PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN LEVEL DAN TEMPERATUR PADA TANGKI VERTIKAL DAN HORIZONTAL


Dwi Sanjaya (0806455181),Ikhwanul Kholis (0806455276)

Jurusan Teknik Elektro,Fakultas Teknik,Universitas Indonesia

Kampus baru U.I. Depok 16424

e-mail : august13th@rocketmail.com, nichols_27@yahoo.com

  1. Pendahuluan

1.1 Latar Belakang

Pada Perancangan Sistem Pengendalian Level dan Temperatur pada Tangki Vertikal dan Horizontal diperlukan pengendalian temperatur fluida dan Pressure Relief Valve (PRV) untuk pengamanan pressure yang berlebih pada tangki vertical.
Dengan fluida kerja berupa air (water), dimana pada sistem tersebut terdiri dari 2 tangki, yaitu satu unit tangki horizontal yang berfungsi sebagai penampung air (storage) yang akan menyalurkan fluida ke tangki berikutnya berupa tangki vertikal. Pada tangki vertikal dilengkapi dengan elemen pemanas (heater) yang berfungsi untuk menaikkan temperatur fluida sehingga debit air yang masuk merupakan variabel yang harus dimanipulasi agar tetap terjaga temperatur dan levelnya. Gambar dibawah ini merupakan P&ID dari tangki vertical.


Proses sirkulasi pemanasan air ini terdiri dari tangki vertikal yang didalamnya terdapat heater dan presure savety valve. Dalam tangki vertikal ini terjadi proses pemanasan air sehingga dihasilkan produk berupa fluida panas. Setelah itu tangki vertikal tersebut terhubung dengan tangki horizontal yang digunakan sebagai storage.

Proses dari sirkulasi pemanasan air ini adalah air dingin yang berasal dari tangki horizontal dipompakan masuk ke dalam tangki vertikal. Laju aliran air tersebut diatur oleh pompa 1. Pengaturan laju aliran disini digunakan untuk menjaga level pada tangki vertikal konstan sesuai dengan set point. Untuk menjaga agar level air tersebut sesuai dengan set point, maka digunakan sistem pengendalian level dengan mengatur kerja pompa secara bergantian maka diperlukan switching. Agar switching bekerja maksimal maka diperlukan logic solver. Switching control pompa ini digunakan untuk menjaga agar air tidak memenuhi tangki dan menjaga agar tangki tidak kehabisan air. Dengan kondisi air yang levelnya terjaga maka tangki vertical tersebut mampu memenuhi permintaan laju keluaran aliran menuju ke tangki horizontal. Selain itu pengendalian level ini juga disesuaikan dengan adanya proses pemanasan air oleh heater. Dengan adanya kenaikan temperatur maka akan menyebabkan terjadinya kenaikan presure. Pada proses pemanasan fluida tersebut sebagian dari fluida berubah menjadi vapor. Perubahan nilai massa vapor hasil evaporasi tersebut dapat meningkatkan besarnya presure pada tangki vertikal. Oleh karena itu pada tangki vertikal dilengkapi dengan pressure safety valve yang digunakan sebagai pengaman apabila sewaktu-waktu pressure pada tangki vertikal tersebut mencapai presur maksimal yang ditentukan berdasarkan spesifikasi pada pressure safety
valve. Output pemanasan air dari tangki vertikal dipompakan dengan pompa 2 menuju ke tangki horizontal yang berfungsi sebagai storage. Pada tangki horizontal terdapat Switching
control pompa yang digunakan untuk menjaga level agar sesuai set point yang sudah ditetapkan oleh kontroler. Output dari tangki horizontal tersebut masuk kembali ke dalam tangki vertikal untuk kembali ke proses awal lagi.Perkembangan Switching control yang dikembangkan lebih cenderung ke proses safety level switch low (LSL) dan pressure switch low (PSL) dan untuk mengontrol mana yang

diinginkan. Pada bidang industri digunakan untuk menswitch apabila terjadi keadaan yang tidak normal (emergency ). Biasanya Switching control bekerja secara onoff untuk switch. Beberapa alat seperti pressure switch low, flow switch high, dan overload relay pada motor pompa dipasang pada sistem pompa untuk menghindari overload.

  1. Pembatasan Variabel dan Pemodelan Matematis
  • Menentukan dimensi dari tangki vertikal dan tangki horizontal.
  • Menentukan desain proses pada tangki vertikal dan tangki horizontal
  • Menentukan pemodelan matematis dinamika proses di tangki vertikal dan tangki horizontal
  • Menentukan desain switching control yang sesuai dengan proses pada tangki vertical dan tangki horizontal
  • Penalaan parameter pengendalian proses

  1. Landasan Teori

2.1 Tangki Vertikal

    Tangki vertikal merupakan sebuah tangki yang pada umumnya digunakan sebagai tangki penyimpanan (storage).Tangki vertikal juga dapat digunakan sebagai tangki untuk suatu proses tertentu, diantaranya adalah proses pemanasan suatu fluida dimana didalam tangki terpasang sebuah heater (pemanas) sebagi sumber panas.

  1. Tangki Horizontal

Tangki horizontal dalam proses industri atau plant industri bisanya digunakan sebagai penyimpan atau storage. Pada tangki horizontal variabel yang harus dikontrol tidak terlalu kompleks, biasanya hanya sekitar dua variabel. Berbeda dengan pada tangki vertikal yang lebih kompleks biasanya variabel yang dikontrol lebih banyak seperti temperature, presure, level dan aliran. Sementara itu tangki horizontal sebagaimana fungsinya sebagai storage biasanya hanya mengontrol variabel level dan flow saja. Meskipun demikian ada juga tangki horizontal yang mempunyai yang lebih dari yang saya jelaskan di atas. Tapi pada penelitian ini tangki horizontal digunakan sebagai storage. Untuk perhitungan pada horizontal digunakan persamaan yang sama dengan persamaan yang ada pada tangki vertikal.


Merancang diameter sebuah tangki dapat juga didasarkan pada volume total tangki dengan mempergunakan beberapa persamaan yang berkaitan.

VT = Vi + Vrk

Dimana :

VT = volume total tangki (ft3)

Vi = volume fliuda (ft3)

Vrk = volume ruang kosong (ft3)

Selain dihitung berdasarkan volume fluida dan volume ruang kosong, volume total tangki dapat dihitung berdasarkan volume silinder tutup atas dan bawah.

VT = V1 + V2 + V3

Dimana :

V1 = Volume tutup bawah (ft3)

V2 = Volume silinder (ft3)

V3 = Volume tutup atas (ft3)

Pada daerah tutup atas dan bawah dapat diketahui nilai volumenya dengan menggunakan persamaan

V = 0,000049 d3 ft3 (2.10)

Dimana d dalam satuan inch

Untuk daerah silinder, yaitu pada bagian yang berbentuk silinder, volume dapat diketahui dengan menggunakan persamaan,


Jadi volume total dari tangki tersebut adalah

VT = 2 x 0,000049 d3 ft3 +

Dengan didapatkannya nilai diameter dari tangki maka dapat diketahui tinggi dari dari tutup tangki.

Tinggi tutup atas dan bawah (ha) :

ha = 0,169 d (2.13)

Tinggi bagian silinder (L) :

L = 1,5 x d

  1. Proses Pemanasan (Heating Process)

Dalam proses pemanasan (heating process) terdapat dua macam metode yang biasa digunakan di
industri yaitu metode Direct Tank Heating
dan Indirect Tank Heating. Metode Direct Tank Heating menempatkan heater
di dalam tangki dimana heater akan mengalami kontak
langsung dengan media yang akan dipanaskan. Dengan
menggunakan metode ini efisiensi heater akan mendekati
100%. Hal ini dikarenakan pemanasan yang dibangkitkan
oleh heater dapat diserap langsung oleh proses yang
terjadi, selain itu juga dapat mempercepat proses pemanasan. Metode yang kedua adalah Indirect tank Heating. Metode ini membutuhkan media untuk
mengirimkan panas ke dalam tangki, dengan kata lain
elemen heater tidak mengalami kontak langsung dengan media yang akan dipanaskan.

Heater digunakan untuk meningkatkan temperature dari suatu fluida pada sebuah tangki. Heater memiliki berbagai macam jenis dan bentuk sesuai dengan range pengukuran temperatur dan ukurannya. Salah satu jenis heater adalah tubular heater
yang banyak digunakan pada sebuah tangki. Selain itu terdapat juga thermocouple heater,
finned heater yang memiliki karakteristik dan range pengukuran yang berbeda beda.

  1. Temperature Transmitter

Banyak jenis sensor yang digunakan untuk melkukan pengukuran temperatur pada suatu proses, Salah satunya menggunakan sensor RTD (Resistance Temperatur
Detector). Prinsip dari transmitter ini yaitu mengolah hasil pengukuran yang berupa tahanan yang sebanding dengan suhu yang diukur. keluaran ini kemudian diolah dengan rangkaian pengkondisi sinyal sehingga diperoleh keluaran berupa arus 4-20mA. Secara umum fungsi alih dari temperatur transmitter dapat didekati dengan sistem orde 1 sebagaimana pada persamaan dibawah ini



  1. Level Transmitter

Transmitter yang banyak digunakan untuk mengukur ketinggian suatu fluida didalam tangki adalah differential pressure transmitter (DP transmitter). Prinsip kerja DP -Transmitter berdasarkan keseimbangan gaya dua masukan yang berbeda tekanan. Perbedaan tekanan menyebabkan force bar bergerak menuju keseimbangan dan gerakan ini dihubungkan dengan relay. Relay merupakan komponen utama dalam transmitter. Dimana relay merupakan penguat pneumatik yang berfungsi mengubah perubahan kecil pada masukkan menjadi perubahan yang besar pada keluaran. Suplai udara diberikan pada relay yang diletakkan melalui lubang permukaan instrumen. Sinyal input (tekanan nozzle) masuk ke relay melalui lubang yang lain dan bekerja pada suatu diafragma berhubungan dengan steam valve maka akan terjadi dua gerakan. Saat sinyal input naik, steam valve menekan ball valve sehingga menggerakkan flat. Gerakan steam yang lebih besar mengakibatkan menutupnya lubang buang (exhaust), sehingga menyebabkan variasi tekanan pada output. Fungsi alih dari level transmitter dapat didekati dengan sistem orde 1 sebagaimana persamaan dibawah ini


  1. Control Valve

Valve secara definisi bahasa Indonesia yaitu katup, keran, atau klep, yang mempunyai fungsi sebagai pengatur laju aliran fluida yang melewatinya. Jika katup tersebut diinginkan dapat digerakkan secara otomatis sesuai dengan keinginan maka dibutuhkan katup yang dapat dikendalikan yang biasa disebut disebut control valve. Sedangkan aktuator, dalam bahasa Indonesia, mungkin bisa diartikan sebagai penggerak. Karena memang fungsi sebuah aktuator adalah menggerakkan control valve agar ia terbuka atau tertutup dan selalu ada pada posisi yang dikehendaki pengendalinya.


  1. Pressure Relief Valve

Relief system merupakan proses pembuangan kapasitas maksimum tekanan yang ada didalam sebuah tangki (equipment), (SV/PSV/PRV/BDV), vent scrubber serta vent sistemnya, sistem perpipaan ke flare, flare dari separator, flare-nya sendiri serta sistem pengapiannya. Dimana proses tersebut dilakukan untuk memelihara equipment. Pendefinisian kapasitas maksimum dari fluida yang akan dibuang ke relief system tersebut memerlukan analisa yang dalam dengan berbagai asumsi, tetapi penentuan awal ini yang diperlukan, dengan asumsi umum bahwa dua keadaan emergency oleh kegagalan equipment yang tidak saling berhubungan atau operator error tidak akan terjadi secara sekaligus.

Sequence dari keadaan tersebut harus diperhitungkan, dengan jalan mengetahui keseluruhan desain operasional termasuk mengenali tipe driver pompa yang digunakan, sumber cooling water, spare yang disediakan (misal pada vessel body), layout pabrik, instrumentasi, dan philosophy dari emergency shutdown-nya.

Dalam proses perancangan pressure relief valve ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam menentukan PRV yang sesuai untuk proses di plant. Adapun hal-hal tersebut antara lain perhitungan Maximum Allowable
Working Pressure
(MAWP), pressure and flow characteristic, valve sizing. Pada kasus ini hal pertama yang perlu dilakukan adalah menentukan dimensi dari vessel
(tangki vertical) serta model matematis dari proses tersebut, kemudian menetukan karakteristik relief valve yang akan digunakan dengan ditinjau dari karakteristik spring force dan pressure force untuk jenis direct acting
relief valve. Besarnya tekanan sistem yang dibuang dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut
:


Dimana :

Pc : Pressure cracking (psi)

Fso : Spring force preload ( = Ks.Xo)

Ks : Spring rate

xo : Precompressed spring length

Fr : Coulomb friction force

As : Spool area normal to pressure

Sebagai catatan bahwa kerja dari Fr (coulomb friction force) secara langsung berkebalikan dengan arah gerakan dari spool, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar
dibawah ini:


  1. Pompa

Pompa sentrifugal merupakan salah satu peralatan yang paling sederhana dalam berbagai proses pabrik. Cara kerja pompa jenis ini beroperasi:

  • Cairan dipaksa menuju sebuah impeler oleh tekanan atmosfir, atau dalam hal jet pump oleh tekanan buatan.
  • Baling-baling impeler meneruskan energi kinetik kecairan, sehingga menyebabkan cairan berputar. Cairan meninggalkan impeler pada kecepatan tinggi.
  • Impeler dikelilingi oleh volute casing atau dalam hal pompa turbin digunakan cincin diffuser stasioner. Volute atau cincin diffuser stasioner mengubah energi kinetic menjadi energi tekanan.


Daya hidrolik (hydraulic horse power)

Daya hidrolik (daya pompa teoritis) adalah daya yang dibutuhkan untuk mengalirkan sejumlah zat cair. Daya ini dapat dihitung dengan rumus :


Dimana :

HHP = Daya hidrolik pompa

Q = kapasitas pompa (m3/s)

H = Total head pompa (m)

= berat spesifik cairan (kg/m3)

  1. Hukum Kesetimbangan Massa

Hukum kesetimbangan massa menyatakan bahwa massa tidak dapat diciptakan maupun

dimusnahkan. Untuk sebuah volume kontrol, hokum kekekalan massa dapat dinyatakan semata-mata sebagai laju aliran massa yang masuk ke volume kontrol
ditambah laju akumulasi massa dalam volume kontrol dikurangi laju aliran massa yang keluar dari volume kontrol.

Dengan menggunakan persamaan di bawah maka dapat diidentifikasi variabel keadaan pada tangki vertikal. Massa total didalam tangki :

Massa total =V =Ah

Dimana :


= massa jenis fluida

V = volume dari fluida

A = luas penampang dari tangki vertical

h = ketinggian level fluida dalam tangki vertical



Dimana Fi dan F adalah laju aliran [volume per satuan waktu (ft3/min atau m3/min)] dari input dan output proses.Dengan mengasumsikan massa jenis dari fluida konstan maka:


  1. Hukum Kesetimbangan Energi

Hukum kesetimbangan energi menyatakan bahwa laju perubahan energi yang tersimpan didalam suatu sistem adalah sebanding dengan laju perubahan energy yang masuk kedalam sistem dijumlahkan dengan energy yang dibangkitkan (generated) oleh sistem itu sendiri kemudian dikurangi dengan laju perubahan energi yang keluar dari system



Dimana:

A : luas penampang dari tangki vertikal (m2)

h : ketinggian fluida didalam tangki vertical (m)

T : temperatur fluida didalam tangki (

Fi : Laju aliran yang masuk ke tangki vertical (m3/min)

Ti : temperatur fluida yang masuk ke tangki vertical

Q : Kalor yang dihasilkan oleh pemanas (heater) (joule)

: Massa jenis fluida

Cp : Kapasitas panas fluida didalam Tangki vertikal

Sedangkan kesetimbangan energi untuk tangki vertical berdasar persamaan


Dimana nilai F, V,, Cp adalah konstan, maka persamaan dapat disederhanakan menjadi


Dimana Q adalah jumlah energi panas yang dihasilkan oleh pemanas (heater) per satuan waktu.

  1. Perancangan

3.1 Proses pada Heated Water Circulation Miniplant

Proses yang terjadi pada Heated Water Circulation miniplant adalah proses sirkulasi pemanasan
air. Pada miniplant ini terjadi proses pencampuran antara air hasil pemanasan oleh heater pada tangki vertical
dengan air yang tersimpan pada tangki horizontal. Pada
sistem pengendalian di tangki vertikal, variable
dipengaruhi oleh level air, sehingga strategi

untuk mensirkulasikan air dari tangki vertikal ke tangki horizontal menggunakan switching control pada pompa.


3.2 Perancangan Tangki Horizontal.

Tangki horizontal

Untuk menentukan dimensi dari tangki horizontal maka disesuaikan dengan kapasitas pompa serta waktu untuk memenuhi tangki sesuai dengan pada tangki vertikal. Yaitu kapasitas pompa 7,5 liter / menit dan asumsi bahwa untuk memenuhi dalam kondisi maksimum dari tangki dibutuhkan waktu sekitar 40 menit. Berdasarkan equipment vessel design untuk tangki storage disebutkan bahwa komposisi ideal desain tangki yang diisi air adalah 50 % air dan sisanya 50 % adalah ruang kosong.

Vfluida = 7,5 liter x 60 menit = 450 liter

Vtangki = 100%/50% x 450 liter = 900 liter

Berdasarkan standar yang ada L = 1,5 x d sehingga persamaannya menjadi

Vtangki = 900 liter = 900 dm3 = 0,9 m3 = 31,78 ft3

31,78 = 2 x 0,00049 d3 + d2 / 4 X L

31,78 = 2 x 0,00049 d3 + 3,14 d2 / 4 X 1,5 d

d = 3 ft = 36 in = 0,91 m = 91 cm

Jadi panjang dari bagian silinder tangki

L = 1,5 d

L = 1,5 x 91 cm = 136,5 cm

Panjang dari penutup cembung pada tangki dapat dihitung dengan :

Tutup atas = d x 0,16 = 91 x 0,169 = 15,379 cm

Tutup bawah = d x 0,169 = 91 x 0,169 = 15,379 cm

Dari situ kita bisa menghitung panjang keseluruhan dari tangki dengan cara :

Ttangki = Ltangki + Tutup atas + Tutup bawah

= 136,5 + 15,379 + 15,379

= 167,25 cm

= 1,67 m

Penentuan jenis tangki yang digunakan berdasarkan jenis tangki yang beredar dipasaran dimana berdasarkan table ASME Unfired-Pressure-Vessel Code (lampiran), tangki terbuat dari bahan Carbon steels SA-201 Grade B C-Si type Double Welded Butt Joint
dengan ketebalan tangki t = 4/16 sehingga untuk jari-jari dalam dapat ditentukan dari gambar dibawah ini sebagai berikut :


diketahui d = 0,91 m jadi Rout = 0,455 m

t = 4/16 = 0,625 cm

Rin = 0,455 – 0,00625

= 0,44875 m

  1. Pemodelan Proses pada Tangki Horizontal.

Perilaku dan sifat-sifat dari sistem dapat diwakili dalam bentuk model matematis. Model matematis dapat memberi gambaran hubungan fungsional antara masukan dan keluaran dari suatu proses dan merupakan gambaran perilaku dinamik sebuah sistem. Proses yang terjadi pada tangki horizontal adalah fluida yang masuk ke dalam tangki adalah hasil dari pemanasan dari tangki vertikal. Untuk mendapatkan model matematis pada tangki vertikal digunakan hukum kesetimbangan massa dan hukum kesetimbangan energipersamaan dari hokum kesetimbangan massa didapat dari persamaan di bab 2 adalah

Parameter :

= 1000 kg/m3

cp = 4,2

A = 0,442 m2

Fo =0,0005 (m3/s)

Ti =74,5

To = 100 C




Dalam proses ini, nilai temperatur air yang keluar dari tangki vertikal tidak bisa langsung mencapai setpoint yang ditentukan (100 C), dikarenakan proses yang terjadi pada miniplant ini adalah kontinu (sirkulasi). Temperatur air yang dikendalikan, dipengaruhi oleh daya heater yang digunakan dan kalor jenis dari air. Kalor jenis air adalah sebesar 4200 j /Kg 0C, jadi untuk menaikkan temperatur air dengan jumlah 1Kg/s sebesar 10C, dibutuhkan kalor sebesar 4200 joule. Daya heater yang digunakan sesuaidengan spesifikasi adalah 1500 W, maka kalor yang dihasilkan oleh heater tersebut sebesar 1500 j/s. Oleh karena proses pada miniplant ini adalah proses sirkulasi, kalor yang dihasilkan oleh heater juga ditambahkan dengan kalor air yang disirkulasikan kembali kedalam tangki.



  1. Pemodelan Level Transmitter

Fungsi alih dari level transmitter dapat didekati dengan sistem orde 1. Karena Output dari transmitter adalah 4- 20 mA, maka diperoleh Gain transmitter


Dengan T adalah konstanta waktu untuk transmitter yang didapat dari spesifikasi alat, besarnya adalah 2 second.Berdasarkan data spesifikasi dari level transmitter yang digunakan,. fungsi transfer dari level transmitter adalah sebagai berikut



  1. Pemodelan Control Valve

Gain total dari control valve didefinisikan sebagai hasil perkalian antara gain perubahan dari arus ke tekanan Ki/p dengan gain aktuator actuator K actuator



Dimana :

= laju aliran maksimum fluida yang masuk ke control valve
= 0,6667 Kg/s

f (x)= x = karakteristik control valve linier



Kemudian besar Time Konstan control valve dapat diperoleh dengan menuliskan persamaan

V = Fraksi massa Perubahan Control Valve


Rv = Perbandingan Time Konstan inherent dengan Time Stroke

= 0,03 ( untuk jenis aktuator diaphragma )

= 0,3 ( untuk jenis aktuator piston )

Tv dapat diperoleh dari persamaan berikut


Yc = Faktor Stroking Time Valve = 0,676

Cv = koefisien control Valve = 0,39


Sehingga Fungsi Alih dari Control Valve adalah sebagai berikut:



3.5 Pemodelan Pompa

Pompa menggunakan pompa sentrifugal dengan spesifikasi kapasitas pompa ( Q ) = 0,0005 m3/s, daya hidrolik pompa (HHP) = 100 watt = 0,1 kwatt. S.G = 0,99 ( saat T 100 C )



  1. Perancangan Switching Control

Dari gambar plant dapat dilihat pompa pada miniplant tidak di kontrol, untuk itu perlu adanya switching control pada pompa yang dapat membuat pompa bekerja sesuai kebutuhan.


Proses dari sirkulasi pemanasan air ini adalah air panas yang berasal dari tangki horizontal dipompakan masuk ke dalam tangki vertikal. Laju aliran air tersebut diatur oleh pompa 1. Pengaturan laju aliran disini digunakan untuk menjaga level pada tangki vertical konstan sesuai dengan set point. Untuk menjaga agar level air tersebut sesuai dengan set point, maka digunakan sistem pengendalian level dengan mengatur pompa. Di tangki vertical, air di panaskan dengan heater. Output pemanaan air dari tangki vertikal dipompakan dengan pompa 2 menuju ke tangki horizontal yang berfungsi sebagai storage. Untuk itu di perlukan switching control dengan mengatur laju pompa yang ada di proses. Jadi, ketika level tangki vertikal low maka pompa 1 akan menyala dan pompa 2 akan mati, ketika level tangki vertikal high pompa 2 akan menyala dan pompa 1 akan mati. Jadi ketika level tangki horizontal low maka pompa 2 akan menyala dan pompa 1 akan mati, ketika level tangki horizontal high pompa 1 akan menyala dan pompa 2 akan mati.

Referensi :

[1] Rahmat Permanahadi, DR. Ir. Totok Soehartanto, DEA, “PERANCANGAN SWITCHING CONTROL PADA POMPA DI SIMULATOR SISTEM PENGENDALIANLEVEL DAN TEMPERATUR”, Jurusan Teknik Fisika-Fakultas Teknologi Industr,iInstitut Teknologi Sepuluh Nopember.

[2] Wikipedia Indonesia

[3] www.horisoncatalog.com

[4] http://www.valve-world.net

[5] http://www.lightmypump.com