Refining Process Optimization (Part 1)

Optimalisasi pada proses pengolahan minyak bumi merupakan upaya untuk mencapai kondisi operasi yang optimal. Kondisi optimal berbeda dengan kondisi minimal ataupun maksimal. Biaya terendah dalam suatu proses produksi memanglah akan menjadi titik minimal pada kurva biaya namun belum tentu kondisi yang demikian adalah kondisi yang optimal. Produksi dengan volume produk yang terbanyak akan menjadi titik maksimal dalam kurva volume produksi, namun hal itu juga belum tentu menjadi kondisi optimal. Kondisi optimal diperoleh dari kombinasi beberapa variabel yang pada dasarnya memiliki hubungan yang sangat erat satu sama lainnya di dalam suatu proses. Variabel-variabel tersebut satu sama lainnya saling mempengaruhi bahkan ada pula yang saling membatasi sehingga tidak akan mungkin menentukan titik optimum jika hanya memandang dari sisi salah satu variabel saja.

Contoh penentuan kondisi optimal adalah pada saat perancangan insulasi perpipaan. Variabel-variabel utama yang dipertimbangkan pada saat melakukan perancangan tersebut antara lain: ketebalan insulasi, heat loss, dan biaya. Keterkaitan antara ketiga variabel tersebut adalah sebagai berikut.

• Ketebalan insulasi berbanding terbalik dengan heat loss, artinya semakin tebal insulasi pipa maka heat loss akan semakin kecil
• Ketebalan insulasi berbanding lurus dengan biaya, artinya semakin tebal insulasi pipa maka biaya investasi akan semakin besar

Pada saat merancang insulasi sistem perpipaan, target utama yang diharapkan adalah kondisi operasi (temperatur) fluida di dalam pipa tetap terjaga dan tentunya memenuhi aspek safety (temperatur terluar insulasi yang diizinkan dalam kaitannya dengan keselamatan operator) namun dengan biaya yang seminimal mungkin. Target tersebut tentunya dianggap paling optimal karena telah memperhitungkan berbagai faktor. Rancangan insulasi yang telalu tebal memang akan meminimalkan heat loss namun biaya yang dibutuhkan pastinya akan terlalu besar. Sementara, jika rancangan insulasi terlalu tipis, memang akan diperoleh penghematan biaya, namun heat loss yang terjadi akan terlampau besar dan temperatur dinding terluar dari insulasi pipa yang terpapar ke udara akan terlalu tinggi sehingga akan membahayakan operator.

Proses optimalisasi tersebut dilakukan mulai dari tahap perencanaan, operasional, maupun manajerial sebagaimana terlihat dalam hirarki optimalisasi berikut ini.

Manajemen memegang kendali utama dalam upaya optimalisasi ini. Tiap-tiap departemen yang memiliki tugas masing-masing akan melakukan evaluasi dan optimalisasi terhadap kinerja suatu alat, proses tertentu, maupun proses yang terintegrasi misalnya penjadwalan maintenance, peningkatan performa alat, pemilihan material, pembiayaan, dan lain sebagainya. Pada akhirnya manajemenlah yang akan memberikan keputusan berkaitan dengan hal-hal tersebut.

Di tingkat operasional, berkaitan dengan peralatan dan proses, upaya optimalisasi ini memegang peranan sangat penting bagi tercapainya target produksi dan margin perusahaan. Pencapaian produksi yang sesuai target saja kadang belum menjamin tercapainya margin yang diharapkan. Oleh sebab itu perlu dilakukan upaya-upaya optimalisasi agar segala faktor yang berkaitan dalam proses produksi dapat terkontrol dan mampu memberikan hasil margin sebesar mungkin.

Proses optimalisasi dari segi operasional (peralatan dan proses) tentunya berbeda dengan proses evaluasi peralatan maupun proses. Proses evaluasi merupakan tahapan sistematis untuk mengukur sejauh mana kinerja dan efisiensi peralatan maupun proses dengan parameter pembandingnya adalah kondisi basis (pada umumnya kondisi desain). Sedangkan proses optimalisasi lebih mengarah pada pencarian kondisi optimum yang mampu dicapai oleh suatu peralatan maupun proses dengan menganalisis hubungan antar variabel proses satu dengan lainnya kemudian menentukan kombinasi variabel yang memberikan hasil yang paling maksimal yang mampu dicapai. Dari proses analisis variabel-variabel proses tersebut akan diketahui variabel mana yang akan memberikan hubungan positif terhadap pencapaian sasaran optimalisasi serta variabel mana yang akan memberikan hubungan negatif, serta faktor kendala atau pembatas dalam pencapaian sasaran optimalisasi yang mana hubungan antara variabel-variabel tersebut akan menghasilkan suatu daerah feasible dalam kurva optimalisasi.

Setiap model optimalisasi memiliki tiga komponen utama:

1. Minimal satu fungsi objektif sebagai tujuan optimalisasi (misalnya: fungsi keuntungan, fungsi biaya, dll.)
2. Fungsi persamaan sebagai pembatas
3. Fungsi pertidaksamaan sebagai pembatas

Komponen kedua dan ketiga merupakan model dari proses maupun peralatan, sedangkan Komponen pertama terkadang disebut sebagai model keekonomian. Optimalisasi ini dapat diselesaikan dengan suatu solusi yang dapat dilaksanakan (feasible solution) yang mana kombinasi variabel pada kondisi optimum mampu memenuhi harapan dari komponen nomor 2 dan 3 dari grafik optimalisasi. 

Hasil penyelesaian optimalisasi ini sangat dipengaruhi oleh derajat kebebasan dari masalah yang ada. Derajat kebebasan = 0 (nol), jumlah variabel independent = jumlah variabel dependent akan memberikan 1 solusi. Solusi tersebut diperoleh dengan menyelesaikan persamanaan-persamaan yang ada dengan metode substitusi dan eliminasi. Pada pemecahan masalah optimalisasi yang mana komponen persamaan no. 2 dan 3 dalam bentuk persamaan nonlinear akan memberikan solusi lebih dari 1.

Berdasarkan grafik optimalisasi di atas, daerah layak (feasible region) terdiri atas garis yang dibatasi oleh dua batasan berupa fungsi pertidaksamaan. Solusi dari grafik optimalisasi tersebut merupakan kombinasi variabel yang mampu memenuhi harapan dari komponen fungsi no. 2 dan 3. Solusi tersebut juga akan memberikan hasil yang optimal bagi komponen fungsi pertama.

Tahapan Proses Optimalisasi

Secara umum, tahapan optimalisasi adalah sebagai berikut.

1. Analisis proses untuk menentukan daftar variabel proses dan karakteristik proses
2. Menentukan kriteria optimalisasi dan menentukan fungsi objektif sesuai variabel yang diperoleh pada tahap 1 guna menentukan model kinerja (dan keekonomian) suatu proses/peralatan.
3. Membuat model matematis dari proses/peralatan yang akan dioptimalisasi kemudian identifikasi variabel bebas (independent) dan terikat (dependent) guna menentukan  derajat kebebasan (degree of freedom)
4. Jika formulasi masalah memiliki scope yang terlalu luas, maka:
• uraikan menjadi beberapa bagian
• sederhanakan fungsi objektif
5. Gunakan teknik optimalisasi yang sesuai dengan model matematis yang ada
6. Periksa hasil dan uji sensitifitas hasil terhadap perubahan koefisien dari permasalahan dan asumsi yang ada

Abaikan variabel yang pengaruhnya kurang signifikan terhadap fungsi objektif. Hal ini dapat dilakukan dengan pertimbangan engineering ataupun dengan menggunakan analisis secara matematis untuk menentukan tingkat signifikansi masing-masing variabel. 

Sumber:

Optimization of Chemical Processes by Edgar

Refinery Optimization oleh Ir. Kardjono SA, M.T

Posted in: Degree of Freedom , Dependent Variable , Feasible Region , Fungsi Objektif , Independent Variable , Ketebalan Isolasi Optimal , Optimalisasi , Optimization , Refining Tech , Tahapan Optimalisasi , Variabel Proses