tugas khusus efisiensi co2 kompresor, neraca massa, neraca panas, dan audit energi pabrik urea

UNIVERSITAS GADJAH MADA TUGAS KHUSUS

BAB VI

TUGAS KHUSUS

Evaluasi Efisiensi Energi CO2 Kompresor pada Pabrik Urea dengan mempertimbangkan sifat Gas Non-ideal pada Tekanan

Tinggi

VI.1.1 Latar Belakang

Kompresor ini merupakan salah satu alat yang ada dalam proses

pembuatan urea di pabrik urea pusri-II Pupuk Sriwidjaja Palembang. Di

sini akan dievaluasi sebuah kompresor dengan tag number GB 151-J.

Dalam hal ini Kompresor adalah kompresor sentrifugal dengan

penggerak turbin uap yang berfungsi sebagai mengkompresi/menaikkan

tekanan CO2 menuju tekanan operasi reaktor sekitar 185 kg/cm2

sehingga konversi gas CO2 (pembentukan urea) bisa optimal.

Kompresor gas CO2 GB 151-J merupakan salah satu langkah

pertama dalam memproduksikan urea dan merupakan bagian daripada

sistem. Kompresor ini terdiri dari 4 stage dengan sistem intercooler

antara cases.

Gambar 6.1. CO2 compressor di unit sintesa

Laporan kerja praktekPT. Pupuk Sriwidjaja

116


Mengingat pentingnya fungsi kompresor 151-J, perlu dilakukan

analisa dan monitoring yang terus menerus terhadap unjuk kerja

kompresor tersebut. Untuk mengevaluasi unjuk kerja kompresor, perlu

diketahui data spesifikasi yang menunjukan karakteristik kompresor

dimaksud serta data kondisi operasi yang menunjukan kemampuan kerja

kompresor secara nyata.

Kompresor CO2 GB 151

Kompresor ini terdiri dari 4 bagian dan antara tiap cases dilengkapi

dengan pendingin, sebagai penggerak adalah steam turbine. Kompresor

GB 151 beroperasi dengan kecepatan normal design 20100 rpm

equivalent dengan kecepatan minimum 7440 rpm dan kecepatan

maksimum 12260 rpm. Gas masuk kompresor pada tekanan 0.6 kg/cm2

(8.53 Psia).

Gas masuk ke stage 1 kompresor pada suhu 42.10°C. Gas yang

keluar dari stage 1 pada suhu 215.86 °C didinginkan di 111-R sampai

42°C. Gas yang keluar ke stage 2 masuk pada tekanan 7 kg/cm2 (99.56

psia) kemudian keluar dari stage 2 didinginkan di 112-R sampai 41°C.

Gas kemudian masuk ke stage 3 dan keluar dengan tekanan 84.53

kg/cm2 dan suhu 146.71 °C lalu didinginkan di 113-R hingga suhu 52.95

°C. Setelah itu gas masuk ke stage 4. Gas keluar dari stage 4 dengan

tekanan 165 kg/cm2 dan suhu 121.08°C.

Kompresor dilengkapi dengan lube oil/seal oil console termasuk

juga pompa-pompa lube oil dan seal oil yang digerakkan oleh turbin,

pompa-pompa lube oil dan seal oil pelengkap (auxiliary) yang

digerakkan dengan motor, tangki overhead seal oil, penyaring dan

pendingin minyak, tangki pemisah gas sebelum minyak kembali ke

tangki reservoir penampung minyak, alarm untuk tekanan minyak

rendah start-up pompa auxiliary, alarm permukaan seal oil, dan alarm


117


beda tekanan yang tinggi di saringan minyak dari sistem lube

(pemanasan).

VI.1.2 Tujuan

1. Mengetahui prinsip kerja kompresor CO2 di pabrik urea dengan

meninjau segi kuantitatfinya.

2. Mengevalusi nilai efisiensi kompresor CO2 di pabrik urea pusri II.

VI.1.3 Metodologi

1. Mempelajari prinsip kerja kompresor CO2 di Pabrik Urea.

2. Observasi lapangan, dilakukan di PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang

pada Pabrik Urea Pusri II.

3. Pengambilan data design dan aktual di lapangan.

4. Penyelesaian perhitungan efisiensi dari kompresor CO2 di Pabrik

Urea pusri II.

VI.1.4 Tinjauan Pustaka

Fungsi dari sebuah kompresor adalah untuk menaikkan tekanan

suatu gas. Tekanan gas dapat ditingkatkan dengan memaksakan

pengurangan volumenya. Ketika volumenya dikurangi, tekanannya

meningkat. Sebuah kompresor “positive displacement”, memperlakukan

gas dengan cara tersebut. Tetapi, sebuah kompresor sentrifugal mencapai

peningkatan tekanan dengan dua tahap. Kompresor tersebut menambah

energi pada gas dalam bentuk kecepatan (energi kinetik) dan kemudian

merubah bentuk energi tersebut menjadi energi tekanan.

Sebuah kompresor sentrifugal menggunakan konsep kecepatan-

tekanan untuk meningkatkan tekanan gas. Gas masuk ke sebuah

impeler yang berputar melalui “mata” (eye). Vanes (daun impeler)

mendorong gas ke sisi luar, melemparkan gas melalui jalur tertentu pada

kecepatan tinggi. Gasnya dilemparkan ke jalur “diffuser” dan “volute”

yang berada di sekitar impeler, yang relatif memiliki volume besar,


118


jadi kecepatannya terhambat dengan cepat. Energi kecepatan diubah

menjadi energi tekanan, sehingga tekanannya meningkat.

Karakteristik kompresor sentrifugal secara umum sebagai berikut :

- Aliran discharge uniform.

- Kapasitas tersedia dari kecil sampai besar.

- Tekanan discharge dipengaruhi oleh density gas/udara.

- Mampu memberikan unjuk kerja pada efisiensi yang tinggi

dengan beroperasi pada range tekanan dan kapasitas yang besar.

Kompresor terdiri dari beberapa bagian yang fungsinya satu dengan

yang lain saling berhubungan, diantaranya adalah :

Bagian Statis

1. Casing

Casing merupakan bagian paling luar kompresor yang berfungsi :

- Sebagai pelindung terhadap pengaruh mekanik dari luar.

- Sebagai pelindung dan penumpu/pendukung dari bagian-bagian yang

bergerak.

- Sebagai tempat kedudukan nozel suction dan discharge serta bagian

diam lainnya.

2. Inlet Wall

Inlet wall adalah diafram (dinding penyekat) yang dipasang pada

sisi suction sebagai inlet channel dan berhubungan dengan inlet nozle.

Karena berfungsi sebagai saluran gas masuk pada stage pertama, maka

meterialnya harus tahan terhadap abrasive dan erosi.

3. Guide Vane

Guide vane di tempatkan pada bagian depan eye impeller pertama

pada bagian suction (inlet channel). Fungsi utama guide vane adalah


119


mengarahkan aliran agar gas dapat masuk impeller dengan distribusi

yang merata.

Konstruksi vane ada yang fixed dan ada yang dapat di atur

(movable) posisi sudutnya dengan tujuan agar operasi kompresor dapat

bervariasi dan dicapai effisiensi dan stabilitas yang tinggi.

4. Eye Seal

Eye seal ditempatkan di sekeliling bagian luar eye impeller dan di

tumpu oleh inlet wall. Eye seal selalu berbentuk satu set ring logam yang

mengelilingi wearing ring impeller. Berfungsi untuk mencegah aliran

balik dari gas yang keluar dari discharge impeller (tekanan tinggi)

kembali masuk ke sisi suction (tekanan rendah).

5. Diffuser

Diffuser berfungsi untuk merubah energi kecepatan yang keluar

dari discharge impeller menjadi energi potensial (dinamis).

Untuk multi stage dipasang diantara inter stage impeller.

6. Labirinth Seal

Labirinth seal digunakan untuk menyekat pada daerah :

- Shaft dan diafragma sebagai shaft seal.

- Casing dan shaft sebagai casing seal.

7. Return Bend

Return bend sering juga disebut crossover yang berfungsi

membelokan arah aliran gas dari diffuser ke return channel untuk masuk

pada stage/impeller berikutnya. Return bend di bentuk oleh susunan

diafragma yang dipasang dalam casing.

8. Return Channel


120


Return channel adalah saluran yang berfungsi memberi arah aliran

gas dari return bend masuk ke dalam impeller berikutnya. Return

channel ada yang dilengkapi dengan fixed vane dengan tujuan

memperkecil swirl (olakan aliran gas) pada saat masuk stage berikutnya

sehingga dapat memperkecil vibrasi.

9. Diafragma

Diafram adalah komponen bagian dalam kompresor yang berfungsi

sebagai penyekat antar stage dan tempat kedudukan eye seal maupun

inter stage seal.

Dengan pemasangan diafragma secara seri, akan terbentuk tiga

bagian penting, yaitu diffuser, return bend, dan return channel.

Diafragma ditempatkan didalam casing dengan hubungan tongue-groove

sehingga mudah dibongkar pasang.

Bagian Dinamis

1. Shaft and Shaft Sleeve

Shaft atau poros transmisi digunakan untuk mendukung impeller

dan meneruskan daya dari pengerak ke impeller. Untuk penempatan

impeller pada shaft di gunakan pasak (key) dan pada multi stage, posisi

pasak di buat selang-seling agar seimbang.

Sedangkan jarak antar stage dari impeller di gunakan shaft sleeve,

yang berfungsi sebagai pelindung shaft terhadap pengaruh korosi, erosi

dan abrasi dari aliran dan sifat gas dan untuk penempatan shaft seal

diantara stage impeller.

2. Impeller

Impeller berfungsi untuk menaikan kecepatan gas dengan cara

berputar, sehingga menimbulkan gaya. Hal ini menyebabkan gas


121


masuk/mengalir dari inlet tip (eye impeller) ke discharge tip. Karena

adanya perubahan jari-jari dari sumbu putar antara tip sudu masuk

dengan tip sudu keluar maka terjadi kenaikan energi kecepatan.

3. Bantalan (Bearing)

Bearing adalah bagian internal kompresor yang berfungsi untuk

mendukung beban radial dan aksial yang berputar dengan tujuan

memperkecil gesekan dan mencegah kerusakan pada komponen lainnya.

Pada kompresor sentrifugal terdapat dua jenis bearing, yaitu :

- Journal bearing

Digunakan untuk mendukung beban dengan arah radial (tegak

lurus poros).

- Thrust bearing

Digunakan untuk mendukung beban ke arah aksial (sejajar

poros).

4. Oil Film Seal

Oil film seal merupakan salah satu jenis seal yang digunakan

dalam kompresor. Oil film seal terdiri dari satu atau dua seal ring. Pada

seal jenis ini diinjeksikan minyak (oil) sebagai penyekat/perapat (seal

oil) antara kedua seal ring yang memiliki clearence sangat kecil terhadap

shaft. Tekanan masuk seal oil dikontrol secara proporsional berdasarkan

perbedaan tekanan sekitar 5 psi diatas tekanan internal gas dan

perbedaan tekanan oil-gas selalu dipertahankan.

Sehubungan dengan kondisi operasi yang tidak selalu konstan,

maka untuk mempertahankan perbedaan tekanan antar seal oil dan gas

dapat sesuai dengan kondisi operasi, digunakan overhead tank.

Sistem overhead tank adalah memasang tanki penampung seal oil

dengan ketinggian tertentu diatas kompresor dan level seal oil dalam

tanki dikontrol melalui level control operated valve, kemudian tekanan


122


gas stream dimasukan kedalam tanki melalui bagian atas (top) sehingga

memberikan tekanan pada permukaan seal oil.

Dengan sistem overhead tank, maka head static seal oil secara

otomatis dapat menyesuaikan dengan kondisi operasi kompresor,

sehingga perbedaan tekanan oil-gas proses dapat dipertahankan konstan.

Dalam perhitungan, digunakan asumsi isentropik dimana proses

kompresi ideal dengan entalpi tetap (dQ=0), atau adiabatis. Effisiensi

politropik, biasa disebut effisiensi tingkat kecil, yang sering digunakan

karena effisiensi untuk kompresor secara keseluruhan sama dengan

effisiensi untuk setiap tingkat yang digunakan. Effisiensi politropik yaitu

effisiensi isentropik dari sebuah tingkat kompresor atau turbin yang

dibuat konstan untuk setiap tingkat berikutnya dalam keseluruhan

proses. Efisiensi isentropik setiap tingkat dapat dibuat sama dengan

merancang sudu yang serupa.

VI.1.5 Landasan Teori

Dalam menghitung efisiensi kinerja kompresor digunakan asumsi

politropik, tahap – tahap yang dapat dilakukan antara lain :

1. Penentuan komposisi gas masuk

2. Mencari data properties gas masuk

3. Perhitungan gas properties campuran

4. Mencari panas jenis spesifik dan specific gravity

a. Panas jenis spesifik (specifik heat ratio) dapat dicari

dengan menggunakan persamaan :

dimana :

K : Panas jenis spesifik

Cp mix: Panas spesifik pada tekanan konstan, kondisi

campuran.


123


b. Specific gravity dapat dicari dengan dua persamaan :

5. Mencari fakor kompressibilitas (Z) design dan aktual

Sehingga didapat hubungan Tr1 dan Pr1 untuk diplot kedalam

grafik (compressibility chart) Z1

Tr2 dan Pr2 diplot kedalam grafik (compressibility chart) Z2

6. Menghitung besaran eksponen politropik (n) design dan aktual

7. Menghitung head politropik design dan aktual

] ;ft

8. Menghitung efisiensi politropik design dan aktual


124


Efisiensi politropik dapat diketahui dengan persamaan :

Hubungan antara harga head dan efisiensi politropik menunjukan head aktual politropik, hal ini dapat dilihat dari persamaan berikut :

9. Menghitung daya kompresor design dan aktual

a. daya gas (aerodynamic)

b. daya kompresor

10. Menghitung efisiensi

η=

VI.1.6 Perhitungan

1) Data DesainKapasitas : 117374 Nm3/hr

Kompresor yang di evaluasi merupakan kompresor sentrifugal 4

stage dengan masing-masing stage memiliki sistem intercooler

tersendiri. Sehingga dalam perhitungan susunan kompresor dapat

dianggap seri menjadi 4 kompresor.


125


Kompresor 1

Kondisi masuk Suction LP :Tekanan (P1) : 1.46 kg/cm2 = 20.7 PsiaTemperatur (T1) : 420C = 567.27 R

Kondisi keluar ke intercooler 2 :Tekanan (P1*) : 7.88 kg/cm2= 112.08 PsiaTemperatur (T1*) : 210.2 0C = 870 R

Kompresor 2

Kondisi masuk dari intercooler 2:Tekanan (P2) : 7.38 kg/cm2= 104.96 PsiaTemperatur (T2) : 42 0C = 567.27 R

Kondisi keluar ke intercooler 3 :Tekanan (P2*) : 27.87 kg/cm2 = 396.4 PsiaTemperatur (T2*) : 187.40C = 829 R

Kompresor 3

Kondisi masuk dari intercooler 3 :Tekanan (P3) : 27.21 kg/cm2 = 387.01 PsiaTemperatur (T3) : 420C = 567.27 R

Kondisi keluar ke intercooler 4 :Tekanan (P3*) : 84.53 kg/cm2= 1202.3PsiaTemperatur (T3*) : 155.8 0C = 772.1 R

Kompresor 4

Kondisi masuk dari intercooler 4 :Tekanan (P4) : 83.66 kg/cm2 = 1190 PsiaTemperatur (T4) : 550C = 590.67 R

Kondisi keluar Discharge HP :Tekanan (P4*) : 181.35 kg/cm2= 2579.4 PsiaTemperatur (T4*) : 131.1 0C = 727.5 R


126


2) Data Kondisi Operasi Kapasitas : 94919.78 Nm3/hr

Kompresor 1

Kondisi masuk Suction LP :Tekanan (P1) : 0.6 kg/cm2 = 8.53 PsiaTemperatur (T1) : 42°C = 567.27 R

Kondisi keluar ke intercooler 2 :Tekanan (P1*) : 7.7 kg/cm2= 109.5 PsiaTemperatur (T1*) : 215.86 °C = 880.2 R

Kompresor 2

Kondisi masuk dari intercooler 2:Tekanan (P2) : 7 kg/cm2= 99.56 PsiaTemperatur (T2) : 42 °C = 565.47 R

Kondisi keluar ke intercooler 3 :Tekanan (P2*) : 29 kg/cm2 = 412.5PsiaTemperatur (T2*) : 197.34°C = 846.8 R

Kompresor 3

Kondisi masuk dari intercooler 3 :Tekanan (P3) : 28 kg/cm2 = 398.25 PsiaTemperatur (T3) : 42°C = 565.47 R

Kondisi keluar ke intercooler 4 :Tekanan (P3*) : 85 kg/cm2= 1209 PsiaTemperatur (T3*) : 146.71 °C = 755.7 R

Kompresor 4

Kondisi masuk dari intercooler 4 :Tekanan (P4) : 84 kg/cm2 = 1194.76 PsiaTemperatur (T4) : 52.95°C = 587 R

Kondisi keluar Discharge HP :Tekanan (P4*) : 165 kg/cm2= 2346.85 PsiaTemperatur (T4*) : 121.08 °C = 709.6 R


127


3) Perhitungan Kompresor1. Komposisi Gas

Tabel 6.1. Data Komposisi Gas Masuk Kompresor GB 151-J Suction LP

KOMPOSISI SIMBOLData

KomposisiNitrogen N2 0Hidrogen H2 1.6Oxygen O2 0.4

Carbon dioxyde CO2 98Water Vapor H2O SAT

Jumlah 100

Tabel 6.2. Data Komposisi Gas Masuk Kompresor GB 151-J intercooler

KOMPOSISI SIMBOLData

KomposisiNitrogen N2 0.5Hidrogen H2 1.56Oxygen O2 2.26

Carbon dioxyde CO2 95.68Water Vapor H2O SAT

Jumlah 100

2. Perhitungan Gas Propertis Campuran a. Kondisi 1Hasil perhitungan gas propertis campuran dapat dilihat dalam tabel 3.Dimana dari perhitungan tersebut didapat harga gas propertis campuran sebagai berikut :BM mix = 43.2803Pc mix = 1054.4 PsiaTc mix = 538.678 oRCp mix = 9.05599 BTU/lbm.mol. oR

Tabel 6.3. Data Komposisi Gas Masuk Kompresor GB 151 Suction LP

GAS KOMPOSISI BM Pc (Psia) Tc(R)Cp (BTU/lbm

mol R)KONTRIBUSI GAS INDIVIDUALBM Pc Tc Cp

N2 0 28.02 492.31 227.16 6.9591 0 0 0 0H2 1.6 2.02 188.11 59.76 6.8974 0.03232 3.00976 0.95616 0.11036


128


O2 0.4 32 731.86 278.28 7.0303 0.128 2.92744 1.11312 0.02812CO2 98 44 1069.86 547.56 9.0995 43.12 1048.46 536.609 8.91751H2O SAT 18 3197.42 1165.14 17.00434 0 0 0 0

100

BMmix Pc Mix Tc mix Cp mix43.28032 1054.4 538.678 9.05599

b. Kondisi 2Hasil perhitungan gas propertis campuran dapat dilihat dalam tabel 4.Dimana dari perhitungan tersebut didapat harga gas propertis campuran sebagai berikut :BM mix = 42.4652Pc mix = 1043.12 PsiaTc mix = 531.127 oRCp mix = 9.09343 BTU/lbm.mol. oR

Tabel 6.4. Data Komposisi Gas Masuk Kompresor GB 151 intercooler

GAS KOMPOSISI BMPc

(Psia)Tc(R)

Cp (BTU/lbm mol R)

KONTRIBUSI GAS INDIVIDUALBM Pc Tc Cp

N2 0.5 28.02 492.31 227.16 6.9611 0 0 0 0H2 1.56 2.02 188.11 59.76 6.9115 0.031512 2.93452 0.93226 0.10782O2 2.26 14.8 731.86 278.28 7.0456 0.33448 16.54 6.28913 0.15923CO2 95.68 44 1069.86 547.56 9.2249 42.0992 1023.64 523.905 8.82638H2O SAT 18 3197.42 1165.14 17.3772 0 0 0 0

100BM Mix Pc Mix Tc Mix Cp Mix

42.465192 1043.12 531.127 9.09343

3. Panas Jenis Spesifik dan Spesifik Gravitya). Panas jenis spesifik Panas jenis spesifik (specifik heat ratio) dapat dicari dengan menggunakan persamaan


129


dimana :K : Panas jenis spesifikCp mix: Panas spesifik pada tekanan konstan, kondisi campuran.

b). Spesifik gravitySedangkan spesifik gravity dapat dicari dengan dua persamaan :

4. Mencari Faktor Kompresibilitas (Z) Aktuala). Kompresor 1 - Kondisi masuk

Dari hubungan Pr1 dan Tr1 pada gambar 1 didapat harga Z1 = 0.99- Kondisi keluar

Dari hubungan Pr1* dan Tr1* pada gambar 1 didapat harga Z1* = 0.98- Kondisi rata-rata.


130


b). Kompresor 2- Kondisi masuk



c). Kompresor 3- Kondisi masuk



d). Kompresor 4- Kondisi masuk


131




5. Mencari Faktor Kompresibilitas (Z) Desaina). Kompresor 1

- Kondisi masuk


Dari hubungan Pr1* dan Tr1* pada gambar 1 didapat harga Z1* = 1- Kondisi rata-rata.

b). Kompresor 2- Kondisi masuk

Dari hubungan Pr2 dan Tr2 pada gambar 1 didapat harga Z2 = 0.97


132


- Kondisi keluar

Dari hubungan Pr2 dan Tr2* pada gambar 1 didapat harga Z2* = 0.98- Kondisi rata-rata.

c). Kompresor 3- Kondisi masuk



d). Kompresor 4- Kondisi masuk



133


Dari hubungan Pr4* dan Tr4* pada gambar 1 didapat harga Z4* = 0. 74- Kondisi rata-rata.

Gambar 6.2. Faktor Kompresibilitas Chart

d). Mencari harga Cp aktual- Kompresor 1Dapat digunakan persamaan :

- Kompresor 2Dapat digunakan persamaan :


134

http://www.agussuwasono.com/images/stories/Kompresor_performance/chart.jpg




6. Eksponen Politropik AktualBesarnya eksponen politropik (n) Aktual dapat dihitung dengan persamaan :- Kompresor 1

- Kompresor 2

.4

- Kompresor 3

n

- Kompresor 4


135


7. Eksponen Politropik DesainBesarnya eksponen politropik (n) Desain dapat dihitung dengan persamaan :- Kompresor 1

- Kompresor 2

- Kompresor 3

- Kompresor 4

8. Menghitung Head AktualKarena head yang dihitung adalah head dalam kondisi aktual, maka persamaan yang digunakan menggunakan asumsi politropik, dengan rumus :

- Kompresor 1

] ;ft


136


]

- Kompresor 2

] ;ft

]

- Kompresor 3

] ;ft

]

- Kompresor 4

] ;ft

]

9. Menghitung Head DesainKarena head yang dihitung adalah head dalam kondisi desain, maka persamaan yang digunakan menggunakan asumsi politropik, dengan rumus:- Kompresor 1

] ;ft

]

- Kompresor 2

] ;ft

]

- Kompresor 3

] ;ft


137


]

- Kompresor 4

] ;ft

]

10. Efisiensi AktualEfisiensi adalah perbandingan antara kerja sesungguhnya dengan kerja desain (teoritis). Efisiensi politropik dapat diketahui dengan persamaan :- Kompresor 1

- Kompresor 2

- Kompresor 3

- Kompresor 4



138


11. Efisiensi DesainEfisiensi adalah perbandingan antara kerja sesungguhnya dengan kerja desain (teoritis). Efisiensi politropik dapat diketahui dengan persamaan :- Kompresor 1

- Kompresor 2

- Kompresor 3

- Kompresor 4


12. Kapasitas Kompresora). Konversi kapasitas desain.


139


b). Kapasitas operasi :


140


c). Dalam weight flow :

13. Daya Kompresor Aktuala). Daya gas (aerodinamic)


141


b).Daya KompresorDaya kompresor merupakan perbandingan antara daya gas dengan efisiensi mekanis. Di mana untuk kompresor sentrifugal kehilangan daya karena mekanis sekitar 3 %. Sehingga, daya kompresor menjadi :

14. Daya kompresor Desaina). Daya gas (aerodinamic)


142


b).Daya KompresorDaya kompresor merupakan perbandingan antara daya gas dengan efisiensi mekanis. Di mana untuk kompresor sentrifugal kehilangan daya karena mekanis sekitar 3 %. Sehingga, daya kompresor menjadi :

15. Efisiensi Overall Compressor 151-J

η=


143


VI.1.7 Kesimpulan

Kompresor berfungsi untuk menaikkan tekanan fluida yang pada kasus

ini fluida yang digunakan adalah gas carbon dioxyde CO2. Kompresor GB 151

terdiri dari 4 stage dengan sistem intercooler tiap stage.

Gambar 6.3. Hubungan Antar Kompresi Politropik dan Suhu

Alasan penggunaan sistem intercooler ini adalah karena selama proses

kompresi berlangsung, temperatur meningkat. Peristiwa ini dikenal dengan

kompresi politropik. Grafik 6.3. menunjukkan bahwa besarnya daya kompresi

juga menigkat bila temperatur meningkat. Kompresor dibuat bertingkat

dengan demikian mengurangi kenaikan temperatur dan meningkatkan efisiensi

kompresi. Temperatur gas yang meninggalkan setiap stage didinginkan

sebelum memasuki stage berikutnya.

Dari segi sistem intercooler, bisa disimpulkan pendingin antara yang

sempurna dicapai bila temperatur gas meninggalkan pendingin antara adalah

identik dengan temperatur gas memasuki kompresor. Konsumsi daya

kompresor minimum dapat dicapai dengan pendinginan antara yang sempurna

dan rasio tekanan pada semua tingkat adalah sama. Namun pendinginan antara

yang sempurna sukar untuk dicapai di dalam praktek real-nya karena biaya

penukar kalor air pendingin yang menjadi penghalang. Sedangkan untuk


144


jumlah tingkat kompresor yang paling efisien adalah ditentukan oleh tekanan

operasi aktual dan efisiensi kompresor yang diinginkan.

Berdasarkan hasil perhitungan (data rekapitulasi) dan kondisi mekanik

terhadap evaluasi unjuk kerja kompresor sentrifugal GB 151 dapat

disimpulkan sebagai berikut : Kompresor beroperasi dengan tekanan lebih

rendah dari desain sehingga kapasitas operasi lebih kecil dari desain,

menyebabkan efisiensi secara keseluruhan di HP Case Compressor ini sebesar

80.85 %. Efisiensi yang masih dapat dikatakan tergolong baik karena

dilakukan Turn Around pada tahun 2011, pada saat itulah biasanya dilakukan

pengukuran-pengukuran clearance, penggantian suku cadang maupun

rekondisi aparat sehingga mempengaruhi kinerja dari kompresor dari kinerja

semula. Kondisi kompresor secara mekanik dalam kondisi baik dan tidak

mengalami gangguan yang berarti. Pelaksanaan pemeliharaan selama ini tidak

terjadi penyimpangan dari schedule yang ditetapkan.

VI.1.8 Saran

Operasi kompresor secara efisien masih memerlukan hal-hal yang

penting dan harus dijaga, misalnya kandungan pengotor seperti padatan-

padatan yang terkandung dalam gas dijaga seminimal mungkin sehingga

kualitas dari kemurnian CO2 dalam arus masuk tetap terjaga. Selain itu perlu

adanya pengecekan pada pipa – pipa yang korosi karena dapat menyebabkan

Ferro terbawa aliran. Adanya pengotor dapat mengganggu operasi compressor

menjadi tidak balance dan akan menaikkan getaran (Vibration) terhadap

kompresor.

Untuk menjaga unjuk kerja kompresor dapat dipertahankan sehingga

target operasi terpenuhi, disarankan :

1. Parameter yang berpengaruh terhadap unjuk kerja

dikembalikan sesuai kondisi desain sehingga kompresor

bekerja pada efisiensi terbaik.


145


2. Meningkatkan preventive maintenance yang lebih baik dan

terintegrasi serta penyediaan suku cadang pada bagian-bagian

kompresor yang kritis.

3. Dilakukan pemeriksaan dan perawatan peralatan indikator

seperti pressure gauge, temperatur gauge, flow indicator, dan

yang lainnya agar parameter-parameter yang ditunjukan oleh

indikator tersebut benar-benar mempresentasikan kondisi

kompresor yang sebenarnya, sehingga dapat menghindari

kekeliruan dalam setiap tindakan operasi yang dilakukan.

4. Pemeriksaan berkala (over haul) yang telah dilakukan hingga

saat ini agar tetap dilaksanakan secara konsisten pada masa-

masa yang akan dating. Karena hasil pemeriksaan berkala yang

telah dilakukan terbukti dapat mencegah kerusakan besar yang

mungkin akan terjadi.

Untuk mencegah gangguan operasi terhadap kompresor hal-hal

sebagai berikut harus mendapatkan perhatian khusus :

1. Usahakan aliran kick back 0 agar kinerja kompresor tetap

stabil.

2. Kualitas CO2 masuk kompresor diperhatikan secara teratur,

dengan melihat analyzer secara kontinyu.

3. Usahakan suhu CO2 masuk kompresor tidak terlalu jauh dari

suhu masuk design, karena dapat memperberat kerja dari

sistem intercooler dan memperpendek umur alat serta efisiensi

kompresor tetap terjaga.

4. Perlu dilakukan control jumlah feed CO2 yang masuk agar

tidak melebihi kapasitas kompresor yang dapat memperpendek

umur kompresor.

5. Design temperatur dari gas yang keluar selalu dijaga


146


6. Alat pengukur vibrasi harus sering sering dicek untuk

menentukan level atau tingkatan getaran dari kompresor dan

hasil pengamatan harus dicatat di log sheet.


147


Neraca Massa dan Neraca Panas Pabrik Urea & Identifikasi Alat Boros Energi

VI.2.1Latar Belakang

Urea adalah suatu senyawa organik yang terdiri dari unsur karbon,

hidrogen, oksigen dan nitrogen dengan rumus CON2H4 atau (NH2)2CO. Urea

juga dikenal dengan nama carbamide yang terutama digunakan di kawasan

Eropa. Nama lain yang juga sering dipakai adalah carbamide resin, isourea,

carbonyl diamide dan carbonyldiamine. Senyawa ini adalah senyawa organik

sintesis pertama yang berhasil dibuat dari senyawa anorganik. (wikipedia,

2007).

Urea merupakan pupuk nitrogen yang paling mudah dipakai. Zat

ini mengandung nitrogen paling tinggi (46%) di antara semua pupuk padat. Urea

mudah dibuat menjadi pelet atau granul (butiran) dan mudah diangkut dalam

bentuk curah maupun dalam kantong dan tidak mengandung bahaya ledakan. Zat

ini mudah larut di dalam air dan tidak mempunyai residu garam sesudah

dipakai untuk tanaman. Kadang-kadang zat ini juga digunakan untuk pemberian

makanan daun. Disamping penggunaannya sebagai pupuk, urea juga

digunakan sebagai tambahan makanan protein untuk hewan pemamah

biak, juga dalam produksi melamin, dalam pembuatan resin, plastik,

adhesif, bahan pelapis, bahan anti ciut, tekstil, dan resin perpindahan ion. Bahan

ini merupakan bahan antara dalam pembuatan ammonium sulfat, asam

sulfanat, dan ftalosianina (Austin, 1997).

Pabrik Urea Pusri II merupakan pabrik tertua di Pupuk Sriwidjaja

Palembang. Pabrik ini dibangun pada tahun 1972 dengan kapasitas produksi

380.000 ton urea/tahun.. Saat ini pabrik urea pusri II hanya mampu memproduksi

urea sebesar 1540.3 ton/hari. Hal tersebut terjadi karena umur dari alat-alat di

pabrik urea pusri II yang sudah tua sehingga kinerjanya tidak dapat lagi

maksimal. Selain karena umur alat yang sudah tua, banyaknya pipa-pipa steam

yang bocor menjadi penyebab banyaknya energi yang hilang sehingga


148


berpengaruh kepada konsumsi energi yang tidak efisien. Pabrik pupuk urea

merupakan pabrik yang mengonsumsi energi yang besar sekali. Energi dalam

berbagai macam bentuknya digunakan untuk berbagai keperluan mulai dari

proses produksi, perkantoran hingga untuk keperluan perumahan. Dengan

demikian, maka pada pabrik urea pusri II akan dikaji mengenai identifikasi alat-

alat boros energi di pabrik pupuk urea pusri II.

Penyusunan neraca massa dan neraca panas tentunya akan membantu

dalam identifikasi alat boros energi. Selain itu, dengan adanya perhitungan

neraca massa dan neraca panas tentunya dapat dihitung efisiensi beberapa alat di

pabrik urea pusri II.

VI.2.2Tujuan

Tujuan penulisan tugas khusus ini adalah sebagai berikut :

1. Mengetahui prinsip pembuatan urea dengan meninjau segi kuantitatfinya

dengan neraca massa.

2. Mengidentifikasi alat boros energi secara kuantitatif dengan neraca panas.

3. Mengevalusi nilai efisiensi masing-masing unit di pabrik urea pusri II.

VI.2.3Metodologi

Metodologi yang digunakan dalam tugas khusus ini adalah :

1. Mempelajari prinsip-prinsip pembuatan urea.

2. Observasi lapangan, dilakukan di PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang pada

pabrik urea pusri II.

3. Penyelesaian dengan perhitungan menggunakan Microsoft Excel.

VI.2.4Tinjauan Pustaka

Sifat Fisik Urea


149


Urea mempunyai rumus senyawa NH2CONH2. Kegunaan utama dari urea

adalah sebagai pupuk. Kegunaan yang lainnya adalah sebagai resin, lem, dan

pelarut. Dari rumus senyawa tersebut, maka urea dapat dikategorikan sebagai

amida dari asam karbamat (NH2COOH), atau diamida dari asam karbonat

(CO(OH)2). Pada temperatur ruang, urea tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak

berasa. Di dalam air, urea akan terhidrolisa menjadi ammonium karbamat

NH2COONH4, yang selanjutnya akan terdekomposisi menjadi amonia dan CO2.

Sintesis urea pertama kali dilakukan dengan cara mereaksikan amonia dan

asam sianat (Woehler, 1828). Sintesis urea ini adalah pertama kali suatu senyawa

organik dibentuk dengan reaksi yang melibatkan senyawa anorganik. Pada saat

ini, produksi urea komersial dilakukan dengan cara mereaksikan amonia dan

karbondioksida pada tekanan dan temperatur tinggi untuk membentuk amonium

karbamat. Reaksi ini juga diikuti oleh reaksi dehidrasi amonium karbamat

menjadi urea. Kedua reaksi ini terjadi secara seri, dan dapat dituliskan dengan

persamaan reaksi berikut :

CO2 + 2NH3 NH2COONH4 ; H190C=-155kJ/mol

(karbamat)

NH2COONH4 NH2CONH2 + H2O; H190C = 42kJ/mol

(urea)

Reaksi antara amonia dan karbondioksida merupakan reaksi yang bersifat

eksotermis, sedangkan reaksi dehidrasi karbamat merupakan reaksi yang bersifat


150


endotermis. Secara keseluruhan kedua reaksi tersebut di atas bersifat eksotermis,

yang berarti dibutuhkan suplai energi panas demi berlangsungnya reaksi.

Sifat-sifat fisik dari urea dapat dilihat pada tabel 6.5., 6.6., 6.7., dan 6.8.

Tabel 6.5. Sifat fisik dan kimia urea secara umum

Titik leleh (oC) 132.7

Specific gravity pada 20oC 1.335

Bentuk kristal tetragonal

Energi pembentukan pada 25oC (cal/g.mol) -47.12

Panas pelarutan dalam air (cal/g) 58

Bulk density (g/cm3) 0.74

Panas pengkristalan (kJ/kg) 196.648

Tabel 6.6. Panas spesifik urea

Temperatur (oC) Panas spesifik (cal/g.oC)

0 0.344

50 0.397

100 0.451

150 0.504


151


Tabel 6.7. Sifat fisik larutan urea jenuh pada setiap temperatur

Temperatur (oC) Kelarutan dalam air (g urea/ 100 g larutan) Densitas (gr/ml)

0 41 1.12

20 51.6 1.147

40 62.2 1.167

60 72.2 1.187

80 80.6 1.198

100 88.3 1.21

120 95.5 1.221

130 99.2 1.226

Tabel 6.8. Sifat fisik larutan urea jenuh pada amonia

Temperatur

(oC)

Komposisi urea dalam larutan

(% - w)

Tekanan uap larutan

(atm)

0 36 5


152


20 49 7

40 68 9.4

60 79 10.8

80 84 13.3

100 90 12.5

120 96 5

Sifat Kimia Urea

Urea merupakan senyawa yang bersifat basa lemah. Sifat ini dapat

ditunjukkan pada struktur senyawa urea yang mengandung gugus -OH seperti

dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 6.4. Struktur senyawa urea

Pada tekanan atmosferik, urea akan terdekomposisi menjadi amonia,

karbondioksida, dan biuret, HN(CONH2). Senyawa biuret merupakan senyawa

yang paling tidak dikehendaki terdapat dalam campuran produk. Kandungan


153


senyawa biuret melebihi 2 % berat akan membawa dampak negatif bagi

pertumbuhan tanaman.

Urea dapat bereaksi dengan asam nitrat memebentuk urea nitrat,

CO(NH2)2.HNO3, yang memiliki sifat mudah meledak bila dipanaskan. Urea padat

akan stabil pada temperatur dan tekanan ruang. Larutan urea akan terhidrolisis

menjadi karbamat pada temperatur ruang. Urea juga akan mengalami dekomposisi

menjadi biuret dan amonia bila mengalami pemanasan yang terlalu lama. Reaksi

pembentukan biuret dapat ditulis dengan persamaan berikut ini :

2NH2CONH2 NH2CONHCONH2 + NH3

urea biuret amonia

Reaksi di atas akan terjadi pada kondisi tekanan rendah, temperatur tinggi, dan

waktu pemanasan yang lama. Pada tekanan 100 – 200 atm, biuret akan bereaksi

balik menjadi urea dengan kehadiran amonia.

Urea pertama akan bereaksi dengan perak nitrat (AgNO3), dan akan

membentuk senyawa turunan perak dengan rumus molekul CON2H2Ag, yang

berwarna kuning pucat. Dengan kehadiran natrium bromida (NaBr) dan natrium

hidroksida, urea akan bereaksi menghasilkan nitrogen dan karbondioksida. Reaksi

yang berlangsung dapat dituliskan dengan persamaan :

NH2CONH2 + 3 NaBr + 2NaOH N2 + 3NaBr + Na2CO3 + 3H2O


154


Reaksi antara urea dan alkohol akan menghasilkan ester dari asam karbamat, yang

biasa dikenal dengan sebutan urethan. Reaksi yang berlangsung dapat dituliskan

dengan persamaan :

NH2CONH2 + ROH NH2COOR + NH3

Urea akan bereaksi dengan formaldehid dan akan membentuk senyawa

monometilurea, NH2CONHCH2OH, dimetilurea, atau senyawa lainnya tergantung

dari rasio molar formaldehid terhadap urea dan kondisi PH dari larutan. Urea juga

akan bereaksi dengan hidrogen peroksida membentuk senyawa CO(NH2)2H2O2,

yang dikenal sebagai resin.

Senyawa turunan dari urea, yang banyak digunakan untuk keperluan obat-

obatan merupakan senyawa yang disintesis dari urea dan asam malonat,

menghasilkkan asam barbiturat. Reaksi dari pembentukan asam barbiturat tersebut

dapat dituliskan dengan persamaan di bawah ini :

Gambar 6.5. Reaksi Pembentukan Senyawa Asam barbiturate


155


Reaksi Sintesis Urea

Sintesis urea pertama kali dilakukan dengan cara mereaksikan amonia dan

asam sianat (Woehler, 1828). Sintesis urea ini adalah pertama kali suatu senyawa

organik dibentuk dengan reaksi yang melibatkan senyawa anorganik. Pada saat

ini, produksi urea komersial dilakukan dengan cara mereaksikan amonia dan

karbondioksida pada tekanan dan temperatur tinggi untuk membentuk amonium

karbamat. Reaksi ini juga diikuti oleh reaksi dehidrasi amonium karbamat

menjadi urea. Kedua reaksi ini terjadi secara seri, dan dapat dituliskan dengan

persamaan reaksi berikut :

CO2 + 2NH3 NH2COONH4 ; H180C=-155kJ/mol

(karbamat)

NH2COONH4 NH2CONH2 + H2O; H180C = 42kJ/mol

(urea)

Reaksi antara amonia dan karbondioksida merupakan reaksi yang bersifat

eksotermis, sedangkan reaksi dehidrasi karbamat merupakan reaksi yang bersifat

endotermis. Secara keseluruhan kedua reaksi tersebut di atas bersifat eksotermis,

yang berarti dibutuhkan suplai energi panas demi berlangsungnya reaksi. Reaksi

pembentukan urea juga merupakan reaksi kesetimbangan. Nilai konstanta

kesetimbangan (K) pada berbagai temperatur dapat dilihat pada tabel 6.9.

Tabel 6.9. Konstanta kesetimbangan reaksi sintesis urea pada berbagai

temperatur


156


T (oC) K

100 2.32

150 2.08

200 1.86

250 1.721

Reaksi sintesis urea merupakan reaksi yang berorde satu. Dengan

demikian maka persamaan kinetik dari reaksi sintesis urea dapat dinyatakan

dengan persamaan :

C urea = konsentrasi urea yang terbentuk

K = konstanta kinetika reaksi

CNH3 = konsentrasi amonia

CCO2 = konsentrasi karbondioksida

n, m = orde reaksi dimana n + m =1

Sedangkan konstanta kinetika reaksi pada berbagai temperatur dapat dilihat pada

tabel 6.10.

Tabel 6.10. Konstanta kinetika reaksi pembentukan urea pada berbagai temperatur

T (oC) kx105 (s-1)

100 2.93


157


150 1.98

200 0.89

250 0.62

(Sumber : Wahlco Brocure, 1983)

Reaksi sintesis urea merupakan reaksi non-katalitik. Untuk melaksanakan

reakasi ini diperlukan tekanan dan temperatur yang tinggi. Temperatur tinggi

disini berfungsi untuk mempercepat laju reaksi, sedangkan tekanan yang

tinggi dibutuhkan untuk menggeser konversi kesetimbangan ke arah produk,

karena reaksi ini melibatkan peningkatan jumlah mol.

Konversi urea pada berbagai temperatur dapat dilihat pada tabel 6.11.

Sedangkan konversi urea pada berbagai tekanan dapat dilihat pada tabel 6.12..

Tabel 6.11. Konversi urea pada berbagai temperatur

T (oC) Konversi (%)

150 82

200 66. 5

350 53

400 47

450 43

500 38


Tabel 6.12. Konversi urea pada berbagai tekanan

P (atm) Konversi (%)


158


50 35

100 55.3

150 67.8

200 74.2

250 81

300 85


Karena reaksi sintesis urea merupakan reaksi yang bersifat eksotermik,

maka diperlukan temperatur serendah mungkin untuk mencapai konversi reaksi

yang tinggi. Akan tetapi bila reaksi dilaksanakan pada temperatur rendah, hal ini

akan mengakibatkan laju reaksi yang rendah. Untuk mengatasi hal ini, maka

diperlukan optimasi temperatur agar laju reaksi dapat berlangsung cepat dengan

tingkat konversi yang tinggi. Selain itu tekanan tinggi juga diperlukan untuk

mencapai tingkat konversi yang tinggi. Tekanan operasi yang dipilih hendaknya

juga harus memperhatikan aspek keselamatan di pabrik. Temperatur operasi

reaktor sintesis urea di PT Pupuk Sriwidjaja Palembang adalah sebesar 190-

200C, sedangakan tekanan operasi reaktor adalah sebesar 250 kg/cm2 –g ( 217,

88 atm-g).

VI.2.5Landasan Teori

1) Neraca Massa

Rumus neraca massa adalah :

[massa masuk]-[massa keluar]=[massa akumulasi]


159


Karena tidak ada akumulasi atau diasumsikan steady state sehingga

terbentuk persamaan neraca massa sebagai berikut :

[massa masuk]=[massa keluar]

Asumsi-asumsi yang digunakan dalam perhitungan neraca massa

adalah :

a. Kondisi steady state (akumulasi = 0).

b. Tidak ada pengotor seperti padatan-padatan yang terikut di dalam

sistem.

c. Massa yang keluar dari unit sintesa = Massa masuk unit purifikasi

d. Tidak ada perubahan massa di fluidizing dryer pada unit finishing

karena perubahan massa dianggap sangat kecil sehingga dapat

diabaikan.

e. Perhitungan dibatasi hanya sampai unit finishing karena setelah

unit finishing dianggap hanya terdapat proses packaging dan

perubahan massa tidak terlalu signifikan sehingga dapat diabaikan.

Untuk perhitungan konversi (X) di reaktor urea secara empiris, dapat

dituliskan sebagai berikut :

X = { 0,2616 (a) + 0,01945 (a)2 + 0,0382 (a) (b) – 0,1160 (b) – 0,02732 (a)

(t/100) – 0,1030 (b) (t/100) + 1,640 (t/100) – 0,1394 (t/100)3 – 1,869}.

100%

Dimana : a = Mol ratio NH3/CO2 total (a)

b = Mol ratio H2O/CO2 total (b)

t = Temperatur operasi (190°C-200°C)

2) Neraca Panas

Hukum konservasi energi (hk I termodinamika):

[Energi masuk] – [energi keluar] + [energi yang terbangkitkan sistem] –

[energi yang terkonsumsi sistem] = [energi terakumulasi dalam sistem]


160


1. Reaksi kimia yang bersifat eksotermis ( menghasilkan panas),

maka energi yang dihasilkan disebut sebagai energi yang

terbangkitkan sistem.

2. Reaksi kimia yang bersifat endotermis (membutuhkan panas),

maka energi yang dihasilkan disebut sebagai energi yang

terkonsumsi oleh sistem.

3. Untuk sistem dengan proses steady state, maka energi yang

terakumulasi = 0

Neraca panas / energi / tenaga :

a. NP total pada sistem alir ( flow sistem) pada keadaan steady

state

Input= output

Persamaan di atas sering dipakai untuk kasus transportasi

fluida, yaitu persamaan Bernoulli.

b. Neraca Energi untuk proses kimia ( non flow sistem ).

Sistem non alir dianggap terjadi di dalam alat-alat proses,

misal alat penukar panas (HE=heat exchanger), reaktor, dan

alat-alat transfer massa lainnya.

Pada sistem ini, biasanya EP dan EK <<< Q dan W, sehingga

EP dan EK dapat diabaikan dan

NP menjadi :

∆U + ∆PV = Q − W

∆H = ∆U + ∆PV = Q − W

∆H = Q − W


161


H2 – H1 = Q – W

Untuk beberapa proses, biasanya nilai W sangat kecil.

Sehingga :

H2 – H1 = Q = ∆H

Dengan, H1 = entalpi arus masuk (titik satu),

H2 = entalpi arus keluar (titik dua).

Macam-macam perubahan entalpi (panas):

1. Panas sensible (panas yang bisa dirasakan perubahan

suhunya).

Kapasitas panas (cp ) = banyaknya panas yang dibutuhkan

untuk menaikkan suhu setiap satuan massa setiap satuan

suhu.

Untuk padatan dan gas, Cp merupakan fungsi suhu.

Beberapa sumber data-data Cp :

a. Cp = f (T) ; appendix D, Coulson and Richardson, “

Chemical Engineering”. Table E.1. Himmelblau.

b. Cp dalam bentuk grafik; Geankoplis; Perry.

c. Cp untuk foods and biological material; appendix

A.4, Geankoplis,”Transport Processes and Unit

Operation”.

2. Panas laten ( panas perubahan fase dengan suhu tetap).

a. Panas peleburan (dari fase padat menjadi cair).

b. Panas sublimasi (dari fase padat menjadi gas ).

c. Panas kondensasi (dari fase gas menjadi cair).

d.. Panas kristalisasi (dari fase cair menjadi padat).

e. Panas penguapan (dari fase cair menjadi gas).

3. Panas reaksi (panas yang dihasilkan atau dibutuhkan

pada proses yang melibatkan reaksi kimia)

ΔHr bernilai positif menunjukkan reaksi membutuhkan

panas


162


ΔHr bernilai negatif menunjukkan reaksi menghasilkan

panas

Jika reaksi tidak dijalankan pada kondisi standar, maka

dapat dilakukan :

a) Suhu umpan dibayangkan diturunkan atau

dinaikkan sampai suhu standar, kemudian

b) Direaksikan pada kondisi standar

c) Suhu produk dinaikkan sampai suhu keluar

d) Selanjutnya panas reaksi dihitung


163


VI.2.6Perhitungan

Pra rancangan pabrik pembuatan Pupuk Urea Pusri II dari Gas Sintesis

dilaksanakan untuk kapasitas produksi sebesar 1540.3 ton/hari, dengan ketentuan

sebagai berikut:

1 hari kerja = 24 jam

Basis = 1 jam operasi

Maka kapasitas produksi Pupuk Urea tiap jam adalah:

=

Bahan Baku dan Berat Molekul Bahan Baku yang digunakan (Wikipedia, 2007;

Perry, 1999) :

− Nitrogen (N2) = 28 g/mol

− Hidrogen (H2) = 2 g/mol

− Ammonia (NH3) = 17 g/mol

− Karbondioksida (CO2) = 44 g/mol


164


Berat Molekul Urea = 60 kg/kmol

Kemurnian Urea yang dihasilkan = 99 % x 64183 kg/jam

= 63541 kg/jam

1) Neraca Massa

A. Unit Sintesa

a. Reaktor Urea


165

CO2 Feed

Unit SintesaNH3 Feed

Out to purifikasi

Recycle


Dengan Rate CO2 65.68% :

Data yang diperoleh dari lapangan pada tanggal 1 Februari 2012 - 29

Februari 2012 adalah sebagai berikut :

Aliran 1: CO2 = 11833.8 Kg/Jam (100%wt)

Aliran 2: NH3 = 24602 Kg/Jam (100%wt)

Aliran 3: UREA = 11892.837 Kg/Jam (18,11%wt)

NH3 = 19044.3 Kg/Jam (29,0%wt)

CO2 = 17711.199 Kg/Jam (26,97%wt)

H2O = 16732.716 Kg/Jam (25,48%wt)

BIURET = 288.948 Kg/Jam (0,44%wt)

Basis : 1 Jam Operasi

Komposisi Inlet Reaktor:

UREA = 11892.837 Kg

= 198.21 Kmol

NH3 Total = 24602 + 19044.3

= 42543.7 Kg

= 2567.43 Kmol

CO2 Total = 11833.8 + 17711.199

= 29544.99 Kg

= 671.477 Kmol


166


H2O = 16732.716 Kg

= 929.6 Kmol

Biuret = 288.948 Kg

= 2.8 Kmol

*Mole Ratio :

= 1.38

*Konversi CO2 menjadi Urea

X = {(0,2616 . 3.82)–(0,01945 .(3.82)2)+(0,0382 .(3.82).(1.38))-(0,1160 .

1.38))-(0,02732. (3.82).(190/100))-(0,1030.1.38)(190/100))+(1,640.

(190/100))-(0,1394(190/100)3)- 1,869)} x 100%

= 55.8876 %

Untuk urea yang terbentuk karena reaksi dengan asumsi semua CO2 bereaksi

dengan NH3 membentuk karbamat dan karbamat terhitung dalam bentuk NH3 dan

CO2 maka :

Urea hasil reaksi = X . CO2 masuk reaktor

= 0,558876 . 671.477

= 375.27 Kmol/Jam

CO2 yang bereaksi = 375.27 Kmol/Jam

NH3 yang bereaksi = 2 x 375.27

= 750.54 Kmol/Jam

H2O hasil reaksi = 375.27 Kmol/Jam

*Menghitung aliran keluar dari reaktor :

CO2 keluar reaktor = CO2 masuk – CO2 bereaksi

= 671.477 – 375.27

= 296.2 Kmol/Jam

H2O keluar reaktor = 375.27 + 929.6

= 1304.87 Kmol/Jam


167


Konversi biuret menjadi urea pada data design

= x 100 %

= 35,052% / jam x 1 jam/60 menit

= 0,584% / menit

Biuret yang menjadi urea = 0,584% / menit x 25 menit (waktu tinggal) x 2.8

= 0,408

Urea yang terbentuk dari biuret = 2 x 0,408

= 0.8176

Total urea yang keluar reaktor = 375.27 + 198.21 + 0.8176

= 574.3 Kmol/Jam

Biuret yang keluar reaktor = biuret masuk – biuret yang menjadi urea

= 2.8 – 0.8176

= 1.9824 Kmol/Jam

NH3 keluar reaktor = NH3 masuk + NH3 bereaksi dengan CO2 - NH3 bereaksi

dengan biuret

= 2567.43 – 750.54 – 0,408

= 1816.482 Kmol/Jam

Tabel 6.13. Komposisi umpan masuk reaktor

Komponen Kg/Jam BM Kmol/JamCO2 11833.8 44 268.95NH3 24602 17 1415.411

Tabel 6.14. Komposisi umpan masuk reaktor dari recycle

Komponen Kg/Jam BM Kmol/JamUrea 11892.837 60 198.21NH3 19044.3 17 1120.25CO2 17711.199 44 402.53


168


H2O 16732.716 18 929.60Biuret 288.948 103 2.81

Tabel 6.15. komposisi aliran keluar dari reaktor (DC-151)

Komponen BM Kmol/jam Kg/jamUrea 60 574.3 34458NH3 17 1816.482 30880.194CO2 44 296.2 13032.8H2O 18 1304.87 23487.66

Biuret 103 1.9824 204.1872Total - 3993.8344 102,063

Tabel 6.16. Material Balance Reaktor Urea

KOMPOSISI (%)

INLET REAKTOR OUTLET REAKTOR

DC 151 DC 151S-104 S-104

Kg/H % Kg/H %

UREA 11892.837 11.77 34458 33.76

NH3 42543.7 42.12 30880.194 30.26

CO2 29544.99 29.25 13032.8 12.77

H2O 16732.716 16.57 23487.66 23.01

BIURET 288.948 0.29 204.1872 0.20TOTAL 101003.19 1.00 102062.84 100

Dengan Rate CO2 100% :

Komposisi Inlet Reaktor:

UREA = 5916 Kg

= 98.60 Kmol

NH3 Total = 142996 Kg

= 8411.53 Kmol


169


CO2 Total = 88776 Kg

= 2017.64 Kmol

H2O = 27063 Kg

= 1503.50 Kmol

Biuret = 206 Kg

= 2 Kmol

*Mole Ratio :

= 0.52

*Konversi CO2 menjadi Urea

X = {(0,2616 . )–(0,01945 .( )2)+(0,0382 .( ).( 0.52))-(0,1160 .

0.52))-(0,02732. ( ).(190/100))-(0,1030.0.52)(190/100))+(1,640.

(190/100))-(0,1394(190/100)3)-1,869)} x 100%

= 73.48 %

Untuk urea yang terbentuk karena reaksi dengan asumsi semua CO2 bereaksi

dengan NH3 membentuk karbamat dan karbamat terhitung dalam bentuk NH3 dan

CO2 maka :

Urea hasil reaksi = X . CO2 masuk reaktor

= 0.7348 . 2017.64

= 1482.5 Kmol/Jam

CO2 yang bereaksi = 1482.5 Kmol/Jam

NH3 yang bereaksi = 2 x 1482.5

= 2965 Kmol/Jam

H2O hasil reaksi = 1482.5 Kmol/Jam

*Menghitung aliran keluar dari reaktor :

CO2 keluar reaktor = CO2 masuk – CO2 bereaksi

= 2017.64 – 1482.5


170


= 535.14 Kmol/Jam

H2O keluar reaktor = 1482.5 + 1503.50

= 2986 Kmol/Jam

Konversi biuret menjadi urea pada data design = x 100 %

= 35,052% / jam x 1 jam/60 menit

= 0,584% / menit

Biuret yang menjadi urea = 0,584% / menit x 25 menit (waktu tinggal) x 2

= 0,292

Urea yang terbentuk dari biuret = 2 x 0,292

= 0.584

Total urea yang keluar reaktor = 1482.5 + 98.60 + 0.584

= 1581.684 Kmol/Jam

Biuret yang keluar reaktor = biuret masuk – biuret yang menjadi urea

= 2 – 0.584

= 1.416 Kmol/Jam

NH3 keluar reaktor = NH3 masuk + NH3 bereaksi dengan CO2 - NH3 bereaksi

dengan biuret

= 8411.53 – 2965 – 0,292

= 5446.238 Kmol/Jam

Tabel 6.17. Komposisi umpan masuk total reaktor (DC 151)

Komponen BM Kmol/jam Kg/jamUrea 60 98.6 5916NH3 17 8411.53 142996CO2 44 2017.64 88776H2O 18 1503.5 27063

Biuret 103 2.00 206Total - 12033.26384 264,957

Tabel 6.18. Menghitung komposisi aliran keluar dari reaktor (DC-151)


171


Komponen BM Kmol/jam Kg/jamUrea 60 1581.684 94901.04NH3 17 5446.238 92586.05CO2 44 535.14 23546.16H2O 18 2751.72 49530.96

Biuret 103 1.416 145.85Total - 10316.198 260,710

Tabel 6.19. Material Balance Reaktor Urea :

KOMPOSISI (%)

INLET REAKTOR OUTLET REAKTOR

DC 151 DC 151S-104 S-104

Kg/H % Kg/H %

UREA 5916 2.23 94901.04 36.40

NH3 142996 53.97 92586.046 35.51

CO2 88776 33.51 23546.16 9.03

H2O 27063 10.21 49530.96 19.00

BIURET 206 0.08 145.848 0.06TOTAL 264957 100.00 260710.05 100.00

Efisiensi reaktor =

=

= 76 %


172


Dari perhitungan efisiensi reaktor didapatkan efisiensi sebesar 76%, hal ini

disebakan karena rate CO2 aktual dan design cukup berbeda. Dalam kondisi actual

dengan rate CO2 65.68 % diperoleh konversi urea sebesar 55.8 %. Adapun alasan

pengurangan rate CO2 ini adalah ketidakmampuan beberapa alat di unit purifikasi

dan pembutiran karena umur alat yang sudah tua dan kinerjanya sudah jauh

menurun dari semula sehingga perlu dilakukan penyesuaian, salah satunya adalah

dengan pengurangan rate CO2 masuk.

Aliran keluar reaktor kemudian dialirkan melewati stripping dan carbamate

condenser. Dari hasil pengambilan data lapangan, komposisi aliran keluar dari

unit sintesis menuju unit purifikasi adalah sebagai berikut :

Tabel 6.20. Aliran Masuk Unit Purifikasi

Komponen BM Kmol/jam Kg/jamUrea 60 1389 83358

NH3 17 5458 92780

CO2 44 666 29299

H2O 18 2752 49531

Biuret 103 2 180Total - 10266 255148

Jumlah Urea dari reaktor menuju unit purifikasi berkurang dari 94901.04 kg/jam

menjadi 83358 kg/jam, hal ini terjadi karena ada sebagian urea yang

dikembalikan ke reaktor setelah melewati carbamate condenser dengan tujuan

agar diperoleh konversi yang lebih tinggi.

B. Unit Dekomposisi/Purifikasi


173


a. High Pressure Decomposer (HPD)

HPD berfungsi untuk menguraikan sebanyak mungkin ammonium

karbamat menjadi gas NH3 dan CO2 dan melepaskan kelebihan

NH3 dengan cara penurunan tekanan melalui pemanasan

menggunakan steam condensate. Hal yang harus diperhatikan

adalah pembentukan biuret dan hydolisa urea pada temperatur

tinggi dengan cara mengatur waktu tinggal sependek mungkin.

Tabel 6.21. Material Balance HPD

KOMPOSISI (%)

INLET HPD OUTLET HPD (TO LPD)

OUTLET HPD (TO HPA)


174

HPD

Inletfrom Reaktor

Out to HPA

Out to LPA


DA 202 DA 202 DA 202

Kg/H % Kg/H % Kg/H %

UREA 83358 32.67 78428 64.31 0 0

NH3 92780 36.37 6945 5.69 21190 41.19

CO2 29299 11.48 4980 1.62 23225 45.14

H2O 49531 19.41 34252 28.08 7034 13.67

BIURET 180 0.07 370 0.3 0 0

TOTAL 255148 100 124975 100 51449 100

b. Low Pressure Decomposer (LPD)

LPD berfungsi untuk menguapkan ekses (kelebihan) NH3 dan

menguraikan ammonium karbamat menjadi gas NH3 dan CO2

dengan cara penurunan tekanan dan pemanasan Falling Film

Heater dan gas dari proses Condensate Stripper.

Tabel 6.22. Material Balance LPD

KOMPOSISI (%)

INLET LPD OUTLET LPD (TO GS)

OUTLET LPD (TO LPA)


175

LPDInletfrom bottom HPD

Out to LPA

Out to GS


DA 202 DA 202 DA 202


UREA 78428 64.31 77707 68.36 77707 68.36

NH3 6945 5.69 1037 0.91 1037 0.91

CO2 4980 1.62 688 0.61 688 0.61

H2O 34252 28.08 33810 29.74 33810 29.74

BIURET 370 0.3 431 0.38 431 0.38

TOTAL 124975 100 113673 100 113673 100

c. Gas separator (GS)

Tabel 6.23. Material Balance GS

KOMPOSISI (%)

INLET GSOUTLET GS (TO

CONCENTRATOR)OUTLET GS (TO

OGA)

DA 203 DA 203 DA 203


176

Gas Separator

Inletfrom bottom LPD

Out to OGA

Out to Crystallizer



UREA 77707 68.36 53482 71.34 0 0

NH3 1037 0.91 359 0.48 561 14.19

CO2 688 0.61 238 0.32 359 9.08

H2O 33810 29.74 20552 27.41 3033 76.73

BIURET 431 0.38 339 0.45 0 0

TOTAL 113673 100 74970 100 3953 100

C. Unit kristalisasi dan pembutiran

Urea dari Urea Solution Tank yang sudah bebas kandungan karbamat

dikristalkan pada kondisi vacuum oleh Crystalizer. Kristal urea yang

terjadi dipisahkan dari larutan induk (mother liquor) di Centrifuge.

Kemudian kristal urea dikeringkan dan dihembuskan oleh udara panas ke

Melter (dibuat lelehan) yang selanjutnya di prill-kan di Prilling Tower

sambil didinginkan dengan udara kering.


177


a. Crystallizer

Merupakan tempat mengkristalkan larutan urea dengan cara

divacuumkan, sehingga uap airnya menguap dan dikirim ke PCT.

Larutan urea selanjutnya membentuk kristal dan turun ke bawah.

Crystalizer terdiri dari 2 bagian atas dan bawah:

1. Vacuum Concentrator


178


Merupakan tempat menguapkan air dari larutan urea.

2. Crystallizer

Merupakan tempat mengkristalkan larutan urea yang turun dari

vacuum concentrator, dimana kristal akan tumbuh menjadi besar

karena adanya kontak dengan larutan urea yang supersaturated,

sampai kandungan kristal ureanya 30-35% berat.

Asumsi massa masuk crystallizer = massa keluar crystallizer

Tabel 6.24. Material Balance Crystallizer

KOMPOSISI (%)

INLET CRYSTALLIZER OUTLET CRYSTALLIZER

A B C D

Kg/H % Kg/H % Kg/H % Kg/H %

UREA 53482 71.34 957864 85.30 132670 84.43 878463 84.43

NH3 359 0.48 2392 0.21 358 0.23 2393 0.23

CO2 238 0.32 2168 0.19 326 0.2 2081 0.20

H2O 20552 27.41 137200 12.22 20719 13.17 137029 13.17

BIURET 339 0.45 23262 2.07 3105 1.97 20496 1.97

TOTAL 74970 100 1122886 100 157178 100 1040462 100


179

CRYSTALLIZER

Inlet from bottom GS

Out to Centrifuge

Inlet from bottom Centrifuge

Back to concentrator


Dimana, A = Aliran masuk dari gas separator

B = Aliran masuk dari dasar concentrator

C = Keluar ke centrifuge

D = Keluar ke concentrator

b. Centrifuge

Berfungsi memisahkan kristal urea dari larutan induk dengan

bantuan prethickener FD-202. Lima unit prethickener dan

centrifuge ini disiapkan untuk mendapatkan produk 100% dengan

kadar air sekitar 1,9%. Larutan induk yang dipisahkan oleh

prethickener dan centrifuge mengalir ke bawah dan ditampung di

Mother Liquor Tank FA-203, dipanasi dengan steam melalui tube

untuk menghindari kristalisasi.

Tabel 6.25. Material Balance Centrifuge

KOMPOSISI (%)

INLET CENTRIFUGEOUTLET

CENTRIFUGE (TO FLUIDIZING DRYER)

OUTLET CENTRIFUGE (TO MOTHER LIQUOR

TANK)GF 201 GF 201 GF 201


UREA 132670 84.43 47927 97.78 84943 78.39

NH3 358 0.23 0 0 358 0.33

CO2 326 0.2 0 0 326 0.3


180

CENTRIFUGE

Inlet from Crystallizer

Out to Fluidizing Dryer

Out to Mother Liquor Tank


H2O 20719 13.17 958 1.95 19761 18.24

BIURET 3105 1.97 133 0.27 2972 2.74

TOTAL 157178 100 49018 100 108360 100

c. Fluidizing Dryer

Berfungsi sebagai tempat mengeringkan kristal urea dengan

bantuan udara panas sampai kandungan air < 0,2% dan

mengalirkan kristal urea tersebut menuju cyclone. Udara panas

dijaga pada temperatur 120°C dan tidak boleh melebihi 130°C

(titik leleh urea dalah 132,7°C).

Asumsi yang digunakan adalah

Massa masuk Fluidizing Dryer = Massa keluar Fluidizing Dryer

d. Screw Conveyor

Massa masuk Screw Conveyor = Massa keluar Fluidizing Dryer

Tabel 6.26. Material Balance Screw Conveyor

KOMPOSISI (%)

INLET SCREW OUTLET SCREW

JD 301A/B JD 301A/B

Kg/H % Kg/H %

UREA 47927 97.78 47832 99.43

NH3 0 0 0 0

CO2 0 0 0 0

H2O 958 1.95 143 0.3

BIURET 133 0.27 132 0.27

TOTAL 49018 100 48107 100


181


e. Melter

Massa Masuk Melter = Massa keluar Screw Conveyor

Q steam

Q condensat

Tabel 6.27. Material Balance Melter

KOMPOSISI (%)

INLET MELTER OUTLET MELTER

EA 301 EA 301

Kg/H % Kg/H %

UREA 47832 99.43 63194 99.1

NH3 0 0 0 0

CO2 0 0 0 0

H2O 143 0.3 190 0.3

BIURET 132 0.27 382 0.6

TOTAL 48107 100 63766 100

f. Prilling tower

Berfungsi sebagai tempat membutirkan urea dari melter dengan

bantuan Distributor FJ-301 dan udara panas sebagai pendingin

butiran urea. Urea prill dikumpulkan di Fluidizing Cooler FD-302


182

MELTER

Inlet from Scew Conveyor

Out to Prilling Tower


dan overflow ke Trommel FD-303. Produk urea dikirim ke Bulk

Storage dengan Belt Conveyor.

Tabel 6.28. Material Balance Prilling Tower

KOMPOSISI (%)

INLET PRILLING OUTLET PRILLING

Kg/H % Kg/H %

UREA 47382 99.43 62969 99.1

NH3 0 0 0 0.0

CO2 0 0 0 0.0

H2O 143 0.3 191 0.3

BIURET 132 0.27 381 0.6

TOTAL 47657 100 63541 100.0


183


2) Neraca Panas

Data yang diperoleh dari lapangan pada tanggal 1 Februari – 29

Februari 2012 adalah sebagai berikut :

Tabel 6.29. Data Suhu Masuk dan Suhu Keluar Alat di Pabrik Urea

ALATDATA SUHU (°C)

Suhu Masuk Suhu Keluar

Reaktor176 (Recycle)

190156 (CO2)73 (NH3)

Stripper 178 192CC1 190 177CC2 187 177

HPD 156155 (To HPAC)

165 (to LPD)

LPD 149120 (to LPA)122 (to GS)

GS 117117 (to OGA)

92 (to crystallizer)

HPAC149 (gas in) 109 (gas out)35 (cw in) 94 (cw out)

Crystallizer 70 68Centrifuge 68 68

Fluidizing Dryer 68 100Melter 100 138

Prilling tower 138 43

1. Unit Sintesis

a. Reaktor

Kondisi umpan masuk

Temperatur : NH3 = 73 oC

CO2 = 156 oC

Recycle = 173 oC


184


Reaktor = 190 oC

Tekanan pada reaktor = 165 Kg/cm2

Reaksi :

2 NH3 + CO2 NH4CO2NH2 H1 = +36 Kkal/mol

NH2CO2NH4 NH2CONH2 + H2O H2 = 7,7 Kkal/mol

NH2CONH2 NH2CONHCONH2 + NH3 H3=+4,28 Kkal/mol

Qmasuk = Q CO2 + Q NH3 + Q recycle

Q CO2 = m cp dT

= 268.95 . 1000 (10,34 + 0,00274 T - ) dT

= 268950 (10,34 T + T2 + ) dT

= 268950 x [10,34 (156 - 25) + (1562 - 252) +

]


185

T CO2 = 156 oCT NH3 = 73 oCT Recycle = 173 oC Q1

25 oC 25 oC

Q2

190 oC


= 268950 x (2879.4) cal /gmol

= 774412070.2 cal / jam

= 774412 kcal / jam

= 3242308.1616 kJ / jam

Q NH3 = m cp dT

= 1415.411 . 1000 (6,70 + 0,00630 T) dT

= 1415411 (6,70 T + T2) dT

= 1415411 x [6,70 (73 - 25) + (732 - 252)]cal/gmol

= 1415411 x (336.4176) cal / gmol

= 476169171.6 cal / jam

= 476169.1716 kcal / jam

= 1993625.0876 kJ / jam

Q recycle = m cp dT

= 9820.5 . 1000 (7,563 + 3,4225.10-3T + 2,5728.10-

7 - ) dT


186


= 9820500 (7,563 T + T2 + T3

+ ) dT

= 9820500 x [7,563(173 -25) + (1732 - 252) +

(1733 - 253) + ]

= 9820500 x [1613.75] cal / gmol

= 15847831880 cal /jam

= 15847831.88 kcal / jam

= 66351702.51 kJ / jam

Qmasuk = Q CO2 + Q NH3 + Q recycle

= 3242308.1616 + 1993625.0876 + 66351702.51

= 71587635.76 kJ / jam

Qkeluar =

= Q urea + Q NH3 + Q CO2 + Q H2O + Q biuret

Q urea = m cp dT

= 1581.684 . 1000 (0,3437 + 0,001073 T) dT

= 1581684 (0,3437 T + T2) dT


187


= 1581684 x [0,3437 (190 -25) + (1902-252)]cal/gmol

= 1581684 x (75.74) cal / gmol

= 119796746.2 cal / jam

= 119796.7462 kcal / jam

= 501229.58 kJ / jam

Q NH3 = m cp dT

= 5446.238 . 1000 (6,7 + 0,00630 T) dT

= 5446238 (6,70 T + T2) dT

= 5446238 x [6,70 (190 – 25) + (1902 – 252)]cal / gmol

= 5446238 x [1217.24] cal / gmol

= 6629378743 cal / jam

= 6629378.743 kcal / jam

= 27737320.66 kJ / jam

Q CO2 = m cp dT

= 535.14 x 1000 (10,34 + 0,00274 T - ) dT

= 535140 (10,34 T + T2 + ) dT


188


= 535140 x [10,34 (190 - 25) + (1902 - 252) +

] cal / gmol

= 535140 x [2939.55] cal / gmol

= 1573070787 cal / jam

= 1573070.787 kcal / jam

= 6581728.17 kJ / jam

Q H2O = m cp dT

= 2751.72 x 1000 (8,22 + 0,00015T + 0,00000134T2)dT

= 2751720 (8,22 T + + T3) dT

= 2751720 x [8,22 (190 – 25) + (1902 - 252) +

(1903 - 253 )] cal / gmol

= 2751720 x [1362.01] cal / gmol

= 3747890334 cal / jam

= 3747890.334 kcal / jam

= 15691667.25 kJ / jam

Qbiuret = m cp dT


189


= 1.416 x 1000 (0,3437 + 0,001037 T) dT

= 1416 (0,3437 T + T2) dT

= 1416 x [0,3437 (190 - 25) + (1902 - 252)] cal /gmol

= 1416 x [75.74] cal /gmol

= 107247.84 cal / jam

= 107.24784 kcal / jam

= 448.72 kJ / jam

Qkeluar = Qurea + QNH3 + QCO2 + QH2O + Qbiuret

= (501229.58 + 27737320.66 + 6581728.17 + 15691667.25 +

448.72) kJ / jam

= 50512394.38 kJ / jam

Reaksi :

2 NH3 + CO2 NH4CO2NH2 (- H1) =-36 kcal/mol

NH2CO2NH4 NH2CONH2 + H2O (- H2)=+7,7 kcal/mol

2 NH2CONH2 NH2CONHCONH2 + NH3 (- H3) = +4,28 kcal/mol

NH3 + CO2 + NH2CONH2 NH2CONHCONH2 + NH3 + H2O

Qreaksi = Ft ΔHr ; Ft = mol total bereaksi


190

(-ΔHr) = - 24.02 kcal/mol= -100.5 kJ/mol= -100500 kJ/kmol


Qreaksi= 7761.95 kmol/jam x (- 100500 kJ/kmol)

= - 780075975 kJ/jam

Qin + Qdihasilkan sistem = Q out + Q reaksi

71587635.76 + Qdihasilkan sistem = 52142293.5 - 780075975

Qdihasilkan sistem = -799521317.3 kJ/jam

Reaksi overall pembentukan urea merupakan reaksi eksothermis, sehingga reaksi

menghasilkan panas, kemudian sebagian kecil panas tersebut digunakan untuk

proses hidrasi karbamat menjadi urea. Dari seksi sintesa banyak sekali panas yang

dapat dimanfaatkan, dapat terlihat banyaknya teknologi – teknologi baru dalam

unit sintesis urea sehingga panas tersebut dimanfaatkan dan kaitannya dengan

efisiensi unit sintesa dan konsep hemat energi.

2. Unit Purifikasi/Dekomposisi

a. HPD (High Pressure Decomposer)

1. Aliran panas yang masuk HPD

T = 156 °C Tref = 25 °C P = 17.5 kg/cm2

Tabel 6.30. Aliran Panas Masuk HPD

Komponen F (kmol/jam) Cp (kJ/kmol K) ΔT (K) Q1 (kJ/jam)Urea 1389.30 138.60 131.00 25224964.38NH3 5457.65 39.83 131.00 28476528.79CO2 665.89 42.65 131.00 3720407.00H2O 2751.72 78.06 131.00 28138726.20Biuret 1.75 149.63 131.00 34221.88Total 10266.30 85594848.24

2. Aliran panas keluar HPD to LPD

T = 165 °C Tref = 25 °C P = 17.5 kg/cm2

Tabel 6.31. Aliran Panas Keluar HPD to LPD

Komponen F (kmol/jam) Cp (kJ/kmol K) ΔT (K) Q2 (kJ/jam)


191


Urea 1307.13 138.79 140.00 25398384.95NH3 408.53 40.1 140.00 2293484.12CO2 113.18 42.91 140.00 679928.45H2O 1902.89 78.52 140.00 20918076.98Biuret 3.59 151.24 140.00 75986.73Total 3735.32 49365861.23

3. Aliran panas keluar HPD to HPA

T = 155 °C Tref = 25 °C P = 17.5 kg/cm2

Tabel 6.32. Aliran Panas keluar HPD to HPA


4. Panas Laten to HPA

Tabel 6.33. Panas Laten di HPD

Komponen F (kg/jam) λ (kJ/kg) Q4 (kJ/jam)NH3 21190.00 1369 29009110CO2 23225.00 574 13331150H2O 7034.00 2257 15875738Total 51449.00 58215998

Qin = 85594848.24 kJ / jam

Qout = 118775156.85 kJ / jam

Panas yang dibebankan pada reboiler HPD

= Qout – Qin

= 118775156.85-85594848.24

= 33180308.61 kJ / jam

Mencari massa steam yang dibutuhkan


192


Tsin = 200 °C = 473 K

Tsout = 183 °C = 456 K

T ref = 25 °C = 298 K𝛌ref = 2565. 78 kJ/kmol

Cpudara = 29.98 kJ/kmol.K

Asumsi yang digunakan adalah :

panas yang disupply steam = panas yang dibebankan pada

reboiler

Cp udara dianggap tidak tergantung suhu

Q steam masuk – Q steam keluar = Q fluida keluar –Q fluida masuk

Qsin = (0,7 ms. [Cpsteam.(Tsin-Tref)+𝛌ref])+0,3 ms.Cpair (Tsin-Tref)

= (0.7 ms. [35.63 (473-298)+ 2565. 78])+0.3 ms. 29.28 (473-298)

= 7697 ms

Qsout = ms. Cpair (Tsout-Tref)

= ms. 29.98 (456-298)

= 4736.84 ms

(7697 ms + 4736.84 ms) kJ/kmol = 33180308.61 kJ/jam

ms = 2668.548 kmol/jam

b. LPD (Low Pressure Decomposer)

1. Aliran panas yang masuk LPD

T = 149 °C Tref = 25 °C P = 2.3 kg/cm2

Tabel 6.34. Aliran Panas Masuk LPD



193


2. Aliran panas keluar LPD to GS

T = 122 °C Tref = 25 °C P = 2.3kg/cm2

Tabel 6.35 Aliran Panas Keluar LPD to GS


3. Aliran panas keluar LPD to LPA

T = 120 °C Tref = 25 °C P = 2.3 kg/cm2

Tabel 6.36. Aliran Panas Keluar LPD to LPA


4. Panas Laten to LPA

Tabel 6.37. Panas Laten di LPD


Qin = 43422839.02 kJ / jam

Qout = 54441840.94 kJ / jam

Panas yang dibebankan pada reboiler LPD = Qout – Qin


194


= 54441840.94 - 43422839.02

= 11019001.92 kJ / jam

Dari pengukuran data lapangan, diketahui massa steam yang

dibutuhkan di reboiler LPD sebesar 2.93 ton/jam

Massa steam dibutuhkan = 2.93 ton/jam

= 2930 kg/jam

= 162.78 kmol/jam

c. GS (Gas Separator)

1. Aliran panas yang masuk GS

T = 117 °C Tref = 25 °C P = 0.3 kg/cm2

Tabel 6.38. Aliran Panas Masuk GS


2. Aliran panas keluar GS to Crystallizer

T = 92 °C Tref = 25 °C P = 0.3kg/cm2

Tabel 6.39. Aliran Panas Keluar GS to Crystallizer


3. Aliran panas keluar GS to OGA


195


T = 117 °C Tref = 25 °C P = 1 atm

Tabel 6.40. Aliran Panas Keluar GS to OGA


4. Panas Laten to OGA

Tabel 6.41. Panas Laten di GS


Qin = 29949080.13 kJ / jam

Qout = 34988105.99 kJ / jam

Beban Panas GS = Qout – Qin

= 34988105.99 - 29949080.13

= 5039025.87 kJ / jam

Dari pengukuran data lapangan, diketahui massa steam masuk GS

sebesar 0.62 ton/jam


= 620 kg/jam

= 34.44 kmol/jam

3. Unit Kristalisasi dan Pembutiran


196


a. Crystallizer

Tabel 6.42. Aliran Panas Masuk dari Gas Separator (Q1)

Komponen F (kmol/jam)Cp (kJ/kmol

K) ΔT (K) Q1 (kJ/jam)Urea 891.37 137.92 45.00 5532178.08NH3 21.12 36.91 45.00 35075.36CO2 5.41 39.38 45.00 9585.45H2O 1141.78 75.35 45.00 3871483.00Biuret 3.29 130.01 45.00 19236.69Total 2062.96 9467558.57

Tabel 6.43. Aliran panas masuk dari dasar Concentrator (Q2)

KomponenF

(kmol/jam)Cp (kJ/kmol


Panas kristalisasi urea λ = 196.648 kJ/kg

Q3 = Furea x λ

= 132670 x 196.648

= 26089290.16 kJ/jam

Tabel 6.44. Aliran panas keluar crystallizer (Q4)




197


Tabel 6.45. Aliran panas kembali ke concentrator (Q5)



Q in total = Q1+Q2+Q3

= 162124383.86 kJ/jam

Qout total= Q4+Q5+Q3

= 154776454.86 kJ/jam

Qloss = Qout – Qin= 154776454.86 - 162124383.86= -7347929.00 kJ/jam

Efisiensi pengkristalan = 95.46772125 %

Dari pengukuran di lapangan, didapat massa steam yang masuk ke

crystallizer sebesar 253 ton/jam

Massa steam dibutuhkan = 253 ton/jam

= 253000 kg/jam

= 14055.5556 kmol/jam

b. Fluidizing Dryer

Q masuk fluidizing dryer = Ft x Cpcamp x dT

Ft masuk fluidizing dryer = 853.30 kmol / jam

Cpcamp = (105.99 x 0.9778)+(75.35 x 0.0195)+(130.01 x0.0027) kJ/jam

= 114.37 kJ / kmol K

Qin = 853.30 x 114.37 x (341-298)

Qin = 4196452.6 kJ / jam


198


Q keluar fluidizing dryer = Ft x Cpcamp x dT

Ft keluar fluidizing dryer = 853.30 kmol / jam

Cpcamp = (115.11x 0.9778) +(75.91x 0.0195) +(137.56 x0.0027) kJ/jam

= 114.41 kJ / kmol K

Qout = 853.30 x 114.41 x (373-298)

Qout = 7366752.225 kJ / jam

Beban Panas Fluidizing Dryer = 7366752.225 - 4196452.6

= 3170299.62 kJ / jam

Dari data di lapangan, jumlah steam yang dibutuhkan di air heater

fluidizing dryer sebesar 34.66 ton/jam


= 34660 kg/jam

= 1925.56 kmol/jam

c. Melter

Jumlah panas yang dibutuhkan untuk melelehkan Urea (Qa) adalah

Qa = Q2 – Q1

Dimana : Qa = beban panas (kJ/jam)

Q1 = panas yang masuk ke melter(kJ/jam)

Q2 = panas yang keluar dari melter (kJ/jam)

Harga Q1 adalah

Q1 = Q urea + Q H2O + Q Biuret

Q urea = mol urea x Cp urea x dT

= 797.20 x 115.09 x (373 – 298)

= 6881231.1 kJ/jam

Q H2O = mol H2O x Cp H2O x dT


199


= 7.94 x 75.35 x (373 – 298)

= 44870.925 kJ/jam

Q Biuret = mol Biuret x Cp Biuret x dT

= 1.28 x 137.5 x (373 – 298)

= 13200 kJ/jam

Q1 = 6881231.1 + 44870.925 + 13200

= 6939302.025 kJ/jam

Harga Q2 adalah

Q2 = Q urea + Q H2O + Q Biuret

Q urea = (mol urea x Cp urea x dT) + (massa urea x λ urea)

Dengan, λ = panas pelelehan urea = 176.1464 kJ/kg

= (1053.23 x 125.88 x (411 – 298)) + (63194 x 176.1464)

= 26113002.54 kJ/jam

Q H2O = (mol H2O x Cp H2O x dT) + (mol H2O x λH2O)

Dengan, λ = panas penguapan H2O = 40.7 kJ/kmol

= (10.56 x 35.83 x (411 – 298) ) + (10.56 x 40.7)

= 43185.0144 kJ/jam

Q Biuret = mol Biuret x Cp Biuret x dT

= 3.71 x 145.8 x (411 – 298)

= 61123.734 kJ/jam

Q2 = 26113002.54 + 43185.0144 + 61123.73

= 26217311.29 kJ/jam


200


Jadi, beban panas melter

Qa = 26217311.29 - 6939302.025

= 19278009.26 kJ/jam

Dari data di lapangan, jumlah steam yang dibutuhkan di air heater

melter sebesar 1.13 ton/jam


= 1130 kg/jam

= 62.77 kmol/jam

d. Prilling Tower

Arus Panas Masuk ke Prilling Tower : Final Separator

Temperatur = 138oC = 411 K

Tabel 6.46. Aliran Panas dari Final Separator


201

Komponen Flow rate(kg/jam)

Flow rate(mol/jam)

Q(kcal/j)

Urea 63914 1053233.333 3449.9595 3633612.343H2O 190 10555.55556 2050.4838 21643.99568Biuret 382 3705.14064 3382.8146 12533.80385

Jumlah 3667790.142

Prilling Tower

Final Separator

Udara Keluar

Udara dari Blower dan Udara SampingUrea

Produk


Udara Samping


Tabel 6.47. Aliran Panas dari Udara Samping

Air to Blower for Fuel Cooler


Tabel 6.48. Aliran Panas Air to Blower

Arus panas total masuk = 6266315.72 kcal/jam= 26218264.97 kJ/jam

Arus Panas Keluar Prilling Tower : Urea produk


Tabel 6.49. Aliran Panas Urea Produk


Flow rate(mol/jam)

Q(kcal/j)

Urea Urea 62969 1049483.333 635.695H2O Air 191 10590.14464 324.7111


202


Flow rate(mol/jam)

Q(kcal/j)

Udara 340672.5 11812.5 697794 824269.1217H2O 12598 695822.1947 79.8863 55586.6778

Jumlah 879855.7995


Flow rate(mol/jam)

Q(kcal/j)

Udara 511901.7856 17749715.1734 90.7398 1610606.2778H2O 18824 1039701.3013 103.9371 108063.5003

Jumlah 1718669.7781


Biuret Biuret 381 3697.819659 493.7324Jumlah 672415.7785

Effuent air


Tabel 6.50. Aliran Panas Effluent Air


Flow rate(mol/jam)

Q(kcal/j)

Udara 854464.2857 29627749.16 104.7202 3102623.817H2O 41976 2318449.948 119.9928 278197.3009

Jumlah 3380822.172

Arus panas total keluar = 4053237.95 kcal/jam = 16958747.58 kJ/jam

Q in – Q out = Q accumulation

26218264.97 kJ/jam – 16958747.58 kJ/jam = Q accumulation

Q accumulation = 9259517.39 kJ/jam

Dari neraca panas diatas didapatkan panas akumulasi. Molten

urea selama di-spray dari distributor sampai dihasilkan urea produk,

jumlah air dan biuretnya hampir sama, maka disimpulkan bahwa panas

akumulasi yang ada hanya digunakan untuk mengubah urea cair

menjadi urea padat pada suhu lelehnya yaitu 132,7oC dengan asumsi

heat loss ≈ 0.

VI.2.7Hasil dan Pembahasan

Berikut data hasil perhitungan neraca panas :

Tabel 6.50. Data Hasil Perhitungan Neraca Panas Tiap Alat

AlatPanas masuk

(kJ/jam)Panas keluar

(kJ/jam) ΔH (kJ/jam) Surplus/DeficitReaktor 71587635.76 -727933681.5 -799521317.3 SurplusHPD 85594848.24 118775156.9 33180308.61 Deficit


203


LPD 43422839.02 54441840.94 11019001.92 DeficitGS 29949080.13 34988105.99 5039025.86 DeficitCrystallizer 162124383.9 154776454.9 -7347929 SurplusFluidizing Dryer 4196452.6 7366752.225 3170299.625 DeficitMelter 6939302.025 26217311.29 19278009.27 DeficitPrilling Tower 26218264.97 16958747.58 -9259517.39 Surplus

Dari hasil perhitungan dapat dilihat bahwa pabrik pupuk urea

merupakan pabrik yang mengkonsumsi energi yang besar sekali,

namun energi yang dihasilkan pun besar. Panas yang dihasilkan

reaktor di unit sintesis cukup besar yaitu -799521317.3 kJ/jam. Hal

tersebut terjadi karena reaksi overall pembuatan urea merupakan reaksi

eksothermis yang menghasilkan panas. Pemanfaatan panas cukup

menjadi perhatian di pabrik pupuk urea ini. Selain karena factor energi,

suhu juga merupakan variable yang dijaga. Suhu reaktor yang semakin

tinggi dapat mempercepat terjadinya reaksi pembentukan urea, namun

apabila terlalu tinggi dapat menyebabkan korosi pada reaktor sehingga

mempengaruhi kinerja dari reaktor. Hal tersebut dapat terjadi akibat

pembentukan biuret di reaktor pada suhu yang terlalu tinggi dengan

waktu tinggal yang cukup lama.

Unit dekomposisi/purifikasi merupakan unit dengan konsumsi

energi terbesar bisa dilihat dari total panas yang dibutuhkan sebesar

49238336.4 kJ/jam. Hal ini karena pada unit purifikasi diinjeksikan

steam yang dibutuhkan untuk dapat mendekomposisi kelebihan NH3,

CO2, dan karbamat yang belum bereaksi sempurna menjadi urea untuk

dapat dipisahkan dan dikembalikan ke unit sintesa.

Berikut jumlah pemakaian steam berdasarkan pengambilan data di

lapangan :


204


Dapat dilihat bahwa konsumsi steam terbesar di unit dekomposisi

dengan total pemakaian steam sebesar 2865.768 kmol/jam. Langkah

penghematan konsumsi steam dapat dengan memanfaatkan panas dari

reaktor untuk memproduksi steam, atau dengan penggunaan teknologi

ACES (Advance Cost and Energi Saving) dimana aliran keluar reaktor

sebelum masuk ke unit dekomposisi dilewatkan terlebih dahulu di

carbamate condenser, sehingga sebagian kelebihan NH3, CO2, dan

Karbamat dapat terurai terlebih dahulu dari campuran gas, dengan

demikian beban unit dekomposisi akan berkurang, begitu juga dengan

konsumsi steam yang dibutuhkan.

Untuk unit finishing (pembutiran), kebutuhan steam terdapat pada

Fluidizing Dryer dan Melter. Untuk unit crystallizer panas dihasilkan

cukup besar yaitu sebesar 7347929 kJ/jam. Sedangkan panas terbesar

dihasilkan oleh prilling tower, namun bisa dikatakan panas tersebut

digunakan untuk mengubah urea cair menjadi urea padat pada suhu

lelehnya yaitu 132,7oC dengan asumsi heat loss ≈ 0.

VI.2.8Kesimpulan

1. Alasan jumlah NH3 dibuat berlebih adalah agar urea tidak

terhidrasi menjadi biuret yang dapat merusak kinerja alat di

pabrik urea. Terhidrasinya urea menjadi biuret dapat dihindari

dengan adanya ammonia berlebih. Kadar biuret yang diizinkan

keluar dari seksi finishing pun diusahakan seminimal mungkin.

2. Pabrik pupuk urea merupakan pabrik yang mengkonsumsi energi

yang besar sekali, namun energi yang dapat dihasilkan pun besar.


205

Alat massa steam dibutuhkan (kmol/jam)HPD 2668.548LPD 162.78GS 34.44Fluidizing Dryer 1925.56Melter 62.77


3. Salah satu penyebab borosnya kebutuhan steam yang diperlukan

di pabrik urea pusri II adalah banyaknya steam yang lolos dari

pipa-pipa yang bocor.

4. Unit sintesa merupakan unit dengan jumlah energi yang

dihasilkan cukup besar.

5. Jumlah steam yang dibutuhkan di unit dekomposisi dapat

dikurangi dengan meringankan kinerja dekomposisi dengan

menggunakan teknologi ACES (Advance Cost and energi

Saving).

6. Umur alat yang sudah tua merupakan salah satu alasan turunnya

efisiensi alat. Sehingga jumlah produksi urea tidak dapat

maksimal.

7. Adanya penyumbatan di Prilling Tower oleh urea serta debu

yang menempel (tidak lolos) yang kemudian terakumulasi dapat

mengurangi jumlah produksi urea. Hal ini juga terjadi karena

umur alat yang sudah tua sehingga perlu pengurangan rate

bahan baku agar kinerja alat tetap optimal

8. Perlu dilakukan pergantian alat-alat seperti heat exchanger pada

unit sintesa, karena sudah banyak yang mengalami kebocoran

pada bagian tube-nya.

VI.2.9Saran

1. Perlu pemasangan alat ukur flow rate gas sebelum masuk dan

keluar dari setiap alat di pabrik urea pusri II, hal ini digunakan

untuk meningkatkan keakuratan pembacaan jumlah gas masuk

dan keluar dengan harapan massa yang masuk akan sama dengan

massa yang terbaca pada alat ukur massa terproduksi.

2. Perlu adanya analisis lebih lanjut pada steam-steam yang lolos

akibat kebocoran pipa, sehingga dapat dilakukan penghematan

konsumsi steam.


206


3. Sebaiknya dilakukan pergantian alat indicator atau recorder bila

sudah ditemukan kesalahan/error pada saat pembacaan karena

hasilnya akan menjadi akurat.

4. Perlu dilakukan kajian lebih lanjut mengenai kinerja prilling

tower agar produksi maksimal dapat tercapai.

5. Perlu dilakukan pergantian alat-alat seperti heat exchanger pada

unit sintesa, karena sudah banyak yang mengalami kebocoran

pada bagian tube-nya.


207


DAFTAR PUSTAKA

Coulson, M. J. And Richardson, J. F., 2005, “Chemical Engineering Design”, Vol.

6, 4ed., pp.440-441, Elseveir Butterworth-Heinemann, Oxford.

Abidin, Zainal, “Proses Urea TRCI PUSRI II”, PT PUSRI, Palembang.

Smith, J.M., Van Ness, H. C., and Abbot, M. M., 2001, “Introduction to Chemical

Engineering Thermodynamics”, 6ed., pp. 406, 560-561, McGraw-Hill

Book Company, New York.

Dinas Teknik Proses, 1998, “Filosofi Proses Pabrik Utilitas”, PT PUSRI,

Palembang.

No Name, “Basic Design Package for PUSRI II Urea Plant Optimization Project”,

PT PUSRI, Palembang.

Perry, R.H., and Don Green, 1984, “Perry’s Chemical Engineers Handbook”,

Sixth International Edition, Mcgraw Hill Book Company, New York.

Kellogg, 1973, Operating Instructions Manual, The M. W. Kellogg Company,

USA.


208

tugas khusus efisiensi co2 kompresor, neraca massa, neraca panas, dan audit energi pabrik urea

Documents