Produk dari hasil reaksi sintesa terdiri dari urea, biuret, air, Ammonia carbamate dan Ammonia berlebih (excess Ammonia). Proses selanjutnya diperlukan untuk memisahkan urea dan produk reaksi yang lain. Pemindahan dilakukan dengan menurunkan tekanan sehingga ammonium carbamate terurai menjadi gas-gas Ammonia dan CO2.
a. Reaksi Dekomposisi Amonium Carmbamate NH2 COONH4 2NH3 + CO2
Reaksi berlangsung pada temperatur 151oC – 165oC. Pengurangan tekanan akan menaikkan temperatur sehingga akan memperbesar konversi. Selama dekomposisi reaksi, hidrolisa urea merupakan faktor penting yang harus diperhatikan, karena hidrolisa menyebabkan berkurangnya urea yang dikehendaki sebagai produk.
b. Reaksi hidrolisa urea
NH2 CONH2 + H2O CO2 + 2NH3
Hidrolisa mudah terjadi pada suhu tinggi, tekanan rendah dan residence time yang lama. Oleh karena itu perlu pengontrolan kondisi operasi yang baik.
c. Reaksi Pembentukan Biuret
Phenomena lain yang terjadi dan perlu diperhatikan pada proses dekomposisi adalah terbentuknya biuret. Pada tekanan persial Ammonia yang rendah dan temperatur diatas 90°C, urea berubah menjadi Ammonia dan biuret, melalui reaksi:
2NH2 CONH2 NH2CONHCONH2 + NH3
Reaksi ini bersifat reversible yang dipengaruhi oleh temperatur kondisi Ammonia dan residence time. Laju pembentukan biuret didalam larutan semakin tinggi apabila larutan pekat dan konsentrasi Ammonia rendah. Hal ini berbeda pada proses sintesa, Ammonia berlebih akan mengurangi pembentukan biuret. Jumlah biuret yang terbentuk juga dipengaruhi oleh residence time yang lama. Kadar biuret yang dianjurkan dalam produk urea < 1 %, karena biuret yang tinggi akn merusak tanaman. Dekomposisi berlangsung pada saat larutan keluar dari top reaktor urea (52-DC-101) dengan temperatur 126oC melalui kerangan ekspansi
(suction expantion) yang disebut let down valve. Dekomposisi dilakukan dalam tiga tingkat tekanan, yaitu 17 kg/cm2G, 2,5 kg/cm2G dan atmospheric. Konsentrasi urea hasil dekomposisi yang masuk ke crystallizer kira-kira 14%.
Campuran dari reaktor urea pada temperatur 123oC masuk ke High Pressure Decomposser (HPD) (52-DA-201). Gas yang flash dipisahkan, sedangkan cairan mengalir kebawah melalui empat buah sieve tray pada HPD. Pada sieve tray, cairan yang mengalir kebawah kontak dengan gas bertemperatur tinggi yang berasal dari Reboiler (52-EA-201) dan Falling Film Heater. Panas sensible dan panas kondensasi uap air digunakan untuk menguapkan Ammonia berlebih dan menguraikan ammonium carbamate. Melalui proses ini penguapan menjadi minimal, sehingga konsumsi steam menjadi rendah dan memungkinkan untuk menjaga kandungan minimum air didalam larutan Recycle Carbamat.
Selanjutnya, cairan dipanaskan di Reboiler HPD (52-EA-210) yang menggunakan steam bertekanan sedang (12 kg/cm2G) sebagai media pemanas. Disini sebagian besar sisa Ammonia berlebih dan ammonium carbamate dilepaskan sebagai gas. Temperatur pada bagian tengan HPD dikontrol pada 151
oC. Kemudian larutan mendapat tambahan panas dari Falling Film Heater sehingga temperaturnya naik menjadi 165oC. Temperatur dikontrol pada 165oC dan dikontrol levelnya. Penggunaan Falling Film Heater dimaksudkan untuk meminimalkan residence time larutan di heater, untuk mengurangi pembentukan biuret dan hidrolisa urea. Pada sisi lain, tekanan dikontrol pada 17 kg/cm2G yang terletak pada top Ammonia Recovery Absorber (52-EA-405) melalui Ammonia Condenser dan High Pressure Absorber (52-DA-401).
Udara diinjeksikan sebanyak 2500 ppm ke bagian bawah Reboiler HPD dan HPD sebagai anti korosi dengan menggunakan Air Compressor (52-GB-201). Gas yang keluar pada bagian atas HPD mengalir ke High Pressure Absorber Coler (HPAC) (52-EA-401). Sedangkan larutan yang keluar pada bagian bawah masuk ke bagian atas Low Pressure Decomposser (LPD) (52-DA-202) setelah terlebih dahulu didinginkan di Exchanger LPD (52-EA-203).
LPD terdiri dari empat sieve tray dan package bed. Flashing lanjutan terjadi pada saat tekanan turun dari 17 kg/cm2G ke 2,5 kg/cm2G sewaktu
memasuki bagian atas LPD. Pada bagian ini juga dimasukkan larutan dari Off Gas Absorber (52-DA-402) melalui LPA Pump (52-GA-403). Proses pada sieve tray sama dengan proses yang terjadi pada bagian atas HPD. Pada bagian bawah package bed diinjeksikan CO2 dari Booster Compressor (52-GB-101) untuk membuang sisa Ammonia.
Larutan LPD dipanaskan dengan steam bertekanan sedang (7 kg/cm2G). temperatur pada LPD dikontrol 2,5 kg/cm2G dan temperatur 235oC. Sebagian besar Ammonia berlebih dan ammonium carbamate dipisahkan dari larutan yang mengalir ke Gas Separator (52-DA-203).
Gas separator (52-DA-203) terdiri dari dua bagian, bagian atas dioperasikan pada temperatur 107oC, dengan tekanan 0,3 kg/cm2G dan bagian bawah merupakan package bed dioperasikan pada 92oC dan tekanan atmosfir. Sisa sejumlah kecil Ammonia dan CO2 dipisahkan dengan penurunan tekanan. Panas sensible larutan dari LPD cukup untuk menguapkan gas dibagian atas. Pada bagian bawah udara yang mengandung sedikit Ammonia dan air dihembuskan dengan Off Gas Circulation Blower (52-GB-401) kebawah package bed melalui distributor untuk mengeluarkan sisa sebagian kecil Ammonia dan CO2 dalam larutan. Gas pada bagian atas dan bawah digabung dan kemudian dialirkan ke Off Gas Condenser (52-EA-406). Larutan larutan dengan konsentrasi 70 sampai 75% kemudian dikirim ke unit Kristalisasi. Temperatur bagian bawah Gas Separator dikontrol pada 92°C dengan menggunakan steam bertekanan rendah (4,0kg/cm2G) dari Flash Drum (52-FA-701).
Gambar 2.9 PFD Unit Purifikasi 2.3.3 Unit Recovery
Campuran gas yang berupa Ammonia, karbondioksida serta sedikit uap air yang dihasilkan dari pemisahan urea yang terbentuk di dalam reaktor pada seksi dekomposisi dikembalikan sebagai gas. Larutan atau slurry untuk selanjutnya digunakan sebagai umpan reaktor urea karena tidak ekonomis untuk membuang gas-gas tersebut ke udara luar atau memasukkannya ketempat pembuangan, di samping akan menyebabkan pencemaran lingkungan. Di dalam seksi recovery gas-gas tersebut diserap dengan larutan urea. Larutan urea yang digunakan di sini digunakan sebagai cairan induk dari seksi kristalisasi dan pembutiran.
Gas dari Gas Separator DA-203) masuk ke Off Gas Condenser (52-EA-406) dan didinginkan sampai 61°C dan selanjutnya masuk kebagian bawah Off Gas Absorber (OGA) (52-DA-402).
Di Off Gas Condenser sebagian besar gas dikondensasikan dan digabung dengan air segar di Off Gas Absorber (OGA) (52-FA-403). Kemudian larutan tersebut didinginkan di Off Gas Absorber Cooler (52-FA-408) sampai mencapai suhu 36°C dan dikirim ke top OGA (52-DA-402). Off Gas Absorber (OGA) terdiri dari dua package bed. Di package bed sejumlah Ammonia dan CO2 diserap dengan larutan recycle yang didinginkan di Off Gas Absorber Cooler dan kemudian dikondensasikan.
Udara dari top OGA dicampur dengan udara segar dan dihembuskan ke Gas Separator dengan menggunakan Off Gas Circulation Blower. Tekanan dikontrol pada discharge dan level dikontrol dengan cara mengalirkan sebagian larutan ke LPD. Larutan dari OGA dipompakan oleh LPA Pump (52-GA-403) ke top package bed LPA dengan tujuan menyerap gas di package bed. Gas dari LPD dikondensasikan seluruhnya dan diserap di LPA dengan membubling cairan melalui pipa sparger dibawah permukaan cairan.
Larutan induk yang di-recycle dari Mother Liquor Tank (52-FA-203) untuk menghilangkan biuret dan ammonium carbamate yang dilarutkan dari Off Gas Recovery System ditambah air murni yang digunakan sebagai penyerap. Tekanan dijaga pada 2,2 kg/cm2G. untuk menyempurnakan penyerapan, disediakan control valve. Pengontrolan tekanan di LPA sangat penting karena apabila tekanan melebihi 2,2 kg/cm2G akan menyebabkan penguraian di LPD menjadi tidak sempurna, sehingga memerlukan dekomposisi tambahan di Gas Separator. Pada sisi lain, apabila tekanannya terlalu rendah, akan menyebabkan masalah dalam proses transfer dari LPD ke Gas Separator. Larutan recycle dari LPA dipompakan oleh HPA Pump (52-GA-402) melalui Mixing Cooler dari bagian package dari HPA. Liquid Ammonia dicampur dengan larutan recycle di mixing cooler yang berperan sebagai media pendingin di absorber.
Konsentrasi CO2 dalam larutan dianalisa dan dijaga sekitar 16 % berat. Di HPAC dan HPA semua CO2 dari HPD diserap sebagai ammonium carbamate oleh larutan recycle dari LPA dan larutan aqua Ammonia dari Ammonia Recovery Absorber (52-EA-405). Penyerapan dilakukan dalam tiga tahap berikut:
1. Gas dari HPD dibubling melalui pipa sparger di HPAC dimana 65% CO2 diserap.
2. Gas dari cooler mengalir ke HPA didinginkan oleh inter cooler dan mengalir keatas melalui package colomn, dimana sisa CO2
yang 35% diserap kedalam campuran larutan dari LPA dan cairan Ammonia. 3. Gas Ammonia dari package colomn di scrap dengan
larutan aqua Ammonia yang mengalir keatas melalui Bubble Cap Tray untuk membuang secara sempurna semua CO2 yang tertinggal. Uap dari gas
Ammonia dari top absorber dipisahkan oleh Drain Separator (bagian atas HPA (52-DA-401)).
Banyaknya gas Ammonia sama dengan jumlah Ammonia berlebih yang akan di-recycle ke reaktor dan cairan Ammonia yang akan diumpankan ke HPA. Gas Ammonia tersebut dikondensasikan di Ammonia Condenser dan dikembalikan ke Ammonia Reservoir. Temperatur top HPA dikontrol dibawah 50°C dengan menguapkan cairan Ammonia pada Bubble Cap Tray dengan menggunakan Ammonia sebagai reflux. Temperatur gas dari package colomn dikontrol sekitar 60°C dengan menguapkan cairan Ammonia yang ditambahkan ke larutan recycle pada Mixing Cooler. Temperatur HPAC (52-EA-401) dikontrol pada 100°C dengan mengatur flow Cooling Water dengan urea slurry yang disirkulasikan dari Crystalizer FA-201) dan dengan sirkulasi air panas dari Hot Water Tank (52-FA-703).
Hampir 63 % panas pembentukan ammonium carbamate pada cooler diserap oleh slurry yang disirkulasikan untuk penyediaan panas untuk penguapan air pada Crystalizer. Kira-kira sebanyak 28 % dari panas yang diserap oleh hot water untuk pemanasan awal cairan Ammonia di Ammonia Preheater (52-EA-101). Sisanya sekitar 9 % panas yang diserap oleh Cooling Water. Konsentrasi CO2 dalam larutan harus dijaga sebesar 30 sampai 35 % dengan mengatur jumlah larutan dari LPA. Gas Ammonia dari HPA mengalir ke Ammonia Condenser untuk dikondesasikan. Gas-gas yang tidak terkondensasi, kebanyakan innerty gas dari gas CO2, cairan Ammonia dan udara yang diinjeksikan ke dalam reaktor dan HPD dikeluarkan dari Ammonia Condenser dan mengalir ke Ammonia Recovery Absorber (52-EA-405).
Ammonia Recovery Absorber (52-EA-405) terdiri dari empat buah absorber yang disusun secara seri. Innerty gas bersama sejumlah gas Ammonia masuk melalui pipa sparger yang berada dibawah permukaan cairan dibagian paling bawah dari absorber dan di-vent ke atmosfer di top Final Absorber. Sejumlah gas Ammonia dari Ammonia Converter diserap kedalam aqua Ammonia yang didinginkan oleh Cooling Water. Gas yang tidak diserap, masuk ke absorber berikutnya dan terjadi proses washing penyerapan yang sama. Steam condensate
yang dingin dari Steam Condensate Tank (52-FA-702) melalui Condensate Cooler (52-EA-701) diumpankan ke top absorber dengan menggunakan Water Pump (52-GA-406).
Larutan aqua ammoni yang terbentuk, 75 % berat dikeluarkan dari bagian bawah absorber dan diumpankan ke top HPA dengan aqua Ammonia pump (52-GA-405). Panas gas Ammonia diserap oleh cooling water dan temperatur absorber dijaga sekitar 35°C dan tekanan dikontrol sekitar 15,5 kg/cm2G.
Gambar 2.10 PFD Unit Recovery 2.3.4 Unit Kristalisasi dan Pembutiran
Larutan urea yang keluar dari dekomposer dikristalkan secara vakum dan selanjutnya kristal urea dipisahkan dengan Centrifuge (52-GF-201). Untuk memanfaatkan panas kristalisasi secara efisien dan untuk menguapkan air pada temperatur rendah digunakan Vacuum Crystallizer. Kristal urea yang terbentuk di Crystallizer (52-FA-201), kemudian dipisahkan di centrifuge (52-GF-201) dan
selanjutnya dikeringkan sampai kandungan moisture kurang dari 0,3 % dengan menggunakan udara panas. Untuk menjaga kandungan biuret sekitar 0,1 % didalam kristal urea, sejumlah kecil mother liquor (larutan induk) yang mengandung biuret paling banyak dikembalikan ke unit recovery sebagai larutan absorbent untuk Ammonia dan CO2. Mother liquor yang telah menyerap Ammonia dan CO2 selanjutnya dikembalikan ke reaktor, dimana biuret dengan adanya kelebihan Ammonia diubah kembali menjadi urea.
NH2CONHCONH2 + NH3 2 NH2CONH2
Selanjutnya, kristal-kristal kering dibawa ke Prilling Tower melalui Fluidizing Dryer. Kemudian dilelehkan didalam Melter (52-EA-301) yang mengguakan steam sebagai pemanas. Urea yang meleleh kemudian mengalir ke distributor. Untuk mengurangi biuret, unit Prilling dirancang agar urea meleleh dengan resident time yang minimum. Kadar air dalam urea harus serendah mungkin agar butiran menjadi keras dan menghindari pengeringan lebih lanjut yang dapat melunakkan butiran kembali atau merusak permukaan yang mengkilat. Kristal urea dikeringkan sampai kandungan air 0,2 sampai 0,3 % sebelum masuk ke Melter (52-EA-301). Urea Prill yang datang dari Prilling Tower bawah diayak untuk memisahkan produk yang over size dan kemudian dikirim ke gudang (Bulk Storage). Udara dari dryer dan produk dari sistem pendinginan dihilangkan debunya dengan Dedusting System yang terdiri dari Spray Nozzle dan Packed Bed Filter. Udara yang keluar dari Dedusting System dikeluarkan ke atmosphere melalui induce fan.
Larutan urea dari Gas Separator yang dipompakan dengan Urea Solution Pump (52-GA-205) ke bagian bawah Crystallizer. Crystallizer terdiri dari dua bagian, bagian atas adalah Vacuum Concentrator yang terdiri dari Vacuum Generator (52-EE-201) yang mempunyai dua tingkat barometric condenser dan dua tingkat steam ejector. Dibagian bawah adalah Crystallizer yang dilengkapi dengan agitator, dimana kristal urea disuspensikan dalam urea slurry. Pada vacuum generator yang beroperasi pada tekanan 72,5 mmHg absolut dan temperatur 60°C, air diuapkan dan larutan urea super jenuh mengalir kebawah melalui barometric leg masuk ke Crystallizer. Kristal urea terbentuk pada waktu
terjadi kontak dengan laruan urea super jenuh. Panas yang diperlukan unutk menguapkan air berasal dari panas sensible larutan urea yang masuk, panas kristalisasi urea dan panas yang diserap urea slurry dari HPAC. Crystallizer dioperasikan pada tekanan atmosfir dan temperatur 60°C. Vacuum Concentrator dioperasikan sedemikian rupa agar slurry yang keluar dari bagian bawah (bottom) Crystallizer mengandung 30 sampai 35 % kristal urea. Slurry dari bottom Crystallizer disirkulasikan ke HPAC dengan menggunakan Circulation Pump for Crystallizer.
Untuk mencegah penumpukan kristal urea pada vessel atau pipa yang dapat menyebebkan kebuntuan, maka vessel dan perpipaan dilengkapi dengan jaket air panas.
Urea slurry dipompakan dari Crystallizer ke Centriguge menggunakan Slurry Feed Pump (52-GA-202) melalui Prethickner (52-FD-201). Sebagian slurry disirkulasikan kembali ke Crystallizer unutk mencegah kebuntuan line. Di centrifuge, Kristal urea dipisahkan dari mother liquor. Kristal urea dengan sekitar 1,9% moisture dimasukkan ke Fluidizing Dryer (52-FF-301). Mother liquor yang dipisahkan dari Prethickner (52-FD-201) dan centrifuge mengalir kebawah ke Mother Liquor Tank (52-FA-203). Untuk mencegah terjadinya kristalisasi, disini dilengkapi tube-tube dengan pemanas steam dan kemudian dipompakan oleh Mother Liquor Pump (52-GA-203) ke line discharge Circulation Pump for Crystallizer (52-GA-201).
Mother liquor (larutan induk) di recycle ke LPA sebagai penyerap untuk mencegah akumulasi biuret. Flow rate larutan larutan induk ini adalah 11,4 t/h pada 100%. Di fluidizing dryer, kristal dikeringkan dengan udara panas sampai kandungan moisture mencapai 0,1 sampai 0,3%. Udara dari Force Fan for Dryer (52-GB-301) dipanaskan di Heater for Dryer (52-EC-301) dengan menggunakan kondensat dan steam tekanan rendah (4 kg/cm2G).
Agar kristal tidak mencair, maka temperatur udara di inlet dryer tidak boleh lebih dari 130°C (Melting point area: 132,7°C). Bongkah-bongkah kristal urea yang dikeringkan di fluidizing dryer, dipisahkan dan dikumpulkan oleh agitator dan dikirimkan ke Dissolving Tank (52-FA-302) dan kemudian
dilarutkan. Kristal kering dibawa oleh pipa pneumatic ke top Prilling Tower (52-IA-302) dan lebih dari 99,8 % kristal dikumpulkan si Cyclone (52-FC-301). Kristal yang dikumpulkan tersebut dibawa oleh Screw Conveyor (52-JD-301) ke Melter. Di melter, kristal dilelehkan dan selanjutnya urea mengalir ke Head Tank (52-FA-301) melalui Strainer for Distributor (52-FD-301). Untuk menjaga agar kandungan biuret minimum, sistem harus dioperasikan sedemikian rupa agar temperatur urea yang meleleh sedikit diatas titik leleh urea (132,7°C) dan menjaga resident time sesingkat mungkin. Urea yang meleleh dari head tank secara merata didistribusikan ke distributor dan dari distributor jatuh ke prilling tower, disini lelehan urea didinginkan dan dipadatkan. Pada saat lelehan urea jatuh kebawah, terbentuk butiran yang dipanaskan oleh Air Heater for Fluidizing Cooler (52-EC-502) yang dipasang dibagian bawah urea kemudian didinginkan dengan udara yang dihembuskan oleh blower. Konsentrasi larutan urea dijaga sekitar 10% (maksimal) dengan mengatur jumlah air.
Urea keluar dari bagian bawah Prilling Tower (Fluidizing Cooler) diayak melalui Tromel (52-FD-303) untuk dipisahkan over size-nya dan yang memenuhi spesifikasi selanjutnya dikirim ke gudang (Bulk Storage) dengan menggunakan Belt Conveyer. Butiran urea yang over size dilarutkan di dalam disolving tank dengan menggunakan larutan dari Dust Chamber. Selanjutnya dikirim ke Crystalizer dan sebagian lagi dikirim ke recovery.
Debu urea dan udara bersih yang tidak terserap dibuang ke atmosfir melalui Urethane Foam Filter. Butiran urea yang dihasilkan berkadar air yang relatif rendah yaitu 0,3% berat maksimum.
Urea yang dihasilkan oleh PT. PIM harus memenuhi spesifikasi sebagai berikut:
-
Kadar nitrogen 46 % berat minimum-
Kadar air 0,3 % berat maksimum-
Kadar biuret 0,5 % berat maksimum-
Kadar besi 0,1 ppm maksimum-
Ammonia bebas 150 ppm maksimum-
Fe (Iron) 1,0 ppm maksimumGambar 2.11 PFD Unit Kristalisasi dan Pembutiran
From Gas Separator 52-FA-201 Urea Concentrator 52-GF-201 Centrifuge ` 52-FA-203 52-FF-301 Dryer To Prilling Tower