BAB V
BAB V
TUGAS KHUSUS
TUGAS KHUSUS
V.1. Latar Belakang V.1. Latar BelakangProses Ammonia terjadi di ammonia converter menggunakan gas sintesa Proses Ammonia terjadi di ammonia converter menggunakan gas sintesa berupa
berupa campuran campuran gas gas N2 N2 dan dan H2 H2 sebagai sebagai umpan. umpan. Proses Proses ini ini termasuk termasuk dalamdalam bagian
bagian synthesis synthesis loop loop (syn-loop) (syn-loop) yang yang didalamnya didalamnya termasuk termasuk proses proses pemisahanpemisahan ammonia dan pengeluaran gas inert yang dilanjutkan dengan pemurnian produk ammonia dan pengeluaran gas inert yang dilanjutkan dengan pemurnian produk dengan
dengan refrigerasirefrigerasi. Ammonia converter merupakan alat utama dalam industri. Ammonia converter merupakan alat utama dalam industri ammonia, oleh karena itu unjuk kerja ammonia converter perlu selalu dijaga dan ammonia, oleh karena itu unjuk kerja ammonia converter perlu selalu dijaga dan dievaluasi agar kestabilan proses dapat dijaga.
dievaluasi agar kestabilan proses dapat dijaga.
Ammonia converter pada pabrik ammonia mempunyai peranan yang Ammonia converter pada pabrik ammonia mempunyai peranan yang sangat penting pada proses pembuatan ammonia. Oleh karena itu ammonia sangat penting pada proses pembuatan ammonia. Oleh karena itu ammonia converter diusahakan untuk beroperasi pada kondisi optimal untuk menjaga converter diusahakan untuk beroperasi pada kondisi optimal untuk menjaga performance
performance secara secara keseluruhan. keseluruhan. Reaksi Reaksi di di ammonia ammonia converter converter adalah adalah reaksireaksi katalik fasa gas dan bersifat eksotermis. Kondisi yang diharapkan adalah katalik fasa gas dan bersifat eksotermis. Kondisi yang diharapkan adalah membuat konsentrasi NH
membuat konsentrasi NH33 keluar ammonia converter sebesar mungkin, akankeluar ammonia converter sebesar mungkin, akan
tetapi ada beberapa faktor yang mempengaruhi reaksi salah satunya adalah suhu tetapi ada beberapa faktor yang mempengaruhi reaksi salah satunya adalah suhu pada
pada reaksi reaksi katalik, katalik, suhu suhu akan akan berpengaruh berpengaruh pada pada kecepatan kecepatan reaksi reaksi dan dan jugajuga kecepatan deaktivasi katalis. Oleh karena itu problem operasi yang penting adalah kecepatan deaktivasi katalis. Oleh karena itu problem operasi yang penting adalah bagaimana
bagaimana menjalankan menjalankan reaktor reaktor supaya supaya mendapatkan mendapatkan hasil hasil atau atau produk produk sesuaisesuai dengan yang diinginkan dengan kondisi yang diharapkan masih tercapai.
dengan yang diinginkan dengan kondisi yang diharapkan masih tercapai.
Dalam tugas khusus ini, ruang lingkup permasalahan dibatasi pada Dalam tugas khusus ini, ruang lingkup permasalahan dibatasi pada ammonia converter, yaitu perhitungan neraca panas pada ammonia converter. ammonia converter, yaitu perhitungan neraca panas pada ammonia converter.
V.2. Landasan Teori V.2. Landasan Teori
A. Reaktor Fixed Bed A. Reaktor Fixed Bed
1. Pengertian reaktor fixed bed 1. Pengertian reaktor fixed bed
Reaksi katalik dengan katalisator padat dan zat pereaksi berupa gas Reaksi katalik dengan katalisator padat dan zat pereaksi berupa gas dapat dilakukan dalam sebuah Reaktor Fixed Bed. Reaktor Fixed Bed dapat dilakukan dalam sebuah Reaktor Fixed Bed. Reaktor Fixed Bed menurut bentuknya dapat dibagi menjadi :
a. Isi katalisator satu lapis
Pada reaktor ini terdapat penyangga katalisator dengan menggunakan alumina (bersifat inert terhadap zat pereaksi) dan pada dasar reaktor disusun dari butir yang besar makin keatas makin kecil, tetapi pada bagian atas katalisator disusun dari butir kecil makin keatas makin besar.
b. Multi Bed
Katalisator diisi lebih dari katalisator fixed bed dengan katalisator lebih dari satu tumpuk banyak dipakai pada proses adiabatic. Jika reaksi sangat eksotermis pada konversi yang masih kecil suhu gas sudah naik sampai lebih tinggi dari pada suhu maksimum yang diperoleh untuk katalisator, maka gas harus didinginkan dulu dengan dialirkan kedalam alat penukar panas diluar reaktor untuk didinginkan dan selanjutnya dikembalikan ke raktor lagi mengalir melalui tumpukan katalisator kedua. Jika konversi gas waktu keluar dari tumpukan katalisator kedua belum mencapai yang direncanakan tetapi suhu gas sudah lebih tinggi dari suhu gas yang diperbolehkan, maka dilakukan pendinginan lagi dengan mengalirkan gas kedalam alat penukar panas kedua dan selanjutnya gas yang dikembalikan ketumpukan katalisator yang ketiga. Hal ini diulang – ulang sampai
konversi yang diinginkan.
c. Reaktor yang terdiri atas banyak pipa kecil
Untuk Menghindari adanya perbedaan suhu sepanjang jari – jari
reaktor sebagainya dipakai reaktor yang berbentuk pipa – pipa kecil
diisi dengan katalisator yang sedang medium pemanas atau pendinginannya dialirkan didalam shell
2. Proses adiabatic pada reactor fixed bed
Reaktor tersebut secara adiabatic, jika tidak ada perpindahan panas antar reaktor dan lingkungan sekelilingnya. Untuk reaksi yang eksotermis dijalankan dengan proses adiabatic maka suhu didalam akan naik dan kadang – kadang kenaikan suhu yang tidak dikehendaki dengan alasan :
1. Akan menurunkan kondisi kesetimbangan, 2. Menurunkan selektivitas,
3. Menurunkan aktivitas atau merusak katalisator, 4. Pengoperasiannya menjadi berbahaya
Sebaliknya jika reaksi yang terjadi eksotermis penurunan suhu yang drastis dapat menyebabkan reaksi berhenti. Kesulitan yang terjadi pada reaksi eksotermis dan endotermis dapat dicegah dengan menggunakan beberapa lapis tumpukan katalisator dengan memanaskan gas diantara dua lapis katalisator pada reaksi endotermis dan mendinginkan gas antara dua lapis katalisator pada reaksi eksotermis.
( Sri Warnijati Agra, 1985)
B. Ammonia Converter
Di PT. PUPUK KUJANG, converter yang digunakan untuk melangsungkan reaksi pembentukan ammonia adalah Kellog Ammonia Converter dengan tipe Quenching Vertikal ( multibed converter ) yang terdiri dari empat bed katalis. Dengan menggunakan katalis besi ( Fe ).
Proses yang paling utama pada pabrik ammonia adalah sintesa gas nitrogen ( N2) dan Hidrogen ( H2 ) yang terjadi di ammonia converter.
N2 + 3 NH2 2 NH3
Reaksi pembentukan ammonia diatas bersifat eksotermis, maka pada tempat terjadinya reaksi harus dijaga suhunya agar sesuai dengan suhu reaksi. Pengendalian suhu ini biasa dilakukan dengan system quenching atau pendinginan diruang antar bed, maka dari itu ammonia converter terdiri dari
empat bed.
Pendinginan suhu diberikan efek sebaliknya terhadap kesetimbangan, tetapi mempunyai efek positif meningkatkan laju reaksi. Efek negatif terhadap kesetimbangan beserta efek positif yang cukup berarti terhadap laju merupakan hal yang biasa pada berbagai reaksi, sehingga perlu dicari kesetimbangan antara berbagai kondisi itu agar dapat menghasilkan keuntungan yang optimum. ( Austin, G.T, 1996 )
Perubahan suhu mempunyai efek terhadap kesetimbangan dan laju reaksi. Reaksi sintesa ammonia adalah eksotermis, kenaikan suhu yang masih jauh dari kesetimbangan akan mempercepat reaksi. Maksudnya, kodisi yang jauh dari kesetimbangan, dengan kenaikan suhu akan meningkatkan konversi.
Tetapi sebaliknya kenaikan suhu yang dekat dengan kesetimbangan akan menurunkan konversi. Artinya suhu maksimum pada saat reaktan terkonversi menjadi produk ( reaksi akan berjalan kekanan ). Dan apabila suhu tersebut telah melebihi dari suhu maksimum konversi produk akan turun yaitu produk terkonversi menjadi reaktan ( reaksi berjalan kekiri ).
Kesetimbangan pada reaksi ammonia converter akan meningkat dengan kenaikan suhu, pada saat yang sama kenaikan suhu akan meningkatkan laju reaksi, sehingga konversi akan naik.
Untuk mendapatkan kondisi yang optimum maka perlu dicari suhu dan tekanan yang optimum pada ammonia convertet. Rancangan Pullman – Kellog
didapat tekanan 140,6 – 147,6 Kg/cm2 dan temperatur proses 454 – 482 0C.
C. Kinetika dan Mekanisme Reaksi
Reaksi yang terjadi di ammonia coverter :
N2 + 3H2 2NH3 -∆H = 26600 Kcal/Kmol
D. Cara kerja ammonia converter ( 105-D )
Aliran masuk dari bagian bawah ammonia converter, kemudian melalui annulus naik ke atas sambil menyerap panas yang berasal dari reaksi pembentukkan ammonia yang sedang terjadi. Gas tersebut sampai shell penukar panas yang berbeda dipuncak ammonia converter dan kembali menyerap panas dari gas keluar hasil sintesa. Gas tersebut keluar dari penukar panas dan turun menuju bed I,II,III,IV. Pada bed yang berkatalis promoted iron ini, gas H2 dan N2 yang berada dalam gas masuk akan bereaksi menghasilkan
ammonia. Reaksi eksotermis yang terjadi akan menghasilkan panas yang akan menurunkan pembentukkan ammonia, sehingga suhu dari tiap bed dijaga dengan jalan dihembuskan dengan gas umpan yang bersuhu relativ dingin. Keluar dari bed IV, gas sintesa akan menuju ke atas dan menukarkan panasnya pada aliran gas yang akan masuk bed I melalui penukar panas yang telah
disebutkan diatas. Kemudian gas sintesa keluar dari bagian atas ammonia converter.
Spesifikasi Ammonia Converter ( 105-D )
Tipe : Quenching Vertikal ( multibed converter ) Fungsi : Mensintesa gas ammonia
Posisi : Vertikal
Ukuran : - Diameter : 3188 mm - Panjang total : 13716 mm - Tebal Shell : 166 mm - Tebal Head ; 188 mm - Tipe Head : Ellips 2:1 Temperatur : - Design : 315.60C - Operasi : 283.00C - Design : 283.00C Tekanan : - Design : 153.6 Kg/cm2 - Operasi : 146.2 Kg/cm2 V.3. Metode Perhitungan
Data – data yang digunakan untuk menghitung evaluasi kerja ammonia
converetr diperoleh dari beberapa macam data, yaitu : A. Data Primer
Yaitu data yang diperoleh berdasarkan pengamatan langsung di pabrik. Data – data tersebut antara lain :
Data komposisi umpan masuk pada ammonia converter
Data laju alir yang keluar dari high pressure case (flow rate(FR – 150).
Dari data pengamatan dipabrik diperoleh FR – 15 = 31500.32 kmol/jam Data laju alir quench feed tiap bed (Motor indicator controler (MIC) –
13,14,15,16)
Suhu masuk bed 1 dan keluar bed 4 pada ammonia converter. Dari data pengamatan dipabrik diperoleh, suhu masuk bed 1 = 318 0C, dan suhu
B. Data Sekunder
Yaitu data yang diperoleh dari literature. Data tersebut adalah :
Berat molekul tiap komponen (N2,H2,NH3,CH4, dan Ar)
N2 = 28.013
H2 = 2.016
NH3 = 17.031
CH4 = 16.043
Ar = 39.948
V.4. Perhitungan Neraca Massa
Komposisi gas – gas masuk dan keluar ammonia converter dicari dengan
menghitung banyaknya massa disetiap aliran yang akan masuk menjadi umpan di ammonia converter . Untuk data – data perhitungan didapat dari log sheet yang
diambil dari control room (ruang pengendali). A. Perhitungan Flow Rate (FR-15)
Untuk menghitung laju alir massa, terlebih dahulu menghitung laju alir yang keluar dari High Preasure Case yang dinyatakan dengan FR-15.
FR-15 = R X 90000 X
√
Dimana :
PI-26 = Tekanan yang didapat dari data lapangan (log sheet) (Kg/cm2) THI-37 = Suhu yang didapat dari lapangan (log sheet)(0C)
B. Perhitungan Flow Input Ammonia Converter
Besarnya flow input ammonia converter adalah selisih antara banyaknya Flow Rate (Fr-15) dengan banyaknya produk NH3.
C. Perhitungan Flow Aliran Quenching
Untuk menghitung banyaknya quenching, yaitu dengan mengalikan persen bukaan valve di masing – masing quenching dengan flow maksimum masing –
masing quenching.
Besarnya flow main feed yang merupakan umpan dari ammonia converter adalah selisih antara flow input ammonia converter dengan banyaknya jumlah quenching dari MIC-13 sampai MIC-16.
V.4. Hasil Pengamatan dan Pembahasan V.5. Kesimpulan, saran dan kesan
