Efisiensi Dan Evaluasi Hp Stripper

(1)

Laporan Tugas Khusus

EFISIENSI DAN EVALUASI HP STRIPPER UNIT UREA

KALTIM-2

LAPORAN TUGAS KHUSUS PRAKTEK KERJA PT PUPUK KALIMANTAN TIMUR

Bontang-Kalimantan Timur (25 Januari – 24 Maret 2011)

Disusun oleh :

Valentine Conny Putri Perdana ( I 0507013 )

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

(2)

2011 BAB I PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang

HP Stripper merupakan salah satu unit yang termasuk dalam unit sintesa urea yang memegang peranan penting, dimana beban dari unit resirkulasi tergantung dari efisiensi HP Stripper. Sedangkan efisiensi dari HP Stripper sendiri bergantung pada beberapa faktor, antara lain: konsentrasi

amonium karbamat dan NH3 yang masuk ke dalam HP Stripper, temperatur

CO2 yang masuk serta banyaknya panas yang ditransfer oleh steam yang

masuk. Panas tersebut digunakan untuk reaksi dekomposisi yang bersifat endotermis.

Untuk mendukung atau mengetahui kinerja HP Stripper, perlu dilakukan evaluasi mengenai efisiensi HP Stripper tersebut berdasarkan neraca massa dan neraca panas yang terjadi pada HP Stripper.

Perlu diperhatikan bahwa distribusi campuran larutan urea dan

amonium carbammate dari reaktor dalam HP Stripper harus merata. Hal ini

akan berpengaruh terhadap efisiensi stripping, demikian juga dengan adanya

tube distributor yang digunakan pada HP stripper, sehingga aliran liquid

menjadi aliran film.

1.2.Batasan Masalah

Permasalahan yang akan dibahas dalam tugas khusus ini adalah:

1. Perhitungan efisiensi stripping di HP stripper menurut neraca massa dan neraca panas dengan parameter antara lain:

a. Temperatur Operasi b. Tekanan Operasi

(3)

d. Komposisi arus masuk dari reaktor urea

2. Evaluasi terhadap HP Stripper akan dilihat juga hubungan dengan rate pabrikdan tekanan steam.

1.3.Tujuan

Tujuan pembuatan tugas khusus ini adalah:

1. Mempelajari dan mengevaluasi efisiensi stripping pada HP Stripper dengan kondisi operasi yang diijinkan.

2. Mempelajari dan mengevaluasi hubungan efisiensi HP Stripper dengan kenaikan rate pabrik hingga 145%.

3. Mempelajari dan mengevaluasi hubungan efisiensi HP Stripper dengan kenaikan tekanan steam.

1.4.Manfaat

Manfaat dari pengerjaaan tugas khusus ini adalah dapat mengetahui kondisi operasi dari HP Stripper pada rate pabrik 100 – 145%.

(4)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Dalam sintesa urea, reaksi pembentukan urea di reaktor tidak berlangsung secara sempurna. Akibatnya, produk yang keluar reaktor masih mengandung amonium carbamate yang belum terkonversi menjadi urea dan sebagian lagi adalah excess NH3. Amonium carbammate ini harus dipisahkan dari

larutan urea yang dihasilkan. Untuk memisahkan amonium carbammate ini maka dilakukan stripping dengan gas CO2 pada unit HP Stripper.

2.1.HP Stripper

HP Stripper merupakan shell and tube exchanger yang terdiri dari 2650 tube tipe straight dengan outside diameter 31 mm, sedangkan inside

diameter shell adalah 2300 mm. Fluida shell side adalah steam yang

mempunyai tiga line dan didesain pada tekanan 31 kg/cm2 dan temperatur 235°C, sedangkan fluida pada tube side adalah sistem larutan urea-gas NH3

degan desain tekanan 165 kg/cm2 dan temperatur 235oC.

Kondisi operasi yang diijinkan pada sisi shell side, tekanan 21 kg/cm2 dan suhu 214 oC, disisi tube tekanan 144 kg/cm2 dan temperatur inlet 183oC

Agar Stripper dapat berfungsi dengan baik maka setiap tube harus menerima cairan persatuan waktu yang sama, juga distribusi gas yang baik, ini akan menjamin cukupnya supply oksigen untuk mencegah korosi, selain itu distribusi cairan yang baik juga berarti akan menjaga efisiensi stripper.

Untuk mendapatkan distribusi cairan yang baik, maka didesain pada bagian atas masing-masing stripper tube dilengkapi tiga buah lubang yang berfungsi sebagai pembagi cairan. Pressure drop dari lubang-lubang ini

(5)

membuat aliran liquid yang melewati lubang akan membentuk lapisan film yang baik di permukaan tube.

2.2.Deskripsi Proses

Dalam proses ini liquid yang keluar dari reaktor urea pada suhu ± 183 °C dikontakkan dengan gas CO2 dari unit H2 removal pada suhu ± 120 °C

secara counter current. Liquid mengalir turun membasahi sepanjang dinding

tube membentuk lapisan film dan gas CO2 yang masuk dari bagian bawah

kolom men-stripping amonium carbammate yang nantinya akan terurai menjadi gas CO2 dan NH3 untuk dikembalikan ke unit HPCC. Panas yang

dibutuhkan untuk reaksi di supply dari steam pada shell side kolom.

Adapun alasan pemilihan gas CO2 sebagai fluida stripper dalam unit

HP Stripper ini antara lain:

1. CO2 merupakan salah satu reaktan pada sintesa urea, sehingga akan sangat

efisien jika men-strip menggunakan CO2 karena tidak diperlukan lagi

pemisahan sebelum aliran diumpankan kepada HPCC.

2. Menurunkan tekanan parsial NH3 di dalam aliran fluid tube side, sehingga

akan memperbesar konversi penguraian amonium carbammate.

3. Membawa (carrier) reaktan yang tidak terkonversi kembali ke dalam sistem sintesa.

4. Menurunkan suhu larutan yang akan meninggalkan HP Stripper sehingga mengurangi pembentukan biuret dan hidrolisa urea.

5. Sebagai gas carrier yang membawa O2 untuk passivasi peralatan di unit

sintesa urea.

6. Menaikkan konsentrasi CO2 dalam larutan karena pelarutannya akan

bertambah seiring dengan turunnya konsentrasi NH3.

Kondisi di bagian bawah HP Stripper sangat sesuai untuk berlangsungnya hidrolisa urea dan pembentukan biuret, karena suhu yang

(6)

tinggi serta konsentrasi amonium carbammate yang rendah. Untuk mencegah hal ini, maka larutan pada bagian bawah kolom didinginkan dengan gas CO2

yang masuk. Selain dengan pendinginan dengan CO2 juga diusahakan untuk

menjaga level steam kondensat di shell side HP Stripper, pada shell tersebut dilengkapi dengan tiga nozel condensat outlet, yang dapat mengatur level kondensat sedimikian rupa sehingga pembentukan biuret dan hidrolisa urea dapat dijaga di bawah level tertentu.

Pada umumnya dapat dikatakan bahwa level di bagian bawah kolom HP Stripper tidak boleh terlalu tinggi, karena jika level tinggi maka akan menaikkan temperatur sehingga akan memperbesar pembentukan biuret dan hidrolisa urea. Jika level pada bagian bawah kolom semakin tinggi lagi, maka larutan akan ikut masuk pada tube-tube, yang mana akan menghalangi gas CO2 yang lewat, sehingga efisiensi akan menurun akibat proses perpindahan

massa terganggu.

Larutan urea meninggalkan HP Stripper pada suhu ± 165 °C menuju ke unit sirkulasi, sedangkan aliran gas yang mengandung sebagian besar CO2

keluar kolom bagian atas dan kemudian diumpankan kepada HP Carbammate

Condenser.

2.3.Stripping

Tujuan dari proses Stripping adalah pemisahan gas dari suatu larutan dan memindahkannya ke fase uap dengan mengalirkan gas. Gaya pendorong (driving force) terjadinya perpindahan massa ini adalah perbedaan tekanan parsial zat terlarut pada permukaan dengan fase gas disekitarnya.

Untuk mempercepat perpindahan massa zat tersebut, driving force haruslah diperbesar. Driving force dapat diperbesar dengan cara:

• Menaikkan temperatur larutan, dengan menaikkan temperatur, maka tekanan uap larutan juga akan meningkat, sehingga akan memperbesar

driving force

(7)

• Menghembuskan gas untuk membawa pergi uap zat yang ada di fase gas, hal ini akan menyebabkan tidak terjadinya kesetimbangan pada sistem tersebut, sehingga untuk mencapai kesetimbangan, zat terlarut harus berubah fase menjadi gas lagi, dan akhirnya dihembus lagi.

• Luas bidang kontak diperbesar.

2.4.Thermodinamika Reaksi di HP Stripper

Pemisahan amonium carbammate di HP Stripper harus berlangsung cepat dengan temperature yang tidak begitu tinggi karena dapat menyebabkan hidrolisa urea dan pembentukan biuret.

Reaksi yang terjadi di HP Stripper adalah:

• NH4COONH3 2NH3 + CO2 ∆H = 33,76 kcal/mol

Ammonium carbammate ammonia carbon dioksida

• NH2CONH2 + H2O 2NH3 + CO2 ∆H = 26,86 kcal/mol

Urea air ammonia carbon dioksida

• 2NH2CONH2 NHCONHCONH2 + NH3

Urea biuret ammonia

Untuk mencapai reaksi utama yang diinginkan (disosiasi ammonium

carbammate) dilakukan pengaturan suhu dan tekanan reaksi. Akibat gas

karbon dioksida yang masuk, tekanan parsial ammonia (NH3) menjadi turun

sehingga reaksi bergeser kearah kanan (ammonia dan karbon dioksida). Reaksi ini bersifat endotermis, sehingga membutuhkan panas. Kebutuhan panas ini disuplai oleh steam.

(8)

BAB III METODOLOGI

Evaluasi dan analisa HP Stripper dilakukan dengan menghitung neraca massa dan neraca panas unit ini. Hasil perhitungan nantinya diharapkan dapat menghasilkan nilai efisiensi dan meggambarkan kondisi operasi optimal untuk unit HP Stripper ini

3.1.Metode Pengambilan Data

Dalam penyusunan tugas khusus ini, data yang digunakan meliputi data primer dan data sekunder.

3.1.1. Data Primer

Merupakan data yang diperoleh dari pengamatan dan pengukuran besaran operasi alat yang bersangkutan secara langsung di lapangan yang tercatat di:

1. Log sheet panel control room Bagian Urea Kaltim-2 tanggal 1-14

Februari 2011. (untuk data tekanan (PIC 9904) dan flow steam (FR-9902))

2. Laporan harian laboratorium Bagian Urea Kaltim-2 tanggal 1-14 Februari 2011. (untuk data %wt CO2 dan NH3 di HP Stripper dan

Down C. Reaktor).

3.1.2.Data Sekunder

Merupakan data yang diperoleh dari studi literatur umum maupun dari unit urea Kaltim-2. Data sekunder tersebut adalah :

1. Flow rate inlet mengacu pada desain operasi.

2. Tekanan inlet dan outlet mengacu pada desain operasi. 3. Temperatur inlet dan outlet mengacu pada desain operasi. 4. Berat molekul (BM)

(9)

5. Specific Heat (Cp)

6. Enthalpy fase liquid dan fase uap (Hl dan Hv) 7. _{Panas reaksi penguraian karbamat (Hr)} 3.2.Metode Pengolahan Data

Dalam penyelesaian perhitungan tugas khusus ini, kami menggunakan beberapa asumsi :

1. Asumsi temperatur inlet dan outlet kolom HP Stripper sesuai dengan kondisi operasi yang disarankan.

2. Di dalam kolom HP Stripper hanya terjadi reaksi penguraian ammonium

carbamate, itupun reaksi di asumsikan sebagai reaksi irreversible.

3. Proses terjadi dalam keadaan steady-state.

4. CO2 sebagai limitting reactan, sehingga di dalam aliran bawah reaktor

tidak mengandung gas CO2 lagi, CO2 yang ada dalam aliran bawah HP

Stripper semuanya dalam bentuk ammonium carbamate.

5. Inert pada aliran inlet bawah HP Stripper tidak berpengaruh terhadap proses stripping.

6. Laju perpindahan massa dihitung dari sisi CO2, sedangkan NH3 dianggap

mengikuti laju perpindahan massa CO2.

Foa xoa Fia xia

H

P

S

tr

ip

p

e

r

Fob xob Fib xib T

(10)

Berikut adalah langkah-langkah penyelesaian tugas khusus ini:

1. Mengolah data logsheet panel control room untuk mencari persamaan

Mass rate steam sebagai fungsi tekanan dengan cara membuat grafik F

(FR 9902) vs P (PIC 9904), dari trendline didapatkan persamaan untuk menghitung massa steam yang diperlukan dengan memasukkan tekanan

steam sesuai kondisi operasi yang disarankan untuk variasi rate pabrik dan

variasi tekanan steam dari 21 – 31 kg/cm2 .

2. Menghitung jumlah CO2 yang masuk ke unit HP Stripper berdasarkan

kondisi operasi yang disarankan.

3. Mengolah data laporan analisis harian laboratorium untuk mencari persamaan perpindahan massa di kolom HP Stripper sebagai fungsi fraksi mol CO2 di aliran inlet atas (Fia), dari trendline didapatkan persamaan

yang digunakan untuk meghitung jumlah mol yang berpindah dari fase liquid ke fase gas.

4. Membuat neraca massa aliran-aliran HP Stripper. 5. Membuat neraca panas aliran-aliran HP Stripper.

6. Menghitung komposisi aliran keluar (Foa dan Fob) dengan men-trial neraca

massa dan neraca panas.

7. Mensimulasi komposisi aliran keluar (Foa dan Fob) dengan variasi rate

(11)

BAB IV

HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1.HASIL PERHITUNGAN

4.1.1. Hasil Perhitungan Variasi Rate Inlet Atas HP Stripper

Tabel IV.1.1.1 Neraca Massa Aliran HP Stripper Tekanan 21 kg/cm2 Rate 100% HP Stripper (302-C)

Inlet Bawah Inlet Atas Outlet Bawah Outlet Atas

x mol %wt x mol %wt x Mol %wt x mol %wt

CO2 0,9347 1333,295 95,9 0,1080 847,3 17,6 0,0643 248,2881 8,55 0,3574 1932,307 58,55 NH3 0 0 0 0,4697 3684,509 29,57 0,1285 496,5763 6,61 0,5896 3187,933 37,32 O2 0,0067 9,5683 0,005 0 0 0 0 0 0 0,0018 9,568274 0,21 N2 0,0491 69,9851 3,203 0 0 0 0 0 0 0,0129 69,9851 1,35 Biuret 0 0 0 0,0003 2,2622 0,11 0,0006 2,2622 0,18 0 0 0 Urea 0 0 0 0,1582 1240,588 35,14 0,3211 1240,588 58,25 0 0 0 H2O 0,0095 13,6082 4 0,2637 2068,824 17,58 0,4855 1875,55 26,42 0,0383 206,8824 2,56 Total 1 1426,457 100 1 7843,484 100 1 3863,265 100 1 5406,676 100

(12)

Tabel IV.1.1.2. Neraca Massa Aliran HP Stripper Tekanan 21 kg/cm2 Rate 110% HP Stripper (302-C)

CO2 0,9347 1599,955 95,9 0,108 1016,76 17,6 0,1011 543,0183 13,85 0,3605 2073,696 58,82 NH3 0 0 0 0,4698 4421,411 29,57 0,2022 1086,037 10,7 0,5798 3335,374 36,55 O2 0,0067 11,4819 0,005 0 0 0 0 0 0 0,002 11,4819 0, 24 N2 0,0491 83,9821 3,203 0 0 0 0 0 0 0,0146 83,9821 1,52 Biuret 0 0 0 0,0003 2,7147 0,11 0,0005 2,7147 0, 16 0 0 0 Urea 0 0 0 0,1582 1488,706 35,14 0,2772 1488,706 51,79 0 0 0 H2O 0,0095 16,3299 4 0,2638 2482,589 17,58 0,419 2250,66 23,49 0,0432 248,2589 2,88 Total 1 1711,748 100 1 9412,181 100 1 5371,135 100 1 5752,794 100

(13)

CO2 0,9347 1733,284 95,9 0,108 1101,49 17,6 0,1112 676,1279 15,36 0,3617 2158,646 58,92 NH3 0 0 0 0,4698 4789,862 29,57 0,2223 1352,256 11,87 0,5759 3437,606 36,25 O2 0,0067 12,4388 0,005 0 0 0 0 0 0 0,0021 12,4388 0,25 N2 0,0491 90,9806 3,203 0 0 0 0 0 0 0,0152 90,9806 1,58 Biuret 0 0 0 0,0003 2,9409 0,11 0,0005 2,9409 0, 16 0 0 0 Urea 0 0 0 0,1582 1612,765 35,14 0,2652 1612,765 49,96 0 0 0 H2O 0,0095 17,6907 4 0,2638 2689,471 17,58 0,4009 2438,215 22,66 0,0451 268,9471 3 Total 1 1854,394 100 1 10196,53 100 1 6082,304 100 1 5968,619 100

(14)

4.1.2. Hasil Perhitungan Variasi Tekanan Steam

Tabel IV.1.2.1. Neraca Massa Aliran HP Stripper Rate 145% Tekanan Steam 21 kg/cm2 HP Stripper (302-C)

(15)

HP Stripper (302-C)

(16)

HP Stripper (302-C)

(17)

4.2.PEMBAHASAN

Tujuan utama penggunaan unit HP Stripper ini adalah untuk

me-recycle reaktan-reaktan yang tidak tersintesis kembali ke dalam syntesis loop.

Reaktan-reaktan yang ingin di-recycle adalah gas CO2 dan gas NH3 yang

mana pada aliran bawah reaktor gas CO2 dan NH3 ini sebagian berwujud

sebagai ammonium carbamate.

Ammonium carbamate terlarut bersama-sama urea dan biuret di

dalam air, maka tidak bisa digunakan proses pemisahan sederhana, seperti distilasi ataupun kolom separator biasa. Oleh karena itu digunakan unit HP Stripper untuk memisahkan ammonium carbamate dari larutan, dengan cara menguraikan ammonium carbamate menjadi senyawa-senyawa pembentuknya, yaitu gas CO2 dan gas NH3.

Penguraian ammonium carbamate menjadi senyawa pembentuknya sama saja dengan kebalikan reaksi pembentukan ammonium carbamate yang terdapat di unit HP carbammate condenser, dimana untuk menguraikan reaksi tersebut dibutuhkan sejumlah panas, karena reaksi penguraian ammonium

carbamate adalah reaksi endotermis. Kebutuhan panas disuplai dari steam

yang lewat pada shell side unit HP Stripper. Kemudian gas CO2 dan gas NH3

hasil penguraian ammonium carbamate dipisahkan dari larutan dengan cara men-stripping gas-gas ini dengan menggunakan gas CO2 fresh.

Untuk mengetahui seberapa mampu unit HP Stripper memisahkan gas CO2 dan NH3, maka dalam tugas khusus ini kami mensimulasikan kinerja

unit HP Stripper dengan variasi rate pabrik dan variasi tekanan steam.

Untuk menyelesaikan permasalahan, langkah pertama yang dilakukan adalah mencari persamaan mass rate steam sebagai fungsi tekanan pada control valve di Steam Drum.

(18)

Dari hasil pengamatan pada logsheet, kami mendapatkan grafik sebagai berikut:

Grafik IV.2.1. Mass rate Steam sebagai Fungsi Tekanan

Titik-titik hasil pengamatan kami dekati dengan trendline tipe power, sehingga dihasilkan persamaan mass rate steam sebagai fungsi tekanan steam drum dengan error yang cukup kecil. Persamaan ini kami gunakan untuk mencari mass rate steam yang lewat pada unit HP Stripper.

Perhitungan mass rate steam ini sangat penting, sebab panas yang digunakan untuk reaksi penguraian ammonium carbamate diperoleh dari panas laten steam yang masuk pada unit HP Stripper. Sehingga semakin besar

mass rate steam yang diberikan, maka panas yang bisa dimanfaatkan oleh

penguraian ammonium carbamate akan semakin besar juga.

Langkah kedua penyelesaian permasalahan adalah menghitung jumlah CO2 yang masuk ke unit HP Stripper. Hal ini dilakukan karena tidak

adanya indikator flow pada aliran inlet gas CO2 yang masuk HP Stripper.

Perhitungan umpan CO2 menggunakan asumsi bahwa komposisi CO2 yang

masuk dari unit ammonia hanya terdiri dari CO2 dan H2 serta komposisi udara

(19)

Langkah ketiga adalah dengan membuat persamaan perpindahan massa CO2 sebagai fungsi fraksi mol CO2 pada aliran liquid. Dari data hasil

perhitungan didapatkan grafik berikut:

Grafik IV.2.2. Perpindahan Massa sebagai Fungsi Fraksi Mol Aliran Liquid Titik-titik tersebut kami dekati dengan trendline linier dan memberikan kesalahan yang kecil sehingga persamaan tersebut dapat kami gunakan untuk menghitung perpindahan massa gas CO2 dari fase liquid ke

fase gas.

Kami menggunakan laju perpindahan massa sebagai fungsi fraksi mol, karena perpindahan massa akan sebanding dengan banyaknya mol suatu komponen dalam sejumlah volume pelarut, banyaknya mol ini tentunya akan sebanding dengan fraksi mol komponen itu di dalam pelarut tersebut.

Berdasarkan grafik IV.2.2, dapat disimpulkan bahwa laju perpindahan massa akan sebanding dengan fraksi mol komponen (CO2) yang

ada di fase liquidnya.

Setelah mengetahui dua persamaan di atas, maka perhitungan neraca massa dan neraca panas unit HP Stripper baru bisa dilakukan. Dalam perhitungan neraca massa dan neraca panas ini kami menggunakan beberapa penyederhanaan masalah:

1. Temperatur outlet kolom HP Stripper diasumsikan sama dengan temperatur outlet pada desain.

(20)

Temperatur outlet kolom ini sebenarnya merupakan fungsi yang sangat kompleks, karena tergantung kepada rate inlet atas maupun bawah kolom, temperatur inlet, komposisi ammonium carbamate inlet atas kolom, mass

rate steam suplai, reaksi samping (hidrolisis urea dan pembentukan biuret)

serta transfer panas antar fase di dalam kolom. Untuk menyelesaikan persamaan temperatur outlet sebagai fungsi-fungsi yang disebut diatas tentu saja membutuhkan data-data, variabel-variabel serta persamaan yang tidak sedikit, oleh karena itu temperatur outlet unit HP Stripper diasumsikan sama dengan temperatur operasi yang disarankan.

2. Di dalam kolom HP Stripper hanya terjadi reaksi penguraian ammonium

carbamate, itupun reaksi di asumsikan sebagai reaksi irreversible.

Sebenarnya reaksi yang ada di dalam kolom HP Stripper sendiri adalah, reaksi penguraian ammonium carbamate, reaksi hidrolisis urea, dan reaksi pembentukan biuret. Dua reaksi yang disebutkan terakhir sangat berkaitan dengan point pertama, yaitu masalah temperatur. Dimana rate dua rekasi ini akan meningkat dengan meningkatnya temperatur pada bagian bawah kolom HP Stripper.

Kemudian rekasi penguraian ammonium carbamate yang sesungguhnya

reversible diasumsikan sebagai reaksi irreversible, dikarenakan kondisi

didalam kolom sendiri selalu dijaga agar tidak terjadi kesetimbangan. 3. CO2 sebagai limitting reactan, sehingga di dalam aliran bawah reaktor

tidak mengandung gas CO2 lagi, CO2 yang ada semuanya dalam bentuk

ammonium carbamate.

Proses pembentukan ammonium carbamate itu sendiri terjadi di dua unit, yaitu di unit HPCC dan unit reaktor, sehingga dengan NH3 yang berlebih

diharapkan semua CO2 yang masuk ke syntesis loop telah bereaksi semua

menjadi ammonium carbamate.

4. Laju perpindahan massa dihitung dari sisi CO2, sedangkan NH3 dianggap

(21)

Berdasarkan kesetimbangan reaksi penguraian ammonium karbamat, fraksi mol NH3 di fase liquid pasti lebih besar dari fraksi mol CO2 dan

bahwa dalam proses stripping digunakan gas CO2 (yang akhirnya

membuat tekanan parsial NH3 di fase gas akan jauh lebih kecil dari

tekanan parsial CO2) maka dapat diasumsikan bahwa rate perpindahan

massa NH3 ini akan sama dengan rate perpindahan massa CO2 itu sendiri.

Perhitungan neraca massa dan neraca panas sendiri mula-mula dibuat berdasarkan data-data operasi yang disarankan, kemudian dilakukan simulasi dengan variasi rate pabrik dan variasi tekanan steam. Simulasi ini dilakukan untuk mengetahui seberapa baik, dan seberapa efisien unit HP Stripper itu memisahkan gas yang terlarut dalam aliran liquid.

Tabel IV.1.1 Effisiensi HP Stripper dengan Variasi Rate Pabrik dengan P=21kg/cm2

Rate Pabrik Efisiensi (%)

100 83,32

110 77,27

120 73,27

130 70,46

(22)

Grafik IV.1.1 Efisiensi HP Stripper dengan Variasi Rate Pabrik dengan P=21kg/cm2

Simulasi dengan variasi rate pabrik pada tekanan steam operasi yang disarankan menghasilkan grafik IV.1.1. dilihat dari grafik, semakin meningkatnya rate pabrik, maka efisiensi dari HP Stripper juga akan semakin menurun.

Penurunan efisiensi ini disebabkan oleh semakin banyaknya jumlah NH3 yang harus di-strip ke fase gas. Rate pabrik yang meningkat otomatis

meningkatkan jumlah komponen yang terdapat dalam umpan. Dengan kata lain, semakin tinggi beban HP Stripper ini, maka efisiensi juga akan semakin menurun.

Tabel IV.2.1. Perbandingan Rate Pabrik dengan Banyaknya Umpan NH3

Rate Pabrik Umpan NH3 (kg)

100 62636,653 110 68900,318 120 75163,983 130 81427,648 145 90823,146

Tabel IV.1.2 Effisiensi HP Stripper Rate Pabrik 145 % dengan Variasi Tekanan Steam Tekanan Steam (kg/cm2) Efisiensi (%) 21 67,56428 24 71,28378 27 75,84243 30 81,46526 31 83,82128

(23)

Grafik IV.1.2 Efisiensi HP Stripper Rate Pabrik 145% dengan Variasi Tekanan Steam

Simulasi dengan variasi tekanan steam menghasilkan grafik IV.4. Dengan meningkatnya tekanan steam, maka jumlah steam juga akan naik. Jumlah steam yang semakin banyak menyebabkan penguraian ammonium

carbamate menjadi gas CO2 dan gas NH3 juga akan semakin meningkat.

Dapat pula dikatakan bahwa laju perpindahan massa komponen dari fase liquid ke fase gas semakin meningkat. Hal ini terjadi karena reaksi penguraian ammonium carbamat merupakan reaksi endotermis yang membutuhkan suplai panas, semakin banyak panas yang disuplai maka penguraian akan berlangsung dengan baik. Dimana fungsi steam sendiri adalah sebagai penyuplai panas tersebut. Sehingga tekanan steam yang semakin meningkat dapat meningkatkan efisiensi dari kerja HP Stripper.

Tabel IV.2.2. Perbandingan Tekanan Steam, Jumlah Steam, serta Mol yang Ter-Stripping P Steam (kg/cm2) Jumlah Steam (kg) Mol Terstripping (kmol) 21 62340,37 365,1499 24 80022,9057 504,0491

(24)

27 99740,039 655,7042

30 121460,773 819,3832 31 129141,451 876,4318

Dari uraian di atas untuk mendapatkan efisiensi diatas 80% dengan

rate pabrik 145%, dibutuhkan tekanan steam 30 kg/cm2. Akan tetapi unit 302

JT yang menyuplai kebutuhan steam di unit HP Stripper hanya mampu menyuplai hingga tekanan steam 25 kg/cm2.

Tabel IV.2.3. Perbandingan Tekanan Steam, Jumlah Steam, serta Efisiensi kerja HP Stripper

Rate Pabrik Tekanan Steam Jumlah Steam Efisiensi

100 20,2 57973,08 80,6 105 21,4 64579,26 81,2 110 22,2 69167,07 80,5 115 23,4 76322,56 80,9 120 24,2 81274,45 80,4 125 25 86370,83 79,8

Dari hasil perhitungan dengan tekanan steam 25 kg/cm2 jumlah

steam yang didapatkan sebesar 86370,83 kg/jam. Untuk mendapatkan

efisiensi yang sesuai dengan spesifikasi produk yang diharapkan maka rate maksimum yang dapat dicapai adalah rate pabrik 125%.

(25)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

1. Dengan kondisi temperatur dan komposisi yang sesuai desain, dibutuhkan

steam sebanyak 62340,37 kg kg/jam (tekanan 21 kg/cm2) untuk

men-striping 599,0119 kmol ammonium carbamat dengan efisiensi 83.32%. 2. Dengan kondisi desain, memungkinkan mendapatkan efisiensi sebesar

80% untuk rate 145%. Dengan kondisi : P Steam (kg/cm2) Massa Steam (kg) n stripping (kmol) CO2 (%wt) NH3 (%wt) O2 (%wt) N2 (%wt) Biuret (%wt) Urea (%wt) H2O (%wt) 30 121460,773 819,3832 9,51 7,36 0 0 0,1 57,06 25,88

3. Dari hasil perhitungan peningkatan tekanan steam akan meningkatkan efisiensi HP Stripper. Tekanan Steam (kg/cm2) Efisiensi (%) 21 67,56428 24 71,28378 27 75,84243 30 81,46526 31 83,82128 5.2. Saran

1. Jika menghendaki kenaikan rate pabrik tanpa mengubah spesifikasi peralatan sebaiknya pabrik dioperasikian pada rate 125%, karena unit 302 JT yang menyuplai kebutuhan steam di unit HP Stripper hanya mampu menyuplai hingga tekanan steam 25 kg/cm2. Kondisinya:

P Steam (kg/cm2) Massa Steam (kg) n stripping (kmol) CO2 (%wt) NH3 (%wt) O2 (%wt) N2 (%wt) Biuret (%wt) Urea (%wt) H2O (%wt) 25 86370,83 666,3336 10,4 8,03 0 0 0,17 55,99 25,39

(26)

2. Jika menghendaki efisiensi 80% dengan rate pabrik 145% tekanan steam yang dibutuhkan sebesar 30 kg/cm2, akan tetapi memerlukan safety yang lebih, karena tekanan tersebut sudah mendekati batas kemampuan HP Stripper dalam menerima tekanan.

(27)

DAFTAR PUSTAKA

1984, Final Job Specification for Kaltim-2 Ammonia-Urea Project, Volume 1, The M.W. Kellogg, Co., PT Pupuk Kalimantan Timur

1988, Petunjuk Operasi Urea Kaltim-2, PT Pupuk Kalimantan Timur

Departemen Operasi Kaltim-2, Hand Out Training Bagian Urea-2, PT Pupuk Kalimantan Timur

Smith, J.M., Vannes, H.C., 2001, Chemical Enginering Thermodynamic, 6th ed., Mc Graw Hill Book Co., New York

Perry, R.H., 2008, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 8th ed., Mc Graw Hill Book Co., New York

(28)

CONTOH PERHITUNGAN

Contoh perhitungan dibawah ini untuk variabel rate 100% CO2, basis 1 jam

operasi dan data- data yang sesuai dengan desain operasi adalah sebagai berikut : a. Aliran inlet atas HP Stripper

Fia : 211825 kg Wt % CO2 : 17,6 Wt % NH3 : 29,57 Wt % Biuret : 0,11 Wt % Urea : 35,14 Wt % H2O : 17,58 Tia : 183 °C

b. Aliran inlet bawah HP Stripper

Fib : 61237 kg Wt % CO2 : 95,8 Wt % O2 : 0,5 Wt % N2 : 3,2 Wt % H2O : 0,4 Tib : 120 °C c. Aliran Steam P Steam drum : 21 kg/cm2 d. Aliran outlet bawah HP Stripper

Tob : 165 °C

e. Aliran outlet atas HP Stripper

Toa : 187 °C

(29)

Membuat grafik mass rate steam vs tekanan steam drum berdasarkan data log

sheet tanggal 1 – 14 Februari 2011. Dari grafik di tarik trendline tipe power

(trendline ini paling sesuai dilihat dari eror yang ditunjukkan dari kecil). Dari grafik yang dibuat, diperoleh persamaan:

Maka,

msteam = 0,03*(21)1,87

msteam = 62340,37 kg

A.2. Mennghitung Jumlah CO2 yang Masuk ke Unit HP Stripper Asumsi:

1. Komposisi CO2 yang masuk dari unit ammonia hanya terdiri dari CO2

dan H2.

2. Komposisi udara terdiri dari 79% N2 dan 21% O2.

Perhitungan berikut sesuai dengan desain:

F1 (Fl-64) = 7,6 x 4000 Nm3, %volume CO2 98,54

F2 (FIC-9103) = 7,435 x 250 Nm3 A.2.1. Menghitung mol CO2 di F3

(A.2.1) A.2.2. Menghitung mol N2 di F3

(A.2.2)

(30)

A.2.3. Menghitung mol N2 di F3

(A.2.3) Komposisi mol di F3 Komponen kmol CO2 1336,493 H2O 19,80191 N2 65,51318 O2 17,4149

H2 bereaksi dengan O2 di H2 Converter menurut reaksi:

H2 + ½O2 H2O

Jadi komposisi F3 yang masuk stripper dapat dicari dengan persamaan: A.2.4 Menghitung berat CO2 masuk HP Stripper

(A.2.4)

A.2.5 Menghitung berat H2 masuk HP Stripper

(A.2.5) A.2.6 Menghitung berat O2 masuk HP Stripper

(A.2.6) A.2.7. Menghitung berat N2 masuk HP Stripper

(A.2.7) Jadi komposisi berat F3 yang masuk ke HP Stripper adalah :

Komponen Berat (kg) CO2 58805,7

H2O 356,4344

N2 1834,369

(31)

A.3. Menghitung Laju Perpindahan Massa CO2 sebagai Fungsi Fraksi Mol di Fase Liquid

Membuat grafik rate perpindahan massa CO2 (mol CO2 stripping) vs fraksi mol

CO2 di fase liquid. Fraksi berat inlet atas dan fraksi berat inlet bawah berdasarkan

data analisis harian laboratorium tanggal 1 – 14 Februari 2011.

A.3.1. Menghitung mol CO2 pada Fia

mia CO2 = Xia CO2*Fia (A.3.1) mia CO2 = 17,6*211825/100 mia CO2 = 37281 kg nia CO2 = mia CO2/BM CO2 (A.3.2) nia CO2 = 37281/44. nia CO2 = 847,11 kmol

A.3.2. Menghitung fraksi mol CO2 pada Fia

xia CO2 = nia CO2/nia total (A.3.3)

dari data desain, nia total = 7779,4 kmol

xia CO2 = 847,11/7779,4

xia CO2 = 0,1089

A.3.3. Menghitung mol CO2 pada Fob

mob CO2 = Xob CO2*Fob (A.3.4)

harga fraksi mol, mol total, mass rate diperoleh dari data desain.

mob CO2 = 10,22*130899/100

(32)

nob CO2 = mob CO2/BM CO2 (A.3.5)

nob CO2 = 13378/44

nob CO2 = 304

A.3.4. Menghitung fraksi mol CO2 pada Fob

xob CO2= nob CO2/nob total (A.3.6)

dari data desain,

nob total = 4004,12 kmol

xob CO2 = 304/4004,12

xob CO2 = 0,0759

A.3.5. Menghitung jumlah CO2 yang ter-strip ke atas kolom

nstrip = nia - nob (A.3.7)

nstrip = 847.11 – 304

nstrip = 543.11 kmol

Data-data hasil pengamatan pada analisis laboratorium pada tanggal 1 – 14 Februari 2011 yang lain dihitung dengan cara yang sama, kemudian di plot grafik nstrip vs xia.. Dari plot data data tersebut di dapatkan persamaan:

nstrip = 7306*xia-155 (A.3.8)

A.4. Membuat Neraca Massa Aliran Sistem

HP Stripper (302-C)

Fib Fia Fob Foa Fkonsumsi Fgenerasi Fstripping

xib nib xia nia xob nob xoa noa nkonsumsi ngenerasi nstripping

(33)

Laporan Tugas Khusus NH3 0 0 0,469 3684,509 - - - - O2 0,0067 9,568 0 0 - - - - N2 0,049 69,985 0 0 - - - - biuret 0 0 0,0003 2,262 - - - - Urea 0 0 0,158 1240,588 - - - - H2O 0,009 13,608 0,263 2068,824 - - - - Total 1 1426,457 1 7843,484 - - - - Dengan sistem steady-state, maka

Neraca massa total:

Fia + Fib + Fgenerasi = Fob + Foa + Fkonsumsi

Sementara neraca massa komponen:

xia*Fia + xib*Fib + ngenereasi = xob*Fob + xoa*Foa + nkonsumsi (A.4.1)

Dengan adanya proses stipping dan beberapa asumsi, maka Neraca massa komponen CO2 menjadi:

xoa*Foa = xia*Fia + nstrip – xob*Fob (fase gas) (A.4.2)

xob*Fob = xia*Fia - nstrip (fase liquid) (A.4.3)

Neraca massa komponen NH3 menjadi:

xoa*Foa = xia*Fia + (2 x nstrip) – mol NH3 yang terurai (fase gas) (A.4.4)

xob*Fob = xia*Fia – (2 x nstrip) – mol NH3 sisa yang terurai (fase liquid)(A.4.5)

dimana :

n generasi = Rate mol banyaknya CO2 dan NH3 yang

terbentuk akibat penguraian ammonium carbamate

n konsumsi = Rate mol banyaknya ammonium carbamate yang terurai menjadi CO2 dan NH3

n stripping = Rate perpindahan massa komponen dari fase liquid ke fase gas

(34)

Karena sistem steady-state maka tidak ada akumulasi, maka:

Qmasuk sistem = Qkeluar sistem + Qreaksi

dimana,

Qmasuk sitem = QFia + QFib + Qsteam

Qkeluar sistem = QFob + QFoa

Sehingga persamaan menjadi:

QFia + QFib + Qsteam = QFob + QFoa + Qreaksi

atau,

Qreaksi = (QFia + QFib + Qsteam) – (QFob + QFoa) (A.5.1)

A.5.1. Menghitung Qmasuk sistem A.5.1.1. Menghitung Qfia

Harga QFia ini dapat dihitung dari panas sensible-nya dengan Treff

25°C

Inlet Atas HP Stripper (302-C)

Komp xia nia A B C D Q CO2 0,108 847,3 5,457 1,05E-03 0 -115700 790,223 1330408 NH3 0,469 3684,509 3,578 3,02E-03 0 -1,86E+04 723,5867 5297464 O2 0 0 0 0 N2 0 0 0 0 biuret 0,0003 2,262 0 0 Urea 0,158 1240,588 41,4 102053 H2O 0,263 2068,824 3,47 1,45E-03 0 12100 648,6996 2666644 Total 1 7843,484 2203,91 9396570

Harga Cp komponen ini dihitung dengan persamaan:

∫Cp/R ∆T = ATreff(Φ – 1)+(B/2)Treff2(Φ2 – 1)+(C/3)Treff33(Φ3 – 1)+(D/Treff)*((Φ-1)/Φ)

dengan, Φ = Tia/Treff

(35)

QFia = nia*R*∫Cp/R ∆T (A.5.2)

dengan

R = 1.987 kcal/kmol K

Dengan demikian didapat harga QFia = 9396570 kcal

A.5.1.2. Menghitung QFib

Dengan cara yang sama dengan menghitung QFia , sehingga didapat:

Inlet Bawah HP Stripper (302-C)

Komp xib nib A B C D Q CO2 0,93 1333,295 5,457 1,05E-03 0 -115700 459,0256 1216077 NH3 0 0 0 0 O2 0,0067 9,568 3,639 5,06E-04 0 -22700 343,8995 6538,272 N2 0,049 69,985 3,28 5,93E-04 0 4000 334,3084 46489,06 biuret 0 0 0 0 Urea 0 0 0 0 H2O 0,009 13,608 3,47 1,45E-03 0 12100 387,0578 10465,86 Total 1 1426,457 1524,291 1279571

Dengan demikian didapat harga QFib = 1279571 kcal

A.5.1.3. Menghitung Qsteam

Qsteam dihitung dengan persamaan:

Qsteam = msteam*λ (A.5.3)

Dimana msteam didapat dari (A.1.1)

Sedangkan λ dicari dengan persamaan:

λ = ∆Hv – ∆Hl (A.5.4)

harga ∆Hv dan ∆Hl diperoleh dari hasil interpolasi pada steam table, untuk

saturated steam pada P = 21 kg/cm2, harga λ = 1883,643 kJ/kg

sehingga,

(36)

Qsteam = 28046957 kcal

A.5.2. Menghitung Qkeluar sistem

Untuk menghitung Qkeluar sistem, kita harus mengetahui komposisi komponen yang

ada di aliran keluar (baik Foa maupunFob).

Untuk mencari komposisi Foa dan Fob, kita men-trial harga nkonsumsi CO2 pada

neraca massa.

Trial 1, nkonsumsi T1 = 800 kmol

Sementara

xkonsumsi = nkonsumsi/niatot (A.5.5)

maka,

xkonsumsi T1 = 800/7779.35

xkonsumsi T1 = 0.101995

Dengan persamaan (A.3.8), didapat

nstrip T1 = 590,1731 kmol

Dengan adanya nstrip ini kemudian neraca massa aliran keluar kolom bisa ditulis:

Outlet Bawah HP Stripper (302-C)

Komp xob nob A B C D Q CO2 0,0643 248,2881 5,457 0,00105 0 -115700 693,9762 1216077 NH3 0,1285 496,5763 3,578 3,02E-03 0 -18600 636,56 0 O2 0 0 0 6538,272 N2 0 0 0 46489,06 biuret 0,0006 2,2622 0 0 Urea 0,3211 1240,588 40,2 0 H2O 0,4855 1875,55 3,47 0,00145 0 12100 573,4825 10465,86 Total 1 3863,265 1944,219 1279571

Outlet Atas HP Stripper (302-C)

Komp xoa noa A B C D Q CO2 0,3574 1932,307 5,457 0,00105 0 -115700 811,7686 3102534 NH3 0,5896 3187,933 3,578 0,00302 0 -18600 743,0766 4680878 O2 0,0018 9,568274 3,639 5,06E-04 0 -22700 593,7587 11288,64 N2 0,0129 69,9851 3,28 5,93E-04 0 4000 572,4962 79611,53 biuret 0 0 0 0

(37)

Urea 0 0 0 0

H2O 0,0383 206,8824 3,47 0,00145 0 12100 665,4668 273557

Total 1 5406,676 3386,567 8147869

Dengan ini didapat harga

QFob = 1279571 kcal

QFoa = 8147869 kcal

Dari persamaan (A.5.1), didapat harga

Qreaksi = 27333939 kcal

A.6. Menghitung Banyaknya Ammonium Carbamate yang Terurai

Ammonium carbamate yang terurai ini dapat dihitung dengan:

nkonsumsi = Qreaksi/∆Hreaksi (A.6.1)

Dimana

∆Hreaksi = 33760 kcal/kmol

Maka

nkonsumsi C1= 809,6546 kmol

dengan (A.5.5) dan (A.3.8) di dapat

nstrip C1 = 5991721 kmol

padahal saat trial,

nkonsumsi T1 = 800 kmol

Dari sini hasil perhitungan berbeda dengan nilai trial kita diawal, sehingga trial harus di ulang kembali dan langkah perhitungan di ulang agar nilai trial

mendekati atau sama persis dengan hasil perhitungan.

Setelah beberapa kali Trial, didapatkan

(38)

Sehingga neraca massanya dapat ditulis kembali:

HP Stripper (302-C)

CO2 0,9347 1333,295 0,959 0,1080 847,3 0,176 0,0643 248,2881 0,0855 0,3574 1932,307 0,5855 NH3 0 0 0 0,4697 3684,509 0,2957 0,1285 496,5763 0,0661 0,5896 3187,933 0,3732 O2 0,0067 9,5683 0,005 0 0 0 0 0 0 0,0018 9,568274 0,0021 N2 0,0491 69,9851 0,03203 0 0 0 0 0 0 0,0129 69,9851 0,0135 biuret 0 0 0 0,0003 2,2622 0,0011 0,0006 2,2622 0,0018 0 0 0 Urea 0 0 0 0,1582 1240,588 0,3514 0,3211 1240,588 0,5825 0 0 0 H2O 0,0095 13,6082 0,004 0,2637 2068,824 0,1758 0,4855 1875,55 0,2642 0,0383 206,8824 0,0256 Total 1 1426,457 1 1 7843,484 1 1 3863,265 1 1 5406,676 1

(39)

A.7. Menghitung Efisiensi HP Stripper

Efisiensi HP Stripper dihitung dengan persamaan:

(A.7.1) Maka effisiensi pada contoh penyelesaian ini adalah:

Efisiensi = 83.32%

A.8. Melakukan Simulasi dengan Varibel rate Fia

Langkah penyelesaian sama persis dengan contoh perhitungan di atas A.9. Melakukan Simulasi dengan Variabel Tekanan Steam Langkah penyelesaian sama persis dengan contoh perhitungan di atas

(40)

ALGORITMA PERHITUNGAN

nkonsumsi hitung = nkonsumsi trial

Mencari komposisi Foa dan Fob:

Trial nkonsumsi,

nkonsumsi= Rate mol banyaknya

ammonium carbamate yang terurai

menjadi CO2 dan NH3

xkonsumsi = nkonsumsi /nia total

Menghitung efisiensi HP Stripper

Melakukan simulasi dengan variasi rate pabrik dan tekanan steam

Menghitung Q masuk sistem