1

PERBANDINGAN ANTARA PENGENDALIAN PREFLASH COLUMN

DAN PIPESTILL MENGGUNAKAN MODEL PREDICTIVE CONTROL

(MPC) DAN PENGENDALI KONVENSIONAL

Indra Lesmana*)

dan Renanto Handogo

Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Sukolilo, Surabaya 60111 *)

email : indra.lesmana09@mhs.chem-eng.its.ac.id

Abstract

Preflash and Pipestill Column are two main units of petroleum processing industry which are

interconnected each other. Recently the main unit used by this industry is Crude Oil Refinery Unit. As

the time goes by therefore the use of preflash and pipestill column became more popular because of

its ability to reduce energy cost. The operation guidelines for these unit is always aim to safety and

certain product flowrate and quality. In this work assumptions are made where, process variables

always change as the process goes. Model Predictive Control was used because of it had better

response compared to the conventional controller. The steady state and dynamic simulation was

conducted using Aspen DynamicTM

, and MatlabTM

.+15% flowrate disturbance and +25% oil-1 mass

fraction disturbance were applied to the process. The dynamic performance of the controllers was

compared between MPC and conventional controller using Integral of The Absolute Value of The

Error (IAE). The result showed the dynamic performance of MPC controller were more superior than

that of conventional controller.

Keywords : conventional controller, disturbance, model predictive control, preflash, pipestill

Abstrak

Preflash Column dan Pipestill adalah dua unit utama dari industri kilang minyak bumi yang saling

terkait satu dengan yang lainnya. Pada mulanya unit utama yang digunakan oleh industri kilang

minyak adalah (Crude Oil Refinery Unit) beserta furnace-nya. Seiring dengan berkembangnya

teknologi maka penggunaan unit preflash column untuk memisahkan light naptha terlebih dahulu

sebelum masuk ke pipestill menjadi populer karena konfigurasi seperti ini dapat menghemat banyak

energi. Pedoman pengoperasian unit operasi dari proses kimia berdasarkan selalu bertujuan pada

keamanan proses, tercapainya kapasitas produksi, dan tercapainya spesifikasi produk yang

diinginkan. Dengan berjalannya proses, variabel-variabel proses akan selalu berubah terhadap

waktu sehingga diperlukan pemantauan yang merupakan tugas dari alat pengendali untuk mencapai

tujuan di atas. Dalam penelitian ini diambil sistem pengendali Model Predictive Control (MPC) yang

diperkirakan memiliki respon yang lebih baik dalam mengendalikan Preflash Column dan Pipestill.

Simulasi steady state dan dinamik dijalankan dengan menggunakan program Aspen DynamicTM

dan

MatlabTM

Pada simulasi dinamik untuk mengamati performa pengendalian diberikan gangguan laju

alir sebesar +15% dan gangguan komposisi sebesar +25% fraksi massa oil-1. Performa pengendali

konvensional dan MPC dibandingan dengan menggunakan parameter Integral of The Absolute Value

of The Error (IAE). Hasil penelitian menunjukkan bahwa MPC memiliki performa yang lebih baik.

Kata kunci : gangguan; model predictive control; pengendali konvensional; pipestill; preflash

Pendahuluan

Setelah krisis energi yang terjadi tahun 1970-an pendesainan ulang dari sebuah proses untuk meningkatkan

recovery energi dan menurunkan biaya menjadi sangat menarik. Sebuah kasus yang tipikal adalah pada oil

refinery plant dimana penggunaan energinya besar sehingga cukup menjanjikan untuk dijadikan sebagai objek

penghematan energi. Pemasangan Preflash column sebelum Pipestill dapat menurunkan konsumsi energi pada

plant ini.(Errico et al.2009).

Preflash Column dan Pipestill adalah dua unit utama dari industri kilang minyak bumi yang saling terkait satu

dengan yang lainnya. Unit ini adalah hasil perancangan ulang dan pengintegrasian panas dari unit sebelumnya

2

yaitu Crude Destillation Unit (CDU) beserta furnace-nya. Dua unit ini mempunyai peranan besar karena

menangani ribuan komponen minyak bumi dalam kapasitas yang besar pada industri kilang minyak, pertama-

tama umpan berupa crude oil masuk dan diolah dalam Preflash column, produk atas dari Preflash column ini

adalah light naphta sedangkan produk bawahnya akan masuk ke Pipestill dan diubah menjadi produk atas LPG,

heavy naphtha, kerosene, diesel, atmospheric gasoil dan produk bawah berupa atmospheric residue.

Beberapa usaha untuk energi mengoptimalkan konsumsi dari segi parameter operasi, baik pada proses yang

terdahulu (menggunakan CDU) maupun pada konfigurasi unit yang baru (Preflash Column dan Pipestill) sudah

dilakukan antara lain optimasi CDU menggunakan neural networks (Liau et al, 2004) dan pemodelan kolom

distilasi berdasarkan transport phenomena (Kumar et al, 2001). Selain itu pengaruh dari jenis crude sangat

berperan pada performance dari Pipestill dan efisiensi energi (Stojic et al, 2004).

Peran alat pengendalian untuk menjaga agar Preflash Column dan Pipestill beroperasi pada batasan yang

benar juga telah dikaji oleh Haydary dan Pavlik, 2009. Dari hasil yang didapat, disimpulkan bahwa pengendalian

komposisi produk keluar dari Pipestill dengan menggunakan pengendali konvensional akan menghasilkan

performa yang lebih cepat mencapai steady-state bila menggunakan manipulated variabel suhu plate kedua dari

Pipestill. Hal ini didapat setelah membandingkan kontrol dengan komposisi produk keluar (ASTM D86) sebagai

manipulated variabel.

Ada berbagai macam metode kontrol yang dapat digunakan untuk mengendalikan proses yang rumit mulai

dari metode kontrol yang konvensional menggunakan PID controller sampai kepada metode kontrol advanced,

MPC misalnya. Masing-masing metode pengendalian ini memiliki kelebihan dan kelemahannya masing-masing.

Kelemahan metode pengendalian konvensional adalah sulit bila digunakan untuk mengendalikan banyak

variabel dengan interaksi yang signifikan. Sementara kelemahan pengendali advanced adalah ketidak pastian

mencapai kondisi steady-state pada gangguan yang berbeda-beda. Pada penelitian kali ini dicoba metode

pengendalian dengan MPC mengingat metode ini andal untuk proses dengan banyak variabel dan interaksi antar

variabel (Seborg, 2004).

Metode Penelitian

Dalam penelitian ini model yang disusun adalah kolom Preflash dan Pipestill (Gambar 2.1 dan 2.2)

Penelitian dibagi dalam beberapa tahap :

1. Pemilihan model termodinamika (fluid package). 2. Tahap pemodelan steady state dengan menggunakan program Aspen Plus TM. 3. Validasi model steady state dengan data dari literatur (Luyben, 2006) 4. Tahap sizing dan simulasi dinamik menggunakan program Aspen Dynamic TM. 5. Menambahkan pengendali konvensional pada simulasi dinamik. 6. Melakukan step test pada simulasi dinamik untuk mendapatkan data yang akan digunakan untuk membuat

model MPC di matlab.

7. Memasukkan model pada m file yang akan digunakan untuk mengamati pengendalian menggunakan MPC. 8. Mengamati performa pengendali konvensional dan MPC dengan memberikan gangguan laju alir dan

gangguan komposisi dan melakukan tuning pengendali.

9. Pengujian performa pengendali dengan metoda Integral of The Absolute Value of The Error (IAE). 10. Membandingkan performa MPC dengan pengendali konvensional dan mengambil kesimpulan.

3

PF Steam

Crude 1

Crude 2

PF Water

Lights

Naptha

CDU-Feed

Kolo

m P

reflash

FC

FC

FC

LC

LC

LC DT

10

MPC

:

DT

1 2 3 4 1 2 3 4

Gambar 2.1 Struktur Pengendalian Menggunakan MPC pada Kolom Preflash

Pipestill

Feed

Pipestill-Steam

Pipestill-Water

Kerosene

Steam 1

Diesel

AGO

Hnaptha

FC Wash

Kolo

m P

ipestill

Steam 2

Steam 3

LC

OLC

LC

LC

LC

WLC

19

BChnaptha95

DT

DT

DT

DT

22

MPC

:

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Gambar 2.2 Struktur Pengendalian Menggunakan Pengendali MPC pada Kolom Pipestill

4

Pasangan pengendali untuk pengendali konvensional dapat dilihat pada Gambar 2.1dan 2.2. Untuk

pengendalian menggunakan MPC dibuat model 14 x 14 dengan melakukan step test pada sistem yang dimaksud

menggunakan software Aspen Dynamic TM

untuk semua controlled variables(CV) dan manipulated

variables(MV) namun tidak termasuk CV dan MV untuk pengendali ketinggian cairan.

Hasil dan Pembahasan

Simulasi steady state dibuat dengan menggunakan model termodinamik BK-10 (Braun K-10). Model

termodinamik ini dipilih berdasarkan literatur (Carlson, 1996). Hasil simulasi steady state divalidasi dengan

membandingkan kondisi operasi kolom Preflash dan data TBP (True Boiling Point) produk dari kolom Pipestill

dengan literatur (Luyben, 2006). Sizing alat dilakukan dengan menggunakan fitur tray sizing di Aspen PlusTM

untuk menentukan diameter tray dan mengambil waktu tinggal cairan dalam sebesar 10 menit dan H/D = 2 untuk

menentukan tinggi dan diameter bejana alat. Hasil sizing alat dapat dilihat pada Tabel 3.1 Setelah dilakukan

sizing file dieksport ke Aspen Plus DynamikTM

dan dipasang pengendali konvensional dengan parameter yang

tercantum pada Tabel 3.2. Parameter untuk MPC adalah P=110, M=10, N=100, Q = [5 1 100 1 7 1 7 5.5 9 9 1 1

1 1.5], R = [0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 ], dimana Q dan R adalah matrik pembobotan

Perbandingan respon dari berbagai variable proses antara pengendalian menggunakan pengendali

konvensional dan pengendali MPC dengan pemberian gangguan kenaikan laju alir massa umpan total sebesar

+15% dan gangguan komposisi sebesar +25% fraksi massa oil 1 dapat dilihat pada Gambar 3.1 dan Gambar 3.2

Perbandingan parameter IAE untuk pengendali konvensional dan MPC dapat dilihat pada Tabel 3.3 dan Tabel

3.4. Dari hasil yang telah didapatkan MPC memliki performa pengendalian yang lebih bagus bila dibandingkan

dengan pengendali konvensional.

Tabel 3.1 Hasil Sizing

Parameter Preflash Pipestill

Stripper

1

Stripper

2

Stripper

3

Jumlah Tray(buah) 10 25 4 3 2

Diameter Kolom(m) 3,00 6,15 1,42 1,37 0,98

Tinggi Kolom (m)* 5,85 16,82 1,46 0,73 0,00

Jarak Antar Tray(m) 0,61 0,61 0,61 0,61 0,61

Tinggi Weir(m) 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

Diameter Sump Kolom(m) 4,09 3,14 2,14 2,49 1,99

Tinggi Sump Kolom(m) 8,17 6,29 4,28 4,98 3,98

Diameter Refluk Drum

Kolom(m) 2,65 3,05 - - -

Tinggi Refluk Drum Kolom(m) 5,31 6,09 - - -

Tabel 3.2 Parameter Pengendali Konvensional (Luyben, 2006)

Jenis Pengendali

Parameter Pengendali

Kc i Dead

Time(menit)

Pengendali Suhu Aliran Keluar Furnace 0.6 4 1

Pengendali 95 % Boiling Point Aliran Lt. Naptha 0.46 13 3

Pengendali 95 % Boiling Point Aliran Hv. Naptha 2.1 46 3

Pengendali 95 % Boiling Point Aliran Diesel 2 51 3

Pengendali 5 % Boiling Point Aliran Diesel 1.2 51 3

5

Gambar 3.1 Perbandingan antara respon pengendalian menggunakan pengendali konvensional dan MPC dengan

pemberian gangguan +15% laju alir massa umpan

Gambar 3.2 Perbandingan antara respon pengendalian menggunakan pengendali konvensional dan MPC dengan

pemberian gangguan +25% fraksi massa OIL-1

Tabel 3.3 Perbandingan IAE untuk pengendali konvensional dan MPC bagian 1

CV1 CV2 CV3

Gangguan PI MPC PI MPC PI MPC

Flow +15% 230.010 2.783 252.383 17.261 365.950 1.417

Komposisi OIL1 +25% 10.186 2.317 57.663 17.317 56.217 1.160

Tabel 3.4 Perbandingan IAE untuk pengendali konvensional dan MPC bagian 2

CV4 CV5 CV6

Gangguan PI MPC PI MPC PI MPC

Flow +15% 1334.517 1.922 2920.861 1.582 1864.168 2.113

Komposisi OIL1 +25% 290.099 1.628 1445.150 0.977 1070.863 2.190

100 110 120 130 140 150492

494

496

498

500

502Suhu Keluaran Furnace Preflash

Waktu(Menit)

T(K

)

100 150 200455

460

465

470Lt. Naptha ASTM D86 95% bp.

Waktu(Menit)

100 110 120 130 140 150615

620

625

630

635Suhu Keluaran Furnace Pipestill

Waktu(Menit)

T(K

)

100 200 300 400 500456

458

460

462

464Hv. Naptha ASTM D86 95% bp.

Waktu(Menit)

T(K

)

100 200 300 400 500595

600

605

610

615Diesel ASTM D86 95% bp.

Waktu(Menit)

T(K

)

100 200 300 400 500515

520

525

530Diesel ASTM D86 5% bp.

Waktu(Menit)

T(K

)

100 110 120 130 140 150501

501.2

501.4

501.6

501.8

502Suhu Keluaran Furnace Preflash

Waktu(Menit)

T(K

)

100 150 200462

463

464

465

466

467Lt. Naptha ASTM D86 95% bp.

Waktu(Menit)

100 110 120 130 140 150631

631.5

632

632.5Suhu Keluaran Furnace Pipestill

Waktu(Menit)

T(K

)

100 200 300 400 500463

464

465

466Hv. Naptha ASTM D86 95% bp.

Waktu(Menit)

T(K

)

100 200 300 400 500610

615

620

625Diesel ASTM D86 95% bp.

Waktu(Menit)

T(K

)

100 200 300 400 500528

530

532

534

536Diesel ASTM D86 5% bp.

Waktu(Menit)

T(K

)

6

Kesimpulan

Dari hasil yang telah didapatkan bahwa dalam mengendalikan sistem kolom preflash dan pipestill, MPC

memliki performa pengendalian yang lebih bagus bila dibandingkan dengan pengendali konvensional.

Daftar Pustaka

Aspen Plus : Getting Started Modeling Petroleum Processes, Aspen Technology, Inc., Ten Canal Park,

Cambridge, MA 02141-2201, 2006. Carlson, E. C.(1996), Dont Gamble With Physical Properties for Simulations, Chemical Engineering

Progress, October 1996.

Haydary, J. dan Thomas, P. (2009), Steady-State dan Dynamic Simulation Of Crude Oil Distillation Using Aspen Plus and Aspen Dynamics, Petroleum & Coal, Vol. 51 (2), hal. 100-109.

Liau, L.C-K, Yang, T.C-K. dan Tsai, M-T. (2004), Expert system of a crude oil distillation unit for process optimization using neural networks, Expert Systems with Applications, Vol. 26, hal. 247255.

Luyben,W. (2006), Distillation Design and Control Using Aspentm

Simulation, John Wiley & Sons, Inc., New

Jersey.

Errico, M., Tola, G. dan Mascia, M. (2009), Energy saving in a crude distillation unit by a Preflash implementation, Applied Thermal Engineering, Vol. 29, hal. 16421647.

Stoji, M.M., Nedeljkov, S.Lj., Krsti, D.M. dan Mauhar, S. (2004), Simulation Of Atmospheric Crude Unit "Badger" Using Aspen Plus, Petroleum & Coal, Vol. 46 (2), hal. 57-62.

Seborg, D.E., Edgar, T.F. dan Mellichamp, D.A. (2004) , Process Dynamics dan Control, John Wiley and Sons,

Inc., New Jersey.

Kumar, V., Sharma, A., Chowdhury, I.R., Ganguly, S. dan Saraf, D.N. (2003), A crude distillation unit model suitable for online applications, Fuel Processing Technology, Vol. 73, hal. 121.