait. Pada Gambar 3 ditunjukan salah satu modul yang digunakan pada  pembangunan  OTS.  Modul  tersebut  merepresentasikan  persamaan  dinamik  pada heat exchanger sesuai dengan model matematis pada persamaan (3).
Gambar 3 Skema modul heat exchanger

## 2.3 Membangun HMI ( Human Machine Interface )
HMI utama yang dibuat pada Delta V  Operate dinamakan HMI_Desulfurisasi.grf. Format  grf merupakan  jendela  utama  untuk  setiap  HMI  yang  dibangun  dengan  fasilitas  Delta  V Operate.  HMI_Desulfurisasi dilengkapi dengan dua  grafik,  yaitu  grafik temperatur terhadap waktu dan grafik kandungan H 2 S terhadap waktu.
Pada HMI_ Desulfurisasi terdapat satu indikator alarm  yang akan berkedip dari warna hijau menjadi  merah  apabila  temperatur  keluaran  dari  reaktor hydrogenator maupun  reaktor sulfur  absorber lebih  besar  dari  673  Kelvin.  Hal  ini  karena  desain  katalis  hanya  mampu beroperasi  hingga  temperatur  operasi  450˚C  atau  723  Kelvin.  Jika  melebihi  temperatur 723 Kelvin maka unit  desulfurisasi akan mengalami trip. Sehingga  diperlukan alarm  yang dapat memberi peringatan sebelum nilai temperatur mencapai 723 Kelvin.
HMI_Desulfurisasi  dilengkapi  dengan  tiga  buah pushbutton yang  dapat  digunakan  untuk mengubah nilai input flow in ,  nilai input temperatur flue gas dan temperature awal natural gas yang memasuki unit desulfurisasi. Jendela utama  HMI_Desulfurisasi ditampilkan pada Gambar 4.

## Gambar 4 Jendela utama HMI desulfurisasi

## 3 Simulasi dan Analisis
Pada  simulator  Desulfurisasi terdapat  dua  buah  variabel  yang  dimodelkan,  yaitu temperatur  dari  unit heat  exchanger, reaktor hydrogenator dan  reaktor sulfur  absorber serta  kandungan  H 2 S  pada  reaktor hydrogenator dan  reaktor sulfur  absorber .  Berikut adalah respon temperatur dan konsentrasi dari unit desulfurisasi secara keseluruhan .
Gambar 5 Respon temperatur dan konsentrasi
Operator  Training Simulator menampilkan respon keluaran yang  baik terhadap perubahan nilai  input  temperatur flue  gas dan flow  in natural  gas .  Pada  kondisi  operasi  normal  nilai flow  in sebesar  8,88  m 3 /s  dengan  nilai  temperatur flue  gas 473  Kelvin  dan  temperatur masukan natural  gas sebesar  298  Kelvin.  Setelah  proses  dijalankan  maka  pada  kondisi steady  state kandungan  gas  H 2 S  yang  meninggalkan  proses  desulfurisasi  sebesar  0,85 ppm dengan rentang kerja Operator Training Simulator adalah pada kondisi flow in natural gas 6  m 3 /s  s.d  25  m 3 /s  dan  temperatur  masukan flue  gas 473  Kelvin  s.d  561  Kelvin. Kondisi trip terjadi ketika flow in natural gas < 6 m 3 /s atau temperatur masukan flue gas ≥ 562 Kelvin.

## 4 Kesimpulan
Operator  Training  Simulator unit  desulfurisasi  pada  rantai  produksi  amonia  dengan parameter  dan  nilai  masukan  sesuai  dengan  kondisi  operasi  normal  telah  dibangun  dan menampilkan  respon  keluaran  yang  baik  terhadap  perubahan  nilai  input  temperatur flue
gas dan flow  in natural  gas .  Pada  kondisi  operasi  normal  nilai flow  in sebesar  8,88  m 3 /s dengan nilai temperatur flue gas 473 Kelvin dan temperatur masukan natural gas sebesar 298 Kelvin. Setelah proses dijalankan maka pada kondisi steady state kandungan gas  H 2 S yang  meninggalkan  proses  desulfurisasi  sebesar  0,85  ppm  Rentang  kerja Operator Training  Simulator adalah  pada  kondisi flow  in natural  gas 6  m 3 /s  s.d  25  m 3 /s  dan temperatur masukan flue gas 473  Kelvin s.d 561 Kelvin. Kondisi trip terjadi ketika flow in natural gas < 6 m 3 /s atau temperatur masukan flue gas ≥ 562 Kelvin. Faktor  yang paling dominan  mempengaruhi  besarnya  kenaikan  temperatur  pada  reaktor  adalah flow  in natural  gas dan  temperatur flue  gas .  Simulator  yang  telah  dibangun  diujikan  kepada mahasiwa  dan  hasilnya  menunjukkan  bahwa  simulator  cukup  mudah  digunakan  serta mempermudah pengguna untuk memahami proses yang berlangsung.

## 5 Daftar Pustaka
[1] Biegler,  L.  T.  (1997).  Systematics  Methods  of  Chemical  Process  Design.  Prentice  Hall. New Jersey
[2] Fisher  Rosemount  System ,Inc.  (2001).  Delta  V  Books  Online,  Fisher   Rosemount
System ,Inc
[3] Irianto,N .B.E,dkk. (2002). Petunjuk Operasi Pabrik Amonia Kaltim 4 (2)
[4] Lipták, B. (2007). Process Control, Putman Media (1)
[5] Prasetya,R,H.  (2010).  Pembuatan  Operator  Training  Simulator  Unit  Primary  Reformer Pabrik  Amonia  Menggunakan  DCS  C S3000  Yokogawa.  Tugas  Akhir  S1.  Institut Teknologi Bandung
[6] Song,T.  (2006).  Effect  of  Aromatics  on  Deep  Desulphurization  of  Dibenzothiophene and  4,6  -  Dimethylbenzothiophene  over  NiMo/Al 2 0 3 Catalyst.  Energy  and  Fuel  20, 2344-2359 (3)
[7] Stephanopoulos,  G.  (1984).  Chemical  Process  Control;  An  Introduction  to  Theory  and Practice. Prentice Hall. New Jersey
[8] Syahid,  Z.  F.  (2003).  Sistem  Pengontrolan  Override  pada  Mini  Plant  Proses  dengan Menggunakan Pengontrol  PID dan Fuzzy Menggunakan  Perangkat  DCS Delta -V. Tugas Akhir S1. Institut Teknologi Bandung.
[9] Turton,  R  dan  Berry,  A.  D.  (2004).  Evaluation  of  Zinc  Oxide  Sorbents  in  a  Pilot -Scale Transport  Reactor  :  Sulfidation  Kinetics  and  Reactor  Modelling.  Ind  Eng  Chem  Res 43,1235-1243. (4)
[10] Wibowo,  T,A.  (2007).  Pembangunan  Simulator  Proses  CO 2 Absorber  Menggunakan
Perangkat Lunak DCS CS1000 Yokogawa. Tugas Akhir S1. Institut Teknologi Bandung.