i
ANALISIS SUSTAINABILITY UNTUK PROSES
PEMBUATAN AMONIA
Laporan Penelitian
Disusun untuk memenuhi tugas akhir guna mendapat gelar sarjana di bidang ilmu Teknik Kimia
Oleh:
Samuel Andrean Yahya (2013620055)
Pembimbing:
Ir. Yudi Samyudia, Ph.D.
JURUSAN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
UNIVERSITAS KATOLIK PARAHYANGAN
BANDUNG
2017
ii
LEMBAR PENGESAHAN
JUDUL : ANALISIS SUSTAINABILITY UNTUK PROSES PEMBUATAN AMONIA CATATAN:
Telah diperiksa dan disetujui, Bandung, Juli 2017 Pembimbing
iii
SURAT PERNYATAAN
Saya, yang bertanda tangan di bawah ini, Nama : Samuel Andrean Yahya NPM : 2013620055
Dengan ini menyatakan bahwa laporan penelitian dengan judul:
ANALISIS SUSTAINABILITY UNTUK PROSES PEMBUATAN AMONIA
adalah hasil pekerjaan saya dan seluruh ide, pendapat, materi atau sumber lain telah dikutip dengan cara penulisan referensi yang sesuai.
Pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya dan jika tidak sesuai dengan pernyataan maka saya bersedia menanggung sanksi sesuai dengan peraturan yang berlaku.
Bandung, Juli 2017
Samuel Andrean Yahya
_______________________
iv
LEMBAR REVISI
JUDUL : ANALISIS SUSTAINABILITY UNTUK PROSES PEMBUATAN AMONIA CATATAN:
Telah diperiksa dan disetujui, Bandung, Juli 2017
Penguji 1 Penguji 2
v
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan anugerah-Nya penulis dapat menyelesaikan laporan penelitian ini dengan baik dan tepat waktu.
Laporan penelitian yang berjudul “Analisis Sustainability untuk Proses Pembuatan Amonia” dibuat demi memenuhi tugas akhir guna mendapat gelar sarjana. Penulis sangat berterima kasih kepada berbagai pihak yang telah memberikan dukungan dan masukan selama proses pembuatan laporan penelitian ini. Oleh karena itu penulis hendak mengucapkan terima kasih kepada :
1. Ir. Yudi Samyudia, Ph.D., selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktu memberikan bimbingan, pengetahuan, dan masukan selama proses penyusunan laporan penelitian ini di tengah kesibukan Beliau.
2. Orang tua dan keluarga yang selalu memberikan dukungan dan doa dalam penyusunan laporan penelitian ini.
3. Teman-teman seperjuangan yang telah mendukung dan memberi semangat selama penyusunan laporan penelitian ini.
4. Semua pihak yang tidak bisa disebutkan satu persatu, yang telah memberi dukungan sehingga penyelesaian laporan penelitian tepat waktu.
Penulis sangat menyadari bahwa laporan penelitian ini jauh dari sempurna dan memiliki banyak kekurangan. Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun untuk perbaikan dan pengembangan penelitian ini. Akhir kata, semoga laporan penelitian ini dapat memberikan manfaat bagi setiap pembaca.
Bandung, Juli 2017
vi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ...i
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
SURAT PERNYATAAN ... iii
LEMBAR REVISI ...iv
KATA PENGANTAR ... v
DAFTAR ISI ...vi
DAFTAR TABEL ...ix
DAFTAR GAMBAR ... x
INTISARI ...xi
ABSTRACT ... xii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tema Sentral Masalah ... 2
1.3 Identifikasi Masalah ... 2
1.4 Tujuan Penelitian... 2
1.5 Manfaat Penelitian... 3
1.6 Struktur Laporan Penelitian ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1 Tinjauan Umum Sustainability... 4
2.2 Sustainability di Industri Kimia ... 5
2.3 Perancangan Proses Berdasarkan Sustainability ... 7
2.4 Analisis Sustainability dalam Industri Kimia... 10
2.4.1 Triple Bottom Line ... 10
2.4.2 Indikator Dasar Sustainability ... 11
2.4.3 Life Cycle Assessment ... 13
2.5 Strategi Memperbaiki Proses berdasarkan Sustainability ... 15
2.6 Industri Amonia... 16
2.6.1 Desulfurisasi Gas Alam ... 18
vii 2.6.3 Secondary Reformer ... 19 2.6.4 Shift Conversion ... 19 2.6.5 Penghilangan CO2 ... 20 2.4.6 Metanasi ... 20 2.4.7 Sintesis Amonia ... 20
2.4.8 Sustainability dalam Industri Amonia ... 21
BAB III METODE PENELITIAN ... 22
3.1 Prosedur Penelitan ... 22
3.1.1 Pemilihan Proses Kimia ... 23
3.1.2 Simulasi dan Ekstraksi Data ... 24
3.1.2.1 Desulfurisasi ... 25
3.1.2.2 Primary Reforming dan Secondary Reforming ... 26
3.1.2.3 Shift Conversion ... 27
3.1.2.4 Penghilangan CO2 ... 28
3.1.2.5 Metanasi ... 28
3.1.2.6 Sintesis Amonia ... 29
3.1.3 Analisis Indikator Sustainability ... 30
3.1.4 Strategi Perbaikan Proses ... 31
3.2 Rencana Kerja Penelitian ... 31
BAB IV ANALISIS SUSTAINABILITY DALAM PEMBUATAN AMONIA ... 32
4.1 Analisis Menggunakan Indikator Sustainability ... 32
4.1.1 Intensitas Bahan ... 33
4.1.2 Intensitas Energi ... 33
4.1.3 Konsumsi Air ... 34
4.1.4 Jumlah Zat Toksik ... 34
4.1.5 Jumlah Polutan ... 35
4.2 Hasil Analisis Menggunakan Indikator Sustainability ... 36
4.3 Pengurangan Intensitas Bahan dan Jumlah Polutan ... 38
BAB V PERBAIKAN DALAM PROSES PEMBUATAN AMONIA ... 39
5.1 Strategi Mengefisienkan Kebutuhan Energi ... 41
5.2 Analisis Pinch ... 43
5.3 Integrasi Panas... 45
viii
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ... 48
6.1 Kesimpulan... 48
6.2 Saran ... 48
DAFTAR PUSTAKA ... 53
LAMPIRAN A ... 56
ix
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kriteria Sustainability dalam Perancangan Proses... 8
Tabel 2.2 Sifat Fisik Amonia ... 17
Tabel 3.1 Rencana Kerja Penelitian ... 31
Tabel 4.1Analisis Intensitas Energi pada Proses Pembuatan Amonia ... 33
Tabel 4.2 Analisis Konsumsi Air pada Proses Pembuatan Amonia ... 34
Tabel 4.3 Analisis Jumlah Polutan pada Proses Pembuatan Amonia ... 35
Tabel 4.4 Jumlah Nilai Metric pada Indikator Sustainability ... 36
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram Proses dalam Industri Kimia ... 6
Gambar 2.2 Triple Bottom Line dalam Sustainability ... 11
Gambar 2.3 Daur Hidup Produk Menurut LCA... 14
Gambar 2.4 Diagram Produksi Amonia ... 18
Gambar 2.5 Diagram Alir Proses Industri Amonia ... 21
Gambar 3.1 Ruang Lingkup Penelitian ... 22
Gambar 3.2 Prosedur Penelitian ... 23
Gambar 3.3 Diagram Proses Pembuatan Amonia di ASPEN Plus 8.8 ... 25
Gambar 3.4 Unit Desulfurisasi ... 25
Gambar 3.5 Unit Reformer ... 26
Gambar 3.6 Unit Shift Conversion... 27
Gambar 3.7 Unit Penghilangan CO2 ... 28
Gambar 3.8 Unit Metanasi ... 29
Gambar 3.9 Unit Sintesis AMonia ... 30
Gambar 5.1 Kurva Komposit Panas ... 42
Gambar 5.2 Kurva Komposit Dingin ... 42
Gambar 5.3 Kurva Komposit Keseluruhan ... 43
xi
INTISARI
Saat ini, industri kimia terus mengalami perkembangan dan kemajuan pesat secara global, dan semakin banyak industri melakukan perumusan sustainability dalam industri kimia. Sustainability dapat didefinisikan sebagai suatu keadaan ketika proses industri yang dilangsungkan dapat memenuhi aspek lingkungan, sosial, dan ekonomi sehingga proses yang dilangsungkan menjadi lebih efisien, ramah lingkungan, dan produknya dapat dimanfaatkan semua orang secara berkelanjutan.
Salah satu industri yang mengalami kemajuan secara global adalah amonia, yang banyak dimanfaatkan sebagai pupuk, gas refrigeran, bahan plastik, bahan peledak, dan lain-lain. Ada banyak masalah terjadi dalam proses industri amonia, misalnya banyaknya reaksi kesetimbangan yang menyebabkan yield amonia sedikit proses berlangsung lambat, kebutuhan energi dan biaya investasi yang besar, serta adanya emisi polutan dihasilkan. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian analisis sustainability dalam proses pembuatan amonia, untuk mengetahui apakah proses produksi amonia telah memenuhi prinsip sustainability atau belum sehingga dapat dilakukan perbaikan proses yang memenuhi sustainability.
Penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahap. Pertama-tama, dilakukan pemilihan proses kimia dan spesifikasi bahan baku dan kondisi operasi proses. Kemudian dilakukan simulasi menggunakan contoh dari ASPEN Plus sehingga didapatkan data intensitas bahan, energi, dan jumlah emisi limbah dari proses tersebut secara lengkap. Hasil simulasi dianalisis menggunakan 5 indikator
sustainability, Setelah semua proses dianalisis, dapat dibuat strategi perbaikan
proses supaya proses produksi amonia tersebut memenuhi prinsip sustainability. Setelah dianalisis menggunakan kelima indikator sustainability, proses pembuatan amonia memiliki nilai intensitas energi yang besar, dan jumlah polutan dan intensitas bahan yang cukup besar. Hal ini menunjukkan proses pembuatan amonia belum memenuhi aspek lingkungan dan aspek ekonomi, sehingga perlu dilakukan strategi perbaikan proses pengurangan energi untuk memenuhi prinsip
sustainability.
Integrasi panas menggunakan analisis pinch dapat menjadi solusi untuk mengurangi intensitas energi. Analisis pinch terdiri dari beberapa tahap: ekstraksi data termal, pembuatan kurva komposit, dan desain integrasi panas menggunakan diagram grid. Berdasarkan analisis pinch, % penghematan energi yang dapat dilakukan sebesar 84,27 %. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa integrasi panas merupakan langkah perbaikan proses yang baik supaya proses pembuatan amonia dapat memenuhi sustainability dan eco-efficiency.
Kata kunci: sustainability, amonia, produksi.
Bandung, Juli 2017 Penulis
xii
ABSTRACT
Nowadays, many chemical industries have developed and grown fast throughout the world. More industries apply sustainability concepts in their production process. Sustainability can be defined as a condition when production process done has met the environment, social, and economic aspects, to make the process more efficient, environmental friendly, eco-efficient, and can be used sustainably.
One of the well-known fast growth industry is ammonia industry, that has many purposes as a fertilizer, refrigerant, plastic material, explosive material, etc. There are so many problems happened in ammonia industry, such as equilibrium reactions, low ammonia yield, slow reaction, high energy usage and capital cost, and polutant emissions. Therefore, sustainability analysis is needed to be performed to analyze whether ammonia production has met sustainability principles or not. By doing this, improvement strategies can be made to fulfill the sustainability principles.
This research is carried out in several steps. First, the chemical process, raw material specification, and base case condition is defined. Then, the process is simulated from the example in ASPEN Plus to get result about material intensity, energy usage, and waste generated from the process. This result is analyzed using 5 sustainability metrics. Finally, improvement strategy is made so to make ammonia production sustainable.
By analysis using sustainability metrics, it can be concluded that energy intensity has highest metric, and material intensity and pollutant emission is high enough. This proves that ammonia production hasn’t met the environmental aspect and economic aspect yet. Therefore, since energy intensity is the biggest, process improvement to reduce the usage of energy is needed to fulfill the principles of sustainability and eco-efficiency.
Heat integration can be the solution to reduce and save energy. Heat integration is done by applying pinch analysis, which consists of several steps: thermal data extraction, composite curve, and heat exchanger network using grid diagram. Bases on pinch analysis performed, % energy saving achieved from the design is 84,27%. As a conclusion, pinch analysis has become the good and effective process improvement so that ammonia production can achieve sustainability and eco-efficiency principles.
Keywords : sustainability, ammonia, production.
Bandung, July 2017 Author
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Saat ini, industri kimia terus mengalami perkembangan secara global akibat jumlah populasi manusia yang semakin meningkat dan tuntutan kebutuhan masyarakat terhadap produk-produk pendukung kehidupan yang semakin tinggi. Pertumbuhan industri kimia yang pesat seringkali menimbulkan dampak buruk terhadap lingkungan akibat emisi limbah dan polutan yang dikeluarkan saat proses produksi. Hal tersebut mendorong banyak industri melakukan perumusan sustainability dalam industri kimia. Sustainability dapat didefinisikan sebagai suatu keadaan ketika proses industri yang terjadi dapat mengalami terpenuhinya aspek lingkungan, sosial, dan ekonomi. Dengan menjalankan proses industri yang berdasarkan prinsip
sustainability, proses yang dilangsungkan dapat menjadi lebih efisien, ramah lingkungan, dan
produknya dapat dimanfaatkan semua orang secara berkelanjutan.
Industri amonia merupakan salah satu industri kimia yang saat ini terus mengalami pertumbuhan secara global. Sekitar 100 juta ton amonia dapat diproduksi setiap hari untuk memenuhi kebutuhan manusia, misalnya kebutuhan terhadap pupuk. Amonia juga dimanfaatkan sebagai gas refrigeran, bahan pembuatan plastik, bahan peledak, pestisida, tekstil, pembersih, dan lain-lain. Sebagian besar industri amonia menggunakan gas alam sebagai bahan baku pembuatan amonia melalui proses steam reforming. (Makhlouf et al, 2014). Namun, ada banyak masalah terjadi dalam proses industri amonia. Reaksi kesetimbangan yang terjadi dalam proses industri menyebabkan yield amonia menjadi sedikit dan proses kimia cenderung berlangsung lambat, yang membutuhkan energi, biaya kapital, dan investasi yang cukup besar untuk menjalankan industri amonia. Total energi yang diperlukan dapat mencapai 41500 MJ setiap 1 ton amonia diproduksi. (Kool et al, 2012) Di samping itu, semakin banyak amonia yang diproduksi, semakin banyak emisi limbah yang dihasilkan. Industri amonia telah menjadi penyumbang gas CO2 penyebab efek rumah kaca sebesar 0,93 % dari total emisi global. Sekitar
2
dan polutan lain seperti CO, SOx, NOx, serta amonia cair dapat menimbulkan efek buruk terhadap lingkungan dan membahayakan kelangsungan hidup organisme. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian analisis sustainability dalam industri amonia, untuk mengetahui apakah proses produksi dalam industri amonia tersebut telah memenuhi prinsip sustainability atau belum. Analisis sustainability dapat menjadi panduan untuk melakukan perbaikan proses supaya proses industri amonia berlangsung lebih efisien, ramah lingkungan dengan jumlah limbah yang diemisikan sedikit, dan dapat dimanfaatkan secara berkelanjutan.
1.2 Tema Sentral Masalah
Untuk mengatasi permasalahan dalam industri amonia, dilakukan penelitian dengan tema sentral masalah berupa analisis sustainability dalam proses pembuatan amonia; untuk menganalisis indikator sustainability dalam proses pembuatan amonia dan menentukan perbaikan proses yang dapat dilakukan demi tercapainya proses yang memenuhi prinsip
sustainability dan eco-efficiency.
1.3 Identifikasi Masalah
1. Bagaimana hasil analisis sustainability dalam proses pembuatan amonia?
2. Bagaimana perbaikan yang dapat dilakukan supaya industri amonia dapat memenuhi prinsip sustainability dan eco-efficiency?
1.4 Tujuan Penelitian
1. Mengaplikasikan indikator sustainability pada proses pembuatan amonia.
2. Menentukan perbaikan yang dapat dilakukan pada proses pembuatan amonia sehingga memenuhi prinsip sustainability dan eco-efficiency.
1.5 Manfaat Penelitian
3
Manfaat bagi industri amonia adalah industri amonia dapat menggunakan proses kimia yang yang lebih ramah lingkungan dan lebih efisien dalam penggunaan bahan baku atau energi.
2. Manfaat bagi masyarakat
Manfaat bagi masyarakat adalah masyarakat dapat memanfaatkan produk amonia secara berkelanjutan, dengan tidak membahayakan kesehatan lingkungan sekitar.
3. Manfaat bagi peneliti
Manfaat bagi peneliti adalah peneliti mendapat wawasan baru mengenai kondisi proses yang baik dalam pembuatan amonia yang ramah lingkungan, efisien, dan memenuhi kaidah sustainability.
1.6 Struktur Laporan Penelitian
Struktur laporan penelitian “Analisis Sustainability dalam Proses Pembuatan Amonia” terdiri dari 6 bab. Bab 1 berisi tentang latar belakang dan tujuan penelitian dilakukan. Bab 2 berisi tinjauan pustaka yang digunakan dalam pembuatan laporan. Bab 3 berisi metodologi dan rencana kerja penelitian. Bab 4 berisi pembahasan tentang analisis pembuatan amonia menggunakan indikator sustainability. Bab 5 berisi strategi perbaikan proses yang dapat dilakukan dalam proses pembuatan amonia supaya mencapai sustainability. Bab 6 berisi kesimpulan dan saran terhadap laporan penelitian yang dilakukan.
