## Evaluasi efisiensi ammonia converter unit ammonia pada industri pupuk urea
R. M. Yusuf Agustria, Al Azhar, Rizka Wulandari Putri* Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya Jln. Raya Palembang Prabumulih Km. 32 Inderalaya Ogan Ilir (OI) 30662
Corresponding author : rizka.wulandari07024@gmail.com

## ABSTRAK
Ammonia Converter adalah reaktor berkatalis yang berfungsi sebagai tempat reaksi pembentukan NH 3 (amoniak) dari H 2 (hidrogen) dan N 2 (nitrogen). Produktifitas dan efisiensi di pabrik amoniak ditentukan dari hasil ammonia converter ini. Gas hidrogen dan nitrogen didapatkan dari keluaran metanator,  yang  diharapkan  memiliki  rasio  H 2 :N 2 sebesar  3:1.  Kedua  gas  ini  direaksikan  dalam ammonia  converter pada  suhu  dan  tekanan  yang  tinggi.  Dari  permasalahan  yang  didapat  bahwa terjadi  penurunan  produksi  NH 3 pada ammonia  converter selama  bulan  februari.  Adapun  tujuan dari  penelitian  ini  adalah  mengevaluasi  performa  amoniak  konverter  dan  apa  saja  yang mempengaruhi  performa  tersebut.  Dari  hasil  evaluasi  didapatlah  bahwa  kondisi  operasi  pada ammonia  converter ini  juga  akan  mempengaruhi  dari  banyaknya  amoniak  yang  akan  dihasilkan. Hal  ini  dapat  dilihat  dari  hasil  konversi  hidrogen  dan  nitrogen,  sekitar  15%.  Dari  hasil  evaluasi, didapatkan  bahwa  produksi  NH 3 menurun  dari  data  desainnya,  yaitu  sebesar  3498,1264  kmol/h pada bulan Februari 2018.
Kata Kunci: Ammonia Converter, Efisiensi, Suhu, Tekanan, Rasio

## ABSTRACT
Ammonia Converter is a catalytic reactor that functions as a reaction site for the formation of NH 3 (ammonia) from H 2 (hydrogen) and N 2 (nitrogen). The productivity and efficiency in the ammonia unit  are  adjusted  from  the  results  of  this  ammonia  converter.  Hydrogen  and  nitrogen  gases  are obtained from the methanator output, which is expected to have an H 2 : N 2 ratio of 3: 1. Both of these  gases  are  reacted  in  ammonia  converters  at  high  temperatures  and  pressures.  The  main problem  of  this  work  is  the  decrease  of  NH 3 production  in  ammonia  converter.  The  aim  of  this work are evaluate ammonia converter performance and the factors that influence its performance. From  the  result,  the  operating  conditions  in  the  ammonia  converter  will  also  increase  from  the amount  of  ammonia  to  be  produced.  This  can  be  seen  from  the  results  of  the  conversion  of hydrogen  and  nitrogen,  around  15%.  From  the  evaluation  results,  obtained  from  NH 3 results decreased from the design data, which amounted to 3498,124 kmol/hour in February 2018. Keywords: Ammonia Converter , efficiency, Temperature, Pressure, Ratio
1. PENDAHULUAN
Ammonia  converter merupakan  salah satu unit penting dalam proses produksi amoniak khususnya  di  Unit  Amoniak    pada  industri pupuk  urea  Ammonia  Converter  merupakan reaktor berkatalis yang berfungsi sebagai tempat reaksi  pembentukan  NH 3 (amoniak)  dari hidrogen  (H 2 )  dan  nitrogen  (N 2 ).  Reaktor ammonia converter sangat berpengaruh terhadap produktifitas  dan  efisiensi  di  pabrik  amoniak dilihat  dari  peningkatan  produksi  NH 3 yang  di dapat  dari  hasil  keluaran  ammonia  converter. Sehingga  kontrol  dan  evaluasi  terhadap  unit  ini sangat  diperlukan  untuk  mendapatkan  proses yang  lebih  optimal.  Unit  Amoniak  pada  pabrik pupuk  urea  merupakan  unit  pabrik  tua  yang sudah beroperasi sejak tahun 1976 dimana telah mengalami Ammonia  Optimization  Project (AOP) untuk  meningkatkan efisiensi pemakaian energi  meningkat  sebesar  10%  dan  produksi meningkat sebesar 20% dari kapasitas terpasang. Namun pada waktu tertentu operasi yang terjadi pada  Unit  Amoniak  pada  pabrik  pupuk  urea sering mengalami kendala pada kinerja kompressor,  demikian  pula  katalis  yang  berada pada  ammonia  converter  telah  berumur  tua  dan belum diganti dari batas umur pemakaiannya.
Dalam pembentukan NH 3 pada ammonia  converter ,  rasio  antara  N 2 :H 2 sebesar 3:1.  Namun  pada  studi  lapangan,  perbandingan rasio ini boleh diubah sedikit untuk mendapatkan  perbandingan  optimum  H 2 /N 2 dalam campuran gas yang masuk converter . 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  75m 3 promoted iron  catalyst.  Katalis  diletakkan  di  dalam internal basket yang terdiridari beberapa catalyst bed yang terpisah di dalam reaktor. Volume bed semakin  bawah  akan  semakin  besar,  hal  ini dilakukan  untuk  membatasi  panas  reaksi  yang eksotermis  pada  bed paling  atas  (dimana  terjadi reaksi tercepat), sehingga converter dapat dijaga pada  temperatur  yang  diinginkan.  Penggunaan aliran  gas  quench  yang  masuk  katalis  bed bertujuan untuk mengontrol temperatur converter  untuk  memungkinkan  terbentuknya nilai  panas  reaksi  yang  mantap.  Reaksi  yang
terjadi  di  dalam  ammonia  converter  adalah sebagai berikut:
N 2 + 3H 2 →  2NH 3 (eksotermis)
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.  Mengatasi  hal  tersebut,  maka  reaksi tersebut dilakukan pendinginan secara mendadak (quench) oleh feed ammonia converter.  Hal  itu  juga  dilakukan  agar  tidak mengurangi laju reaksi berlebih dan menghindari temperatur  mencapai titik  konversi kesetimbangan.
Pada bed pertama, NH 3 yang dihasilkan mengalami  peningkatan  yang  sangat  tinggi dengan  temperatur  yang  terus  meningkat.  Jika temperatur  terus  meningkat  dan  mencapai kesetimbangan,  maka  reaksi  akan  bergeser  ke kiri  yang  menyebabkan  NH 3 terurai  kembali menjadi  reaktan.  Oleh  karena  itu,  perlu dilakukan  quenching,  sehingga  temperatur sebelum masuk bed kedua menjadi menurun dan jika  temperatur  diturunkan,  maka  yang  akan terjadi 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  akan  didapatkan  produk  dengan  hasil yang diharapkan.
Titik  keseimbangan  dari  reaksi  sintesa amoniak  tergantung  pada  kondisi  operasi  yang diusulkan.  Kadar  ammonia  dalam  gas  keluaran reaktor  kira-kira  15-20%  mol.  Gas  yang  tidak terkonversi  dikembalikan  ke  reaktor  untuk mendapatkan  produksi  yang  maksimal.  Dalam reaksi  pembentukan  amoniak  terdapat  beberapa hal yang perlu dikendalikan agar reaksi berjalan optimal.  Berikut  ini  adalah  kondisi  yang berpengaruh  terhadap  reaksi  di  dalam  ammonia converter.
1. Temperatur
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. Ketika temperatur meningkat,  maka  laju  reaksi  akan  mengalami peningkatan,  namun  konsentrasi  kesetimbangan amoniak  akan  mengurangi  konversi  hidrogen dan nitrogen terhadap amoniak.
Ketika  temperatur  operasi  meningkat, maka  konsentrasi  kesetimbangan  amoniak  akan berkurang. Kebanyakan sistem sintesa beroperasi  pada  temperatur  900˚F  sampai 1000˚F  (482˚C-538˚C).  Akan  tetapi,  secara prakteknya  katalis  diharapkan  untuk  beroperasi dengan  temperatur  yang  rendah,  yaitu  minimal 700˚F (371˚C), dimana pada temperatur tersebut dapat  dicapai  konversi  yang  diinginkan.  Hal  ini menunjukkan  bahwa,  pada  kondisi  jauh  dari kesetimbangan, kenaikan temperatur akan menuju  pada  konversi  yang  lebih  tinggi, sedangkan untuk sistem sintesa yang dekat pada derajat  kesetimbangan,  kenaikan  temperatur akan  menuju  pada  konversi  yang  lebih  rendah. Temperatur  yang  rendah  akan  memaksimalkan umur katalis. Secara umum, kinerja katalis stabil pada temperatur 1050˚F (566˚C),  namun katalis akan  mengalami  penurunan  kestabilan  apabila berada di atas temperatur tersebut.
2. Tekanan
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 )

## 2.METODOLOGI PENYELESAIAN
Metodologi penyelesaian meliputi pengumpulan
data, pengolahan data, perhitungan dengan simulasi hysys , dan pembahasan  hasil  perhitungan.  Pengumpulan data  diperoleh  dari manual  operation  ammonia plant berupa  desain  aktual  dan  data  aktual  dari ammonia  converter .  Berdasarkan  data  yang terkumpul, dilakukan pengolahan dan pengelompokan data
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Perhitungan neraca massa pada ammonia converter dilakukan dengan menggunakan metode perhitungan pada simulasi hysys , yang akan dilihat dengan membandingkan hasil  perhitungan  data  desain  dan  aktual  yang telah  di  input  pada  simulasi  tersebut.  Dari perhitungan  data  desain  dan  aktual,  dapat diketahui bahwa data desain  dengan  molar  flow inlet  sebesar  25464.51  Kgmole/H  dan  molar flow outlet sebesar 22160 Kgmole/H. Sedangkan  data  aktual  dari  hasil  simulasi hysys di  dapat  dengan  molar  flow  inlet  sebesar  23464 Kgmole/H  dan  molar  flow  outlet  sebesar  22970 Kgmole/H.  Dilihat  dari  hasil  tersebut  maka perbandingan  desain  dengan  aktual  (secara hysys)  mengalami  penurunan  dalam  produksi NH 3 dimana  pada  desain  produksi  NH 3 menghasilkan  3779.08  Kmol/h  sedangkan  pada aktual hysys NH 3 hanya menghasilkan 3498.1264  Kmol/h.  Pada  aktual  produksi,  NH 3 yang  dihasilkan  sebesar  3531.12  Kmol/h. Namun hal tersebut masih mendekati molar flow design  dari  data  yang  didapat  yakni  3413.82 Kmol/h.  Berikut  parameter  yang  menjadi pertimbangan  bahwa  hal  tersebut  terjadi  pada reaktor  ammonia  converter  pada  industri  pupuk urea.
1. Temperatur Temperatur  pada  ammonia  converter,
memiliki  jarak  yang  tidak  terlalu  jauh  dengan data actual produksinya. Masih adanya perbedaan  ini  bisa  disebabkan  dari  aplikasi hysys  yang  secara  otomatis  merekomendasikan suhu  yang  sesuai.  Jumlah  amoniak  yang didapatkan memiliki selisih yang tidak jauh dari data  aktual.  Pada  kondisi  lapangan,  jika temperatur  meningkat,  maka  laju  reaksi  akan mengalami  peningkatan,  namun  konsentrasi kesetimbangan amoniak akan mengurangi konversi  hidrogen  dan  nitrogen  terhadap amoniak.
Gambar 1. Perbandingan Temperatur secara Aktual
2. Tekanan Dapat  dilihat  bahwa  tekanan  aktual produksi pada lebih tinggi dibandingkan tekanan aktual  pada  hysys.  Secara  teori  peningkatan tekanan akan mempengaruhi konversi reaktannya,  dimana  kenaikan  tekanan  akan cenderung  menggeser  reaksi  ke  kanan  sehingga dicapai  konversi  yang  lebih  tinggi.  Perbedaan tekanan  ini  penyebabnya  sama  seperti  halnya analisa  temperatur,  yaitu  disebabkan  dari  hysys yang  merekomendasikan  tekanannya,  agar mampu berjalan prosesnya.
Gambar 2. Perbandingan Tekanan Secara Aktual
3. Ratio H 2 /N 2
Ratio H2/N2 yang teranalisa pada laboratorium  unit  pada  industri  pupuk  urea, komposisi ratio %mol H 2 /N 2 masih berada pada rentang  2,5–3,8  (design  pabrik).  Ratio  H 2 /N 2 menunjukkan  pembentukan  amoniak  berasal dari H 2 dan N 2 dengan perbandingan 3:1.
N2  +  3H2                2NH3 Berdasarkan  studi  lapangan,  perbandingan dalam feed syn-gas boleh diubah sedikit dari 3:1
untuk  mendapatkan  perbandingan  optimum H 2 /N 2 dalam  campuran  gas  yang  masuk converter.  Sedangkan  untuk  mencari  persen konversi N 2 , H 2 sebagai berikut.
Konversi H2 & N2 data aktual
1) % Konversi H 2 =
- × 100%
=  26,3305 %
2) % Konversi N 2 =
- × 100% =  26,3225 %
Konversi H2 & N2 data Januari 2019 1) % Konversi H 2
= - × 100% = 35,42% 2) % Konversi N 2 = - ×100%
= 44,92%
Konversi H2 & N2 data Februari 2019
1) % Konversi H 2 = - × 100% = 26,22% 2) % Konversi N 2 = - × 100% - = 31,29% 0 100 200 300 400 500 02-Jan 09-Jan 16-Jan 23 -Jan 30-Jan 06 -Fe b 13 -Fe b
20 -Fe b 27- Fe b Te m p era tu r (C ) 110 120 130 140 150 160 02-Jan 09-Jan 16-Jan 23-Jan 30-Jan 06-F e b 13-F e b
20-F e b 27-F e b Te ka n an (b ar )
Persen  konversi  tersebut  dipengaruhi oleh  perubahan  jumlah  rasio  H 2 /N 2 yang  akan berdampak  pada  kenaikan  atau  penurunan 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 . Volume relatif fresh  feed dan purge  gas juga  mempengaruhi rasio H 2 /N 2 .
Dari  perbandingan  data  desain konversi  dan  data  aktual  konversi,  dapat diketahui  bahwa  konversi  secara  aktual  sedikit menurun  dibandingkan  dengan  konversi  desain. Hal ini dapat dipengaruhi dari adanya penurunan tekanan pada ammonia converter.
Sesuai dengan prinsip kesetimbangan, bahwa  semakin  menurunnya  tekanan  reaksi, maka  reaksi  akan  cenderung  bergeser  ke  kiri, sehingga  menyebabkan  menurunnya  konversi reaksi, begitupun sebaliknya
4. KESIMPULAN
1. Produksi amoniak pada ammonia converter di industri Pupuk Urea mengalami penurunan  dari  standar  desainnya.  Pada desain produksi dihasilkan ammonia 3779.0886  Kmol/h  sedangkan  pada  aktual produksi NH 3 hanya menghasilkan 2645,5943 Kmol/h pada saat bulan Januari 2018  dan  3498,1264  Kmol/h  pada  saat bulan Februari 2018.
2. Kinerja  amoniaa  converter  dipengaruhi oleh  temperatur,  tekanan  dan  rasio  umpan N 2 dan H 2 .

## 5. DAFTAR PUSTAKA
Abdullah.  A.  2010.  Evaluasi  Kinerja  dan Prekdiksi  Pergantian  Katalis  Ammonia Converter Pada Pabrik Ammonia. (Online)
: http://e- jurnal.pnl.ac.id/index.php/JSTR/article/vie w/188 (Diakses pada Tanggal 28 November 2019)
Anonim.  PT.  Pupuk  Sriwidjaja  Palembang
(Pusri) Proses Produksi Amonia. (Online)  :  www.pusri.co.id/ina/amonia- proses-produksi-amonia/. (Diakses pada Tanggal 21 November 2019)
Arif,    A.,  dkk.  2014.  Deskripsi  Proses  PUSRI- III. Palembang: PT. Pupuk Sriwidjaja.
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.
Tim  Persiapan  Operasi  Ammonia  Plant  PUSRI- III. 1992. Operating Intruction Manual .
Palembang: PT. PUSRI Palembang. Tim  Persiapan  Operasi  Urea  Plant  PUSRIII. 1992.  Operating  Instruction  Manual. Palembang: PT. PUSRI Palembang.