EVALUASI KINERJA AQUEOUS AMMONIA PLANT (STUDI DESKRIPTIF DI PABRIK PUPUK)

Transkripsi

1 EVALUASI KINERJA AQUEOUS AMMONIA PLANT (STUDI DESKRIPTIF DI PABRIK PUPUK) Nur Aida Amalia, Nurul Syefira Fatayatunnajmah, Bintang Iwhan Mehady Jurusan Teknik Kimia, Pliteknik Negeri Bandung, Bandung ABSTRAK Di Indnesian terdapat pabrik pupuk yang memprduksi aqueus ammnia dengan knsentrasi 25-30%. Pembuatan aqueus ammnia dilakukan dengan cara mencampurkan amnia anhidrat dengan air. Kendala yang dihadapi ialah adanya aqueus ammnia yang hilang sehingga kebutuhan amnia anhidrat sebagai umpan menjadi lebih banyak. Hilangnya aqueus ammnia terjadi karena kndisi perasi prses pembuatan aqueus ammnia belum ptimal. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan suhu dan tekanan ptimum pada prses pembuatan aqueus ammnia 25-30% dengan fasa uap yang terbentuk kurang dari 13%. Angka tersebut merupakan batas maksimum % amnia hilang yang diperblehkan berdasarkan data aktual yang diperleh dari lapangan. Prses ptimasi menggunakan perangkat lunak HYSYS. Prses simulasi mengikuti urutan prses yang terjadi di industri yang terdiri dari Mixer, Shell and Tube Heat Exchanger (STHE), dan Tangki Penyimpanan. Simulasi diawali dengan menentukan variasi tekanan, suhu, dan fraksi aqueus ammnia untuk ptimasi kndisi perasi di tangki penyimpanan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kndisi perasi ptimum di Tangki Penyimpanan terjadi pada suhu C, tekanan 1,2-2 kg/cm2 dan knsentrasi 26-30%. Optimasi kemudian dilanjutkan ke Mixer dan STHE yang mengacu pada kndisi perasi tangki penyimpanan. Suhu ptimum keluaran Mixer adalah pada C. Kndisi ptimum STHE adalah pada rentang suhu masukan C dan keluaran C. Perbedaan kndisi antara hasil simulasi dengan data aktual adalah pada laju alir umpan amnia anhidrat dan air (kebutuhan amnia berkurang 24,9-54,9 kg/h dari kebutuhan amnia aktual), suhu keluaran STHE (2 C lebih kecil dari data aktual), dan tekanan ptimum pada Tangki Penyimpanan lebih besar dari tekanan aktual (1,5 kg/cm2 terhadap 2 kg/cm2). Kata Kunci. Aqueus ammnia, ptimasi, kndisi perasi, % amnia hilang. PENDAHULUAN Pabrik pupuk pada penelitian ini memprduksi pupuk urea sebagai prduk utama dan amnia anhidrat sebagai prduk samping. Amnia anhidrat yang diprduksi ada dua jenis, yakni Ammnia Ht Prduct dan Ammnia Cld Prduct. Perbedaan dari kedua prduk tersebut adalah knsentrasi amnia, kandungan air serta kndisi suhu dan tekanan. Ammnia Cld Prduct memiliki knsentrasi yang tinggi, sedangkan permintaan dari pelaku industri farmasi dan ksmetik menginginkan knsentrasi amnia 25-30%. Hal ini mendrng salah satu pabrik pupuk di Indnesia membuat prduk amnia cair dengan knsentrasi 25-30%. Pembuatan aqueus ammnia dilakukan dengan mencampurkan ammnia anhidrat dan air demineralisasi. Namun, saat ini kndisi perasi di Aqueus Ammnia Plant belum ptimal sehingga mengakibatkan ammnia cair yang dihasilkan mudah menguap. Adanya amnia yang menguap menyebabkan kebutuhan amnia anhidrat menjadi berlebih. Aqueus Ammnia Plant terdiri dari Mixer, Shell and Tube Heat exchanger (STHE) dan Tangki Penyimpanan. Prses pencampuran dalam mixer berada pada tekanan 3,15 kg/cm2 dengan laju alir ammnia anhidrat dan air masing-masing 250 kg/h dan 750 kg/h. Prses pendinginan dalam STHE dapat menurunkan suhu hingga 6 C, 27

2 28 Jurnal Fluida Vlume 11, N. 2, Npember 2015, Hlm prses penyimpanan dalam tangki berada pada tekanan 1-1,5 kg/cm2 dan suhu C. Kndisi perasi di Aqueus Ammnia Plant saat ini dapat menyebabkan 13% amnia dari ttal umpan menjadi uap sehingga perlu dilakukan perbaikan pada kndisi perasi di mixer, STHE, dan tangki penyimpanan. Tujuan pada penelitian ini adalah mendapatkan suhu dan tekanan ptimum pada prses pembuatan aqueus ammnia untuk menghasilkan knsentrasi aqueus ammnia 25-30% dengan fasa uap yang terbentuk kurang dari 13% amnia yang diumpankan. Manfaat penelitian ini adalah membantu perusahaan dalam menentukan kndisi perasi ptimum pada prses pembuatan aqueus ammnia 25-30% sehingga dapat mengurangi kerugian yang ditimbulkan. BAHAN DAN METODE Metde penelitian yang digunakan pada prses ptimasi pembuatan aqueus ammnia merupakan metde simulasi dengan menggunakan sftware HYSYS 7.3. Prses ptimasi diawali dengan melakukan validasi simulasi HYSYS dengan data aktual yang diperleh dari lapangan. Validasi ini bertujuan untuk menguji simulasi HYSYS agar mempunyai kndisi yang sama dengan aqueus ammnia plant. Hasil simulasi kemudian dibandingkan dengan data aktual, apabila variabel yang divalidasi mendapatkan %errr kurang dari 10% maka data tersebut dikatakan valid. Tahap selanjutnya adalah melakukan ptimasi tangki penyimpanan menggunakan simulasi HYSYS dengan menentukan variasi suhu, tekanan, dan knsentrasi ammnia yang masuk ke dalam tangki penyimpanan. Hasil dari simulasi tangki penyimpanan kemudian dihitung % kehilangan amnia. % kehilangan amnia yang kurang dari 13% diambil sebagai kndisi perasi ptimum. Kndisi perasi ptimum di tangki penyimpanan kemudian digunakan untuk menentukan kndisi perasi ptimum di Mixer dan STHE. Simulasi mixer dan STHE dimulai dari mixer dimana knsentrasi aqueus ammnia yang terbentuk menjadi variabel yang divariasikan dengan kndisi umpan sama dengan keadaaan aktual. Simulasi kemudian dilanjut ke STHE untuk mendapatkan suhu keluaran STHE. Setelah didapat semua kndisi perasi di Aqueus Ammnia Plant, data kemudian dilah untuk penyusunan analisis hasil, pembahasan, serta kesimpulan dan saran. HASIL DAN PEMBAHASAN Validasi Simulasi Hysys dengan Data Aktual Hasil validasi simulasi hysys dengan data aktual disajikan dalam Tabel 1. Tabel 1. Validasi Simulasi HYSYS dengan Data Aktual Parameter Titik Validasi % Errr Suhu Fraksi NH 3 - Out Mixer - Out STHE - Inlet Tank - Aq. NH 3 Prduct 53,75 C 53,73 C 47 C 46,65 C 34,5 C 32,71 C 29,81% 30,51% 0,037% 0,74% 5,18% 2,29% Data aktual tersebut merupakan kndisi perasi rata-rata yang diambil setiap satu jam pada saat prses pembuatan aqueus ammnia berlangsung (6-8 jam). Hasil validasi simulasi HYSYS dengan data aktual memperleh %errr kurang dari 10% sehingga simulasi tersebut dapat dilakukan untuk mengptimasi prses pembuatan aqueus ammnia.

3 Bintang Iwhan Mehady, Evaluasi kinerja aqueus ammnia plant (studi deskriptif di Pabrik Pupuk) 29 Simulasi Optimasi Aqueus Ammnia Plant Simulasi ptimasi aqueus ammnia plant dimulai dengan mengevaluasi tangki penyimpanan. Evaluasi tangki penyimpanan dilakukan dengan mencari tahu % kehilangan amnia pada variasi tekanan (P), suhu (T), dan knsentrasi. Berdasarkan variasi knsentrasi yang telah ditentukan, data yang diperleh menunjukkan bahwa semakin tinggi fraksi aqueus ammnia yang masuk ke dalam tangki penyimpanan akan semakin banyak amnia yang hilang atau teruapkan. Amnia yang hilang disebabkan karena tekanan uap parsial amnia dalam aqueus ammnia semakin tinggi sehingga memudahkan amnia untuk menguap. Batasan maksimal fraksi aqueus ammnia yang memenuhi syarat pada P dan T tetap ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel.2: Batas Knsentrasi Maksimum di Tangki Penyimpanan yang Memenuhi Syarat P (kg/cm 2 ) T ( C) Batas knsentrasi maksimal (%) 1, ,4 1,4 30 > 30 1, ,6 30 > 30 1, , ,45 1,8 30 > 30 1,8 35 > 30 1, ,3 1, , > > > ,3 Berdasarkan variasi tekanan yang telah ditentukan, diperleh hasil bahwa semakin tinggi tekanan pada tangki penyimpanan % amnia yang hilang akan semakin kecil. Hal ini disebabkan karena tekanan yang tinggi akan menaikkan titik didih aqueus ammnia sehingga kemungkinan untuk teruapkan menjadi lebih kecil. Adapun batas minimum tekanan yang memenuhi syarat untuk menghasilkan % amnia hilang kurang dari 13% ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel. 3: Batas Tekanan Minimum di Tangki Penyimpanan yang Memenuhi Syarat T ( C) Knsentrasi (%) P min (kg/cm 2 ) < 1, < 1, < 1, , , , , , , , , , , , , , , ,96 Batas tekanan minimum tersebut diperkuat dengan data pada Tabel 4. yang diambil berdasarkan enthalpy-cncentratin diagram fr aqueus ammnia. Tabel 4: Titik Didih Aqueus Ammnia pada Suhu dan Knsentrasi Tertentu Knsentrasi (%) Suhu ( C) Biling Pint Pressure (kg/cm 2 ) , , , , ,24

4 30 Jurnal Fluida Vlume 11, N. 2, Npember 2015, Hlm Aqueus ammnia yang memiliki knsentrasi 26% dan suhu 30C mendidih pada tekanan 0,82 kg/cm2. Pada saat mendidih, gas ammnia yang menguap akan lebih banyak dari 13%. Oleh karena itu, diperlukan batas minimum tekanan di tangki penyimpanan agar amnia tidak mudah menguap. Batas tekanan minimum tersebut harus lebih besar dari pada tekanan pada saat aqueus ammnia mendidih. Penguapan ammnia dapat dicegah dengan cara tekanan pada prses pembuatan aqueus ammnia diperbesar. Adapun batas minimum pada Tabel 3 dapat digunakan untuk memprduksi aqueus ammnia dengan % kehilangan ammnia di bawah 13%, apabila tekanannya diturunkan maka akan memperleh % amnia hilang yang lebih banyak. Berdasarkan variasi suhu yang telah ditentukan, didapat hasil bahwa semakin tinggi suhu di tangki penyimpanan % kehilangan ammnia semakin banyak. Semakin tinggi suhu pada tangki penyimpanan menyebabkan aqueus ammnia mencapai titik didihnya dan teruapkan. Tabel. 5: Batas Suhu Maksimum di Tangki Penyimpanan yang Memenuhi Syarat P Knsentrasi (kg/cm 2 T maks ( C) ) (%) 26 1,2 34,5 26 1, , ,8 46, ,8 27 1, , , ,8 44, , , , ,8 42, ,5 29 1,4 33,5 29 1, ,8 40, ,4 32,5 30 1, ,8 38, Tabel 5 memerlihatkan suhu yang bisa digunakan pada prses pembuatan aqueus ammnia agar menghasilkan % amnia hilang kurang dari 13%. Berdasarkan enthalpy-cncentratin diagram fr aqueus ammnia sehingga diperleh data pada Tabel 6. Tabel 6: Titik Didih Aqueus ammnia pada Tekanan dan Knsentrasi Tertentu Knsentrasi (%) Tekanan (kg/cm 2 ) Biling Pint Temperature ( C) 26 1, , , , Titik didih aqueus ammnia pada knsentrasi dan tekanan tertentu memiliki nilai yang berbeda, sehingga batas maksimum suhu yang digunakan pada setiap kndisi pun berbeda. Suhu 50 C tidak dianjurkan untuk digunakan pada prses pembuatan aqueus ammnia. Berdasarkan Tabel 6, suhu tersebut melebihi titik didih aqueus ammnia pada knsentrasi dan tekanan yang divariasikan. Data yang diperleh dari hasil simulasi dan perhitungan berdasarkan data variasi kemudian diambil beberapa kndisi perasi dilihat dari % amnia hilang yang kurang dari 13%. Angka tersebut ditentukan dari % amnia hilang berdasarkan data actual. Hasil simulasi dan perhitungan disajikan pada Gambar 7. Gambar 7. Kurva dan Perhitungan

5 Bintang Iwhan Mehady, Evaluasi kinerja aqueus ammnia plant (studi deskriptif di Pabrik Pupuk) 31 Gambar 7 menunjukkan bahwa suhu 30 C menghasilkan % amnia hilang terkecil pada berbagai tekanan dan knsentrasi. Semakin tinggi suhu tangki penyimpanan, semakin sedikit variasi tekanan dan knsentrasi yang dapat digunakan untuk menghasilkan % kehilangan amnia dibawah 13%. Hasil yang diperleh dari evaluasi tangki penyimpanan kemudian dimasukkan ke dalam simulasi HYSYS untuk melakukan evaluasi pada mixer dan STHE. Analisis Pengaruh Suhu, Tekanan, dan Knsentrasi terhadap % Kehilangan Amnia Analisis menggunakan sftware Plymath 6.0 yang bertujuan untuk mengetahui seberapa besar pengaruh suhu, tekanan, dan knsentrasi terhadap % amnia hilang. Hasil analisa memperleh mdel matematika sebagai berikut : % ammnia hilang = -82, (- 29,60774*P) + ( 1,650552*T) + ( 2,905804*x) HYSYS. Satu buah Mixer, pipa dengan ukuran 1,5 sch 40 dengan ttal panjang 1,12 m, satu buah STHE, pipa dengan ukuran 1,5 sch 40 dengan ttal panjang 6,78 m, dan tangki penyimpanan digunakan sebagai acuan simulasi. Pada simulasi ini, variabel yang di variasikan adalah knsentrasi dari aqueus ammnia utlet Mixer. Laju alir aqueus ammnia utlet Mixer dibuat knstan yaitu 750 kg/h sesuai data aktual. Selain itu, kndisi perasi dan knsentrasi dari inlet mixer juga dibuat knstan. Bahan baku amnia anhidrat memiliki knsentrasi 99,95% dengan suhu 20C dan tekanan 22 kg/cm2 sedangkan air memiliki suhu 30C dan tekanan 4,6 kg/cm2. Knsentrasi aqueus ammnia utlet mixer yang dimdifikasi mengacu pada kndisi perasi tangki penyimpanan yang telah diperleh. Hasil yang diperleh berupa laju alir masuk amnia anhidrat dan air, serta kndisi perasi pada STHE. Keterangan : P = tekanan (kg/cm2) T = suhu (C) x = knsentrasi amnia (%) Analisa tersebut menghasilkan kefisien determinasi (R2) sebesar 0,9340. Nilai R2 menunjukkan bahwa 93,40% tekanan, suhu, dan knsentrasi berpengaruh terhadap perubahan % amnia hilang. Sedangkan sisanya 6,6% perubahan % ammnia hilang dipengaruhi leh variabel yang tidak diketahui. Penentuan Kndisi Operasi Optimum pada Mixer dan Shell and Tube Heat Exchanger (STHE) Hal pertama yang dilakukan untuk mendapatkan kndisi perasi ptimum pada mixer dan STHE adalah membuat simulasi Aqueus Ammnia Plant pada Sftware Gambar 8. Hasil Evaluasi Aqueus Ammnia Plant Hasil simulasi menunjukkan laju alir amnia anhidrat yang diperlukan untuk menghasilkan knsentrasi 26-30% adalah 195,1-225,1 kg/h. Kndisi perasi di STHE terdiri dari suhu masuk berkisar antara 57-58C dan suhu keluar STHE antara 43-45C, sedangkan suhu masuk tangki 30-40C sesuai dengan data variasi. Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 8. Kndisi perasi actual di utlet mixer adalah 42-58C, utlet STHE 45-52C, serta inlet tangki penyimpanan 26-38C dan

6 32 Jurnal Fluida Vlume 11, N. 2, Npember 2015, Hlm kg/cm2. Laju alir umpan amnia anhidrat dan air adalah 250 kg/h dan 500 kg/h. Kndisi tersebut menghasilkan 29,81% aqueus ammnia dengan 13% amnia hilang. Perbedaan antara data aktual dan hasil simulasi terletak pada laju alir umpan amnia anhidrat dan air, dimana pada hasil simulasi kuantitas laju alir amnia anhidrat yang diperlukan lebih sedikit, tetapi laju alir air demin lebih banyak. Selain itu, perbedaan juga terletak pada suhu keluar STHE. Hasil simulasi berada pada 43-45C sedangkan data aktual berada pada rentang 45-52C. Hal ini menunjukkan bahwa suhu keluaran STHE harus diperkecil, salah satu cara yang bisa dilakukan ialah dengan memperbesar laju alir cling water yang masuk ke dalam STHE. Tekanan aliran masuk tangki penyimpanan pada data aktual adalah 1-1,5 kg/cm2 sedangkan hasil simulasi yakni pada rentang 1,2-2 kg/cm2. Disamping itu, untuk suhu DAFTAR RUJUKAN Annim Osmnics Pure Water Handbk, 2nd editin, USA: Osmnics, Inc. Minnetka. A n n i m A q u a A m m n i a T e c h n i c a l D a t a M a n u a l. (Online). rducts.cm/technicallibrary/aquaa mmni atechmanual.aspx.(diakses pada 19 Maret 2015) A n n i m A r s i p P r c e s s Engineering PT. Pupuk Kujang 1A, Cikampek: PT. Pupuk Kujang (tidak diterbitkan) Annim Arsip Unit Amnia 1A. Cikampek: PT. Pupuk Kujang (tidak diterbitkan) A n n i m F l a s h Distillatin.(Online). hu/sites/default/files/flash_distillatin. pdf.(diakses pada 19 Maret 2015) Annim Material Safety Data Sheet Ammnia. aktual pada utlet mixer dan aliran masuk tangki penyimpanan telah sesuai dengan rentang yang diperleh dari hasil simulasi. Selain itu, kndisi ptimum tangki penyimpanan berada pada rentang suhu 30-40C sedangkan suhu lingkungan di pabrik mencapai 33C sehingga dianjurkan tangki penyimpanan menggunakan islasi agar suhu lingkungan tidak memengaruhi prses pembuatan aqueus ammnia. SIMPULAN Hasil penelitian evaluasi kinerja aqueus ammnia plant pada prses pembuatan aqueus ammnia 25-30%, diperleh kndisi perasi ptimum hasil simulasi, yaitu suhu keluaran mixer antara 57-58C, suhu keluar STHE berkisar 43-45C, sedangkan suhu masuk tangki 30-40C dan tekanan masuk tangki 1,2-2 kg/cm2. Annim Material Safety Data Sheet A m m n i a. (Online). ducts.cm/libraries/sds/anhydru s_ammnia_sds.sflb.ashx.(diakses pada 4 Agustus 2015) Appl, M Ammnia : Principles and Industrial Practice,Wiley-VCH, Weinheim, pp Ekasari, Silvia Rahmi Penyisihan A m n i a d a r i A i r L i m b a h menggunakan Gabungan Prses Membran dan Oksidasi Lanjut dalam Reaktr Hibrida Ozn-Plasma menggunakan larutan penyerap Asam Sulfat. Depk : Fakultas Teknik Universitas Indnesia. Geankplis, Christie Jhn Transprt Prcess and Separatin Prcess Principles 4th Editin. New Jersey: Pearsn Educatin, Inc. Sidiq, Agus Nr Pencampuran A m m n i a - W a t e r. lib.ui.ac.id/file?file= digital/ r

7 Analisis%20energi pdf.(diakses pada 25 Mei 2015) 11]. Terra Centre.2011.Material Safety Data Sheet f Aqua Material (19-30%). Siux City, Iwa: Terra a CF Industries Cmpan