Perhitungan Neraca Massa Pabrik Pupuk ZA

(1)

LA-1

Perhitungan neraca massa pada prarancangan pabrik pupuk ZA dari Amoniak dan Asam Sulfat adalah sebagai berikut:

Basis Perhitungan : 1 jam operasi Satuan Operasi : Kg/jam

Waktu Operasi : 24 jam

Kapasitas Produk : 200.000 ton/tahun Waktu kerja pertahun : 330 hari

Kapasitas produksi perjam : 200.000 ^ton

tahun

×

^{1 tahun}

330 hari

×

^{1 hari}

24 jam

×

^{1000 kg}

1 ton

: 25.252,525 Kg/jam

Produk pupuk ZA yang diperloeh dari basis umpan NH3 1.000 kg/jam adalah sebesar 3.862,590 kg/jam. Sedangkan kapasitas produksi yang direncanakan adalah 25.252,525 kg/jam. Sehingga diperoleh jumlah umpan NH3

sebesar.

Umpan NH3 = 25.252,525 kg/jam

3.862,590 kg/jam x 1.000 kg/jam

= 6.537,718 kg/jam

Tabel A.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk

Komponen Komposisi (%) Berat molekul (kg/kmol) Bahan Baku

1. Amoniak

- NH3 99,5 17

- H2O 0,5

2. Asam sulfat

- H2SO4 98 98

- H2O 2

(2)

Produk

Amonium sulfat

132

(NH4)2SO4 99,65

H2SO4 0,10

H2O 0,l5

Konversi : 99,5%

A.1 Reaktor

Reaktor berfungsi sebagai tempat terjadinya reaksi antara Amoniak dengan Asam Sulfat sehingga menghasilkan Ammonium Sulfat/Pupuk ZA yang akan dimurnikan pada proses selanjutnya.

Gambar A.1 Alur neraca massa reaktor Reaksi pembuatan amonium sulfat:

2NH3 (g) + H2SO4 (l)  (NH4)2SO4 (s)

Konversi NH3 sebesar 99,5% (PT. Petrokimia Gresik, 2019) Aliran Masuk

 Aliran F3 NH3 dari Vaporizer

F₃^NH³ input reaktor = 6.537,718 kg/jam Konversi NH3 = 99,5%

mol NH3 bereaksi = (m NH3 input reaktor / BM) x konversi NH3

= (6.537,718 kg/jam / 17 kg/mol) x 99,5%

= 382,649 kmol/jam

m NH3 bereaksi = mol NH3 bereaksi x BM NH3

F23

F1 F 19

F3 F 4

F 20 Reaktor

(3)

= 382,649 kmol/jam x 17 kg/mol

= 6.505,030 kg/jam

m sisa = m NH3 input reaktor – m NH3 bereaksi

= 6.537,718 kg/jam - 6.505,030 kg/jam

= 32,689 kg/jam

F₃^H²^O = ^0,5%

99,5% x F₃^NH³

= ^0,5%

99,5%x 6.537,718 kg/jam

= 32,853 kg/jam

m NH3 sisa reaksi keluaran reaktor selanjutnya dialirkan menuju kondensor bersama dengan air yang teruapkan.

 Aliran F1 dari tangki Penyimpanan H2SO4

Perbandingan massa NH3 dengan H2SO4 berdasarkan stokiometri adalah 1:2,882 m H2SO4 input reaktor = 2,882 x m NH3 input reaktor

= 2,882 x 6.537,718 kg/jam

= 18.841,704 kg/jam

Karena terdapat aliran recycle dari mother liquor tank, maka:

F₁^H²^SO⁴ = m H2SO4 input reaktor - F₁₉^H²^SO⁴

= 18.841,704 kg/jam – 66,686 kg/jam

= 18.775,019 kg/jam Komposisi:

H2SO4 = 98%

H2O = 2%

F₁^H²^O = ^0,02

0,98 x F₁^H²^SO⁴

= ^0,02

0,98 x 18.775,019 kg/jam

= 383,164 kg/jam

(4)

Aliran Keluar

 Aliran F4 ke Centrifuge

Mol (NH4)2SO4 terbentuk = 50% x mol NH3 bereaksi

= 0,5 x 382,649 kmol/jam

= 191,324 kmol/jam

m (NH4)2SO4 terbentuk = mol (NH4)2SO4 terbentuk x BM (NH4)2SO4

= 191,324 kmol/jam x 132 kg/kmol

= 25.254,821 kg/jam

F₄^(NH⁴⁾²^SO⁴ = m (NH4)2SO4 terbentuk + F₁₉^(NH⁴⁾²^SO⁴

= 25.254,821 kg/jam + 11.056,924 kg/jam

= 36.311,745 kg/jam

Mol H2SO4 bereaksi = 0,5 x mol NH3 bereaksi

= 0,5 x 382,649 kmol/jam

= 191,324 kmol/jam

m H2SO4 bereaksi = Mol H2SO4 bereaksi x BM H2SO4

= 191,324 kmol/jam x 98 kg/kmol

= 18.749,791 kg/jam

m H2SO4 sisa = m H2SO4 input reaktor – m H2SO4 bereaksi

= 18.841,704 kg/jam - 18.749,791 kg/jam

= 91,913 kg/jam F₄^H²^SO⁴ = m H2SO4 sisa

= 91,913 kg/jam

Perbandingan solid dan liquid menuju centrifuge yaitu 1:1 (PT. Petrokimia Gresik), jadi:

F₄^H²^O = F₄^(NH⁴⁾²^SO⁴ - F₄^H²^SO⁴

= 336.311,745 kg/jam - 91,913 kg/jam

= 36.219,832 kg/jam

(5)

 Aliran F20 ke Kondensor F₂₀^NH³ = m NH3 sisa

= 32,689 kg/jam H2O terkondensasi = 90%

Total H2O input (kecuali H2O T. kondensat)

= F₁^H²Ô+ F₃^H²Ô+ F₁₉^H²Ô

= (383,164 + 32,853 + 36.353,491) kg/jam

= 36.769,508 kg/jam

Total H2O output (kecuali H2O T. kondensat) = F₄^H²^O

= 36.219,832 kg/jam Neraca komponen H2O:

F₁^H²Ô+ F₃^H²Ô+ F₁₉^H²Ô+ (0,9 x F₂₀^H²Ô) = F₄^H²Ô+ F₂₀^H²Ô

36.769,508 kg/jam + (0,9 x F₂₀^H²Ô) = 36.219,832 kg/jam + F₂₀^H²Ô (36.769,508- 36.219,980) kg/jam /0,1 = F₂₀^H²Ô

F₂₀^H²^O = 5.496,755 kg/jam Aliran Recycle

 Aliran F19 dari Mother Liquor Tank F₁₉^H²^SO⁴ = 66,686 kg/jam

F₁₉^(NH⁴⁾²^SO⁴ = 11.056,924 kg/jam F₁₉^H²^O = 36.353,491 kg/jam

Perhitungan Neraca Massa Mother Liquor Tank Hal. LA-15

 Aliran F23 dari Tangki Penampung Kondensat F₂₃^H²^O = 90% x F₂₀^H²^O

= 0,9 x 5.496,755 kg/jam

= 4.947,079 kg/jam

(6)

Tabel A.2 Hasil Perhitungan neraca massa pada Reaktor

Komponen Masuk (Kg/jam) Keluar (Kg/jam)

F3 F1 F23 F19 F20 F4

NH3 6.537,718 - - - 32,689 -

H2SO4 - 18.775,019 - 66,686 - 91,913

H2O 32,853 383,164 4.947,079 36.353,491 5.496,755 36.219,832

(NH4)2SO4 - - - 11.056,924 - 36.311,745

Total 78.152,933 78.152,933

A.2 Kondenser

Kondenser berfungsi mengkondensasikan uap air keluaran reaktor dan ditampung di tanki kondensat.

F21

F20 F22

Gambar A.2 Alur neraca massa kondenser

Aliran Masuk

 Aliran F20 dari Reaktor F₂₀^NH³ = 32,689 kg/jam F₂₀^H²^O = 5.496,755 kg/jam

Aliran Keluar

 Aliran F22 ke Tangki Kondensat H2O terkondensasi = 90%

F₂₂^H²^O = 0,9 x F₂₀^H²^O

= 0,9 x 5.496,755 kg/jam

= 4.947,079 kg/jam

Kondenser

(7)

 Aliran F21 ke Atmosfer F₂₁^NH³ = F₂₀^NH³

= 32,689 kg/jam

F₂₁^H²Ô = F₂₀^H²Ô− F₂₂^H²Ô

= (5.496,755 − 4.947,079) kg/jam

= 549,675 kg/jam

Tabel A.3 Hasil Perhitungan neraca massa Kondenser

F20 F21 F22

NH3 32,689 32,689

H2O 5.496,755 549,675 4.947,079

Total 5.529,443 5.529,443

A.3 Centrifuge

Centrifuge berfungsi dalam memisahkan kristal ammonium sulfat yang terbentuk dengan larutan induknya.

F4

F7

F8

Gambar A.3 Alur neraca massa centrifuge

Aliran Masuk

 Aliran F4 dari Reaktor F₄^H²^SO⁴ = 91,913 kg/jam F₄^H²^O = 36.219,832 kg/jam

Centrifuge

(8)

F₄^(NH⁴⁾²^SO⁴ = 36.311,745 kg/jam

Aliran Keluar

 Aliran F7 ke Screw Conveyor Komposisi:

(NH4)2SO4 = 98,9%

H2SO4 = 0,1%

H2O = 1%

Solid yang menuju Screw Conveyor = 70% berat (PT. Pterokimia Gresik, 2019) F₇^(NH⁴⁾²^SO⁴ = 0,7 x F₄^(NH⁴⁾²^SO⁴

= 0,7 x 36.311,832 kg/jam

= 25.418,221 kg/jam F₇^H²^SO⁴ = (0,1/98,9) x F₇^(NH⁴⁾²^SO⁴

= (0,1/98,9) x 25.418,221 kg/jam

= 25,701 kg/jam F₇^H²^O = (1/98,9) x F₇^(NH⁴⁾²^SO⁴

= (1/98,9) x 25.418,221 kg/jam

= 257,009 kg/jam

 Aliran F8 ke Mother Liquor Tank F₈^(NH⁴⁾²^SO⁴ = F₄^(NH⁴⁾²^SO⁴− F₇^(NH⁴⁾²^SO⁴

= (36.311,745 − 25.418,221) kg/jam

= 10.893,523 kg/jam F₈^H²^SO⁴ = F₄^H²^SO⁴ − F₇^H²^SO⁴

= (91,913 − 25,701) kg/jam

= 66,212 kg/jam F₈^H²Ô = F₄^H²Ô − F₇^H²Ô

= (36.219,832 − 257,009) kg/jam

= 35.962,823 kg/jam

(9)

Tabel A.4 Hasil perhitungan neraca massa pada centrifuge Komponen Masuk (Kg/jam) Keluar (Kg/jam)

F4 F8 F7

H2SO4 91,913 66,212 25,701

H2O 36.219,832 35.962,823 257,009

(NH4)2SO4 36.311,745 10.893,523 25.418,221

Total 72.623, 490 72.623, 490

A.4 Screw Conveyor

Screw Conveyor berfungsi untuk mentransportasikan kristal Ammonium Sulfat menuju Rotary Dryer.

F6 Uresoft

F7 F9

Gambar A.4 Alur neraca massa screw conveyor Aliran Masuk

 Aliran F7 dari Centrifuge F₇^H²^SO⁴ = 25,701 kg/jam F₇^H²^O = 257,009 kg/jam

F₇^(NH⁴⁾²^SO⁴ = 25.418,221 kg/jam

 Aliran F6 dari Tanki Penyimpanan Uresoft

Penambahan anti caking (uresoft) sebesar 0,1% massa ammonium sulfate (PT.

Petrokimia Gresik)

F₆^{𝑈𝑟𝑒𝑠𝑜𝑓𝑡} = 0,001 x F₇^(NH⁴⁾²^SO⁴

= 0,001 x 25.418,221 kg/jam

= 25,418 kg/jam

Screw Conveyor

(10)

 Aliran F9 ke Rotary Dryer F₉^H²^SO⁴ = F₇^H²^SO⁴

= 25,701 kg/jam F₉^H²^O = F₇^H²^O

= 257,009 kg/jam F₉^(NH⁴⁾²^SO⁴ = F₇^(NH⁴⁾²^SO⁴

= 25.418,221 kg/jam F₆^{𝑈𝑟𝑒𝑠𝑜𝑓𝑡} = 25,418 kg/jam

Tabel A.5 Hasil perhitungan neraca massa pada Screw Conveyor Komponen Masuk (Kg/jam) Keluar (Kg/jam)

F7 F6 F9

H2SO4 25,701 - 25,701

H2O 257,009 - 257,009

(NH4)2SO4 25.418,221 - 25.418,221

Uresoft - 25,418 25,418

Total 25.726, 350 25.726, 350

A.5 Rotary Dryer

Rotary Dryer berfungsi mengurangi kadar air pada kristal ammonium sulfat menggunakan udara panas.

F11 Udara Panas

F9 F17

F12

Gambar A.5 Alur neraca massa rotary dryer Rotary Dryer

(11)

Aliran Masuk

 Aliran F9 dari Screw Conveyor F₉^H²^SO⁴ = 25,701 kg/jam F₉^H²^O = 257,009 kg/jam F₉^(NH⁴⁾²^SO⁴ = 25.418,221 kg/jam F₉^{𝑈𝑟𝑒𝑠𝑜𝑓𝑡} = 25,418 kg/jam

 Aliran F11 dari Heater

Kebutuhan udara panas dihitung pada neraca energi (Lampiran B). dari hasil perhitungan neraca energi Rotary Dryer, maka didapatkan kebutuhan udara panas yakni sebesar 3.305,167 kg/jam.

F₁₁^{𝑈𝑑𝑎𝑟𝑎} = 3.305,167 kg/jam

Aliran Keluar

 Aliran F17 ke Belt Conveyor Komposisi:

(NH4)2SO4 = 98,9%

H2SO4 = 0,1%

H2O = 1%

Solid yang terikut bersama udara panas = 1% berat (PT. Petrokimia Gresik) F₁₇^(NH⁴⁾²^SO⁴ = 0,99 x F₉^(NH⁴⁾²^SO⁴

= 0,99 x 25.418,325 kg/jam

= 25.164,039 kg/jam F₁₇^H²^SO4 = (0,1/99,75) x F₉^(NH⁴⁾²^SO⁴

= (0,1/99,75) x 25.164,141 kg/jam

= 25,227 kg/jam

F₁₇^H²^O = (0,15/99,75) x F₉^(NH⁴⁾²^SO⁴

= (0,15/99,75) x 25.164,141 kg/jam

= 37,841 kg/jam

(12)

 Aliran F12 ke Cyclone F₁₂^H²^SO4 = F₉^H²^SO⁴− F₁₇^H²^SO⁴

= (25,701 − 25,227) kg/jam

= 0,474 kg/jam

F₁₂^(NH⁴⁾²^SO⁴ = F₉^(NH⁴⁾²^SO⁴− F₁₇^(NH⁴⁾²^SO⁴

= (25.418,325 − 25.164,141) kg/jam

= 254,182 kg/jam F₁₂^H²Ô = F₉^H²Ô− F₁₇^H²Ô

= (257,010 − 37,841) kg/jam

= 219,169 kg/jam F₁₂^{𝑈𝑑𝑎𝑟𝑎} = F₁₂^{𝑈𝑑𝑎𝑟𝑎}

= 3.305,181 kg/jam

Tabel A.6 Hasil perhitungan neraca massa pada Rotary Dryer

F9 F11 F17 F12

H2SO4 25,701 - 25,227 0,474

H2O 257,009 - 37,841 219,169

(NH4)2SO4 25.418,221 - 25.164,039 254,182

Uresoft 25,701 - 25,418 -

Udara 3.305,167 - 3.305,167

Total 29.031,517 29.031,517

(13)

A.6 Wet Cyclone

Wet cylone berfungsi untuk menangkap debu-debu ammonium sulfat yang terbawa oleh udara untuk selanjutnya dialirkan kembali ke mother liquor tank.

F14 Udara

F12 F13

F15

Gambar A.6 Alur neraca massa wet cyclone Aliran Masuk

 Aliran dari F12 Rotary Dryer F₁₂^H²^SO4 = 0,474 kg/jam F₁₂^H²^O = 219,169 kg/jam F₁₂^(NH⁴⁾²^SO⁴ = 254,182 kg/jam F₁₂^{𝑈𝑑𝑎𝑟𝑎} = 3.305,167 kg/jam

 Aliran dari F13 AirProses

Kelarutan (NH4)2SO4 dalam 100 gr air pada suhu 55 ^oC yaitu 95,3 gr, sehingga untuk melarutkan (NH4)2SO4 dibutuhkan air sebanyak:

F₁₃^H²^O= (100 gr/95,3 gr) x 254,182 kg/jam = 171,500 kg/jam

Aliran Keluar

 Aliran F14 ke Atmosfer F₁₄^{𝑈𝑑𝑎𝑟𝑎} = F₁₂^{𝑈𝑑𝑎𝑟𝑎}

= 3.305,167 kg/jam

Wet Cyclone

(14)

F₁₄^(NH⁴⁾²^SO⁴ = F₁₂^(NH⁴⁾²^SO⁴− F₁₅^(NH⁴⁾²^SO⁴

= (254,182 − 163,439) kg/jam

= 90,743 kg/jam

 Aliran F15 ke Mother Liquor Tank F₁₅^H²^SO4 = F₁₂^H²^SO4

= 0,474 kg/jam F₁₅^H²Ô = F₁₂^H²Ô + F₁₃^H²Ô

= (219,169 + 171,500 ) kg/jam

= 390,668 kg/jam F₁₅^(NH⁴⁾²^SO⁴ = F₁₅^(NH⁴⁾²^SO⁴ 𝑥 0,64

= 163,439 kg/jam

Tabel A.7 Hasil perhitungan neraca massa pada Wet Cyclone

F12 F13 F14 F15

H2SO4 0,474 - - 0,474

H2O 219,169 - - 390,668

(NH4)2SO4 254,182 - 90,743 163,439

Udara 3.305,167 - 3.305,167 -

Total 3.950,492 3.950,492

A.7 Mother Liquor Tank

Mother Liquor Tank berfungsi untuk menampung larutan induk yang telah terpisah dari Kristal ammonium sulfat.

F15

F8 F19

Gambar A.7 Alur neraca massa mother liquor tank Mother Liquor

Tank

(15)

Aliran Masuk

 Aliran F8 dari Centrifuge F₈^H²^SO⁴ = 66,212 kg/jam F₈^H²^O = 35.962,969 kg/jam F₈^(NH⁴⁾²^SO⁴ = 10.893,523 kg/jam

 Aliran F15 dari Wet Cyclone F₁₅^H²^SO4 = 0,474 kg/jam F₁₅^H²^O = 390,668 kg/jam

F₁₅^(NH⁴⁾²^SO⁴ = 163,439 kg/jam Aliran Keluar

 Aliran F19 ke Reaktor

F₁₉^H²^SO4 = F₈^H²^SO⁴+ F₁₅^H²^SO4

= (66,212 + 0,474) kg/jam

= 66,686 kg/jam F₁₉^H²Ô = F₈^H²Ô+ F₁₅^H²Ô

= (35.962,823 + 390.668) kg/jam

= 36.353,491 kg/jam F₁₅^(NH⁴⁾²^SO⁴ = F₈^(NH⁴⁾²^SO⁴+ F₁₅^(NH⁴⁾²^SO⁴

= (10.893,523 + 163,439) kg/jam

= 11.056,924 kg/jam

Tabel A.8 Hasil perhitungan neraca massa pada Mother Liquor Tank Komponen Masuk (Kg/jam) Keluar (Kg/jam)

F15 F8 F19

H2SO4 0,474 66,212 66,686

H2O 390,668 35.962,823 36.353,491

(NH4)2SO4 163,439 10.893,523 11.056,924

Total 47.663,294 47.663,294