Kp Tugas Khusus.docx

HALAMAN JUDUL

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK

LAPORAN TUGAS KHUSUS EVALUASI REAKTOR UREA DC-101 MENGGUNAKAN NERACA MASSA BERDASARKAN DATA DESAIN DAN DATA AKTUAL PERIODE 1 JULI – 31 JULI 2018

Disusun Oleh : Arif Maldini Rendy Renaldy Firdaus

21030115130121 210301151340

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2018

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS DIPONEGORO

i

HALAMAN PENGESAHAN

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK

HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN PRAKTIK KERJA DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO Nama Pabrik Unit Kerja

: Arif Maldini (21030115130121) Rendy Renaldy F (21030115140) : PT Pupuk Kujang (Persero) : Urea 1A

Semarang, Agustus 2018 Menyetujui Dosen Pembimbing

Prof. Dr. Ir. Abdullah, MS NIP.195512311983031014

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS DIPONEGORO

ii

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN PRAKTEK KERJA DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO Nama Pabrik Unit Kerja

: Arif Maldini (21030115130121) Rendy Renaldy F (21030115140) : PT Pupuk Kujang (Persero) : Urea 1A

Semarang, Agustus 2018 Menyetujui Pembimbing

Muhammad Reda Galih P, S.T.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS DIPONEGORO

iii

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penyusun dapat menyelesaikan laporan Khusus Kerja Praktek di PT. Pupuk Kujang, Cikampek, Jawa Barat. Penyusunan laporan tugas khusus kerja praktek ini ditujukan untuk memenuhi salah satu persyaratan menyelesaikan program sarjana (S-1) di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Diponegoro. Pada kesempatan kali ini penyusun menyampaikan rasa terima kasih kepada : 1. Bapak Dr. Siswo Sumardiono, ST, MT. selaku ketua departemen Teknik Kimia Universitas Diponegoro. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Abdullah, MS selaku dosen pembimbing Praktek Kerja. 3. Bapak Indra M. Reda Galih Pangestu, S.T selaku pembimbing lapangan di Unit Urea 1A PT. Pupuk Kujang Cikampek Jawa Barat. 4. Semua pihak yang telah memberikan dukungan baik secara langsung maupun tidak langsung. Penulis menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan. Oleh karena itu, penulis berharap adanya kritik serta saran yang bersifat membangun untuk menyempurnakan laporan Kerja Praktek ini. Semoga laporan Kerja Praktek ini dapat memberikan manfaat bagi semua pihak.

Semarang, Oktober 2018

Penyusun

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS DIPONEGORO

iv

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ...................................................................................................................... i HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................................................... ii KATA PENGANTAR .................................................................................................................. iv DAFTAR ISI.................................................................................................................................. v DAFTAR TABEL ........................................................................................................................ vi DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................... vii INTISARI ................................................................................................................................... viii BAB I PENDAHULUAN .............................................................................................................. 1 1.1

Latar Belakang Masalah ................................................................................................... 1

1.2

Rumusan Masalah ............................................................................................................ 1

1.3

Tujuan............................................................................................................................... 1

1.4

Manfaat............................................................................................................................. 1

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................... 2 2.1

Urea .................................................................................................................................. 2

2.2

Sifat Fisika dan Kimia Urea ............................................................................................. 2

2.3

Sifat-sifat Reaktan dan Bahan Pembantu ......................................................................... 3

2.4

Prinsip Pembuatan Urea ................................................................................................... 4

2.5

Urea Synthesis Reactor (DC-101) dan Cara Kerja........................................................... 4

2.6

Faktor-faktor yang Berpengaruh Pada Sintesa ................................................................. 6

2.7

Neraca Massa ................................................................................................................... 8

BAB III METODE ANALISA DATA......................................................................................... 9 3.1

Cara Memperoleh Data .................................................................................................... 9

3.2

Cara Mengolah Data......................................................................................................... 9

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................................... 11 4.1

Hasil ............................................................................................................................... 11

4.2

Pembahasan .................................................................................................................... 12

LAMPIRAN................................................................................................................................. 16

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS DIPONEGORO

v

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Spesifikasi Produk Urea Tabel 2.2 Spesifikasi Ammonia Tabel 2.3 Spesifikasi Karbon Dioksida Tabel 4.1 Hasil Performance Test DC-101 (15/2/2018) Tabel 4.2 Komposisi Aliran di Reaktor DC-101 (Desain) Tabel 4.3 Rata-rata Flow Rate input reaktor Tabel 4.4 Perbandingan Konversi Desain dan Aktual Reaktor

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS DIPONEGORO

2 3 4 11 12 12 12

vi

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Urea Synthesis Reactor (DC-101)............................................................................... 5 Gambar 2.2 Pengaruh Suhu Terhadap Konversi Kesetimbangan ................................................... 6 Gambar 2.3 Pengaruh Rasio N/C Terhadap Yield Urea ................................................................. 7 Gambar 2.4 Pengaruh Rasio H/C terhadap yield urea .................................................................... 7 Gambar 3.1 Skema Aliran Masuk dan Keluar Reaktor DC-101 .................................................. 10

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS DIPONEGORO

vii

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK INTISARI Urea adalah senyawa organic yang tersusun dari unsur karbon, hydrogen, oksigen dan nitrogen dengan rumus CON2H4 atau (NH2)2CO. Urea juga dikenal dengan nama karbamat yang terutama digunakan di kawasan Eropa. Nama lain yang juga sering dipakai adalah carbamide resin, isourea, carbonyl diamide dan carbonyldiamine. Secara garis besar proses pembuatan urea terbagi menjadi beberapa unit penting yaitu, persiapan bahan baku, sintesa, resirkulasi, evaporasi, prilling dan finishing. Pada proses sintesa terdapat beberapa variable yang dapat mempengaruhi produksi urea seperti, rasio N/C fas gas, rasio N/C fase cair, rasio H/C, serta suhu dan tekanan. Tujuan dari penyusunan laporan ini adalah mengevaluasi kinerja reaktor DC-101 pada unit urea IA PT Pupuk Kujang Cikampek. Unit urea pabrik IA dirancang untuk memproduksi urea sebesar 570.000 ton/tahun urea prill. Proses yang digunakan pada pabrik urea IA adalah Total Rrecycle C Improved dari Toyo Engineering Corporation. Dengan desain reaktor bertray sejumlah 11 dan beroperasi pada suhu rentang 190-205oC dan tekanan 185-200 kg/cm2, menghasilkan konversi CO2 optimum sebesar 71%. Hasil reaktor kemudian masuk ke unit sparasi dan prilling, dengan sebagian hasil sparasi masuk ke unit recovery. Evaluasi kinerja Reaktor DC-101 pada unit urea IA dimaksudkan untuk mengetahui bagaimana kinerja alat reaktor tersebut. Karena pada dasarnya setiap alat akan mengalami degradasi kinerja sesuai dengan umur penggunaannya. Selain itu, evaluasi ini bertujuan untuk mengetahui titik optimum konversi urea yang bisa didapat dengan meninjau variabel fakorfaktor yang mempengaruhi meliputi rasio N/C, H/C, serta kondisi suhu dan tekanan reaktor. Menurut referensi semakin besar rasio N/C maka konversi urea juga semakin tinggi. Sebaliknya semakin besar rasio H/C maka konversi urea akan menjadi semakin sedikit. Dalam referensi juga menunjukan bahwa operasi optimum pembentukan urea terjadi saat rasio H/C sekitar 0,4-0,6; dan rasio N/C sekitar 3,0. Sehingga penjagaan laju alir bahan masuk akan menjaga konversi reaktor. Saran untuk laporan khusus berikutnya, pada evaluasi sebaiknya dilakukan juga menggunakan software Hysis atau applikasi simulasi operasi. Hal ini ditujukan agar analisa dapat dilakukan dengan memvariasikan laju alir bahan masuk dengan mudah dan dapat mendapatkan hasil pengamatan maksimal.

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS DIPONEGORO

viii

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK BAB I PENDAHULUAN 1.1

1.2

1.3

1.4

Latar Belakang Masalah Proses pembentukan urea terjadi di reaktor menggunakan ammonia dan karbondioksida sebagai umpan. Proses ini termasuk dalam bagian sintesis yang di dalamnya termasuk proses pembentukan ammonium karbamat dan dehidrasi ammonium karbamat menjadi urea dan air. Reaktor merupakan alat utama dalam industri urea, oleh karena itu unjuk kerja reaktor perlu selalu dijaga dan dievaluasi agar kestabilan proses dapat dijaga. Reaktor pada pabrik urea mempunyai peranan yang sangat penting pada proses pembuatan urea. Reaksi di reaktor mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu karena reaksi dominan berupa eksotermis, akan tetapi reaksi yang terjadi di dalam reaktor adalah reaksi eksotermis dan endotermis. Kondisi yang diharapkan adalah membuat konsentrasi urea keluar reaktor sebesar mungkin, akan tetapi ada beberapa faktor yang mempengaruhi reaksi salah satunya adalah suhu pada reaktor, suhu akan berpengaruh pada kecepatan reaksi. Oleh karena itu problem operasi yang penting adalah bagaimana menjalankan reaktor supaya mendapatkan hasil atau produk sesuai dengan yang diinginkan dengan kondisi yang diharapkan masih tercapai. . Dalam tugas khusus ini dilakukan evaluasi kinerja reaktor dengan cara membandingkan neraca massa dan neraca panas berdasarkan data desain dan data aktual. Dengan menghitung neraca massa dan neraca panas aktual dan membandingkannya dengan data desain, diharapkan dapat diketahui apakah terjadi kenaikan atau penurunan kemampuan kinerja reaktor serta indikasi penyebabnya hingga dapat dilakukan optimasi untuk meningkatkan efisiensi Rumusan Masalah Dalam tugas khusus ini, permasalahan yang diambil adalah mengevaluasi kinerja reaktor. Reaktor merupakan tempat terjadinya reaksi antara amonia cair dengan CO2 serta aliran recycle. Evaluasi ini dilakukan karena setiap alat akan mengalami degradasi kinerja baik disebabkan oleh kerusakan maupun umur alat. Tujuan 1. Mengevaluasi kinerja reaktor berdasarkan neraca massa. 2. Menganalisa penyebab kenaikan atau penurunan kinerja reaktor. Manfaat 1. Dapat mengetahui kondisi kelayakan reaktor dalam unit sintesa urea. 2. Dapat meningkatkan kinerja reaktor DC-101.

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

1

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1

Urea Urea adalah suatu senyawa organik yang terdiri dari unsur karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen dengan rumus CON2H4 atau (NH2)2CO. Urea juga dikenal dengan nama carbamide yang terutama digunakan di kawasan Eropa. Nama lain yang juga sering dipakai adalah carbamide resin, isourea, carbonyl diamide dan carbonyldiamine. Senyawa ini adalah senyawa organic sintesis pertama yang berhasil dibuat dari senyawa anorganik. Urea merupakan pupuk nitrogen yang paling mudah dipakai. Zat ini mengandung nitrogen paling tinggi (46%) di antara semua pupuk padat. Zat ini mudah larut didalam air dan tidak mempunyai residu garam sesudah dipakai untuk tanaman. Kadang-kadang zat ini juga digunakan untuk pemberian makanan daun. Disamping penggunaannya sebagai pupuk, urea juga digunakan sebagai tambahan makanan protein untuk hewan pemamah biak, juga dalam produksi melamin, dalam pembuatan resin, plastik, adhesif, bahan pelapis, bahan anti ciut, tekstil, dan resin perpindahan ion. Bahan ini merupakan bahan antara dalam pembuatan amonium sulfat, asam sulfanat, dan ftalosianina (Austin, 1997). Produk utama dari PT. Pupuk Kujang yaitu urea prill dengan kapasitas total 1.725 ton/hari. Spesifikasi produk urea prill yang dihasilkan dapat di lihat pada tabel 2.1 : Tabel 2.1 Spesifikasi Produk Urea Kandungan Urea Nitrogen 46% (minimum) Air 0,35% (maksimum) Biuret 0,57% (maksimum) Fe 0,66 ppm (b/b) (maksimum) Ammonia bebas 150 ppm (b/b) (maksimum) Abu 15 ppm (b/b) (maksimum) Ukuran 6 US mesh 0,2% berat Ukuran 18 US mesh 99,3% berat Ukuran 25 US mesh 2,0% berat (Process Engineering PT Pupuk Kujang, 2018)

2.2

Sifat Fisika dan Kimia Urea Berikut sifat-sifat produk urea yang dihasilkan : Sifat-sifat fisika :  Berat molekul : 60,06 kg/kmol  Bentuk fisik : Padat  Warna : Putih  Titik lebur : 132,70 OC  Kelarutan : 100 (170 OC dalam 100% air)

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

2

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK

2.3

20 (200 OC dalam 100% alkohol)  Panas pembakaran : -91,02 .105 J/kg Sifat-sifat kimia urea :  Urea dibuat dari reaksi ammonia dengan karbon dioksida 2NH3 + CO2 NH2CONH2 + H2O  Bersifat higroskopis atau mudah menyerap air di lingkungan sekitarnya Sifat-sifat Reaktan dan Bahan Pembantu Dalam mengontrol reaksi di reaktor DC-101 perlu diketahui keadaan reaktan dan produknya. Sifat-sifat reaktan, bahan pembantu yang digunakan dan produk samping yang dihasilkan sebagai berikut : a. NH3 (Ammonia) Sifat-sifat kimia dan fisika ammonia :  Berat Molekul : 17,03 kg/kmol  Bentuk fisik : Gas  Ciri-ciri : Tidak berwarna tetapi berbau khas (bau ammonia)  Titik lebur : -77,7 OC  Titik didih : -33,4 OC  Sifat : Korosif, berbentuk gas pada keadaan standar Untuk spesifikasi ammonia masuk ke reaktor ditunjukan tabel 2.2 : Tabel 2.2 Spesifikasi Ammonia Parameter Spesifikasi Kadar Ammonia 99,5% berat minimum Kadar Air 0,5% berat minimum Minyak 5 ppm (b/b) maksimum Tekanan 18 kg/cm2 Temperatur 25-30oC Jumlah Normal 40.983 kg/jam Jumlah Rancang 49.180 kg/jam (Process Engineering PT Pupuk Kujang, 2018) b. CO2 (Karbon Dioksida) Sifat-sifat kimia dan fisika karbon dioksida :  Berat molekul : 44,01 kg/kmol  Bentuk fisik : Gas  Titik lebur : -56,6 (5,2 atm)  Titik didih : -78.50 OC  Densitas : 0,770 g/cm3 Untuk spesifikasi karbon dioksida masuk ke reaktor ditunjukan tabel 2.3 :

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

3

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK Tabel 2.3 Spesifikasi Karbon Dioksida Parameter Spesifikasi Kadar CO2 (kadar kering) 98,5% berat minimum Kadar air 2% berat maksimal Kadar sulfur 1 ppm (b/b) maksimum Tekanan 0,6 kg/cm2 Temperatur 38oC Kadar penyerap 0,01% Jumlah normal 27.450 kg/jam Rancang normal 32.940 kg/jam (Process Engineering PT Pupuk Kujang, 2018) 2.4

Prinsip Pembuatan Urea Sintesa urea dapat berlangsung dengan bantuan tekanan tinggi. Sintesa ini dilaksanakan untuk pertama kalinya oleh BASF pada tahun 1941 dengan bahan baku karbon dioksida (CO2) dan amoniak (NH3). Sintesa urea berlangsung dalam dua bagian. Selama bagian reaksi pertama berlangsung, dari amoniak dan karbon dioksida akan terbentuk amonium karbamat. Reaksi ini bersifat eksoterm. 2NH3 (g) + CO2 (g) NH2COONH4 (l) ∆H=-159,7 kJ Pada bagian kedua, dari amonium karbamat terbentuk urea dan air. Reaksi ini bersifat endoterm. NH2COONH4 (l) NH2CONH2 (aq) + H2O (l) ∆H=41,43 kJ Disamping kedua reaksi diatas, selama sintesa terjadi reaksi samping dimana terbentuk biuret dari penguraian urea. Reaksi samping tersebut adalah: NH2CONH2 (aq) NH2CONHCONH2 (l) + NH3 (g) Kedua bagian reaksi berlangsung dalam fase cair pada interval temperatur mulai 170° 190 C dan pada tekanan 130 sampai 200 bar dengan reaksi keseluruhan adalah eksoterm. Panas reaksi diambil dalam sistem dengan jalan pembuatan uap air. Bagian reaksi kedua merupakan langkah yang menentukan kecepatan reaksi dikarenakan reaksi ini berlangsung lebih lambat dari pada reaksi bagian pertama.

2.5

Urea Synthesis Reactor (DC-101) dan Cara Kerja Reaktor DC-101 merupakan rekator unit urea IA yang digunakan sebagai tempat bereaksi pembentukan urea. Dengan mereaksikan NH3 dan CO2 dengan reaksi dominan berupa eksotermis membentuk ammonia karbamat dan pembentukan urea, serta terdapat reaksi samping berupa pembentukan biuret. Desain reaktor terdiri dari 12 tray dengan konversi optimal 71%, akan tetapi karena tekanan aliran terlalu besar (200 kg/cm2) maka tray paling bawah dilepas, sehingga tray berjumlah 11. Berikut merupakan gambar Reaktor DC-101

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

4

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK

Gambar 2.1 Urea Synthesis Reactor (DC-101) Umpan dari lairan NH3, CO2 dan larutan karbamat recycle yang masuk dari bawah reaktor. Reaktor beroperasi pada rentang tekanan 185-200 kg/mc2 dan temperatur 190205oC. Tekanan yang besar dari bawah kolom mengakibatkan laju aliran naik keatas melewati tray-tray yang berada di dalam reaktor. Umpan pertama kali melewati tray pertama, tray menyebabkan aliran masuk saling kontak satu dengan yang lainnya sehingga terjadi reaksi. Tray kedua dan seterusnya juga dapat menyebabkan kontak antar aliran bahan baku yang menyebabkan reaksi berjalan lebih cepat. Aliran keluar melalui bagian atas reaktor setelah melewati tray ke 11. Selanjutnya aliran keluar reaktor akan memasuki unit sparasi, yakni bagian High Pressure Decomposer dan Low Pressure Decomposer. Pada saat operasi, reaktor dijaga temperatur dan tekanannya menggunakan 4 sensor yang berada di dalam reaktor, yakni pada bagian bottom, lower, middle dan top reaktor. Hal ini dilakukan agar pembentukan produk samping atau biuret dapat berkurang.

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

5

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK

2.6

Faktor-faktor yang Berpengaruh Pada Sintesa Proses pembentukan urea sangat kompleks dengan reaksi refersibel dan eksotermis, serta memiliki reaksi samping berupa pembentukan biuret secara reaksi seri maka untuk mencapai hasil reaktor maksimum perlu adanya pengoptimalan operasi. Ada beberapa factor yang mempengaruhi reaksi pembentukan urea yaitu : a. Temperatur dan Tekanan Berdasarkan penelitian Frejacques, menyimpulkan bahwa konversi akan bertambah secara proporsional dengan bertambahnya temperatur, tetapi Otsuka menyatakan bahwa konversi akan mencapai titik maksimum pada temperature 196oC– 200oC dan tekanan 162- 178 kg/cm2G. Tekanan keseimbangan akan bertambah tinggi bila temperatur naik. DC-101 beroperasi pada tekanan 195 kg/cm2G dan suhu 200 OC. Grafik pengaruh suhu dan tekanan pada konversi dapat dilihat pada gambar 2.2 :

Gambar 2.2 Pengaruh Suhu Terhadap Konversi Kesetimbangan b. Ratio N/C Rasio N/C menjadi salah satu proses indicator yang penting. Pada reaksi pembentukan carbamat perbandingan NH3 dan CO2 adalah 2:1 akan tetapi pada kenyataan akan lebih baik apabila rasio N/C ini dijaga pada 3.00. Hal ini sesuai dengan Azaz Le Chatelier dimana penambahan konsentrasi pada suatu komponen dalam reaksi kesetimbangan akan menggeser kesetimbangan ke arah yang berlawanan. Sehingga dengan meninggikan rasio N/C juga akan meningkatkan hasil pembentukan carbamate. Sedangkan pada urea, profil pengaruh rasio N/C dapat dilihat pada gambar 2.2, dimana semakin tinggi rasio N/C maka yield urea yang dihasilkan akan turun. Sehingga perlu dilakukan optimasi dalam menentukan rasio N/C untuk mengoperasikan pabrik.

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

6

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK

Gambar 2.3 Pengaruh Rasio N/C Terhadap Yield Urea Rasio N/C dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : 𝑁 (2 × 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑢𝑟𝑒𝑎) + 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 + (3 × 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑏𝑖𝑢𝑟𝑒𝑡) 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 = 𝐶 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑢𝑟𝑒𝑎 + 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 + (2 × 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑏𝑖𝑢𝑟𝑒𝑡) c. Ratio H/C Ratio air terhadap Karbondioksida (H/C) dijaga sekitar 0.4–0.6. Jika H/C rendah, jumlah air yang ada terlalu kecil, konsentrasi carbamate akan menjadi tinggi sehingga dapat menjadi penyebab terjadinya kebuntuan. Jika H/C terlalu tinggi, jumlah ekses air terlalu banyak sehingga konversi CO2 akan turun. Adanya ekses air akan menggeser kesetimbangan kearah kiri sehingga kesetimbangan konversi reaksi akan turun. Pada kondisi operasi dijaga kadar H2O tidak lebih dari 2% w/w di dalam reaktor. Grafik perbandingan konversi CO2 dengan rasio H/C dapat dilihat pada gambar 2.4 :

Gambar 2.4 Pengaruh Rasio H/C terhadap yield urea Rasio H/C dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

7

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜

2.7

𝐻 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟 = 𝐶 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑢𝑟𝑒𝑎 + 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2

d. Ratio H/U Beberapa literature juga menggunakan rasio H/U yaitu rasio antara air dan urea pada fase liquid. Pada pembentukan 1 mol urea maka terbentuk juga 1 mol air oleh karena itu rasio H/U seharusnya bernilai lebih dari 1. Rasio H/U menjadi indicator yang lebih mudah digunakan dalam menentukan berapa banyak air yang masuk ke dalam reaktor, terutama dari aliran recycle carbamate. Rasio H/U didapatkan dari persamaan : 𝑁 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 = 𝑈 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑢𝑟𝑒𝑎 Neraca Massa Neraca massa atau panas suatu sistem proses dalam industri merupakan perhitungan kuantitatif dari semua bahan-bahan yang masuk, yang keluar, yang terakumulasi (tersimpan) dan yang terbuang dalam sistem itu. Perhitungan neraca digunakan untuk mencari variabel proses yang belum diketahui, berdasarkan data variabel proses yang telah ditentukan / diketahui. Oleh karena itu, perlu disusun persaman yang menghubungkan data variabel proses yang telah diketahui dengan variabel proses yang ingin dicari. Massa yang masuk ke dalam suatu sistem harus keluar meninggalkan sistem tersebut atau terakumulasi di dalam sistem. Konsekuensi logis hokum kekekalan massa ini memberikan persamaan dasar neraca massa : [massa masuk] = [massa keluar] + [akumulasi massa] dengan [massa masuk] merupakan massa yang masuk ke dalam sistem, [massa keluar] merupakan massa yang keluar dari sistem, dan [akumulasi massa] merupakan akumulasi massa dalam sistem. Pada umumnya, neraca massa dibangun dengan memperhitungkan total massa yang melalui suatu sistem (Austin, 1996).

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

8

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK BAB III METODE ANALISA DATA 3.1

3.2

Cara Memperoleh Data Data yang digunakan dalam perhitungan anatara lain : 1. Data Primer Data yang merupakan hasil pengamatan langsung dari sumbernya. Data ini diambil dari bagian proses engineering control room unit Urea untuk data desain dan data actual operasi pada hari kamis, tanggal 15 Februari tahun 2018 Data-data tersebut meliputi : a. Laju alir b. Material Balance Unit Urea 1A PT. Pupuk Kujang c. Data komposisi kebutuhan bahan baku : ammonia dan karbon dioksida. d. Bahan yang di-recucle ke reaktor 2. Data Sekunder Data yang diperoleh secara tidak langsung dari sumbernya untuk mendukung data primer dan berasal dari literature dan bahan kuliah serta bahan lain yang berhubungan. Cara Mengolah Data Perhitungan Neraca Massa Reaktor (DC-101) Urea Produk

REAKTOR DC-101

Komposisi reaktan (kg/cm2G) Urea = ………. NH3 = ………. CO2 = ………. H2O = ………. Biuret = ……….

CO2 Inlet

NH3 Inlet

Karbamat

FRS-101

FRC-102

FIA-105

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

Komposisi produk (kg/cm2G) Urea = ………. NH3 = ………. CO2 = ………. H2O = ………. Biuret = ……….

9

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK Gambar 3.1 Skema Aliran Masuk dan Keluar Reaktor DC-101 Untuk menghitung material balance pada reaktor digunakan persamaan yang disusun berdasarkan hukum kekekalan massa yang menyatakan bahwa massa masuk sistem = massa keluar sistem. Urutan langkah penyelesaian adalah sebagai berikut: a. Mencari data actual dari Urea plant performance b. Menghitung neraca massa dari data actual dengan persamaan Hukum Kekekalan Massa, yaitu : Input = Output Untuk menghitung neraca massa pada reaktor DC-101 di unit Kujang 1A dilakukan dengan beberapa tahap penyelesaian. Adapun tahapan tahapannya adalah sebagai berikut: 1. Mengambil aliran/ flow rate data-data komponen masuk dan keluar reaktor a. Data-data aliran ammonia b. Data-data aliran karbondioksida c. Data-data aliran recycle 2. Menghitung neraca massa Langkah perhitungan neraca massa a. Menghitung komposisi bahan baku umpan (gas CO2, Ammonia, larutan recycle) yang masuk reaktor selama 24 jam. b. Mengkonversi massa ke dalam satuan kg/jam atau kmol/jam. c. Menghitung komposisi larutan recycle dan outlet dengan mengalikan persen berat yang diperoleh dari Material Balance Sheet PT. Pupuk Kujang. d. Menghitung nilai konversi dari reaksi dalam reaktor. Asumsi yang digunakan dalam perhitungan neraca massa adalah : a. Kondisi steady state (akumulasi = 0) b. Tidak ada pengotor seperti padatan-padatan yang terikut di dalam sistem. c. CO2 terkonversi 71,82% berdasarkan konversi dalam reaktor (dengan desain 10 tray dan kondisi operasi 195 OC dan tekanan 200 kg/cm2G)

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

10

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1

Hasil Urea dihasilkan di seksi sintesa dari reaksi antara NH3 cair dan gas CO2., dengan adanya tambahan aliran recycle ke dalam reaktor. Reaksi ini menghasilkan produk antara (intermediate product) berupa amonium karbamat disertai panas yang tinggi (eksotermis) di dalam reaktor DC-101. Karena reaksi tersebut reversibel dan secara keseluruhan eksotermis, ada beberapa faktor yang mempengaruhi konversi reaksi antara lain: temperatur, tekanan, komposisi, dan waktu tinggal. Untuk menjaga temperatur reaksi dalam reaktor tetap terkendali harus diperhatikan hal-hal sebagai berikut: - Kelebihan (excess) ammonia umpan reaktor, - Banyaknya recycle larutan amonium karbamat ke reaktor, - Temperatur amomnia cair ke reaktor. Selain kedua reaksi utama di atas, terjadi juga reaksi samping terbentuknya biuret yang dipengaruhi oleh temperatur, tekanan, dan waktu tinggal. Waktu tinggal yang sebentar diharapkan dapat menekan pembentukan biuret, karena kandungan biuret yang terdapat di dalam pupuk justru akan menjadi racun bagi tanaman. Temperatur yang rendah juga akan menyebabkan penurunan pada konversi karbamat menjadi urea, oleh karena itu temperatur top reaktor dijaga pada suhu 198 - 200oC. Apabila temperatur melebihi 200oC maka akan berpotensi terjadinya korosi pada reaktor. Selain itu, tekanan yang rendah dapat memperkecil konversi CO2 dalam pembentukan karbamat. Namun bila tekanan melewati batas yang telah ditetapkan, maka akan berbahaya terhadap kekuatan dan ketahanan dari reaktor. Untuk perhitungan konversi reaksi, digunakan neraca massa pada reaktor, berdasarkan data desain dan aktual. Data aktual diperoleh dari hasil performance test reaktor urea DC-101 pada tanggal 15 Februari 2018 (shift sore). Sedangkan data desain diperoleh dari lampiran data material balance unit Urea IA PT. Pupuk Kujang. Perbandingan antara data desain dan aktual dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel 4.1 Hasil Performance Test DC-101 (15/2/2018) No 1 2 3 4

Aliran CO2 Inlet NH3 Inlet Karbamat Produk

%NH3 0 99,98 32,97 18,63

%CO2 98,10 0 36,15 16,62

%Urea 0 0 7,28 43,30

%Biuret 0 0 4,66 2,1

%H2O 1,90 0,02 18,94 19,34

Tabel 4.2 Komposisi Aliran di Reaktor DC-101 (Desain) No

Aliran

%NH3

%CO2

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

%Urea

%Biuret

%H2O

Flowrate 11

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK

1 2 3 4

CO2 Inlet NH3 Inlet Karbamat Produk

0 100 36,7 36,8

100 0 33,6 10,5

0 0 10,0 36,0

0 0 0,5 0,1

0 0 19,2 16,6

(Kg/Jam) 50.470,0 95.752,0 81.890,0 228.112,0

Tabel 4.3 Rata-rata Flow Rate input reaktor No 1 2 3

Aliran FRS-101 (CO2) FRC-102 (NH3) FIA-105 (Karbamat)

Nm3/hr

M3/Jam

Ton/Jam

Kmol/Jam

18.600

-

35,042

724,59

-

-

60,5

3558,82

-

61

70,149

-

Berdasarkan tabel 4.1 dan 4.3 dapat digunakan untuk menghitung konversi reaktor DC-101 berdasarkan neraca massa. Dalam hal ini konversi dinyatakan dengan konversi CO2, karena CO2 merupakan rektan pembatas dari reaksi kimia yang terjadi. Hasil perhitungan konversi reaktor secara actual dan desain ditunjulkan dalam tabel 4.4 sebagai berikut : Tabel 4.4 Perbandingan Konversi Desain dan Aktual Reaktor Parameter Desain Aktual (Flow 100%) (Flow 70%) Produksi 228.112 70.379 Konversi CO2 71,82% 67,36% 4.2

Pembahasan Reaktor DC-101 dengan data desain memiliki konversi 71,82 dalam keadaan laju alir 100% atau untuk menghasilkan 228.112 kg/jam konversi urea. Akan tetapi dalam keadaan aktual tidak selalu didapat keadaan sempurna seperti di dalam desain. Pada kondisi proses pada tanggal 15 Februari 2018 menghasilkan konversi urea yang lebih sedikit dibanding dengan konversi desain. Hal ini dapat disebabkan beberapa faktor, diantaranya : 1. Komposisi masuk reaktor Terdapat perbedaan flow rate antara reaktor desain dengan flow rate pada 15 Februari 2018, yakni pada flow rate karbamat yang masuk ke dalam reaktor. Pada desain karbamat masuk reaktor sebesar 35,90% berat, sedangkan pada data aktual aliran karbamat masuk reaktor sebesar 43,16% dari total bahan masuk reaktor. Semakin banyak karbamat masuk maka semakin banyak pula komposisi urea yang masuk ke dalam reaktor. Hal tersebut mengakibatkan reaksi pembentukan

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

12

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK urea akan melambat, karena reaksi urea bersifat reversibel eksothermis. Semakin banyak produk maka reaksi akan berjalan ke reaktan. Sehingga konversi CO2 menjadi urea menjadi semakin sedikit. 2. Perbandingan N/C dan H/C Berdasarkan data desain untuk memproduksi urea dengan konversi 71,82% maka perbandingan N/C dan H/C bahan baku masuk reaktor masing-masing sebesar 4,00 dan 0,45. Pada data aktual dengan flow rate + 60% memiliki perbandingan N/C dan H/C bahan baku masuk reaktor sebesar 3,40 dan 0,55. Dengan perbandingan N/C data aktual yang lebih kecil daripada data desain, maka konversi reaktor akan semakin kecil. Semakin besar harga N/C maka semakin besar Amonia yang masuk ke dalam reaksi. Reaksi akan berjalan kea rah produk jika Amonia dibuat exces dari pada CO2. Seperti dalam reaksi berikut : 2NH3 (g) + CO2 (g) NH2COONH4 (s) Amonia Karbondioksida Karbamat NH2COONH4 (s) NH2CONH2 (aq) + H2O (l) Karbamat Urea Air NH2CONH2 (l) NH2CONHCONH2 (l) + NH3 (g) Urea Biuret Amonia Selain itu H/C data desain lebih kecil daripada data aktual. Hal ini dikarenakan semakin besar harga H/C maka semakin banyak air yang terkandung, sedangkan konversi reaksi akan semakin turun jika terdapat air yang semakin banyak. Seperti dalam reaksi diatas. Dengan demikian, berdasarkan hasil analisa yang diperoleh bahwa hasil reaksi evaluasi reaktor urea DC-101 pada tanggal 15 Februari 2018 memiliki konversi sedikit lebih rendah dibandinga dengan konversi reaktor data desain. Namun reaktor tersebut masih layak digunakan, karena kondisi operasi masih dapat dijaga sedemikian sehingga sesuai dengan kinerja reaktor desain. Hasil analisa juga mengidikasikan bahwa hasil data aktual yang dilakukan pada saat itu masih dipertanyakan, karena sensor flow CO2 (FRS101) memberikan angka yang tidak stabil, sehingga CO2 yang masuk reaktor belum bisa ditentukan dengan pasti.

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

13

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK BAB V PENUTUP 5.1

Kesimpulan 1. Dari perhitungan neraca massa didapat konversi reaktor DC-101 pada tanggal 15 Februari 2018 sebesar 67,36%, sedangkan untuk konversi desain sebesar 71%. 2. Nilai konversi berdasarkan data aktul memiliki konversi yang lebih rendah dibanding dengan data desain, yang disebabkan oleh faktor komposisi aliran masuk, perbandiangan N/C dan H/C. Dimana komposisi aliran masuk memiliki aliran karbamat yang lebih tinggi, dengan nilai N/C yang lebih rendah dan nilai H/C yang lebih tinggi. Akan tetapi dari kinerja reaktor dapat disimpulkan bahwa reaktor masih layak untuk beroperasi untuk menghasilkan urea.

5.2

Saran 1. Pemeliharaan, pemeriksaan dan perawatan berkala di PT Pupuk Kujang terus dilakukan, terutama pada alat-alat yang berdampak besar secara langsung terhadap produksi pabrik. 2. Perlu dilakukan pembaharuan teknologi pada sistem pengendalian dan pengoperasian, sehingga mengurangi kesalahan yang mungkin terjadi disebabkan oleh operator/ pekerja. 3. Perlu dilakukan kajian ulang mengenai konversi reaktor DC-101 dengan menggunakan software yang memumpuni, agar dapat tercapai konversi yang maksimal.

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

14

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK DAFTAR PUSTAKA Austin, George T. 1996. “ Industri Proses Kimia”. Jilid 1. Edisi 5. Penerbit Erlangga. Jakarta Kellog, Pullman. 1987, “Mechanical Catalog for 1000 MT PSP Urea Plant”. Cikampek, West Java PT Pupuk Kujang. Cikampek. 2004. “Diktat Pelatihan Karyawan Baru PT Pupuk Kujang. Cikampek”, Institut Teknologi Bandung R.H, Perry, and D, Green. 1984. “Perry’s Chemical Enggineers Handbook”. 6th ed. Mc Graw Hill Boo. Inc. New York Smith, J.M., Van Ness, H. C., Abbott, M.M. 1996. “ Introduction To Chemicals Engineering Thermodynamics”. Fidth ed. Mc Graw Hill Book. Inc. New York

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

15

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK

A.

LAMPIRAN Data Aliran Reaktan Masuk Reaktor Dc-101 Komposisi CO2 inlet, NH3 inlet, larutan recycle, dan outlet reaktor yang diperoleh dari material balance sheet PT. Pupuk Kujang disajikan dalam tabel berikut: No 1 2 3 4

Aliran CO2 NH3 Karbamat Produk

%NH3 0 99,98 32,97 18,63

%CO2 98,10 0 36,15 16,62

%Urea 0 0 7,28 43,30

%Biuret 0 0 4,66 2,1

%H2O 1,90 0,02 18,94 19,34

 Data komposisi aliran bahan baku ammonia inlet masuk reaktor Flow FRC 102 : 60,5 Ton/Jam 3558,82 Kmol/Jam Purity : 99,98% Fresh NH3 Inlet : 3558,11 Kmol/Jam  Data komposisi aliran bahan baku karbon dioksida inlet masuk reaktor Flow FRS-101 : 18.600 Nm3/H 35,042 Ton/Jam (Karena sensor terlalu dinamis sehingga laju alir karbon dioksida disamakan dengan perbandingan data desain menjadi 31,889 Ton/Jam) 724,59 Kmol/Jam Purity : 98,10% Fresh CO2 Inlet : 710,98 Kmol/Jam  Data komposisi aliran recycle karbamat masuk reaktor Flow FIA-105 : 61 M3/H 70,149 Ton/Jam Densitas : 1,150 Ton/M3 Dari data diatas didapat data aliran tiap komponen dalam aliran recycle karbamat: NH3 : 23,128 Ton/Jam = 768,75 Kmol/Jam CO2 : 25,359 Ton/Jam = 264,97 Kmol/Jam Urea : 5,107 Ton/Jam = 506,24 Kmol/Jam H2O : 13,286 Ton/Jam = 753,70 Kmol/Jam Biuret : 3,269 Ton/Jam = 14,30 Kmol/Jam Dengan menggunakan neraca massa dimana massa masuk reaktor = massa keluar reaktor didapat aliran produk sebesar: Output = Input Produk = Airan Ammonia + Aliran Karbon Dioksida + Aliran Karbamat] = 60,5 Ton/Jam + 35,042 Ton/Jam + 70,149 Ton/Jam

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

16

LAPORAN KERJA PT. PUPUK KUJANG CIKAMPEK = 162,538 Ton/Jam B.

Perhitungan Kerja Reaktor, N/C, dan H/C  Konversi Reakto DC-101 Data komposisi produk setelah keluar reaktor DC-101: NH3 = 162,538 Ton/Jam × 0,1863 = 30,329 Ton/Jam = 1.784,09 Kmol/Jam CO2 = 162,538 Ton/Jam × 0,1662 = 27,104 Ton/Jam = 613,95 Kmol/Jam Urea = 162,538 Ton/Jam × 0,4330 = 70,379 Ton/Jam = 1.172,98 Kmol/Jam H2O = 162,538 Ton/Jam × 0,1934 = 31,435 Ton/Jam = 1.746,38 Kmol/Jam Biuret = 162,538 Ton/Jam × 0,0210 = 3,413 Ton/Jam = 33,14 Kmol/Jam 𝑈𝑟𝑒𝑎 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖 = × 100% 𝐶𝑂2 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑈𝑟𝑒𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 − 𝑈𝑟𝑒𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 = × 100% 𝐶𝑂2 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 1.172,98 − 506,24 = × 100% (710,98 + 264,97) 666,74 = × 100% 975,95 = 67,36 %  Perhitungan N/C 𝑁 (2 × 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑢𝑟𝑒𝑎) + 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 + (3 × 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑏𝑖𝑢𝑟𝑒𝑡) 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 = 𝐶 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑢𝑟𝑒𝑎 + 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 + (2 × 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑏𝑖𝑢𝑟𝑒𝑡) (2 × 506,24) + (3558,11 + 768,75) + (3 × 14,30) = 506,24 + (710,98 + 264,97) + (2 × 14,30) = 3,408  Perhitungan H/C 𝐻 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 = 𝐶 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑢𝑟𝑒𝑎 + 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 753,70 = 506,24 + (710,98 + 264,97) = 0,553

DEPARTEMENTEKNIK TEKNIKKIMIA KIMIA DEPARTEMEN UNIVERSITAS DIPONEGORO UNIVERSITAS DIPONEGORO

17