KINERJA REAKTOR UREA DC-101 DI PT. PUPUK ISKANDAR MUDA Teuku Raja Wahidin 1*, Ratni Dewi 2, M. Yunus 2 1* DIV Teknologi Kimia Industri, Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Lhokseumawe 2 Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Lhokseumawe *Email: teukurajawahidin@yahoo.com ABSTRAK PT. Pupuk Iskandar Muda mempunyai dua unit pabrik yaitu PIM 1 dan PIM 2. Bahan baku yang digunakan untuk memproduksi pupuk urea adalah dengan mereaksikan NH 3 dan CO 2 pada kondisi tekanan dan temperatur yang sangat tinggi. Tempat terjadinya reaksi antara NH 3 dan CO 2 tersebut adalah di dalam reaktor (DC-101). Dari hasil perhitungan diperoleh konversi reaksi pada reaktor PIM 1 adalah 72,6 %, sedangkan reaktor PIM 2 adalah 74,2 %. Hal tersebut menunjukkkan bahwa kondisi konversi reaksi pada kedua reaktor masih tergolong bagus karena pada kondisi disain persen konversi reaksi yang diharapkan adalah 75 %. Untuk neraca energi, reaktor PIM 1 Q loss yang terjadi adalah 1,008 % sedangkan untuk reaktor PIM 2 Q loss yang terjadi adalah 39,5 %, Kata kunci : CO 2, Konversi reaksi, NH 3, Q loss, Reaktor ABSTRACT Iskandar Muda company plant has two units, PIM 1 and PIM 2. The raw material used to produce urea fertilizer is by the reaction of NH 3 and CO 2 at pressure and temperature conditions is very high. The location of the reaction between NH 3 and CO 2 are in the reactor (DC-101). From the calculations, the conversion reaction in the reactor PIM 1 was 72.6%, while the PIM 2 reactor is 74.2%. This is indicating that the conversion of the reaction conditions in the second reactor is still good because the design conditions expected percent conversion reaction is 75%. For the energy balance, PIM 1 reactor Q loss happens is 1.008%, while for the PIM 2 reactor Q loss happened was 39.5%, Keywords: CO2, conversion reaction, NH3, Q loss, Reactor 35
PENDAHULUAN Urea adalah suatu senyawa organik yang terdiri dari unsur karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen dengan rumus CON 2 H 4 atau (NH 2 ) 2 CO. 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. 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 didalam air dan tidak mempunyai residu garam sesudah dipakai untuk tanaman. Prinsip pembuatan urea pada umumnya yaitu dengan mereaksikan antara amonia dan karbondioksida pada tekanan dan temperatur tinggi untuk membentuk amonium karbamat, selanjutnya amonium karbamat yang terbentuk didehidrasi menjadi urea. Pada PT. Pupuk Iskandar Muda (PIM) proses reaksi pembentukan urea terjadi pada sebuah bejana bertekanan tinggi yang disebut reaktor urea yang terdapat pada seksi sintesa. Reaktor urea di PT. PIM adalah sebuah bejana tegak lurus yang terdapat pada seksi sintesa dan mempunyai ketinggian 29, 7 meter, dengan kapasitas atau daya tampungnya sebesar 115 m 3. peralatan ini sangat vital di pabrik urea PT. PIM. Seluruh proses urea komersil dibuat dengan dasar reaksi antara ammonia dan karbondioksida untuk membentuk ammonium carbamate dan dilanjutkan dengan terjadinya reaksi dehidrasi untuk pembentukan urea. Ammonia dan karbon dioksida biasanya tersedia pada pabrik yang sama, karena karbon dioksida merupakan hasil samping pabrik sintesis ammonia dari hidrokarbon (Anonymous, 1994). Pabrik Urea 2 Pabrik urea 2 di PT. Pupuk Iskandar Muda didesain untuk memproduksi 1.725 T/hari urea granul dengan efisiensi energi yang tinggi menggunakan Proses teknologi ACES (Advince Cost and Energy Saving). Proses pabrik urea 2 ini dapat dibagi kedalam enam seksi, yaitu: Sintesa, Purifikasi, Konsentrasi, Granulasi, Recovery dan Seksi Process Condensate Treatment. Hubungan antara masing-masing seksi digambarkan sebagai blok diagram pada Gambar 1. Pabrik Urea 1 Pabrik urea 1 di PT. pupuk Iskandar Muda didesain untuk memproduksi 1.725 MT/hari urea priil. Proses pabrik urea 1 ini dapat dibagi kedalam lima seksi, yaitu: Sintesa, Purifikasi, Kristalisasi, Prilling section, dan unit Recovery. Jenis-jenis Tray Secara umum jenis tray yang digunakan di industri antara lain : 1. Sieve Tray Sieve tray berupa sebuah plate yang berlubang-lubang dimana fluida masuk melalui lubang-lubang tersebut. Sieve 36
tray lebih murah dibandingkan valve tray dan buble cap tray, tray ini juga baik digunakan pada larutan yang kotor. Valve tray ini tidak direkomendasikan untuk digunakan pada larutan yang kotor. Sieve Tray Gambar 2 Sieve Tray 2. Buble Cap Tray Penggunaan buble cap tray lebih sedikit jika dibandingkan dengan sieve tray, buble cap tray biasa digunakan di wash tower. Harga buble cap tray mahal dan biaya pemasangannya relative tinggi (Anonymous, 1975). Gambar 3. Buble cap tray 3. Valve Tray Valve tray biasanya digunakan pada proses pemisahan seperti absorpsi dan distilasi, dimana harganya lebih mahal jika dibandingkan dengan sieve tray. Gambar 4. Valve tray METODE PENGAMATAN Prinsip pembuatan urea pada umumnya yaitu dengan mereaksikan antara amonia dan karbondioksida pada tekanan dan temperatur tinggi didalam reaktor secara berkelanjutan untuk membentuk amonium karbamat (reaksi1) selanjutnya amonium karbamat yang terbentuk didehidrasi menjadi urea (reaksi 2). Reaksi pembentukan urea pada reaktor berlangsung pada temperatur dan tekanan yang tinggi, reaksi berlangsung dalam dua tahap yaitu: 1. Reaksi eksotermis, merupakan reaksi antara NH 3 dan CO 2 membentuk larutan karbamat. Reaksi ini berlangsung sangat cepat, dan kondisi operasinya perlu dijaga pada tekanan dan temperatur yang tinggi. 2NH 3 +CO 2 NH 2 COONH 4. 2. Reaksi endotermis, merupakan reaksi dehidrasi karbamat menjadi urea. 37
NH 2 COONH 4 NH 2 CONH 2 + H 2 O Kedua reaksi diatas adalah reversible dan secara keseluruhan merupakan reaksi eksotermis, oleh karena itu temperatur reaktor urea sangat perlu diperhatikan. Untuk menjaga kondisi reaksi dilakukan pengontrolan dengan cara mengkombinasikan faktor-faktor berikut: Menginjeksikan ammonia berlebih ke dalam reaktor. Pemanasan pendahuluan ammonia cair yang masuk ke reaktor. Berikut ini Spesifikasi produk urea yang dihasilkan pada PT. Pupuk Iskandar Muda. - Kandungan Nitrogen: minimum 46 % wt - Moisture : maksimum 0,5 % wt - Kandungan Biuret : maksimum 1% wt - Kandungan Fe: maksimum 1 ppm - Ammonia bebas: maksimum 150 ppm. Gambar 1 Blok Diagram Urea 2 HASIL DAN PEMBAHASAN Urea ( NH 2 CONH 2 ) terbentuk dari reaksi dehidrasi ammonium karbamat yang merupakan reaksi eksotermis hasil dari reaksi sebelumnya antara NH 3 danco 2 yang membentuk larutan karbamat. Reaksi yang terjadi dalam reaktor urea adalah sebagai berikut: Tahap pertama merupakan reaksi eksotermis, yaitu reaksi antara NH 3 dan CO 2 membentuk larutan karbamat. Reaksinya :2NH 3 +CO 2 NH 2 COONH 4 Tahap kedua merupakan reaksi endotermis, yaitu reaksi dehidrasi ammonium karbamat menjadi urea. Reaksinya : NH 2 COONH 4 NH 2 CONH 2 + H 2 O 38
Kinerja reaktor dalam mengubah Tanggal N/C H/C Konversi (%) 6-04-2013 3,65 0,41 72,5 8-04-2013 3,69 0.384 73,5 13-04-2013 3,64 0,41 72 ammonia dan karbondioksida menjadi Tabel 1.Neraca Massa Reaktor 1 urea diperlukan konversi kesetimbangan CO 2, dimana konversi ini dipengaruhi oleh perbandingan mol antara NH 3 dengan CO 2 ( N/C ) dan H 2 O dengan CO 2 ( H/C ). Jika mol ratio antara N/C tinggi maka konversi kesetimbangan CO 2 semakin meningkat. Begitu juga sebaliknya jika mol ratio H/C yang tinggi, maka konversi kesetimbangan CO 2 semkain kecil sehingga produk urea yang terbentuk juga sedikit. Tabel 2. Hasil Perhitungan Neraca Energi Reaktor 1 Komp Kcal/h Q 1 3.942.190,8 Q 2 2.525.109,3 Q 3 2.355.072,7 Q 4 8.713.223,4 Q r -20.360,367 Q loss 88.789 Tabel 3. Data Hasil Perhitungan Konversi Reaksi Reaktor 1 Komp F 1 (kg/h) F 2 (kg/h) F 3 (kg/h) F 4 (kg/h) Urea 9.029 93.007,06 NH 3 91.954 32.810 77.231,344 CO 2 54.194 30.038 22.743,16 H 2 O 17.164 42.319,8 Biuret 357 274,6 Total 91.954 54.194 89.400 23.5549 Catatan : F1 = NH3 inlet reaktor F2 = CO2 Inlet Reaktor F3 = larutan recycle Inlet Reaktor F4 = Komponen Outlet Reaktor Pada reaktor 1, perbandingan N/C terbesar terjadi pada tanggal 8 April 2013, dan N/C terkecil pada tanggal 13 April 2013. Sedangkan untuk H/C, pada tanggal 8 April lebih kecil dari pada tanggal 13 April. Sehingga di dapatkan kesetimbangan konversi feed reaktor pada tanggal 8 April lebih besar yaitu 73 % dari pada tanggal 13 April yaitu 72 %. Pada reaktor 2, perbandingan N/C terbesar terjadi pada tanggal 10 Okteober 2011 yaitu 3,83, sedangkan N/C terkecil terjadi pada tanggal 9 Oktober 2011 yaitu 3,80. Sedangkan untuk H/C pada tanggal 9 dan 10 Oktober sama sama 39
berjumlah 0,65, sehingga di dapatkan kesetimbangan konversi umpan reaktor pada tanggal 10 Oktober 2011 lebih besar yaitu 74,5 % dibandingkan pada tanggal 9 Oktober 2011 yaitu 73,9 %. Dari data diatas menunjukkan bahwa semakin besar mol ratio perbandingan N/C, maka akan semakin besar pula konversi feed untuk pembentukan urea. Sedangkan semakin besar mol ratio perbandingan H/C maka akan memperkecil konversi feed pembentukan urea. Oleh sebab itu kadar air (H 2 O) dalam reaktor dijaga seminimum mungkin. Berdasarkan hasil perhitungan neraca massa reaktor 1 pada tanggal 8 April 2013, didapat massa NH 3 yang masuk F 1 adalah 91.954 kg/h, CO 2 yang masuk F 2 adalah 54.194,05 kg/h dan larutan recycle yang masuk reaktor F 3 adalah 89.400,98 kg/h. Sedangkan laju alir massa yang keluar reaktor F 4 adalah 235.549 kg/h. Sedangkan dari hasil perhitungan neraca massa reaktor 2 pada tanggal 10 Oktober 2011, massa NH 3 yang masuk ke reaktor F 1 adalah 25.187,4 kg/h, larutan recycle dari scrubber (DA-102) F 2 adalah 24.537,15 kg/h, larutan recycle dari carbamate codenser (EA-101/2) F 3 adalah 139.171,2 kg/h, sedangkan laju alir massa keluaran atas reaktor F 4 adalah 8.286,09 kg/h dan laju alir massa keluaran bawah reaktor F 5 adalah 180.609,65 kg/h.setiap harinya laju alir massa umpan yang masuk ke reaktor tidaklah sama, hal ini juga menyebabkan bervariasinya konversi feed pembentukan urea, sehingga juga mempengaruhi jumlah produk pupuk urea yang dihasilkan setiap harinya, namun perbedaan itu tidak terlalu jauh dari data disain, sehingga kondisi aktual reaktor 1 dan reaktor 2 masih seperti yang diharapkan. Berdasarkan hasil perhitungan neraca energi reaktor 1 pada tanggal 8 April 2013, didapat panas yang masuk pada NH 3 Inlet Q 1 adalah 3.942.190,8 Kcal/h, panas yang masuk pada CO 2 inlet Q 2 adalah 2.525.109,3 Kcal/h, panas yang masuk melalui larutan recycle Q 3 adalah 2.355.072,7 Kcal/h, Sedangkan Panas dari reaksi pembentukan urea Q r adalah 20.360,367 Kcal/h dan panas keluar reaktor Q 4 adalah 8.713.223,4 Kcal/h, sehingga Q loss yang terjadi pada reaktor 1 adalah 88.789 Kcal/h (1,008 %). Sedangkan dari hasil perhitungan neraca energi reaktor 2, di dapat panas yang masuk pada NH 3 inlet Q 1 adalah 2.307.398,3 Kcal/h, panas yang masuk melalui larutan recycle dari scruber Q 2 adalah 1.265.572,3 Kcal/h, panas yang masuk melalui larutan recycle dari carbamate condenser Q 3 adalah 8.765.105,9 Kcal/h, Sedangkan panas dari reaksi pembentukan urea Q r adalah 16.932,371 Kcal/h dan panas keluar dari atas reaktor Q 4 adalah 665.604,26 Kcal/h serta panas keluar dari bawah reaktor Q 5 adalah 6.777.506,4 Kcal/h, sehingga Q loss yang terjadi pada reaktor 2 adalah 4.878.034,3 Kcal/h (39,5 %). Dari data diatas menunjukkan bahwa pada reaktor 1 Q loss yang terjadi jauh lebih kecil dibandingkan dengan Q loss yang terjadi pada reaktor 2, yaitu sebesar 1,008 % pada reaktor 1 dan 39,5 % pada reaktor 2, hal ini disebabkan karena kondisi dari reaktor itu sendiri. Reaktor 2 memiliki lebih banyak pipa keluaran dari pada reaktor 1, semakin banyak percabangan maka resiko dari kebocoran flange atau gasket akan semakin besar sehingga kemungkinan Q loss yang terjadi akan 40
meningkat. Hal lain yang bisa saja menyebabkan Q loss reaktor 2 lebih besar dari Q loss reaktor 1 adalah, Tabel 4. Hasil Perhitungan Neraca Massa Reaktor 2 reaktor 1 saat ini beroperasi secara terus menerus dan dilakukan perbaikan. Komponen F 1 kg/h F 2 kg/h F 3 kg/h F 4 kg/h F 5 kg/h Urea 36,805 55,668 69.732,03 NH 3 25.187,4 10.106,852 66.398,579 5.803,57 56.387,533 CO 2 8.963,42 59.676,61 1.942,25 15.560,96 H 2 O 5.430,071 13.040,341 540,25 38.849,77 Biuret 79,373 Total 25.187,4 24.537,15 139.171,2 8.286,09 180.609,65 Catatan : F1 = NH3 inlet reaktor F2 = Solution recycle inlet reaktor dari carbamate condenser F3 = Solution recycle inlet reaktor dari scrubber F4 = Outlet top reaktor Tabel 5. Data Hasil Perhitungan Konversi Reaksi Reaktor 2 Tanggal N/C H/C Konversi (%) 9-10-2011 3,80 0,65 73,9 10-10-2011 3,83 0.65 74,5 F5 = Outlet bottom reaktor Tabel 6. Hasil Perhitungan Neraca Energi Reaktor 2 Komponen Kcal/h Q 1 2.307.398,3 Q 2 1.265.572,3 Q 3 8.765.105,9 Q 4 665.604,26 Q 5 6.777.506,4 Q r -16.932,371 Q loss 4.878.034,3 Sedangkan untuk reaktor 2 sangat jarang di operasikan, mengingat keterbatasan bahan baku yang sedang dialami oleh PT. Pim, serta disebabkan karena produk dari urea 2 adalah urea granul, yang direncanakan untuk konsumsi luar negeri (ekspor), untuk 41
alasan tersebut reaktor 2 sangat jarang dilakukan perbaikan, bahkan tidak pernah dibuka pada saat pertama, hal ini memungkinkan adanya kebocoran di dalam reaktor. Temperatur dan tekanan pada top reaktor tidak melebihi kondisi disain (200ºC pada reaktor 1 dan 190ºC pada reaktor 2), jika terlalu tinggi maka akan mengakibatkan meningkatnya laju korosi pada reaktor, meskipun dilain pihak temperatur yang tinggi akan meringankan beban pada seksi selanjutnya. Oleh karena itu perlu adanya batasan operasi untuk mengoptimalkan unjuk kerja reaktor. Anonymous, 1975, Toyo Engineering Coorporation, Tehnical for Ammonia and Urea Plant, PT. Pupuk Iskandar Muda, Krueng Geukuh. SIMPULAN Berdasarkan hasil perhitungan dan pembahasan maka diperoleh beberapa kesimpulan yaitu berdasarkan hasil perhitungan neraca massa reaktor 1 dan reaktor 2, diperoleh neraca massa total adalah 235.549,03 kg/h untuk reaktor 1, sedangkan neraca massa total untuk reaktor urea 2 adalah 188.895,75 kg/h. Semakin tinggi mol ratio N/C maka akan semakin meningkatkan konversi feed reaktor terhadap pembentukan urea, sebaliknya semakin tinggi mol ratio H/C maka konversi feed reaktor akan semakin rendah. Pada reaktor urea 1 Q loss yang terjadi adalah 88.789 Kcal/h (1,008 %), sedangkan pada reaktor urea 2 Q loss yang terjadi adalah 4.878.034,3 Kcal/h (39,5 %) DAFTAR PUSTAKA Annonymous, 1994, Prinsip prinsip dasar dan prinsip operasi, PT. Pupuk Iskandar Muda, Krueng Geukuh. 42