Evaluasi kinerja ammonia converter pabrik urea ditinjau dari konversi N 2 dan H 2 dengan menggunakan hysys
Nurafni Oktafia Siringo-ringo 1 , Indah Sari 1 ,  Selpiana 2
1 Student Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya
2 Lecturer Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya Jln. Raya Palembang Prabumulih Km. 32 Inderalaya Ogan Ilir (OI) 30662
Corresponding author : selpiana@ft.unsri.ac.id

## ABSTRAK
Ammonia converter merupakan salah satu unit penting dalam proses produksi amoniak khususnya di Unit Amoniak  pada  pabrik  urea. Ammonia  converter merupakan  reaktor  yang  terdiri  dari  tiga  Bed  dan memiliki  katalis  berfungsi  sebagai  tempat  reaksi  terjadinya  pembentukan  amoniak  (NH 3 )  dari  hidrogen (H 2 )  dan  nitrogen  (N 2 ). Performance reaktor ammonia  converter mempengaruhi  produktivitas  dan efisiensi  di  pabrik  amoniak  dilihat  dari  peningkatan  produksi  NH 3 yang  di  dapat  dari  hasil  keluaran ammonia converter . Reaktor amonia konverter dievaluasi dengan  tujuan untuk mengetahui performance reaktor ammonia converter ditinjau dari konversi H 2 dan N 2 . Evaluasi yang dilakukan berupa konversi H 2 dan  N 2 menjadi  NH 3 dengan  perbandingan  nilai  antara  perhitungan  data  desain  dan  data  aktual. Berdasarkan data yang diolah pada 30 September, 30 Oktober, dan 30 November tahun 2018 didapatkan konversi tertinggi yaitu pada 30 Oktober 2018. Konversi tersebut didapatkan H 2 sebesar sebesar 30,32% dan konversi N 2 sebesar 33,72%.
Kata kunci: konversi, ammnonia converter, ammonia.

## ABSTRACT
Ammonia  converter  is  one  of  the  important  units  in  ammonia  production  process,  especially  in  the Ammonia  Unit.  Ammonia  converter  is  a  reactor  consisting  of  three  beds  and  has  a  catalyst  which functions as a reaction place for the formation of ammonia (NH 3 ) from hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ). The performance of the ammonia converter reactor affects the productivity and efficiency of the ammonia plant  seen  from  the  increase  in  NH 3 production  obtained  from  the  output  of  ammonia  converter. Evaluation  of  ammonia  converter  reactor  intend  to  find  out  the  performance  of  the  ammonia  converter reactor  in  case  of  H 2 and  N 2 ,  it  was  carried  out  in  the  form  of  conversion  of  H 2 and  N 2 into  NH 3 by comparing the values between the calculation of design data and actual data. Based on data processed on September 30, October 30, and November 30, 2018, the highest conversion was obtained on October 30, 2018. The conversion was obtained H 2 by 30.32% and N 2 conversion by 33.72%.
Keywords : Conversion , ammonia converter , ammonia.

## 1. PENDAHULUAN
Proses  sintesa  amonia  terjadi  pada  unit Ammonia converter. Dalam  unit  ini,  gas  sintesa (N 2 dan  H 2 )  dari  unit  pemurnian  gas  sintesa
akan  direaksikan  menjadi  produk ammonia . Ammonia  converter berisikan promoted  iron catalyst. Katalis  ini  terdapat  dalam bed yang terdiri  dari  beberapa catalyst  bed yang  terpisah
di  dalam  reaktor.  Pada Ammonia  converter terjadi reaksi sebagai berikut:
N 2 + 3H 2  2NH 3
Reaksi yang terjadi pada Ammonia converter bersifat eksotermis, kenaikan temperatur mengakibatkan  kesetimbangan  reaksi  bergeser ke  kiri  (reaktan),  sehingga  hal  tersebut menyebabkan  produk  yang  dihasilkan  akan berkurang  karena  akan  kembali  terurai  menjadi reaktan. Pada bed pertama, NH 3 yang dihasilkan mengalami  peningkatan  yang  sangat  tinggi dengan  temperatur  yang  terus  meningkat.  Oleh karena  itu,  perlu  dilakukan  pendinginan  dengan interchanger ,  sehingga  temperatur  sebelum masuk bed kedua menjadi menurun. Temperatur yang  diturunkan  tersebut  akan  mengakibatkan terjadinya  reaksi  yang  menghasilkan  kalor ( eksoterm ),  untuk  mengimbangi  kalor  yang berkurang tadi. Artinya, reaksi diatas bergeser ke kanan,  sehingga  jumlah  NH 3 akan  bertambah meskipun hanya mengalami sedikit peningkatan. Begitu  pula  seterusnya  sampai bed terakhir, sehingga didapatkan dengan hasil yang diharapkan.
Kinerja  amonia  konverter  dipengaruhi  oleh beberapa  faktor  antara  lain  temperatur,  tekanan, rasio  H 2 /N 2 ,  gas  inert,  space  velocity  dan konsentrasi NH 3 inlet.
Temperatur mempengaruhi laju reaksi sintesa dan  kesetimbangan  amoniak.  Karena  reaksi sintesa  eksotermis,  kenaikan  temperatur  akan menurunkan derajat kesetimbangan dari amoniak dan  pada  waktu  yang  sama  akan  mempercepat reaksi  dan  meningkatkan  konversi  reaksi. Kebanyakan converter didesain untuk memberikan  konversi  yang  optimal  dengan terlokasinya temperatur maksimum atau hot spot pada  bagian bed atas  dan  semakin  mengalami penurunan menuju keluarannya.
Tekanan  mempengaruhi  kesetimbangan  dan laju reaksi. Peningkatan
tekanan dapat meningkatkan konsentrasi kesetimbangan amoniak dan kecepatan laju reaksi. Hal ini akan mempengaruhi  terhadap  meningkatnya  konversi pada  tekanan  tinggi.  Dengan  adanya  kompresor sentrifugal,  tekanan  desain  pada ammonia  loop berkisar 2000-3000 psig (142-212 kg/cm 2 ).
Feed  syn-gas ( make  up ,  tidak  termasuk recycle )  yang  menuju  ke  seksi  sintesa  harus mempunyai  perbandingan  H 2 terhadap  N 2 berkisar  3:1.  Hal  ini  dikarenakan  pembentukan amoniak  berasal  dari  H 2 dan  N 2 dengan perbandingan 3:1. Perbandingan dalam f eed syn- gas boleh  diubah  sedikit  dari  3:1  untuk mendapatkan  perbandingan  optimum  H 2 :N 2 dalam  campuran  gas  yang  masuk converter . Berdasarkan  desain  pada  pabrik,  rasio  H 2 /N 2 yang  baik  berkisar  diantara  2,6–3.  Perubahan jumlah  rasio  H 2 /N 2 akan  berdampak  pada kenaikan  atau  menurunnya  konversi  di  dalam Ammonia  converter .  Variabel  operasi  utama yang digunakan untuk mengontrol rasio hidrogen  dan  nitrogen  adalah  komposisi  dari make up atau fresh feed gas . Volum relatif fresh feed dan purge  gas juga  mempengaruhi  rasio H 2 /N 2 . Metana  dan  argon  adalah  komponen  inert yang terdapat pada aliran syn gas . Komponen ini tidak  berbahaya  terhadap  katalis  sintesa  dan tidak  mengalami  reaksi  sintesa,  namun  dapat membawa  dampak  negatif  terhadap  laju  reaksi dan kesetimbangan. Gas inert ini dialirkan keluar dari recycle  compressor secara  terus  menerus agar  jumlahnya  tidak  naik,  dimana  akan berakibat  pada  menurunnya  konversi  dan kapasitas  produksi.  Aliran purge gas diperlukan untuk mengontrol konsentrasi CH 4 dan gas inert lainya  agar  dapat  dijaga  serendah  mungkin  di daerah  sintesa,  karena  akan  mengakibatkan penurunan  konversi,  kenaikan  tekanan  dan mengurangi kapasitas produksi.
Perubahan total laju alir feed akan mempengaruhi  waktu  kontak  dan  konversi,  dan sebagai hasilnya, akan berdampak pada produksi amoniak.  Apabila space  velocity meningkat, dengan  adanya  peningkatan  laju  alir recycle , produksi  amoniak  per  unit  waktu  akan meningkat,  walaupun  konversi  setiap pass menurun  seiring  dengan  menurunnya  waktu kontak.
Konsentrasi  NH 3 inlet akan  mempengaruhi konversi,  hal  tersebut  dapat  dilihat  dengan penurunan  jumlah  keluaran  amoniak  dari converter .  Adanya  penurunan  tersebut  akan meningkatkan  konsentrasi  amoniak inlet agar
tidak  terjadi  penurunan  keluaran  ammonia  dari converter kembali.

## 2. METODOLOGI
Diagram Alir Evaluasi
Metode Perhitungan
Untuk  melakukan  perhitungan  evaluasi kinerja Ammonia  converter ,  diperlukan  data- data khusus yang akan diolah dalam perhitungan.  Data  yang  diperoleh  dapat  dibagi menjadi  dua  jenis,  antara  lain  yaitu  data  desain dan  data  aktual.  Data  tersebut  diperoleh  dari Control  Room unit  industri  pupuk  urea  yang diambil  pada  tanggal  1-10  Februari  2019.  Data operasi  yang  dibutuhkan  yaitu pressure  drop, komposisi input & output, temperatur input & output,  t ekanan input converter,  dan  flowrate input & output pada ammonia  converter .  Data- data  yang  digunakan  dalam  mengevaluasi kinerja Ammonia  converter pada  industri  Pupuk
urea diambil sebanyak 3 data yaitu pada tanggal 30  September  2018,  31  Oktober  2018  dan  30 November  2018,  dimana  data  tersebut  diambil karena  data  kondisi  operasi  tersebut  merupakan data  terbaru  yang  terekam  pada  data  panel kontrol saat kerja praktek ini berlangsung.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Data  yang  diperoleh  dari Control  Room unit industri  pupuk  urea  diambil  sebanyak  3  data yaitu  pada  tanggal  30  September  2018,  31 Oktober  2018  dan  30  November  2018.  Data tersebut  dihitung  necara  massanya  dengan menggunakan  Hysys  8.8,  sehingga  konversi  N 2 dan  H 2 dapat  dihitung  setiap  Bed.  Selain  itu, konversi N 2 dan H 2 dapat dihitung secara manual (menggunakan microsoft excel) keluaran reaktornya secara langsung.
Tabel  1. Data  Desain Ammonia  Converter pada
industri pupuk urea Parameter Satuan Input Produk Temperatur o C 232,4 459 Tekanan Kg/cm 2 177,9 177 Berat Mol Rata-Rata kg/kmol 10,381 11,97 Densitas kg/m 3 41,30 33,16 Laju Molar kmol/h 24928,8 21626 Laju Massa kg/h 258782 258782 Laju Komponen kmol/hr CH 4 1914,53 1838,21 H 2 16276,0 1 11321,21 N 2 5394,59 3743,46 Ar 927,35 927,75 NH 3 416,31 3719,67 (Sumber: Process Departement PT. Pupuk Sriwidjaja, 1990)
Perhitungan Konversi
Studi Literatur
Pengumpulan Data Aktual Ammonia Converter (AC)
- Data Volumetric Flowrate inlet AC
- Data Komposisi inlet & outlet AC
- Data Temperatur inlet & outlet AC
- Data Tekanan AC
Perhitungan Neraca Massa Perhitungan Konversi N 2 & H 2
Analisa & Evaluasi
Gambar 1. Diagram Alir Evaluasi
Tabel  2. Konversi  H 2 dan  N 2 pada  tiap bed Amonnia  Converter pada  Tanggal  30 September 2018 Bed Konversi (%) H 2 N 2 1 28,62 23,95 2AB 5,94 4,67 Tabel  3. Konversi  H 2 dan  N 2 pada  tiap bed
Amonnia   Converter pada Tanggal 30 Oktober 2018 Bed Konversi (%) H 2 N 2 1 27,20 30,24 2AB 4,29 4,98
Tabel  4. Konversi  H 2 dan  N 2 pada  tiap bed
Amonnia  Converter pada  Tanggal  30
November 2018 Bed Konversi (%) H 2 N 2 1 27,56 27,11 2AB 4,35 4,25
Tabel  5. Perbandingan  Konversi  Data  Desain dan Aktual Senyawa Desain Aktual 31 Sep 2018 30 Okto 2018 30 Nov 2018 N 2 30,44% 27,51 % 33,72 % 30,22% H 2 30,60% 32,87 % 30,32 % 30,72% Perhitungan Konversi secara Manual
(Menggunakan Microsoft Excel)
Tabel 6. Konversi H 2 dan N 2 Amonnia Converter pada Tanggal 30 September 2018
Senyawa Konversi H 2 19,69% N 2 13,76%
Tabel 7. Konversi H 2 dan N 2 Amonnia Converter
pada Tanggal 30 Oktober 2018
Senyawa Konversi H 2 17,58% N 2 20,21%
Tabel 8. Konversi H 2 dan N 2 Amonnia Converter
pada Tanggal 30 November 2018 Senyawa Konversi H 2 17,87% N 2 17,72%
Gambar  2. Temperatur  Masuk  bed  1  terhadap Konversi      N 2 dan  H 2 Secara Aktual
Dapat  dilihat  dari  Gambar  2.  bahwa konversi  H 2 dan  N 2 yang  paling  tinggi  pada tanggal  30  Oktober  2018  pada  suhu  267,1 o C yaitu konversi H 2 sebesar 27,2% dan konversi N 2 sebesar  30,24%.  Konversi  paling  rendah  adalah pada  tanggal  30  September  pada  suhu  276,6 o C dengan  nilai  sebesar  28,62%  untuk  konversi  H 2 dan  23,95%  untuk  N 2 .  Pada  tanggal  30  Oktober 2018 dengan suhu 267,1 o C mengalami penaikan konversi,  padahal  temperatur  yang  terjadi  pada setiap data aktual tidak begitu jauh.
Gambar  3. Tekanan  pada Ammonia  Converter terhadap  koversi  N 2 dan  H 2 Secara Aktual
Pada  Gambar  3.  menunjukkan  pada  tekanan ammonia  converter pada  data  desain  adalah sebesar 178,4 kg/cm 2 dengan konversi N 2 adalah sebesar  29,78%  dan  konversi  H 2 sebesar 30,43%.  Pada  3  bulan  terakhir  konversi  N 2 dan H 2 yang  paling  tinggi  terdapat  pada  30  Oktober 2018  dengan  tekanan  174,01  kg/cm 2 didapat konversi  N 2 sebesar  33,72%  dan  H 2 sebesar 30,32%.    Konversi  paling  rendah  terdapat  pada 30  september  2018  dengan  konversi  N 2 sebesar 27,51%  dan  konversi  H 2 sebesar  32,87%  pada tekanan ammonia  converter sebesar  173,42 kg/cm 2 . Dari Gambar  3. didapat bahwa  semakin tinggi  tekanan  pada ammonia  converter maka konversi N 2 dan H 2 juga semakin tinggi.
Gambar 4. Perbandingan Rasio H 2 dan N 2 pada Ammonia  Converter terhadap  konversi  N 2 dan H 2 Secara Aktual Dari  Gambar  4.  dapat  dilihat  bahwa  hal  yang paling  berpengaruh  dari  data  setiap  akhir  bulan
September,  Oktober,  dan  November  yaitu perbandingan  H 2 dan  N 2, pada  bulan  Oktober perbandingan  H 2 dan  N 2 adalah  2,92:1  dengan konversi H 2 dan N 2 yang paling kecil. Pada bulan Oktober  perbandingan  antara  H 2 dan  N 2 sebesar 3,33:1.  Dari  data  diatas  dapat  di  lihat  bahwa jarak  antara  rasio  setiap  bulan  tidak  begitu  jauh sehingga  konversinya  juga  menghasilkan  data yang tidak begitu jauh pula. Dari ketiga faktor yang sangat
mempengaruhi  konversi  dari  H 2 dan  N 2 yaitu temperatur,  tekanan,  dan  perbandingan  H 2 dan N 2 didapatlah  hasil  konversi  dari  setiap  bed mulai dari September sampai November.
Gambar 5. Perbandingan Konversi H 2 dan N 2
pada Ammonia Converter dari September sampai November tahun 2018 pada Bed 1
Gambar  6. Perbandingan  Konversi  H 2 dan  N 2 pada Ammonia Converter September sampai November
tahun 2018 pada Bed 2AB
Gambar  7. Perbandingan  Konversi  H 2 dan  N 2 pada Ammonia  Converter dari Data Desain dan Aktual
Gambar 8. Perbandingan Perhitungan Konversi H 2 dan  N 2 dengan  Menggunakan Hysys 8.8 dan Manual Dilihat  dari  Gambar  5  dan  6  menunjukkan bahwa konversi tertinggi berada pada bed 1. Hal ini  dapat  dilihat  pada  Gambar  6  yang menunjukkan grafik kesetimbangan antara jumlah NH 3 yang terbentuk dengan suhu kondisi operasi,  pada  bed  1  menunjukkan  jumlah kenaikan  NH 3 yang  paling  tinggi  dikarenakan perbedaan  temperatur inlet dan outlet yang paling  tinggi.  Setelah  keluar  dari  bed  1  aliran menga-lami  pendinginan  lalu  masuk  ke  dalam bed  2A,  pendinginan  bertujuan  agar  reaksi menjauhi titik kesetimbangan dan meningkatkan jumlah  dari  NH 3 yang  terbentuk.  Setelah  keluar bed  2A  aliran  masuk  bed  2B  baru  keluar  dari ammonia converter .

## KESIMPULAN
1. Konversi  H 2 dan  N 2 yang  terdapat  pada
Ammonia  Converter yang  ditinjau  pada  30
September,  30  Oktober,  dam  30  November pada tahun 2018 diperoleh konversi tertinggi pada  30  Oktober  2018  yaitu  konversi  H 2 sebesar  30,32%  dan  konversi  N 2 sebesar 33,72%. 2. Konversi  pada  Bed  1  dan  Bed  2AB mempunyai  konversi  yang berbeda, konversi yang  tertinggi  terjadi  pada  Bed  1  pada  30 Oktober 2018 yaitu H 2 sebesar 27,2% dan N 2 sebesar 30,24%.

## DAFTAR PUSTAKA
Anonim.  1992. Buku  Petenjuk  Operasi  Pabrik Amonia  PUSRI  IB .  Palembang:  PT. Pupuk Sriwidjaja. Arif,    A.,  dkk.  2014. Deskripsi  Proses  PUSRI-
IB . Palembang: PT. Pupuk Sriwidjaja.
Felder,  M.  R.,  dan  Rousseau,  R.  W.  2005. Elementary Principles of Chemical Process 3dr Ed . New York: John Wiley & Sons. Felder,  R.  M.  1986.  Elementary  Principles  of
Chemical  Processes  2th  edition.  New
York: John Wiley & Sons.
Levenspiel,  O.  1962.  Chemical  Reaction Engineering  3th  edition.  New  York:
Mc.Graw Hill Book Company.
Lide, D. R. 1913. CRC Handbook of Chemistry and  Physics.  New  York:  CRC  Press LLC.
Perry,  R.  H.  1996.  Chemical  Engineering
Handbook  7th  edition.  New  York:
Mc.Graw Hill Book Company.
Smith,  J.  M.  1984.  Chemical  Engineering
Thermodynamics  6th  edition.  New York: Mc.Graw Hill Book Company.
Green,  D.  W.,  dan  Perry,  R.  H.  2008. Perry’s Chemical  Engineers  Handbook  8th  Ed .
New York: McGraw-Hill’s.
Tim  Persiapan  Operasi  Ammonia  Plant  PUSRI- IB.  1992. Operating  Intruction  Manual . Palembang: PT. PUSRI Palembang.
Tim  Persiapan  Operasi  Urea  Plant  PUSRI-IB.
1992. Operating  Instruction  Manual .
Palembang: PT. PUSRI Palembang.
Tim  Persiapan  Operasi  Ammonia  Plant  PUSRI- IB.  1992. Standard  Instuction  Manual . Palembang:  PT.  PUSRI  Palembang.