Aplikasi Software dan Simulator dalam St

Aplikasi Software dan Simulator dalam Studi Teknik Kimia
Yulius D. Hermawan*, Muhammad Rosihan, Yustinus Setyo S.
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri
Universitas Pembangunan Nasional “Veteran” Yogyakarta
Jl. Lingkar Utara 104 Condongcatur Yogyakarta
* Email: hermawanyd@yahoo.com

Abstrak
Dewasa ini perkembangan bidang teknik kimia berkembang dengan pesat seiring kemajuan
teknologi, permasalahan dalam teknik kimia semakin kompleks dan membutuhkan pemecahan yang cepat
dan tepat. Penyelesaian secara analitis sangat membutuhakan kemampuan pemahaman matematis yang baik
dan mungkin memerlukan waktu yang cukup lama. Oleh karena itu perlu dipikirkan alternatif penyelesaian
secara komputasi dan numerik sehingga dapat membantu mempercepat penyelesaian masalah yang muncul.
Paper ini menjelaskan manfaat dan aplikasi beberapa software yang sering digunakan untuk membantu
penyelesaian masalah-masalah teknik kimia, diantaranya yaitu VBA Excel, MatLab, dan HYSYS.
Kata kunci: komputasi proses, software, dan simulator

Pendahuluan
Permasalahan-permasalahan teknik kimia seperti proses kimia, perancangan proses, reaktor, dan
unit operasi berkembang dengan pesat. Di lain pihak, permasalahan tersebut biasanya cenderung kompleks
dan penyelesaiannya memerlukan sejumlah langkah-langkah perhitungan yang sifatnya iteratif. Penggunaan

analisa numerik merupakan salah satu solusi dari sulitnya menyelesaikan permasalahan sistem secara
analitik, dan pemanfaatan software sangat mendukung komputasi proses sehingga waktu penyelesainnya
menjadi lebih cepat dibandingkan dengan penyelesaian manual. Oleh karena itu, dengan memanfaatkan
sotfware, perhitungan-perhitungan yang semula dianggap tidak mungkin (unfeasible) menjadi mungkin
(feasible).
Dalam paper ini, kami ingin menyajikan manfaat dan aplikasi beberapa software dan simulator
dalam membantu permasalahan teknik kimia, diantaranya: VBA Excel, MatLab, dan HYSYS. Proses
hydrodealkylation of toluene (HDA) dan masalah dinamika proses lainnya diangkat sebagai studi kasus
dalam paper ini.

Software Simulasi Proses
Software (program) berisi instruksi atau perintah yang ingin kita jalankan pada komputer. Dalam
aplikasi teknik kimia software merupakan suatu alat bantu (tool) untuk menghitung neraca massa dan energi
dengan menggunakan deretan model-model matematika dalam suatu flowsheet yang terintegrasi. Tiap model
matematika akan menerangkan fungsi yang spesifik, yaitu kinerja dari unit operasi dan hubungan antara unit
operasi. Ada beberapa kategori penting pada software, yaitu operating system, application software, dan
user. Gambar 1 mengilustrasikan hubungan antara kategori tersebut dengan perangkat keras (hardware)
komputer.
Operating System
Beberapa software, seperti operating system (Windows dan Linux), biasanya didapatkan bersamaan

saat membeli hardware (perangkat keras). Operating system menyediakan hubungan permukaan antara anda
(user) dan hardware dengan menyediakan kenyamanan dan efisinsi lingkungan sistem yang mana user dapat
memilih dan mengeksekusi software pada sistem anda.
Karena sebuah komputer dapat menggunakan operating system yang berbeda maka anda harus
memperhatikan operating system yang disarankan pada Ms. Excel, MatLab dan HYSYS.

Forum Diskusi Ilmiah JTK FTI UPNVY

YDH-MR-YSS

1

Gambar 1. Hubungan Software dengan Hardware
Berikut adalah kegunaan software simulasi proses :
 Melakukan perhitungan neraca massa dan energi dari suatu proses baik kondisi tunak (steady state)
maupun dinamik (unsteady state)
 Memprediksi efek-efek perubahan input proses (T,P,F) terhadap output proses (production rate,
purity, etc.)
 Mengoptimasi suatu proses secara lebih cepat
 Sebagai alat bantu untuk lebih memahami tentang proses yang terjadi dalam sebuah pabrik (plant)

Walaupun keberadaan simulator proses dianggap sangat handal dalam membantu penyelesaian
permasalahan-permasalahan kompleks, tetapi tidak akan efektif, jika para pengguna (user) tidak mempunyai
pengetahuan yang cukup tentang sistem proses dan prosedur penyelesaiannya. Untuk menyelesaikan
permasalahan dengan simulator proses, kita akan dihadapkan pada berbagai kondisi dan berbagai pilihan
yang harus diambil, misal kondisi proses, pemilihan model termodinamika dan kinetika, estimasi awal
perhitungan, dan pemilihan spesifikasi unit operasi. Beberapa software dan simulator yang kami sajikan
antara lain: Visual Basic for Application Excel, Matlab, dan HYSYS dipaparkan sebagai berikut.
Visual Basic for Application Excel
Ms.Excel merupakan salah satu aplikasi spreadsheet yang paling populer dalam lingkungan
pemakai windows. Pemakai dari berbagai profesi menggunakan Ms.Excel untuk berbagai keperluan,
utamanya, misalnya untuk mengerjakan tugas-tugas perkantoran.
Akhir-akhir ini telah banyak pemakai yang berasal dari bidang teknik kimia yang mulai
menggunakan Ms.Excel. Aplikasi yang berisi perhitungan yang cukup rumit dapat dibangun dalam Ms.Excel
dengan menggunakan fasilitas fungsi built-in Ms.Excel, Macro dan aplikasi pemrograman berbahasa BASIC
dengan menggunakan Visual Basic for Application (VBA). Permasalahan dalam teknik kimia yang
melibatkan trial dan error, analisis data, analisa numeris, optimasi, dan perancangan pabrik kimia dapat
diselesaikan dengan VBA Excel.
MatLab
MatLab adalah singkatan dari Matrix Laboratory, dan merupakan sebuah software yang
mengintegrasikan analisa numerik, komputasi matriks, dan grafik dalam suatu lingkungan yang mudah

digunakan dimana masalah dan solusinya ditulis sesuai dengan persamaan matematisnya. MatLab merupakan
salah satu software yang handal dalam membantu penyelesaian numerik dari sistem linear dan tak-linear.
MatLab telah menyediakan subrutin numerik yang dapat digunakan dengan leluasa dalam menyelesaikan
masalah-masalah komputasi proses.
Beberapa contoh persamaan tak-linear dalam proses kimia antara lain: persamaan laju reaksi,
persamaan laju alir volumetrik cairan keluar tangki, dan persamaan termodinamika. Persamaan-persamaan
tak-linear tersebut sering dijumpai di bidang kajian kinetika dan katalis, reaktor, termodinamika, dinamika
proses, dan pengendalian proses. Subrutin dalam bentuk m-file dapat digunakan secara leluasa untuk
membuat suatu algoritma program penyelesaian sistem persamaan yang muncul. Bahkan MatLab juga telah
menyediakan fungsi-fungsi bawaan seperti ode, fzero, roots, dan lain lain. Selain itu, MatLab juga
menyediakan paket simulink yang dapat membantu para pengguna untuk menyelesaikan masalah khususnya
di bidang dinamika dan pengendalian proses. Dengan simulink, pengguna dapat merancang sistem
pengendalian proses dan mensimulasikannya sehingga diperoleh profil (response) dari variabel-variabel
proses.

Forum Diskusi Ilmiah JTK FTI UPNVY

YDH-MR-YSS

2

HYSYS
HYSYS adalah salah satu simulator yang dapat digunakan untuk mensimulasikan unit proses dan
atau gabungan unit-unit proses pada kondisi tunak dan dinamis. HYSYS dapat melakukan perhitungan neraca
massa dan neraca panas suatu proses. HYSYS merupakan sebuah program yang bersifat Object Oriented
Program yaitu pemrograman berorientasi obyek. Pemrograman OOP banyak digunakan untuk membuat
aplikasi-aplikasi yang bekerja dalam lingkungan sistem operasi Windows. HYSYS berbeda dengan softwaresoftware diatas karena HYSYS adalah sebuah simulator khususnya di bidang teknik kimia yang bertujuan
memudahkan para pengguna dalam merancang atau mensimulasikan sebuah pabrik kimia.
Di dalam HYSYS tersimpan data fisik seperti: densitas, viskositas, panas jenis, dll untuk beberapa
komponen hidrokarbon maupun non-hidrokarbon. Beberapa model termodinamika tersedia di dalam fluid
package pada simulation basis manager (SBM). Secara garis besar model termodinamika dalam HYSYS
dikelompokkan ke dalam lima bagian, yaitu: (1) Equation of State (EOS) Models, (2) Activity Models, (3)
Chao-Seader Models, (4) Vapor Pressure Models, dan (5) Miscellaneous (special application) Types. Jika
sistem proses yang akan disimulasikan mempunyai reaksi untuk mengubah material menjadi produk tertentu,
maka jenis reaksi harus ditentukan melalui SBM. Jenis-jenis reaksi yang tersedia di dalam HYSYS adalah (1)
Conversion, (2) Equilibrium, (3) Heterogeneous Catalytic, (4) Kinetic, dan (5) Simple Rate.

Contoh-Contoh Masalah Teknik Kimia dan Penyelesaiannya
Contoh kasus perancangan reaktor proses HDA:
Hydrodealkylation of toluene process (HDA) diambil sebagai contoh untuk studi kasus. Contoh ini

diambil dari Douglas 1988. Reaksi fase gas pembentukan benzene dari proses HDA dalam reaktor pipa (plug
flow reactor) adalah sebagai berikut:
C7 H8 +
H2
(toluene)
(hydrogen)
2 C6H6
(benzene)

C12 H10 +
(diphenyl)

C6 H6
+
(benzene)

CH 4
(methane)

H2

(hydrogen)

Laju reaksi untuk masing-masing reaksi dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:
r1 = 3.6858 x 106 exp (-25616/T)PT PH0 .5
r2 = 5.987 x 104 exp (-25616/T) PB2 - 2,553 x 105 exp (-25616/T)PD PH
dimana:
r1, 2
: laju reaksi 1, 2 [lbmol/(mnt.ft3)]
Pi
: tekanan parsial komponen [psia]
Kondisi operasi dan umpan reaktor PFR dilaporkan pada Tabel 1. Dari penyusunan neraca massa dan energi
diperoleh model matematis proses HDA di reaktor PFR sebagai berikut:

Untuk tekanan sepanjang reaktor diperoleh berdasarkan persamaan dengan asumsi gas ideal dan V  Vo ;

Dimana n = F sehingga ;

Forum Diskusi Ilmiah JTK FTI UPNVY

YDH-MR-YSS

3

dimana:
Fi
Pi
T
Z
 HR
Cpi

: laju alir volumetrik komponen i [ft3/jam]
: Tekanan komponen [Psia]
: Suhu [F]
: Panjang reaktor [ft]
: Panas reaksi [Btu/lbmol]
: Kapasitas panas komponen i [Btu/lbmol K]

Tabel 1. Kondisi operasi dan umpan reaktor PFR untuk proses HDA
Temperature [F]

Pressure [psia]
Molar Flow [lbmole/hr]
Mol Fraction
Hydrogen
Methane
Benzene
Toluene
BiPhenyl

1150
521
4869.8
0.4169
0.4922
0.0080
0.0829
0.0000

Tabel 2. Hasil perhitungan reaktor PFR proses HDA
Nama Arus

Umpan

Temperature [F]
Pressure [psia]
Molar Flow [lbmole/hr]
Mol Fraction
Hydrogen
Methane
Benzene
Toluene
BiPhenyl

1150.00
503.00
4382.50
0.4291
0.4800
0.0053
0.0856

0.0000

Hasil Keluaran Reaktor
VBA Excel*
HYSYS**
TMODS***
1217.24
1263.20
1231.33
483.13
486.00
486.00
4382.50
4382.50
4382.50
0.3774
0.5320
0.0333
0.0568
0.0006

0.3650
0.5454
0.0681
0.0202
0.0013

0.3644
0.5463
0.0685
0.0193
0.0015

*: Hermanan Y.D. dkk (2007), **: Hermanan Y.D. (2004), ***: Luyben et al. (1999)

Penyelesaian model matematik proses HDA dengan VBA Excel dilaporkan pada Tabel 2. Sebagai
perbandingan, hasil keluaran reactor PFR dari Luyben et al. (1999) juga ditampilkan di Tabel 2. Luyben dkk
melakukan simulasi menggunakan TMODS dynamic simulator. Dari Tabel 2 dapat disimpulkan bahwa
penyelesaian dengan VBA Excel menghasilkan hasil (keluaran) mendekati hasil perhitungan dari Luyben et
al. (1999)..
Perbandingan dengan simulator HYSYS
Pada tahun 2004, Hermawan, Y.D. telah melakukan simulasi tunak dan dinamis untuk proses HDA
dengan Simulator HYSYS. Gambar 2 mengilustrasikan tampilan reaktor PFR dari HYSYS. Hasil simulasi
Forum Diskusi Ilmiah JTK FTI UPNVY

YDH-MR-YSS

4

proses reaktor PFR pada kondisi tunak dengan HYSYS disajikan pada Tabel 2. Dari Tabel 2, perhitungan
dengan VBA Excel, HYSYS, maupun TMODS menghasilkan keluaran yang dekat. Gambar 3 menunjukkan
diagram alir proses HDA dari HYSYS lengkap dengan konfigurasi pengendaliannya. Hasil neraca massa dan
energi proses HDA dengan HYSYS tersedia di Hermawan Y.D. (2004).

Gambar 2. Ilustrasi reaktor PFR untuk proses HDA dari HYSYS (Hermawan, Y.D., 2004)

Gambar 3. Diagram alir proses HDA dari HYSYS dilengkapi dengan konfigurasi pengendalian proses
(Hermawan, Y.D., 2004).
Contoh kasus stabilisasi proses tidak stabil
Contoh kasus stabilisasi proses tidak stabil ini diambil dari Stephanopoulos, G. (1984). Diketahui
suatu proses mempunyai fungsi transfer sebagai berikut:

Dari fungsi transfer tersebut jelas menghasilkan respon yang tidak stabil (Gambar 4), karena akar dari pole
fungsi transfer proses positif (di sebelah kanan sumbu imaginer). Jika proses tersebut dikenai perubahan
input fungsi tahap maka akan menghasilkan respon yang tidak stabil seperti Gambar 4. Hasil tersebut
diperoleh dengan menggunakan software MatLab (Bequette, B.W., 2003).
Dalam kasus ini, proses tersebut akan dikendalikan dengan feedback proportional control
(P
Control). Blok diagram pengendalian proses dengan paket simulink disajikan pada Gambar 5. Respon
dinamik untuk proses terkendali disajikan pada Gambar 6.
40

y

30
20
10
0
0

0.5

1
Time

1.5

2

Gambar 4. Respon tidak stabil dari sebuah proses

Forum Diskusi Ilmiah JTK FTI UPNVY

YDH-MR-YSS

5

Gambar 5. Blok diagram pengendalian proses dengan simulink (Bequette, B.W., 2003)
1
0.8

y

0.6
0.4
0.2
0

0

0.5

1
Time

1.5

2

Gambar 6. Respon dinamik proses terkendali dengan P Control.

Fungsi transfer loop tertutup disajikan sebagai beikut:

Dari fungsi transfer loop tertutup, respon dinamik akan stabil jika dipilih K c > 1/10. Respon dinamik dengan
Kc = 1 ditunjukkan pada Gambar 6. Dari Gambar 6 terlihat jelas bahwa respon dinamik loop tertutup stabil.

Kesimpulan
Dari contoh-contoh kasus teknik kimia yang telah dipaparkan, software dan simulator tersebut
sangat membantu kita khususnya mahasiswa dan dosen teknik kimia. Dengan software dan simulator
masalah-masalah teknik kimia yang memerlukan perhitungan berulang-ulang (iterasi) dapat diselesaikan
dengan cepat. Oleh karena itu, aplikasi software dan simulator dalam studi teknik kimia sangat diperlukan
dan direkomendasikan.

Daftar Pustaka
Bequette, B.W., (2003), Process Control, Modeling, Design, and Simulation, Prentice Hall International
Series in the Physical and Chemical Engineering Series, USA.
Douglas, J.M. (1988), Conceptual Design of Chemical Process, New York, McGraw Hill.
Etter, Dolores M., (1997), Engineering Problem Solving with MatLab, Prentice Hall International Edition, 2nd
ed., New Jersey.
Hermawan, Y.D. (2004), Design of Plantwide Control Structure of HDA Process With Energy Integration
Schemes, Dr.Eng Dissertation, Department of Chemical Engineering, Chulalongkorn University,
Thailand.
Luyben, W.L., Tyreus, B.D., and Luyben, M.L., (1999), Plantwide Process Control, New York, McGraw
Hill.
Stephanopoulos, G. (1984), Chemical Process Control: An Introduction to Theory and Practice, Englewood
Cliffs, NJ. Prentice Hall.
Walkenbach, J., (2001), Excel 2002 Power Programming with VBA, Hungry Minds Inc., USA.
Wongsri M and Hermawan Y.D. (2005), Heat Pathways Management for A Complex Energy Integrated
Plant: Dynamic Simulation of HDA Plant, J.Chin.Inst.Chem.Engrs. Vol. 36, No. 4, 357-383.
Forum Diskusi Ilmiah JTK FTI UPNVY

YDH-MR-YSS

6