(Laporan Kerja Praktek)
Evaluasi Kinerja
Ammonia Converter
(Effluent Exchanger)
PT. Pupuk Kujang IB
Neni Muliawati
Evaluasi Kinerja
PT PUPUK KUJANG I B (PERSERO)
CIKAMPEK – JAWA BARAT
Process Engineering KIB
Tugas Khusus
Evaluasi Kinerja
“Ammonia Converter Feed / Effluent Exchanger ”
Oleh
Neni Muliawati
0415041056
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2008
Judul Kerja Praktek
:
Evaluasi Kinerja ’Ammonia Feed / Effluent
Exchanger’
Nama Mahasiswa
:
Neni Muliawati
Nomor Pokok Mahasiswa : 0415041056
Jurusan :
Teknik
Kimia
Fakultas :
Teknik
MENYETUJUI,
Pembimbing
Herti Utami , S.T. , M.T.
NIP. 132258658
Ketua Jurusan Teknik Kimia
Ir. Azhar, M.T.
NIP. 132126862
MENGESAHKAN
Tim Penguji
Ketua :
Herti Utami , S.T. , M.T.
...
Penguji
Bukan Pembimbing
:
Dewi Agustina , S.T. , M.T
...
SANWACANA
Bismillahirrahmanirrahim....
Puji syukur ke hadirat Khalik , Sang Maha Pengasih Allah SWT karena berkat anugerah dan kasih sayang-Nya penulis dapat melaksanakan serta menyelesaikan laporan kerja praktek ini . Shalawat serta salam teruntuk junjungan besar kita
Rasullullah Muhammad SAW atas contoh suri tauladan bagi umat muslim .
Penulis melaksanakan kerja praktek di PT. PUPUK KUJANG IB periode 6 Agustus - 6 September 2007 di Bagian Process Engineer KIB dengan tugas khusus “ Evaluasi Kinerja Ammonia Feed / Effluent Exchanger ”.
Penulis menyadari banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak selama pelaksanaan kerja praktek, pengerjaan laporan kerja praktek dan seminar kerja praktek. Melalui kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Ayahanda ‘Nelson’ dan Ibunda ‘Azni’ atas curahan cinta kasih , doa & ridho
kedua orang tua yang insyAllah merupakan ridho Allah , nasihat , dukungan material yang kesemuanya tak penat selalu diberikan kepada penulis.
2. Adinda tersayang ‘Nina Fitria’ , ‘Nestri’ dan ‘Naufal Azel Muzakkiy’ atas segala rasa cinta persaudaraan , support , nasihat serta limpahan doa .
3. Bapak Ir. Azhar M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Universitas Lampung.
4. Ibu Herti Utami , S.T. , M.T. , selaku dosen pembimbing kerja praktek yang telah memberikan petunjuk dan bimbingan dalam penyusunan laporan ini. 5. Ibu Dewi Agustina , S.T. , M.T , selaku dosen penguji atas segala kritik dan
saran dalam perbaikan isi dan penulisan laporan ini.
6. Ibu Meiry Heniarita , S.T , selaku pembimbing lapangan yang telah
8. Om ‘Chairil’ dan Tante ‘Lutfia’ beserta keluarga atas bantuan selama pengurusan administrasi pendaftaran di P.T Pupuk Kujang , yang juga telah mengizinkan penulis tinggal di kediaman Komplek Perumahan Pupuk Kujang Jl . Kenanga C13 , terutama atas rasa kasih sayang kekeluargaan , nasihat serta contoh teladan yang selalu terukir dihati penulis .
9. Om ‘Surya’ abo inggi yang sangat membantu dengan pemberian komputer
dan printer sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan kerja praktek ini . 10.Sahabat sekaligus saudari : ‘Usnul’ atas support dan doa; rekan kerja praktek
penulis ‘Anita’ (beserta keluarga) yang mengizinkan penulis tinggal sekitar 1 bulan di kediamannya juga mengizinkan penggunaan komputer serta printer dan ‘Cici’ yang mendampingi penulis selama persiapan dan pelaksanaan seminar “thanks for ours unforgettable memories of Kujang” ; ‘Micun’ ,
‘Uly’ , Fajar‘kijang2’ yang membantu selama persiapan seminar kerja praktek ; ‘Indriyani , Icha dan Ade’ yang menjadi teman diskusi Heat Exchanger ;
‘Puji’ yang mengizinkan penulis memakai komputer miliknya ; Nur ‘Nu’
yang meminjamkan printer ; ‘Sheelin’05 yang meminjamkan buku McCabe .
11.Kak Anggi ‘Zie’ 00 yang meminjamkan komputer , membantu membawakan
komputer penulis dari rumah Jakarta , atas informasi , saran , diskusi mengenai Kujang dan perhitungan tugas khusus , doa serta dukungan .
12.Kebersamaan teman – teman KIB : Rekan sebimbingan Meta dan Asep
(POLBAN) ; Galih dan Joe ( UNTAG ) , Bas dan Fitri ( ITB ) .
13.Teman – teman seperjuangan 2004 yang namanya tercantum di hati , Rekan seluruh angkatan di Jurusan Teknik Kimia atas bantuan , dukungan dan juga kehadiran pada seminar kerja praktek penulis.
14.Segenap pihak yang telah membantu dalam pelaksanaan dan penyusunan laporan Kerja Praktek yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Akhir kata, penulis berharap semoga laporan ini dapat berguna dan bermanfaat.
Bandar Lampung , Maret 2008
Neni Muliawati
i
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI ... i
DAFTAR TABEL ...iv
DAFTAR GAMBAR ... v
ABSTRAK ... vi
I. PENDAHULUAN ... 1
A. Sejarah PT. Pupuk Kujang ... 1
B. Deskripsi Proses ... 2
1. Unit Utilitas ... 2
2. Unit Produksi Amonia ... 3
3. Unit Produksi Urea ... 3
4. Unit Pengantongan ... 4
C. Pelaksanaan Kerja Praktek ... 5
D. Tujuan kerja Praktek ... 5
E. Ruang Lingkup Kerja Praktek ... 5
II. TINJAUAN PUSTAKA ... 6
A. Karakteristik Bahan Baku dan Produk ... 6
1. Karakteristik Bahan Baku ... 6
2. Karakteristik Produk ... . 7
B. Pembuatan Amonia ... 9
1. Sejarah Pembuatan Amonia ... 9
2. Macam-macam Proses Sintesis Amonia ... 9
3. Prinsip Proses Sintesis Amonia ... 11
4. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Sintesis Amonia... 12
C. Pembuatan Urea ... 13
1. Sejarah Pembuatan Urea ... 13
2. Macam-Macam Metode Sintesis Urea ... 14
3. Konsep Proses Sintesis Urea ... 14
ii 1. Gas Alam ... 16 2. Udara ... 17 3. Air ... 17 4. Amonia Cair ... 18 5. Gas Karbondioksida ... 18
B. Bahan Baku Penunjang ... 18
1. aMDea ( Activated Methyldiethanolamine ) ... 19
2. Katalis ... 19
IV. SISTEM PROSES ... 20
A. Unit Produksi Amonia ... 20
1. Unit Pemurnian Gas Alam ... 20
2. Unit Pembuatan Gas Sintesis ... 22
3. Unit Pemurnian Gas Sintesis ... 24
4. Unit Sintesis Amonia ... 27
5. Unit Purifikasi dan Refrigerasi Amonia ... 29
6. Unit AmmoniaRecovery ... 29
7. Unit Hydrogen dan Purge Gas Recovery...30
8. Unit Condensate Stripping...30
B. Unit Produksi Urea ... 31
1. Unit Synthesis Loop ... 31
2. Unit Purification ... 33
3. Unit Concentration ... 34
4. Unit Prilling ... 35
5. Unit Recovery...36
6. Unit Condensate Treatment...37
V. UNIT PENUNJANG PRODUKSI ... 39
A. Unit Pengantongan ... 39
1. Sistem Pengelolaan Urea Curah ... 39
2. Sistem Pengantongan Urea ... 40
3. Sistem Pengelolaan Urea Kantong ... 40
VI. SISTEM PEMROSES DAN INSTRUMENTASI ... 41
A. Alat-Alat Proses ... 41
1. Alat-Alat Utama Unit Amonia ... 41
2. Alat-Alat Utama Unit Urea ... 44
B. Sistem Pengendalian dan Instrumentasi ... 46
VII. PRODUK ... 48
A. Produk Utama ... 48
iii
VIII. UTILITAS ... 51
A. Unit Water Intake ... 51
B. Unit Pengolahan Air ... 52
1. Unit Water Pretreatment ... 52
2. Unit Demineralization ... 53
C. Unit Pembangkit Steam ... 54
D. Unit Pembangkit Listrik ... 54
1. Gas Turbine Generator Solar ( G-GI 7001 ) ... 54
2. PLN (Perusahaan Listrik Negara) ... 54
3. Emergency Generator ... 55
4. UPS (Uninterupted Power Supply) ... 55
5. DC Charger ... 55
E. Unit Pengolahan Air Pendingin (Cooling Water) ... 55
F. Unit Pengolahan Udara Pabrik dan Udara Instrumen ... 56
G. Unit Gas Metering System ... 56
1. Natural Gas System ... 56
2. Nitrogen System ... 56
H. Unit Pengolahan Limbah ( Waste Water Treatment ) ... 57
1. Pemisahan Air Berminyak (Oily Water Separator ). ... 57
2. Netralisasi Asam-Basa... 58
IX. TATA LETAK DAN LOKASI PABRIK ... 59
A. Tata Letak Pabrik ... 59
B. Lokasi Pabrik ... 60
X. ORGANISASI ... 61
A. Struktur Organisasi ... 61
B. Struktur Kebutuhan Tenaga Kerja ... 62
C. Waktu Kerja ... 62
D. Sistem Penggajian ... 63
E. Keselamatan Kerja ... 64
DAFTAR PUSTAKA
iv
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel
2.1 Sifat-sifat Gas Alam ... 6
2.2 Sifat-sifat Air ... 7
2.3 Sifat-sifat Urea ... 8
2.4 Sifat-sifat amonia ... 8
3.1 Komposisi Gas Alam ... 17
3.2 Jenis Katalis…. ... ……. 19
6.1.1 Unit Pemurnian Gas Alam ………... 41
6.1.2 Unit Pembuatan Gas Sintesis……… 41
6.1.3 Unit Pemurnian Gas Sintesis……… 42
6.1.4 Unit Sintesis Amonia……… 42
6.1.5 Unit Purifikasi dan Refrigerasi Amonia………... 43
6.1.6 Unit Ammonia Recovery………... 43
6.1.7 Unit Hydrogen dan Purge Gas Recovery... 43
6.1.8 Unit Condensate Stripping………... 43
6.2.1 Unit Synthesis Loop ... 44
6.2.2 Unit Purification ... 44
6.2.3 Unit Concentration ... 44
6.2.4 Unit Prilling ... ………. 45
6.2.5 Unit Recovery... 45
6.2.6 Unit Condensate Treatment... 46
7.1 Kualitas Produk Urea ... 48
7.2 Ukuran Produk Urea... 48
7.3 Kualitas ammonia cair ... 49
7.4 Kualitas gas CO2 ... 50
v
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar
1.1 Bagan Overall Process PT Pupuk Kujang IB ... 4
8.1 Unit Water Treatment ... 52
8.2 Nitrogen System... 57
vi
ABSTRAK
Oleh
Neni Muliawati
Pabrik Pupuk Kujang IB merupakan Badan Usaha Milik Negara (BUMN) yang berlokasi di Desa Dawuan, Kecamatan Cikampek Kabupaten Kerawang , Propinsi Jawa Barat . Pendirian Pabrik Pupuk Kujang IB bertujuan untuk meningkatkan kemampuan PT Pupuk Kujang dalam memasok kebutuhan pupuk di Jawa Barat . Performance test untuk pabrik Kujang IB dilaksanakan pada 17-31 januari 2006 dengan kapasitas 570.000 ton/tahun untuk produksi urea dan 330.000 ton/tahun untuk produksi amonia . Pabrik ini terdiri dari 4 unit utama, yaitu unit ammonia, unit urea, unit utilitas, dan unit pengantongan.
Unit amonia menggunakan bahan baku utama berupa gas alam, air, dan udara. Untuk gas alam diperoleh dari 3 sumber yaitu : Offshore Arco, L. Parigi, dan Mundu . Pabrik amonia menggunakan Low Process Energi yang dilisensi oleh Kellog Brown & Root , inc. Produk yang dihasilkan berupa amonia cair dengan kapasitas terpasang 1000 ton per hari.
Unit urea menggunakan bahan baku berupa amonia cair dan gas karbondioksida dari unit amonia . Proses yang digunakan adalah ACES 21 , dengan kapasitas terpasang 1725 ton per hari. Produk urea yang dihasilkan memiliki kandungan nitrogen sebesar 46 %.
Unit utilitas berfungsi untuk menyediakan bahan baku penunjang untuk kebutuhan proses produksi di seluruh pabrik PT. Pupuk Kujang IB , dan pengolahan limbah pabrik . Sedangkan unit pengantongan berfungsi untuk mengelola butiran urea dari prilling tower hingga dikemas dalam karung plastik dan dipasarkan . Pemasaran urea ditangani sendiri oleh PT. Pupuk Kujang baik untuk kebutuhan dalam negeri maupun untuk kebutuhan ekspor .
Tugas Khusus yang dilakukan adalah ”Evaluasi Kinerja Ammonia Converter Feed/Effluent Exchanger (A-121-C) ”. Exchanger ini menyediakan kebutuhan energi untuk menaikkan temperatur umpan ammonia converter . Berdasarkan perhitungan fouling resistance ( Rd ) masih cukup baik yaitu 0,0000586 h m oC / kcal dibawah allowable desain 0,0002 h m oC/ kcal , sedangkan pressure drop total lebih besar 25,03 % dari pressure drop allowable desain , akibat laju alir massa yang terlalu besar .
I. PENDAHULUAN
A. Sejarah PT Pupuk Kujang IB ( KIB )
Pada repelita pertama sekitar tahun 1960-an pemerintah Indonesia mencanangkan
pelaksanaan program peningkatan produksi pertanian di dalam usaha swasembada
pangan . Demi suksesnya program pemerintah ini maka kebutuhan akan pupuk harus
terpenuhi . Mengingat perkiraan produksi pupuk urea dari PT. Pupuk Sriwijaya I (PUSRI
I) tidak mencukupi serta menyusul ditemukannya sumber minyak dan gas alam di
Cilamaya (pantai utara Jawa Barat) , maka muncul gagasan untuk membangun pabrik
urea di Jawa Barat .
Gagasan terealisasi dengan lahirnya PT.Pupuk Kujang pada tanggal 9 Juni 1975 yang
merupakan sebuah BUMN di lingkungan Departemen Perindustrian yang mengemban
tugas untuk membangun pabrik Pupuk Urea di desa Dawuan, Cikampek, Jawa
Barat.Pembangunan pabrik mulai dilakukan bulan Juli 1976 dan berjalan lancar sehingga
pada tanggal 7 November 1978 pabrik sudah mulai berproduksi dengan kapasitas
570.000 ton/tahun untuk produksi urea dan 330.000 ton/tahun untuk produksi
ammonia.Peresmian Pembukaan pabrik dilaksanakan oleh Presiden Soeharto pada 12
Desember 1978 dan mulai beroperasi secara komersial pada 1 April 1979.
Sesuai dengan program pemerintah dalam mendukung ketahanan pangan nasional dan
sesuai dengan rencana jangka panjang perusahaan , PT Pupuk Kujang membangun Pabrik
Pupuk Kujang IB ( KIB ).Pendirian pabrik KIB ini bertujuan untuk meningkatkan
kemampuan PT Pupuk Kujang dalam memasok kebutuhan pupuk di Jawa Barat ,
meningkatkan skala ekonomis usaha perusahaan , dan melipat gandakan efek ekonomi
pada daerah disekitar perusahaan .
Pembangunan Pabrik Kujang IB ditangani oleh Kontraktor Utama Toyo Engineering
Corporation ( TEC ) Jepang dan Sub Kontraktor dalam negeri yaitu PT . Rekayasa
Industri sebagai
detail engineering construction
dan PT . Inti Persada Teknik ( IKPT )
sebagai
engineering construction
untuk unit service .
Penandatanganan kontrak dilaksanakan pada 15 Maret 2001 dan konstruksi dimulai pada
1 Oktober 2003 – 6 September 2005 , produksi amonia perdana terjadi pada 17 Oktober
2005 dan produksi urea prill perdana terjadi pada 24 Oktober 2005 .
Performance test
untuk pabrik KIB
dilaksanakan pada 17 – 31 Januari 2006 dimana
kapasitas pabrik sama seperti pabrik yang ada yaitu kapasitas untuk pabrik amonia
sebanyak 330.000 ton / tahun dengan menggunakan teknologi
Low Process Energy
dan
pabrik urea menggunakan teknologi ACES 21 dengan kapasitas sebanyak 570.000 ton /
tahun .
B.Deskripsi Proses
Secara garis besar, keseluruhan proses yang ada di pabrik Pupuk Kujang IB terbagi
menjadi 4 bagian utama, yaitu : Unit Utilitas, Unit Produksi Amonia, Unit Produksi Urea,
dan Unit Pengantongan . Pada bagian berikut ini akan dijelaskan penjelasan dari tiap-tiap
unit :
1.
Unit Utilitas
Unit ini mengelola dan menyediakan sarana untuk menunjang unit-unit lain dan
berfungsi juga untuk mengawasi,memproduksi untuk kelancaran proses produksi
dari suatu pabrik. Unit Utilitas ini terdiri dari 8 unit utama yaitu:
3
a.
Unit
water intake
b.
Unit pengolahan air
c.
Unit pembangkit
steam
d.
Unit pembangkit listrik
e.
Unit pengolahan air pendingin (
cooling water
)
f.
Unit pengolahan udara pabrik dan udara instrumen
g.
Unit
gas metering system
h.
Unit pengolahan limbah (
waste water treatment
)
2.
Unit produksi amonia
Unit produksi ini berfungsi untuk mengolah gas alam menjadi amonia dan
karbondioksida (CO
2) yang akan digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan
urea . Unit Produksi Amonia ini terdiri dari 8 unit yaitu:
a)
Unit pemurnian gas alam
b)
Unit pembuatan gas sintesis
c)
Unit pemurnian gas sintesis
d)
Unit sintesis amonia
e)
Unit purifikasi dan refrigerasi amonia
f)
Unit
ammonia recovery
g)
Unit
hydrogen recovery
dan
purge gas recovery
h)
Unit
process condensate stripping
3.
Unit produksi
urea
Unit ini berfungsi untuk memproduksi urea dengan cara mereaksikan amonia cair
dan CO
2yang berasal dari unit amonia dalam reaktor urea yang akan
menghasilkan urea, ammonium karbamat, biuret, air dan
excess
amonia. Urea
tersebut dipisahkan dari produk lainnya dengan cara pemanasan.
Dalam unit ini terdiri dari 6 unit utama yaitu :
a.
Unit
Synthesis Loop
b.
Unit
Purification
d.
Unit
Prilling
e.
Unit
Recovery
f.
Unit
Process Condensate Treatment
4.
Unit Pengantongan ( Bagging )
Unit ini berfungsi untuk mengemas urea ke dalam karung-karung plastik dengan
beberapa ukuran , mendistribusikan pupuk ke konsumen (pasar) dan menyimpan
urea yang belum terjual di dalam gudang penyimpanan yang berkapasitas 40.000
ton .
Secara umum bagan hubungan antara keempat unit bagian tersebut dapat dilihat
pada Gambar 1 dibawah ini
5
C. Pelaksanaan Kerja Praktek
Jurusan Teknik Kimia merupakan salah satu jurusan di Fakultas Teknik Universitas
Lampung yang menyelenggarakan pendidikan terapan dalam bidang teknik proses dan
proses pengubahan bahan baku menjadi produk . Untuk merealisasikan hal tersebut, salah
satu pendidikan dan pengajaran yang diterapkan oleh jurusan Teknik Kimia Universitas
Lampung adalah Orientasi Kerja Praktek Lapangan . Kerja praktek ini dilaksanakan
selama 1 bulan yaitu mulai tanggal 06 Agustus – 06 September 2007 yang bertempat di
PT. Pupuk Kujang IB , Cikampek – Jawa Barat.
D.
Tujuan Kerja Praktek
Tujuan pelaksanaan kerja praktek di PT. Pupuk Kujang IB , antara lain:
1.
Mendapatkan informasi mengenai proses pembuatan amonia dan urea, serta
sarana yang mendukung produksi di PT. Pupuk Kujang IB .
2. Mendapatkan informasi mengenai manajemen organisasi dalam suatu pabrik dan
penerapannya dalam upaya mengoperasikan suatu sarana produksi .
3.
Mengidentifikasi suatu masalah yang terdapat pada perusahaan dengan
pelaksanaan tugas khusus .
E. Ruang Lingkup Kerja Praktek
Adapun ruang lingkup pelaksanaan kerja praktek di PT Pupuk Kujang IB antara lain :
1.
Pengenalan perusahaan secara umum melalui orientasi umum .
2.
Orientasi khusus yang meliputi pengenalan sistem proses dan sistem pemroses.
Dalam orientasi khusus penulis ditempatkan di dinas Teknik Proses (
Process
Engineering
) KIB .
3. Melaksanakan analisa sistem pemrosesan di salah satu unit sebagai pelaksanaan
tugas khusus di unit Amonia KIB dengan judul Evaluasi Kinerja “Ammonia
Converter Feed / Effluent Exchanger
( A-121-C ) ”
II. TINJAUAN PUSTAKA
A.Karakteristik Bahan Baku dan Produk
Sifat fisik dan kimia dari senyawa yang akan dijadikan bahan baku dan produk yang akan dihasilkan suatu proses sangat diperlukan. Hal ini dimaksudkan untuk mengetahui perlakuan awal dan kondisi operasi apa saja yang nanti akan dilakukan sehingga didapatkan produk yang diinginkan.
1. Karakteristik Bahan Baku
Pembuatan urea di PT Pupuk Kujang menggunakan bahan baku antara lain: gas alam, udara, dan air.
a. Gas Alam
Komposisi gas alam dipengaruhi oleh letak geografis sumber gas alam tersebut, sedangkan sifat gas alam dipengaruhi oleh komponen yang ada didalamnya. Sifat fisik gas alam dapat dilihat pada Tabel 2.1.Gas alam yang digunakan sebagai bahan baku di PT Pupuk Kujang berasal dari beberapa sumber minyak yang berada di lepas pantai utara Jawa Barat.
Tabel 2.1 Sifat-sifat fisik gas alam
Komponen Berat Molekul Titk Didih Normal (ºF) Specific Gravity Cairan (60ºC) Specific Gravity Gas (60ºC) Panas Pembentu kan (Kkal/mol) Metana 16,04 -258,7 0,248 0,554 -17,89 Etana 30,07 -127,5 0,368 1,038 -20,24 Propana 44,09 -43,7 0,508 1,552 -24,82 i-butana 58,12 10,9 0,563 2,001 -32,15 n-butana 58,12 31,1 0,584 2,001 -30,15 i-pentana 72,15 82,1 0,625 2,491 -36,92 n-pentana 72,15 96,9 0,631 2,491 -35,00 n-heksana 86,17 155,7 0,664 2,975 -39,96 CO2 44,01 -164,9 0,815 1,519 -94,05 H2S 34,08 -76,5 0,790 1,176 -4,82 N2 28,02 -320,4 0,808 0,967
Sumber: Perry, R., “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”, 5thed. Singapore.1999
7
b. Udara
Kandungan terbesar komposisi udara terdiri dari 79 % N2, 20 % O2 dan sisanya senyawa lain dalam jumlah kecil. Udara memiliki temperatur kritis (Tc) = -140,7 ºC dan tekanan kritis (Pc) = 37,2 atm dan densitas kritis (ρc) = 350 kg/m3 .
c. Air
Air (H2O) merupakan senyawa polar dan reaktif, oleh karena itu air dapat bereaksi dengan berbagai macam zat yang kepolarannya sama dan dapat menghantarkan listrik dengan baik . Air mempunyai tekanan kritis (Pc) = 218,4 atm, temperatur kritis (Tc) = 374,15º C, dan densitas kritis (ρc) = 323 kg/cm3. Sifat-sifat air lainnya dapat dilihat pada Tabel 2.2
Tabel 2.2 Sifat-sifat fisik air.
Sumber: Perry, R., “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”, 5thed. Singapore.1999
2. Karakteristik Produk
Produk-produk yang dihasilkan oleh PT. Pupuk Kujang adalah Urea sebagai produk utama dan amonia (NH3), karbondioksida (CO2), karbonmonoksida (CO) , gas hidrogen (H2) , gas nitrogen (N2) sebagai produk antara.
a. Urea
Urea adalah senyawa berbentuk serbuk putih, tidak berbau atau
mengeluarkan bau amonia, dan tidak berasa .Urea mempunyai rumus molekul NH2CONH2.
Di dalam air, urea akan terhidrolisis menjadiamonium karbamat (NH2COONH4) yang selanjutnya akan terdekomposisi menjadi NH3 dan CO2 .
Sifat-sifat urea dapat dilihat pada Tabel 2.3.
Sifat Air Berat molekul 18,05 Titik Beku (°C) 0 Titik Didih (°C) 100 Densitas (g/mL) 0,998 Viskositas (cP) 0,8948
Panas pembentukan (kJ/mol) 285,89 (18°C) Panas penguapan (kJ/mol) 40,65(100°C)
Tabel 2.3. Sifat-sifat fisik urea
Sumber: Perry, R., “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”, 5thed. Singapore.1999
Sumber: Perry, R., “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”, 5th
ed. Singapore.1999
b. Amonia
Amonia (NH3) merupakan bahan dasar pembuatan pupuk yang berbasis nitrogen, senyawa ini digunakan sebagai penyedia nitrogen yang siap digunakan dibandingkan dengan nitrogen bebas yang merupakan senyawa inert karena lebih mudah dikonversi oleh tanaman.
Amonia mempunyai bau yang sangat menyengat. Titik didihnya sangat rendah (-33,35 oC) pada tekanan atmosfer sehingga berwujud gas yang tidak berwarna dan sangat mudah larut dalam air membentuk basa lemah amonium hidroksida (NH4OH).
NH3(g) + H2O(l) NH4OH(l) (2.1)
Amonia dapat berwujud cair jika berada pada tekanan tingi yaitu sekitar 10 atm. Sifat-sifat ammonia dapat dilihat pada Tabel 2. 4.
Tabel 2. 4 Sifat-sifat fisik amonia
Karakteristik Nilai Berat Molekul 17,03 Titik Beku (oC) -77,07 Titik didih (oC) -33,35 Densitas (g/mL) 0,817 (80 oC) Viskositas (cP) 0,255 (-30 oC) Panas Pembentukan (kJ/mol) 46,2 (18 oC)
Karakteristik Nilai Titik leleh 132,7 oC Indeks refraksi, nD20 1,484;1,602 Specific gravity, d4 20 1,335 Bentuk kristalin Tetragonal, prisma
Energi bebas pembentukan (25oC) -42,120 cal/g mol Panas Pembentukan 60 cal/g, endotermik Panas larutan, dalam air 58 cal/g, endotermik Panas kristalisasi 110 cal/g, eksotermik 70% densitas bulk larutan urea 0,74 g/cm2
9
Panas Penguapan (kJ/mol) 23,3 (-33,3 oC)
Panas spesifik (J/g oC) 2,225
Sumber: Perry, R., “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”, 5th
ed. Singapore.1999
B. Pembuatan Amonia
1. Sejarah Pembuatan Amonia
Pada tahun 1789 seseorang yang bernama C.L. Barthelot menemukan senyawa amonia yang tersusun atas nitrogen dan hidrogen. Hidrogen murni yang digunakan diperoleh dengan elektrolisis air, sedangkan nitrogen diperoleh dengan distilasi udara cair, tetapi cara ini dinilai kurang efektif dan membutuhkan banyak biaya sehingga dilakukan percobaan untuk memperoleh proses lain yang lebih ekonomis sampai akhirnya Fritz Haber (1904-1909) menemukan cara sintesis amonia dengan proses lain yang lebih ekonomis yang dilakukan pada tekanan tinggi dengan penggunaan katalis yang sesuai.
Kemudian pada tahun 1913 Carl Bosch yang memimpin Badishe Anilud Soda Fabric (BASF) bekerjasama dengan Fritz Haber berhasil mengembangkan proses komersial untuk memproduksi amonia dengan mereaksikan gas nitrogen dan gas hidrogen yang diperoleh dari batu bara yang direaksikan dengan steam dan menggunakan katalis besi dengan penambahan Al2O3, MgO, CaO dan K2O
sebagai promotor. Sehingga sintesis amonia tersebut dikenal dengan proses Haber-Bosch, dengan persamaan reaksinya adalah:
N2 (g) + 3H2(g) 2NH3(g)
(2.2)
2. Macam-macam Proses Sintesis Amonia
Sampai saat ini ada banyak cara untuk sintesis amonia di antaranya adalah sebagai berikut :
b.Proses Claude c.Proses Casale d.Proses Fauser e.Proses Mont Cenis f. Proses Kellog
Proses yang dipakai oleh PT Pupuk Kujang IB untuk memproduksi amonia adalah lisensi dari Kellog Brown & Root (KBR) , Inc menggunakan proses hemat energi. Adapun secara garis besar tahapan prosesnya adalah sebagai berikut :
Pada langkah pertama, yang direaksikan adalah pembentukan gas hidrogen, karbonmonoksida dan karbondioksida dari senyawa hidrokarbon (gas alam) dan steam pada primary reformer. Pada primary reformer terdapat 4 buah heater yang masing-masing heater terdiri dari 48 tube katalis. Katalis yang dipakai adalah katalis nikel. Reaksi yang terjadi pada primary reformer ini adalah :
CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) ∆H = 49,3 kkal/mol (2.3)
CO (g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) ∆H = -9,8 kkal/mol (2.4)
Gas yang keluar diharapkan mempunyai tekanan 36,2 kg/cm2
dan
suhu 799 oC kemudian dikirim ke secondary reformer yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya reaksi reforming. Reaksi yang terjadi sama dengan reaksi pada primary reformer, tetapi panas yang digunakan diperoleh dari pembakaran langsung dengan udara di dalam reaktor. Gas dan campuran udara steam masuk ke secondary reformer secara terpisah dari bagian atas. Gas dan udara dicampur dalam mixing zone, dimana terjadi reaksi pembakaran sebagai berikut:CH4(g) + O2(g) CO2(g) + 2H2O(g0 ∆H = -191,73 kkal/mol (2.5)
2H2(g) + O2(g) 2H2O(g) ∆H = -57,58 kkal/mol (2.6)
Reaksi di atas adalah reaksi eksoterm (mengeluarkan panas) sehingga panas pembakaran ini digunakan untuk reaksi reforming di bed katalis. Untuk membentuk urea , diperlukan NH3 dan CO2
sebagai
bahan baku . Oleh karenaitu, gas CO yang ada perlu diubah menjadi CO2 dalam shift converter yang
berfungsi sebagai tempat terjadinya reaksi CO manjadi CO2. Reaksi yang terjadi
11
CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) ∆H = -9,8 kkal/mol (2.7)
Unit ini pun berfungsi sebagai tempat untuk mempersiapkan bahan baku sebelum masuk ke ammonia converter, yang berupa gas N2 dan H2 sehingga gas-gas lain yang ada harus dipisahkan dahulu . Gas CO2 yang diperlukan dalam pembuatan
urea diambil dengan cara diserap menggunakan larutan penyerap aMDEA yang kemudian dilepaskan kembali sehingga diperoleh gas CO2
.
Prosesnya adalah gasyang keluar dari konverter dimasukkan ke dalam absorber.Reaksi absorbsi CO2 dengan menggunakan aMDEA adalah sebagai berikut :
a + MDEA + H2O(l) + CO2(g) MDEAH+ + HCO3- (2.8)
Gas CO2 dalam larutan rich solution akan dipisahkan dengan proses stripping
yang beroperasi pada tekanan rendah dan suhu tinggi . Reaksi yang terjadi merupakan kebalikan reaksi absorbsi yaitu :
MDEAH+ + HCO3- a + MDEA + H2O(l) + CO2(g)
(2.9)
Gas CO2 inilah yang digunakan sebagai umpan pada reaktor sintesis urea. Gas yang keluar dari absorber masih mengandung sisa CO dan CO2 yang dapatmenyebabkan rusaknya katalis di ammonia converter , oleh karena itu perlu diubah menjadi CH4 yang tidak meracuni katalis dalam metanator. Reaksi yang
terjadi dalam metanator merupakan reaksi kebalikan dari primary reformer. CO(g) + 3H2g) CH4(g) + H2O(g) ∆H = -49,3 kkal/mol (2.10)
CO2(g) + 4H2(g) CH4(g) + H2O(g) ∆H = 639,5 kkal/mol (2.11)
Reaksi yang terjadi pada ammonia converter adalah sebagai berikut :
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
(2.12)
Amonia yang terbentuk itu lalu dipisahkan dan dikondensasikan yang kemudian disimpan dalam bentuk cair .
Reaksi utama di unit amonia adalah reaksi gas hidrogen dan nitrogen menjadi NH3 yang terjadi pada seksi ammonia converter . Kondisi operasi optimum untuk
reaksi tersebut adalah dengan mempertahankan reaksi pada tekanan antara 140-150 kg/cm2 dan temperatur antara 430-500 oC . Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
1/2 N2(g) + 3/2 H2(g) NH3(g) ∆H 700K = -52,6 kJ/mol K (2.13)
4. Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Sintesis Amonia
Ada banyak variabel yang mempengaruhi sintesis amonia di dalam ammonia converter di antaranya adalah temperatur, tekanan, laju alir gas sintesis dan kecepatan ruang, perbandingan antara H2 dan N2, jumlah inert, serta katalis.
Penjelasan dari masing-masing faktor adalah sebagai berikut : a. Temperatur
Sesuai dengan Azas Le Chatelier “Jika suatu sistem berada dalam kesetimbangan, suatu kenaikan temperatur akan menyebabkan kesetimbangan itu bergeser ke arah yang menyerap kalor (reaksi penguraian/reaksi endoterm)”. Dan reaksi sintesis amonia merupakan reaksi eksoterm (reaksi pembentukan) :
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ∆Hr o = -92,22 kJ (2.14)
Sedangkan reaksi penguraian amonia adalah reaksi endoterm :
2NH3(g) N2(g) + 3H2(g) ∆Hr o = 92,22 kJ (2.15)
Perubahan temperatur akan mengakibatkan bergesernya kesetimbangan reaksi.
b. Tekanan
Menurut Azas Le Chatelier, kenaikan tekanan menyebabkan reaksi bergeser ke arah mol (koefisien reaksi) yang lebih kecil (ke arah pembentukkan NH3), tetapi jika tekanan berkurang maka kecepatan tumbukan antar molekul reaktan berkurang, sehingga kecepatan reaksi pembentukkan NH3 menurun atau ke arah penguraian NH3 .
13
c. Laju alir gas reaktan
Sesuai dengan Azas Le Chatelier, jika komponen reaktan ditambah dan produk terus-menerus diambil/dikurangi maka reaksi kesetimbangan akan bergeser ke arah pembentukkan NH3.
d. Perbandingan reaktan antara hidrogen dan nitrogen
Menurut reaksi kesetimbangan, pembentukan amonia dalam memproduksi 1 mol gas NH3 membutuhkan 1/2 mol N2 dan 3/2 mol H2. Perbandingan N2:H2 = 1:3.
e. Jumlah gas inert
Jika terjadi peningkatan kadar gas inert dalam ammonia coverter yang terutama terdiri dari metana dan argon maka dapat mengakibatkan turunnya produksi pembentukkan amonia.
f. Katalis
Katalis merupakan zat yang dapat mempercepat reaksi namun tidak ikut bereaksi. Peranan katalis adalah untuk menurunkan energi aktivasi reaksi. Sesuai dengan fasa terjadinya reaksi, maka katalis dibedakan menjadi dua jenis yaitu: katalis homogen dan heterogen. Dalam industri umumnya katalis yang dipakai adalah katalis heterogen karena lebih ekonomis. Katalis heterogen yang paling banyak digunakan adalah dalam bentuk unggun dengan keunggulan lebih mudah pengoperasiannya, mudah dalam regenerasi, dan harganya relatif lebih murah. Katalis yang digunakan untuk sintesis amonia adalah iron.
C. Pembuatan Urea
Urea ditemukan pertama kali oleh Roelle pada tahun 1773 dalam urine. Pembuatan urea dari amonia dan asam sianida untuk pertama kalinya ditemukan oleh F.Wohler pada tahun 1828 . Namun pada saat ini pembuatan urea pada umumnya menggunakan proses dehidrasi yang ditemukan oleh Bassarow pada tahun 1870. Proses ini mensintesis urea dari pemanasan amonium karbamat. Prinsip pembuatan urea pada umumnya yaitu dengan mereaksikan antara amonia dan karbondioksida pada tekanan dan temperatur tinggi didalam reaktor kontinu untuk membentuk amonium karbamat (reaksi1) selanjutnya amonium karbamat yang terbentuk didehidrasi menjadi urea (reaksi 2).
Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:
Reaksi
1 :
2 NH3(g) + CO2(g) NH2COONH4(g) (2.16 )Reaksi 2 : NH2COONH4(g)
NH
2CONH
2(g)+ H
2O
(l)(2.17)
Sintesis urea dilakukan dengan amonia yang berlebih agar kesetimbangan dapat
bergeser ke arah kanan sehingga dapat dihasilkan produk yang lebih banyak .
2. Macam-Macam Proses Sintesis Urea
Berdasarkan ammonium karbamat yang tidak terkonversi,proses sintesis urea secara komersial dapat dibagi menjadi beberapa jenis yaitu :
a. Once-through urea process
Amonium Karbamat yang tidak terkonversi menjadi urea didekomposisi menjadi gas NH3 dan CO2 dengan cara memanaskan keluaran urea syntesis
reaktor pada tekanan rendah . Gas NH3 dan CO2 dipisahkan dari larutan
urea dan dimanfaatkan untuk memproduksi garam amonium dengan cara mengabsorbsi NH3 dengan larutan asam nitrat atau asam sulfat sebagai
absorben.
b. Solution recycle urea process
Karbamat yang tidak terkonversi didekomposisi menjadi gas NH3dan CO2
.
Selanjutnya gas amonia dan karbondioksida tersebut diabsorbsi oleh air dan dikembalikan kedalam reaktor dalam bentuk larutan.
15
3. Konsep Proses Sintesis Urea
Pada umumnya urea diproduksi dengan mereaksikan amonia dan CO2 pada
kondisi operasi optimumnya pada temperatur 185 oC dan tekanan 250 kg/cm2 sesuai dengan reaksiBassarow sebagai berikut:
2NH3(g) + CO2(g) NH2COONH4(g) ∆H = -117 kJ/mol (2.18)
NH2COONH4(g) NH2CONH2(g) + H2O(l)∆H = 15,5 kJ/mol (2.19)
Dari kedua reaksi di atas dapat dilihat bahwa reaksi pertama adalah eksoterm (mengeluarkan panas) dan yang kedua adalah endoterm (memerlukan panas). Panas yang dihasilkan pada reaksi pertama diserap pada reaksi kedua .
4. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Sintesis Urea
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi reaksi pembuatan urea yaitu:
a. Temperatur
Reaksi sintesis urea berjalan pada temperatur optimal adalah 185 oC dengan waktu pemanasan sekitar 30 menit. Jika temperatur turun akan menyebabkan konversi amonium karbamat menjadi urea akan turun b. Tekanan
Untuk menghasilkan urea yang optimal, maka diperlukan tekanan tinggi yaitu 250 kg/cm2 karena konversi amonium karbamat menjadi urea hanya berlangsung pada fasa cair sehingga tekanan harus dipertahankan pada keadaan tinggi.
c. Perbandingan NH3 dan CO2
Industri urea di Indonesia pada umumnya mensintesis urea dengan perbandingan NH3 dan CO2 adalah 3,5-4 mol. Hal ini dikarenakan
perbandingan mol dapat mempengaruhi suhu, tekanan operasi dan jumlah amonia yang terbentuk.
Jumlah air dalam reaktor dapat berpengaruh terhadap reaksi yang kedua yaitu penguraian amonium karbamat menjadi urea dan air. Jika terdapat air dalam jumlah yang cukup banyak, maka akan memperkecil konversi terbentuknya urea dari larutan karbamat.
III. BAHAN BAKU
A. Bahan Baku Utama
Bahan baku utama yang digunakan pada unit produksi amonia berupa gas alam, udara, dan air. Sedangkan pada unit produksi urea membutuhkan amonia cair dan karbon dioksida yang dihasilkan dari unit amonia.
1. Gas Alam
Gas alam merupakan campuran dari berbagai senyawa yang berada dalam fase gas dan didapat dari eksploitasi sumber minyak dan gas bumi. Senyawa utama yang terdapat pada gas alam terdiri dari 88-96% methana (CH4) dan sisanya mengandung hidrokarbon berat, gas pengotor dan gas inert .Gas alam diperoleh dari pertamina , dengan sumber yang berasal dari tiga tempat yaitu di lepas pantai utara Jawa Barat (Offshore Arco), Laut Parigi di lepas pantai Cilamaya dan Mundu di Indramayu.
Jumlah gas alam yang diperlukan sebagai bahan baku adalah 36,6 ton/jam. Masuknya gas alam ke dalam pabrik melalui jalur pipa gas alam antara lain Cilamaya – Cilegon, yaitu Citarik yang berjarak 7 km dari pabrik.Gas umumnya masuk pada temperatur 32 °C , tekanan 12 kg/cm2 dan Flow Rate 44,445 Nm3/h .
Tabel 3.1 Komposisi masukan gas alam
Komposisi % mol ( rata-rata )
CH4 91,415 C2H6 3,229 C3H8 0,997 C4 + 0,473 CO2 1,638 N2 2,248 Hg 10 ppb ( maksimum ) Sulfur 30 ppm (maksimum )
Sumber : PT Pupuk Kujang IB
2. Udara
Udara merupakan sumber dari gas N2 yang digunakan pada proses sintesa amonia. Kebutuhan udara untuk memproduksi 1 ton pupuk urea adalah sebesar 473,04 Nm3/h . Penggunaan udara didalam pabrik dibagi menjadi dua yaitu sebagai instrument air dan plant air
3. Air
Air merupakan bahan baku steam yang digunakan pada proses steam reforming. Air baku disuplai dari waduk Curug, Parung Kadali dan Hilir Bendungan Jatiluhur, dengan menggunakan stasiun pompa air.Untuk mengatasi kekurangan air, maka dibangun delapan kolam penampung emergency yang terletak di kawasan sekitar pabrik, yang mampu menampung air cadangan untuk operasi selama 10-14 hari. Air yang digunakan untuk proses dibedakan menjadi dua, yaitu: air umpan ketel dan air pendingin.
18
4. Amonia Cair
Amonia cair yang digunakan pada unit produksi urea berasal dari unit produksi amonia .Kebutuhan konsumsi amonia yaitu 0,568 ton/ton urea. Umumnya karakteristik amonia cair yang dikonsumsi yaitu :
a. Kadar ammonia : 99,5% berat minimum b. Kadar air : 0,5% berat minimum c. Minyak : 5 ppm (b/b) maksimum d. Tekanan : 18 kg/cm2 G
e. Temperatur : 25-30 °C f. Jumlah normal : 40,983 kg/jam g. Jumlah rancang : 49,18 kg/jam
5. Gas Karbondioksida
Gas CO2 yang diperlukan untuk pembuatan urea diproduksi oleh pabrik amonia.Adapun karakteristik CO2 antara lain :
a. Kadar CO2 : 98,5% volume minimum b. Kadar air : jenuh
c. Kadar sulfur : 1 ppm (b/b) maksimum d. Tekanan : 0,6 kg/cm2
e. Temperatur : 38 °C f. Jumlah normal : 27,4 kg/jam g. Jumlah rancang : 32,94 kg/jam
B. Bahan Baku Penunjang
Bahan penunjang yang dibutuhkan oleh PT Pupuk Kujang antara lain: asam sulfat, soda kaustik, klorin, resin amberjet , antifoam amerel, fosfat. Semua bahan ini adalah bahan kimia tambahan untuk pembuatan air proses, air umpan ketel dan kebutuhan penunjang lainnya . Selain itu juga dibutuhkan:
1 . aMDea (Activated Methyldiethanolamine)
Larutan aMDea berfungsi untuk memisahkan CO2 dari campuran gas sintesis . aMDea tersusun oleh 3 komponen yaitu :
• MDEA ( Methyl Diethanolamine ) berfungsi untuk menyerap CO2 dengan laju reaksi yang kecil .
• Activator berfungsi meningkatkan laju reaksi penyerapan CO2 . • Air berfungsi sebagai pelarut dan juga sebagai reaktan .
Reaksi absorbsi CO2 dengan menggunakan aMDEA adalah sebagai berikut :
a + MDEA + H2O + CO2 MDEAH++HCO3- ( 3.1 )
2 . Katalis
Katalis yang digunakan oleh PT Pupuk Kujang pada unit produksi amonia dapat dilihat dalam Tabel 3.2 .
Tabel 3.2 Jenis katalis yang digunakan pada unit amonia
Unit Pemroses Katalis
Kisaran Volum ( m3 ) Umur katalis yang diharapkan ( Tahun )
Mercury Guard Chamber Actived Carbon 14,4 5
Hydrogenation Co-Mo 10,2 5
Desulfurization Zinc Oxide 30,0 1
Primary Reforming Ni 18,2 > 5
Secondary Reforming Ni / Al 25,8 > 5
High Temperature Shift Cu / Fe 49 > 5
Low Temperature Shift CuZn&Alumina 59,1 3 - 4
Methanator Ni 19,8 8 - 10
Ammonia Synthesis Iron/prereduced 59,6 8 - 10
Molecular Sieve Zeolite 5,5 3 - 5
Regeneration Dryer Zeolite 0,96 3 - 5
