## Pengaruh Pengurangan Laju Alir Udara Proses pada Unit

## Secondary Reformer (103-D) terhadap Konsumsi Energi Pada Pabrik Amoniak Pupuk Kaltim 5
Fauzandy Husna Setyanto, Puja Chrisdianto Manapa, Widayat
Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro;
Email  : fauzandy123@gmail.com (F.H.S.), manapapuja2@gmail.com (P.C.M.), widayat@lecturer.undip.ac.id (W);
Abstrak : Secondary  reformer merupakan  alat  yang  berfungsi  untuk  mengonversi  dari  metana  (CH₄) menjadi  syn  gas  (H₂).  Gas  metana  akan  bereaksi  dengan  oksigen  (O₂)  yang  berasal  dari  udara atmosfer  untuk  membentuk  H₂  yang  nantinya  akan  disintesis  menjadi  amoniak  pada  unit  ammonia converter.  Sementara  itu  gas  metana  yang  tersisa  akan  dimanfaatkan  kembali  sebagai secondary  fuel pada primary reformer , energi yang dihasilkan dari reaksi pembentukan syn gas pada secondary reformer ini  kemudian  digunakan  untuk  membangkitkan  saturated steam pada  unit  waste  heat  boiler.  Studi kasus ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh pengurangan laju alir udara pada secondary reformer terhadap jumlah methane leak , energi, amoniak yang dihasilkan, dan optimasi proses suplai secondary fuel  ke  primary  reformer.  Penurunan  laju  alir  pada secondary  reformer (103-D)  akan  menyebabkan beberapa hal yaitu naiknya jumlah methane leak pada outlet secondary reformer , adanya peningkatan produk secondary fuel methane , adanya penurunan produk saturated steam pada waste heat boiler (101-C), penurunan  pada  produk  amoniak  yang  dihasilkan  pada ammonia  converter (122-C2),  dan  konsumsi energi  yang  dibutuhkan  per  ton  amoniak  meningkat  seiring  dengan  pengurangan  laju  alir  udara dengan rata-rata peningkatan konsumsi energi sebesar 0,15 MMBTU/ton.
Kata Kunci : laju alir udara, secondary reformer , methane leak , & energi amoniak
Abstract :  Secondary  reformer  is  a  tool  that  functions  to  convert  methane  (CH₄)  into  syn  gas  (H₂). Methane gas will react with oxygen (O₂) from atmospheric air to form  H₂ which will be synthesized into ammonia in the ammonia converter unit. Meanwhile, the remaining methane gas will be reused as secondary fuel in the primary reformer, the energy generated from the syn gas formation reaction in the secondary reformer is then used to generate saturated steam in the waste heat boiler unit. This research  was  conducted  to  determine  the  effect  of  reducing  the  air  flow  rate  on  the  Secondary reformer  on  the  amount  of  methane  leak,  energy,  ammonia  produced,  and  optimization  of  the secondary  fuel  supply  process  to  the  primary  reformer.  The  decrease  in  flow  rate  in  the  secondary reformer (103-D) will cause several things, namely an increase in the amount of methane leak at the secondary  reformer  outlet,  an  increase  in  secondary  fuel  methane  product,  a  decrease  in  saturated steam  product  in  the  waste  heat  boiler  (101-C),  a  decrease  in  product  ammonia  is  produced  in  the ammonia  converter  (122-C2),  and  the  energy  consumption  required  per  ton  of  ammonia  increases
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160
along  with  the  reduction  in  air  flow  rate  with  an  average  increase  in  energy  consumption  of  0.15 MMBTU/ton.
Keywords : Air Flow Rate, Secondary reformer, Methane Leak, & Ammonia Energy

## 1. Pendahuluan
Sebagai negara agraris, hasil perkebunan merupakan salah satu komoditi yang sangat  berperan dalam  pertumbuhan  ekonomi  Indonesia,  baik  sebagai  komoditi  ekspor  penambah  devisa  ataupun pemenuhan  kebutuhan  dalam  negeri.  Untuk  mendukung  kegiatan  pertanian,  dibutuhkan  zat penyubur  tanaman  yang  dapat  ditemukan  dalam  pupuk.  Pupuk  yang  digunakan  dapat  berupa pupuk  organik  maupun  anorganik  (kimia).  Pada  tahun  2022,  Indonesia  memiliki  kebutuhan  pupuk bersubsidi  hingga  25,18  juta  ton,  dimana  pemerintah  hanya  dapat  memenuhi  sebanyak  9,5  juta  ton (Rayful,  2022).  Salah  satu  strategi  Kementan  dalam  memenuhi  kebutuhan  pupuk  tersebut  dengan menetapkan alokasi pupuk urea sebesar 4.232.704 ton (Mudassir, 2022).
Salah satu produsen pupuk urea di Indonesia adalah PT Pupuk Kalimantan Timur. Berdasarkan Profil dan Riwayat Singkat Perusahaan diketahui bahwa Pupuk  Kaltim menempati lahan seluas 443 hektar  di  Kota  Bontang,  Kalimantan  Timur  dengan  fasilitas  produksi  yang  terdiri  dari  5  pabrik Amoniak, 5 pabrik Urea, 3 pabrik NPK Blending, 2 pabrik NPK Fusion, 1 pabrik Boiler Batu Bara, unit pengantongan, serta unit pergudangan dengan total kapasitas produksi pupuk urea sebesar 3,43 juta ton/tahun, Amoniak sebesar 2,74 juta ton/tahun, dan NPK sebesar 350 ribu ton/tahun.
Dengan  umur  pabrik  yang  sudah  demikian  lama,  maka  telah  banyak  bagian  yang  mengalami penurunan  kinerja  alat  dalam  sistem  prosesnya.  Salah  satu  indikator  penurunan  kinerja  tersebut adalah  semakin  meningkatnya  jumlah  panas  yang  hilang  dari  sistem  energi  pabrik  tersebut  dan belum termanfaatkan. Dengan semakin mahalnya harga penyediaan energi, maka adanya energi yang hilang  menyebabkan  pula  naiknya  biaya  produksi,  sehingga  perlu  dilakukan  penghematan  energi melalui perbaikan kinerja alat untuk mengurangi hilangnya energi atau perubahan rancangan sistem energi sehingga energi dapat dipergunakan secara optimal.
Pada  Pabrik  Amoniak  Pupuk  Kaltim  5,  terdapat  unit secondary  reformer yang  berfungsi  untuk mengonversi metana (CH₄) menjadi syn gas (H₂). Gas metana akan bereaksi dengan oksigen (O₂) yang berasal  dari  udara  atmosfer  untuk  membentuk  H₂  yang  nantinya  akan  disintesis  menjadi  amoniak pada  unit ammonia  converter .  Adapun  gas  metana  yang  tersisa  akan  dimanfaatkan  kembali  sebagai secondary  fuel pada primary  reformer .  Energi  yang  dihasilkan  dari  reaksi  pembentukan syn  gas pada secondary  reformer digunakan  untuk  membangkitkan saturated  steam pada  unit waste  heat  boile r  (Biro Pengembangan  Sumber  Daya  Manusia,  2015;  Team  Start  Up,  2015).  Secara  umum,  studi  kasus  ini membahas  pengaruh  pengurangan  laju  alir  udara  pada  unit secondary  reformer (103-D)  terhadap konsumsi  energi  pada  pabrik  amoniak  Pupuk  Kaltim  5  dengan  melakukan  simulasi  proses menggunakan bantuan software Aspen Hysys versi 10. Karena pentingnya seksi primary reformer dan secondary reformer ini dalam berjalannya proses operasi pembuatan amoniak di Pabrik 5, perlu adanya studi kasus untuk melihat pengaruhnya terhadap parameter yang harus dijaga. Oleh karena itu pada studi  kasus  ini  akan  dilihat  pengaruh  pengurangan  laju  alir  udara  pada secondary  reformer terhadap jumlah methane leak , jumlah saturated steam yang dihasilkan, jumlah amoniak yang dihasilkan, jumlah secondary fuel , dan konsumsi energi pada pabrik amoniak.
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160

## 2. Tinjauan Pustaka

## 2.1. Termodinamika Pembentukan Amoniak
Tinjauan  termodinamika  digunakan  untuk  menentukan  sifat  reaksi  pembentukan  amoniak, pengaruh kondisi operasi, dan jumlah panas hasil reaksi.
2.1.1. Steam Reforming
Reaksi yang terjadi :
  4 2 2 CH H O CO 3H (1)   2 2 2 CO H O CO H (2)
Diketahui  panas  pembentukan  (Hf°₂₉₈)    dan  energi  bebas  Gibbs  (Gf°)  dari  setiap  senyawa diatas ditampilkan pada Tabel 1.

## Tabel 1.
Data Panas Pembentukan (Hf°₂₉₈) Senyawa pada Reaksi Steam Reforming (Smith et al., 2018) Senyawa Hf°₂₉₈ (kkal) Gf° (J/kmol) CH₄ –17,89 –50,84 × 10⁻³ H₂O –57,79 –228,6 × 10⁻³ CO –26,42 –137,2 × 10⁻³ CO₂ –94,05 –394,40 × 10⁻³ H₂ 0 0
Nilai ΔHf° dan ΔGf° reaksi 1 dan 2 dapat dihitung dengan cara sebagai berikut:
   Hf Hf produk Hf Reaktan (3)    Gf Gf produk Gf Reaktan (4)
Menggunakan persamaan 3 dan 4, didapatkan nilai ΔHf° dan ΔGf° reaksi 1 dan 2 ditunjukkan pada Tabel 2.

## Tabel 2.
Nilai Beda Entalpi Pembentukan dan Energi Bebas Gibbs dari Reaksi Steam Reforming (Smith et al., 2018) Reaksi ΔHf° (kkal) ΔGf° (J/kmol) 1 –49,27 142,24 × 10⁻³ 2 –9,84 228,6 × 10⁻³
2.1.2. Sintesis Amoniak Reaksi yang terjadi :  2 2 3 N 3H O 2NH (5)
Diketahui  panas  pembentukan  (Hf°₂₉₈)    dan  energi  bebas  Gibbs  (Gf°)  dari  setiap  senyawa diatas ditampilkan pada Tabel 3.
Tabel 3. Data Panas Pembentukan (Hf°₂₉₈) Senyawa pada Reaksi Sintesis Amoniak (Smith et al., 2018) Senyawa Hf°₂₉₈ (kkal) Gf° (J/kmol) N₂ 0 0 H₂ 0 0 NH₃ –45,9 16,4 × 10⁻³
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160
Menggunakan persamaan 3 dan 4, didapatkan nilai ΔHf° dan ΔGf° reaksi 5 ditunjukkan pada Tabel 4.

## Tabel 4.
Nilai Beda Entalpi Pembentukan dan Energi Bebas Gibbs dari Reaksi Sintesis Amoniak (Smith et al., 2018) Reaksi ΔHf° (kkal) ΔGf° (J/kmol) 5 –21,92 –32,8 × 10⁻³
Nilai  energi  bebas  Gibbs  (ΔGf°)  digunakan  untuk  mencari  nilai  K.  Perhitungan  nilai  K ditunjukkan menggunakan cara sebagai berikut
       G R T ln K (6)       G
ln K R T
  
   
3 32,8 10 ln K 8, 314 298

##  K 1
Dari  perhitungan  ΔHf°  diatas,  dapat  dilihat  bahwa  reaksi  yang  terjadi  tergolong  reaksi eksotermis.  Sedangkan  dari  nilai  perhitungan  K,  terlihat  nilai  K  sangat  kecil,  sehingga  dapat disimpulkan bahwa reaksi sintesis amonia bersifat reversible .

## 2.2. Kinetika Pembentukan Amoniak
Tinjauan  kinetika  bertujuan  memperkirakan  kecepatan  reaksi  dan  pengaruh  kondisi  operasi dan konsentrasi reaktan serta untuk pemilihan dan perancangan jenis reaktor yang digunakan. Reaksi pada secondary reformer (103-D) adalah steam reforming . Reaksi steam reforming adalah sebagai berikut:
   4 2 2 CH H O CO 3H    H 206 kJ/mol (7)    2 2 2 CO H O CO H    H 41 kJ/mol (8)
Berikut merupakan model Langmuir-Hinshelwood (LH) reaksi steam reforming dengan katalis nikel  (selanjutnya  dilambangkan  dengan  S  pada  sisi  aktif  primer  dan  X  adalah  sisi  aktif  sekunder) menurut Batebi et al. (2021).

## 2.2.1. Proses Adsorpsi
  4 4 CH S CH -S (K1) (9)   2 2 H O S H O-S (K2)  (10)    2 H O-S S OH-S H-S (K3)  (11)    4 CH -S 3S CH-S 3H-S (K4)  (12)
Mula-mula,  sisi  aktif  dari  katalis  nikel  (S)  mengikat  molekul  metana  dan  air  untuk  melepas molekul OH dan CH yang nantinya digunakan untuk pada reaksi water gas shift pertama.
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160
2.2.2. Proses Reaksi
  2 CO H-S COOH-S (K5)  (13)     COOH-S 2CH-S OH-S 3CO-S 4H-S (K6)  (14)   2 2H-S H 2S (K7)  (15)    CO-S S CO 2S (K8, k-8)(RDS)  (16)   CO X CO-X (K9)  (17)   2 2 H O X H O-X (K10)  (18)    2 H O-X X OH-X H-X (K11)  (19)    2 CO-X OH-X CO -X H-X (K12)  (20)
Setelah  melepas  molekul  OH  dan  CH,  reaksi  berlangsung  dengan  kontak  pada  sisi  aktif primer dan sekunder katalis untuk menghasilkan molekul H dan CO₂.

## 2.2.3. Proses Desorpsi
  2 2H-X H 2X (K13)  (21)   2 2 CO -X CO X (K14, k-14)(RDS)  (22)
Molekul H dan CO₂ yang masih menempel di sisi aktif sekunder katalis dilepaskan, sehingga menghasilkan produk H₂ dan CO₂.
Dimana RDS : rate determining step .
Berdasarkan  proses  tersebut,  persamaan  yang  didapatkan  untuk  mencari  laju  reaksi  adalah sebagai berikut:
       
              
    2 2 2 2 1 1 1 2 3 n n n 1 2 2 CO H O CH 2 2 2 5 n CO 8 1 2 3 4 4 5 6 7 8 CO 5 n H P P P R k K K K K K K K K
1 k P 1
P
(23)
    
     
  2 2 2 2 1 1 n n
1 CO CO n CO 14 9 10 11 12 13 14 CO 1 n H P P R
k K K K K K 1 k P 1 P (24)
Dimana:
                      

  
2 4 2 4 2 2 2 2 2 2 2 4 2 1 1 1 1
1 1 1 1 3 n n 2n H O CH H 5 n n 2 n 2n 2 1 2 2 3 1 4 7 7 CH H O CO H 1 1 3 1 2n 2 2n 2n 7 7 H H 1 1 1 1 3 n n 2n CO H O CH 2 2 5
1 2 3 4 5 6 7 2 n H 1 1 P P P K
1 K P K P K K K
P P K K K P K P K P P P K K K K K K K
P (25)
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160
     
    
2 2 2 2 2 2 1 1 1 1
1 1 1 n 2n n n CO H O H CO n n 2 9 10 10 11 9 10 11 12 13 13 CO H O 1 1 1 n 2n n 13 H H 1 1 P P P P 1 K P K P K K K K K K K K P K P (26)
(Boudart, 1981)

## 2.3. Konsumsi Energi Pabrik Amoniak
Peninjauan  konsumsi  energi  pada  suatu  pabrik  dibutuhkan  pengetahuan  tentang  komponen input  dan  output  energinya.  Pada  pabrik  amoniak  Pupuk  Kaltim  5,  input  energi  berupa  gas  proses, fresh fuel , dan listrik. Sedangkan outputnya berupa steam yang dihasilkan pada waste heat boiler (102- C).  Selain  komponen  input  dan  output,  produk  amoniak  yang  dihasilkan  merupakan  salah  satu variabel penting dalam peninjauan konsumsi energi (Bahadori, 2016).
Gas  proses  adalah raw  material yang  digunakan  untuk  membuat syn  gas (H 2 )  yang  berupa natural  gas .  Kebutuhan  gas  proses  pada  pabrik  amoniak  Pupuk  Kaltim  5  adalah  sebesar  68.873,01 MSCFD.  Sedangkan fresh  fuel berupa  natural  gas  yang  berfungsi  untuk  menyediakan  energi  pada reaksi  endotermis  di primary  reformer (122-BCC)  dan flare  system . Secondary  fuel berupa  metana  yang dihasilkan  dari  gas  proses  pada  metanator  digunakan  sebagai  tambahan fuel pada primary  reformer (122-BCC).  Kebutuhan fresh  fuel pada  pabrik  amoniak  Pupuk  Kaltim  5  adalah  sebesar  13.182,09 MSCFD. Input fresh fuel tersebut dapat dikurangi bila jumlah secondary fuel dapat diregenerasi dengan baik  dari  gas  proses.  Sehingga,  kebutuhan primary  fuel secara  umum  dapat  dirumuskan  pada persamaan 27.
  Kebutuhan fresh fuel (13.182,09 jumlah secondary fuel) MSCFD (27)
Selain gas proses dan primary fuel, input energi dari pabrik amoniak Pupuk  Kaltim 5 berupa listrik. Kebutuhan listrik adalah  sebesar 58.500 kWh/hari dengan  konsumsi listrik pada skala  british thermal unit sebesar 695,46 MMBTU.
Output energi berupa ekspor steam pada unit waste heat boiler (102-C). Produksi steam pada unit tersebut  dipengaruhi  oleh  energi  yang  dihasilkan  pada  keluaran secondary  reformer (103-D).  Secara umum,  pabrik  amoniak  Pupuk  Kaltim  5  menghasilkan  ekspor steam sebanyak  795,12  ton/hari  pada kondisi operasi  normal,  yaitu  ketika  laju  alir  udara  proses  pada  secondary  reformer  (103-D)  sebesar 175  ton/hari.  Jumlah  ekspor steam tersebut  berkurang  seiring  dengan  berkurangnya  input  udara proses.
Peninjauan  kebutuhan  energi,  diperlukan  konversi  kebutuhan  tiap  komponen  menjadi  satuan energi  (MMBTU).  Pada  gas  proses  dan fresh  fuel ,  konversi  satuan  energi  dilakukan  dengan mengalikan  kebutuhan  per  harinya  (MSCFD)  dengan  nilai gross  heating  value (GHV).  Nilai  GHV natural gas pada pabrik amoniak Pupuk Kaltim 5 adalah sebesar 1,02 MBTU/scf. Maka, satuan energi dari kebutuhan gas proses dapat dihitung menggunakan persamaan 29.
  NG Total NG Proses NG Fuel (28) Dimana:  Nilai energi NG = Jumlah NG GHV (29)
Dengan menggunakan persamaan 29, nilai energi NG proses dapat dihitung.
  NG Proses 68.873,01 MSCFD 1,02 MBTU/scf (30)  NG Proses 70.627,75 MMBTU
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160
Dengan cara yang sama, kebutuhan energi dari fresh fuel dapat dihitung:
  NG Fuel 13.182,09 MSCFD 1,02 MBTU/scf (31)  NG Fuel 13.445,73 MMBTU
Selain natural gas, jumlah ekspor steam perlu dikonversi menjadi satuan energi MMBTU. Untuk mengonversi  menjadi  satuan  energi,  jumlah steam dikalikan  dengan  nilai  massa  entalpi steam pada tekanan  47,5  kgAbs  dan  suhu  385°C.  Berdasarkan steam table,  nilai  massa  entalpi steam pada  pabrik amoniak  Pupuk  Kaltim  5  adalah  sebesar  2,98  MMBTU/ton.  Maka,  nilai  energi  yang  dihasilkan  oleh steam dapat dihitung menggunakan persamaan 32.
  S Jumlah Ekspor Steam   H steam (32)    S (759,12 ton/hari Pengurangan Jumlah Steam) 2,98 MMBTU/ton   

## S [(795,12 Pengurangan Jumlah Steam) 2,98 MMBTU
Selain  meninjau  energi  input  dan  output,  produk  amoniak  yang  dihasilkan  adalah  parameter penting  yang  digunakan  untuk  perhitungan  konsumsi  energi.  Jumlah  produk  amoniak  yang dihasilkan  pada  kondisi  normal  operasi  adalah  sebesar  2.586  ton/hari.  Jumlah  tersebut  dapat berkurang  seiring  dengan  pengurangan  laju  alir  udara  pada  secondary  reformer  (103-D).  Sehingga, perhitungan konsumsi energi per ton amoniak dapat dirumuskan pada persamaan 33.
  (Energi input Energi output) KE P (33)    (NG E S) KE P Dimana: KE = Konsumsi energi per ton amoniak (MMBTU/ton) NG = Jumlah energi yang dihasilkan dari natural gas (MMBTU) E = Konsumsi listrik yang dibutuhkan pada proses (MMBTU) S = Jumlah energi yang dihasilkan dari ekspor steam (MMBTU) P = Total produk amoniak yang dihasilkam (ton/hari)

## 3. Bahan dan Metode Studi Kasus
Dibutuhkan  beberapa  data  untuk  mengetahui  pengaruh  pengurangan  jumlah inlet udara  pada secondary reformer (103-D), data tersebut berasal dari dua sumber yakni dari hasil analisa laboraturium maupun Distribution Control System (DCS). Sementara itu beberapa data yang diambil dari hasil Studi kasus  ini  meliputi  komposisi  zat,  kondisi  operasi,  dan process  flow  diagram pada  setiap  unit  pabrik ammonia Pupuk Kaltim 5.
Studi kasus untuk mengetahui perbandingan inlet udara pada secondary reformer (103-D) pabrik 5 Pupuk Kaltim dilaksanakan melalui beberapa tahapan, yaitu mulai dari pengumpulan data, simulasi, hingga  analisis  hasil  simulasi.  Data  yang  digunakan  merupakan  data  pada  bulan  Maret  2022, sedangkan  simulasi  pabrik  ammonia  menggunakan software Aspen  Hysys  versi  10.  Adapun  analisa hasil  simulasi  dilakukan  dengan  mengolah  data  mentah  dan  hasil  simulasi  menggunakan  software excel . Alur pelaksanaan studi kasus ini digambarkan  secara singkat dan sistematis dan dapat dilihat melalui Gambar 1 berikut.
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160

## Gambar 1. Alur Pelaksanaan Studi Kasus
Tabel 5. Komposisi Gas Alam No Komponen Komposisi (mol%) 1. CO₂ 0,697 2. N₂ 0,055 3. CH₄ 98,062 4. C₂H₆ 0,575 5. C₃H₈ 0,296 6. i-C₄H₁₀ 0,064 7. n-C₄H₁₀ 0,086 8. i-C₅H₁₂ 0,036 9. n-C₅H₁₂ 0,026 10. C₆₊ 0,103 Total 100,000
Reaktan  pembentukan  ammonia  pada  Pupuk  Kaltim  berupa  gas  alam  yang  disuplai  dari  PT Pertamina  Gas  Operation.  Gas  alam  masuk  ke  unit Primary  reformer (101-BCC)  pada  suhu  515°C tekanan  40  Kg/cm²G  dengan flowrate 72.000  Nm³/jam.  Tabel  diatas  merupakan  komposisi  gas  alam hasil sampling yang diambil pada 11 Maret 2022. Selain data komposisi reaktan, didapatkan juga data komposisi  tiap  zat  pada  keluaran  setiap  unit  di  pabrik  5  Pupuk  Kaltim.  Komposisi  zat  tiap  unit
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160
dianalisa menggunakan metode Gas Chromatography . Data yang ditunjukkan merupakan hasil analisa pada tanggal 10 Maret 2022, berikut data yang didapatkan ditunjukkan Tabel 6, 7, dan 8.
Tabel 6.
Komposisi Zat pada Unit Sebelum Ammonia Synthesis No.  Komponen Primary reformer Secondary reformer HTS LTS Absorber Methanator 1. CO₂ 11,32% 8,76% 14,66% 17,19% 0,01% 0,62 ppm 2. CO 3,65% 10,18% 2,15% 0,19% 0,21% 0 ppm 3. H₂ 54,69% 50,06% 54,81% 54,75% 66,26% 66,08% 4. CH₄ 29,93% 2,23% 2,06% 2,1% 2,55% 2,77% 5. N₂ 0,34% 28,42% 26% 25,46% 30,59% 30,77% 6. Ar 0,07% 0,35% 0,32% 0,31% 0,38% 0,38% Tabel 7. Komposisi Zat pada Unit Ammonia Synthesis No  Komponen Converter Inlet Converter Outlet 1. H₂ 70,77% 58,58% 2. CH₄ 0% 0% 3. N₂ 23,93% 20,09% 4. Ar 4,15% 4,85% 5. NH₃ 1,15% 16,48%
Unit Waste  Heat  Boiler (102-C)  pada  keluaran Secondary  reformer (103-D)  digunakan  untuk membangkitkan Saturated  Steam yang  dialiri Boiler  Feed  Water (BFW)  dengan  laju  alir  168  ton/jam. Terdapat  pula  udara  untuk  mengonversi  metana  (CH₄)  menjadi  gas  proses  yang  direaksikan  pada Secondary reformer (103-D) yang memiliki laju alir 175 ton/jam. Inlet udara pada Secondary reformer (103- D) tersebut yang akan dimanipulasi dengan pengurangan laju alir yang merupakan tujuan dari studi kasus  ini.  Selain  beberapa  data  yang  sudah  dipaparkan  diatas,  terdapat  pula  data  kondisi  operasi pada  setiap  unit.  Data  ini  diambil  dari  DCS  pabrik  ammonia  Pupuk  Kaltim  5.  Tabel  berikut menunjukkan  data  kondisi  operasi  unit  yang  dibutuhkan  untuk  melakukan  simulasi  pada software Aspen Hysys versi 10 nantinya.
Tabel 8. Kondisi Operasi Unit pada Aliran Gas Proses No. Unit Tekanan (Kg/cm²G) Suhu (°C) 1. Primary reformer (101-BCC) 40 710 2. Secondary reformer (103-D) 37,92 881 3. Waste Heat Boiler (102-C) 37,81 365,2 4. HTS (104-D1) 38 427,3 5. LTS (104-D2B) 35,87 231,3 6. Absorber (121-D) 35,70 48,5 7. Methanator (106-D) 34,75 321 8. Methane Sepator (132-C) 32,19 -182 9. Ammonia Synthesis (122-C2) 151,1 249,2
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160

## 4. Hasil dan Pembahasan
4.1. Pembuatan Simulasi Proses Pabrik Amonia
Simulasi  dilakukan  dengan  menggunakan  Aspen  Hysys  versi  10  menggunakan fluid  package basis  Peng-Robinson  dan  reaksi  pada  reaktor  berjenis  conversion  reaction,  dan  dilakukan  dengan meniru  proses  inti  yang  ditunjukkan  pada  DCS  pada  Pabrik  Amonia  PKT  5.  Pada  simulasi  ini  data yang digunakan mengacu pada data real time yang diambil dari hasil analisa laboratorium dan sistem DCS.
Gambar 2. Simulasi Bagian Pembentukan Syn Gas
Proses dimulai pada bagian Primary reformer (101-BCC), gas alam akan bereaksi dengan Steam (H₂O), selanjutnya diolah menjadi Syn Gas (H₂) (Bhaumik, 2002). Pengaturan kondisi operasi, laju alir, komposisi  reaktan,  dan  jumlah  produk  yang  keluar  dari Primary  reformer (101-BCC)    mengacu  pada data  yang  sudah  ada. Secondary  reformer (103-D),  memiliki  reaksi  yang  bersifat  eksotermis  dan digunakan sebagai variabel bebas pada studi kasus ini, sedangkan CH₄ leak dan suhu keluaran pada secondary reformer (103-D) digunakan sebagai variabel terikat yang merupakan hasil dari pengaturan laju alir udara sebelumnya (Yu, 2002).
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160
Gambar 3. Simulasi Bagian Steam Generation dan Proses Purifikasi CO dan CO₂
Setelah  pembentukan Syn  Gas ,  energi  dari  produk  keluaran secondary  reformer (103-D)  akan dimanfaatkan  dalam  pembuatan saturated  steam pada Waste  Heat  Boiler (101-C). Syn  gas dimasukkan kedalam  HTS  (104-D1)  dan  LTS  (104-D2B)  untuk  mengonversi  gas  CO  menjadi  CO₂  agar  nantinya dapat  diabsorbsi.  Pengaturan  pada  HTS  dan  LTS  dilakukan  pada  konversi  CO  dimana  pada  HTS sebesar  75%  dan  LTS  sebesar  90%.  Selain  pengaturan  konversi,  suhu  gas  juga  diturunkan menggunakan cooler (103-C2)  pada  angka  212,7°C  yang  disesuaikan  dengan  kondisi  aktual  sebelum memasuki  LTS  (104-D2B).  pada  simulasi  Aspen  Hysys,  hanya  digunakan  component  splitter  untuk menggambarkan  adanya  CO₂ absorber .  Hal  ini  dilakukan  untuk  memberi  kemudahan  pada  proses simulasi, dimana pengaturan hanya dilakukan pada komposisi CO₂ keluaran, yaitu sebesar 10 ppm.
Gambar 4. Simulasi Bagian Pembentukan & Pemisahan Gas Metana dari Syn Gas Sebagai Secondary
Fuel
CO dan CO₂ hasil purifikasi yang belum bereaksi kemudian dikonversi menjadi metana melalui reaksi :
   2 4 2 CO 3H CH H O (34)    2 2 4 2 CO 4H CH 2H O (35)
(Etthouney et al., 1995)
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160
Dimana reaksi 1 dikonversi sebesar 100%, sedangkan reaksi 2 sebesar 80%. Setelah gas metana terbentuk,  dilakukan  proses  pemisahan  antara  gas  metana  dengan syn  gas dengan  menurunkan suhunya hingga 4°C, kemudian komponen H₂O nya agar tidak ada pembekuan pada unit refrigerant cooler juga dipisahkan (Benjamin, 2019).
Cairan  metana  dipisahkan  dari syn  gas pada  separator  (137-D),  kemudian  dipanaskan  hingga 40°C untuk selanjutnya digunakan sebagai secondary fuel pada primary reformer (101-BCC). Sedangkan, syn gas yang telah menjadi gas proses dipanaskan hingga 4°C untuk disintesis menjadi amonia pada unit ammonia  converter (122-C2).  Setelah  gas  proses  memiliki  perbandingan  yang  sesuai,  kemudian dikompresi  hingga  tekanan  151,1  kg/cm 2 G  dan  dipanaskan  kembali  hingga  mencapai  suhu  103,2°C. selanjutnya  gas  proses  dimasukan  keunit ammonia  converter (122-C2)  yang  disimulasikan menggunakan conversion reactor dengan pengaturan konversi H₂ sebesar 54,5% (Stoecker, 1998)
Gambar 5. Simulasi Bagian Ammonia Synthesis
Gambar 6. Penggunaan Fitur Study Case pada Aspen Hysys Versi 10
Dalam  simulasi  ini  fitur case  study juga  digunakan  untuk  menganalisa  pengaruh  dari pengurangan  laju  alir  udara  pada  masukan  secondary  reformer  terhadap  jumlah secondary  fuel methane , produk amonia, dan steam yang dihasilkan. Laju alir udara pada secondary reformer dikurangi dari  kondisi  normal  sebesar  175  ton/jam  hingga  170  ton/jam  dengan  selisih  1  ton/jam.  Sehingga menghasilkan 6 data yang akan diolah dan dianalisa lebih lanjut nantinya
.
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160

## 4.2. Profil Reaktor Secondary reformer (103-D)
Gambar 7. Profil Laju Alir Udara Proses vs Suhu Reaktor Secondary reformer (103-D)
Gambar 8. Profil Laju Alir Udara Proses vs Fraksi Gas H₂ Keluaran
Reaktor Secondary Reformer (103-D)
Berdasarkan  Gambar  7,  terlihat  adanya  peningkatan  suhu  pada  103-D  seiring  dengan penambahan laju alir udara proses. Hal ini disebabkan karena reaksi water gas shift pada 103-D bersifat eksotermis (Vannier, 2011). Berikut merupakan reaksi pada 103-D.
  2 2 2 1
H O H O 2 (36)
   2 2 2 CO H O CO H (37)
(Abbas et al., 2017)
Reaksi tersebut memiliki beda entalpi sebesar –41 kJ/mol yang menandakan reaksi yang terjadi melepas panas ke lingkungan. Sehingga semakin banyak udara proses (O₂) yang ditambahkan, maka semakin banyak H₂O yang terbentuk dan CO akan lebih banyak terkonversi menjadi CO₂ dan H₂. Hal tersebut yang menyebabkan suhu reaktor semakin tinggi seiring meningkatnya laju alir udara proses yang masuk ke unit 103-D, sedangkan dari Gambar 8, terlihat bahwa meningkatnya laju udara proses menyebabkan menurunnya yield H₂. Hal ini disebabkan karena udara proses memiliki oksigen yang menyebabkan H₂ bereaksi secara spontan menjadi H₂O. Hal ini dapat dilihat pada reaksi di unit 103-D yang ditunjukkan menurut Abbas (2017).
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160

## 4.3. Pengaruh Pengurangan Laju Alir Udara pada Secondary Reformer
Setelah  proses  simulasi  dilakukan,  maka  diperoleh  pengaruh  laju  alir  udara  yang  ada  pada secondary reformer terhadap jumlah saturated steam , secondary fuel methane , dan produk amoniak yang dihasilkan.

## 4.3.1. Pengaruh terhadap Jumlah Saturated Steam
Gambar 9. Perbandingan Laju Alir Udara terhadap Jumlah Saturated Steam yang Dihasilkan
Dari Gambar 9, dapat dilihat bahwa pengurangan laju alir udara dapat menurunkan jumlah produksi saturated steam pada unit waste heat boiler (101-C). Jumlah saturated steam yang dihasilkan setiap  1  ton  penurunan  laju  alir  udara  berturut-turut  sebesar  1343,26;  1274,26;  1205,05;  1136,13; 1067,00;  dan  998,01  ton/hari.  Penyebabnya  ialah  karena  penurunan  laju  alir  udara  yang  masuk  ke secondary  reformer  mengakibatkan  reaksi  pembentukan  syn  gas  (H₂)  tidak  maksimal.  Reaksi pembentukan syn gas adalah sebagai berikut:
  2 2 2 1 H O
H O 2    H 285,8 kJ/mol (38)    4 2 2 CH H O CO 3H    H 205,81 kJ/mol (39)    2 2 2 CO H O CO H    H 41,2 kJ/mol (40)
(Smith et al., 2018)
Reaksi pembentukan syn gas oleh O₂ merupakan reaksi eksotermis yang menghasilkan energi pada  aliran  keluar  secondary  reformer  nantinya.  Sehingga,  penurunan  laju  alir udara  menyebabkan penurunan energi yang dihasilkan dari keluaran secondary reformer (103-D).
Tabel 9 menunjukkan bahwa energi yang dihasilkan oleh aliran keluaran secondary reformer (103-D)  tidak  sebesar  kondisi  normal,  yaitu  pada  laju  alir  udara  sebesar  175  ton/jam.  Penurunan energi  tersebut  yang  menyebabkan  perpindahan  panas  pada  boiler  feed  water  di  waste  heat  boiler (101-C) menjadi tidak semaksimal saat laju alir udara kondisi normal.
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160

## Tabel 9.
Perbandingan Laju Alir Udara dengan Energi Keluaran Secondary reformer Laju alir udara (ton/jam) Energi yang dihasilkan (MMBTU/jam) 175 –476,1 174 –476,6 173 –477,0 172 –477,5 171 –478,0 170 –478,5

## 4.3.2. Pengaruh terhadap Jumlah Secondary Fuel yang Dihasilkan
Semakin  sedikit  laju  udara,  maka  metana  yang  dihasilkan  semakin  banyak.  Hal  ini disebabkan  pengurangan  laju  alir  udara  mengakibatkan  metana  lebih  sedikit  yang  terkonversi menjadi syn  gas (H₂)  pada secondary  reformer (LeBlanc,  2016).  Penurunan  laju  alir  udara  juga mengakibatkan  jumlah  oksigen  menurun,  sementara  oksigen  memiliki  peran  penting  dalam  reaksi pembentukan syn  gas dan  karbon  monoksida  (CO)  pada  secondary  reformer  (103-D).  Reaksi pembentukan syn gas dan karbon monoksida adalah sebagai berikut:
  2 2 2 1
H O H O 2 (41)    4 2 2 CH H O CO 3H (42)
Gambar 10 menunjukkan hasil perbandingan laju alir udara  terhadap jumlah secondary fuel yang dihasilkan.
Gambar 10. Perbandingan Laju Alir Udara terhadap Jumlah Secondary Fuel yang Dihasilkan
Gas karbon monoksida dan hidrogen akan membentuk metana pada unit metanator (106-D). Reaksi pembentukan metana pada metanator (106-D) adalah sebagai berikut:
   2 2 4 2 CO 4H CH 2H O (43)    2 2 2 CO H O CO H (44)
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160
Pada  reaksi  tersebut  menunjukkan  jumlah  karbon  monoksida  dan  hidrogen  sangat berpengaruh terhadap jumlah metana yang dihasilkan. Metana yang dihasilkan pada unit metanator (106-D) akan dipisahkan dan digunakan sebagai secondary fuel pada unit primary reformer (101-BCC). Sehingga,  pengurangan  laju  alir  udara  akan  mengurangi  jumlah  oksigen  yang  mengakibatkan kurangnya syn gas dan karbon monoksida untuk bereaksi pada unit metanator (106-D) dimana pada reaksi  tersebut  akan  dihasilkan  metana  yang  berfungsi  sebagai secondary  fuel pada primary  reformer (101-BCC) (LeBlanc, 2016).

## 4.3.3. Pengaruh terhadap Produk Amoniak yang Dihasilkan
Penurunan  pada  laju  alir  udara,  berdampak  pada  produksi  amoniak  yang  semakin  rendah pula. Pengurangan laju  alir udara pada secondary  reformer (103-D) menyebabkan jumlah syn gas (H₂) yang  dihasilkan  lebih  sedikit.  Selain  itu,  gas  N₂  juga  merupakan  reaktan  pada  sintesis  amonia  pada unit ammonia converter (122-C2). Reaksi pembentukan amoniak adalah sebagai berikut:   2 2 3 N 3H 2NH (45)
Udara terdiri dari 79% N₂ dan 21% O₂, sehingga bila laju alir udara dikurangi, jumlah N₂ pada aliran menjadi lebih sedikit. Apabila laju alir udara berkurang, jumlah  N₂ dan H₂ juga menjadi lebih sedikit,  dan  menyebabkan  produk  amoniak  yang  terbentuk  berkurang  dari  pada  ketika  kondisi laju alir udara dalam kondisi normal (LeBlanc, 2016). Hal ini dapat dilihat melalui Gambar 11 berikut.
Gambar 11. Perbandingan Laju Alir Udara terhadap Jumlah Amoniak yang Dihasilkan
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160

## 4.3.4. Pengaruh terhadap CH₄ Leak pada Keluaran Secondary Reformer
Gambar 12. Perbandingan Laju Alir Udara terhadap Jumlah Methane Leak yang Dihasilkan
Gambar 12 menunjukkan peningkatan jumlah CH₄ yang keluar dari secondary reformer (103-D) seiring  dengan  penurunan  laju  alir  udara.  Penyebabnya  ialah  adanya  pengurangan  laju  alir  udara mengakibatkan  metana  lebih  sedikit  yang  terkonversi  menjadi syn  gas (H₂)  (LeBlanc,  2016).  Hal  ini sesuai dengan reaksi yang berada pada secondary reformer (103-D), yaitu sebagai berikut:
  2 2 2 1
H O H O 2 (46)    4 2 2 CH H O CO 3H (47)    2 2 2 CO H O CO H (48)
Dari ketiga reaksi diatas, terlihat bahwa O₂ memegang peranan penting dalam reaksi konversi metana  menjadi syn  gas .  O₂  harus  dibuat excess agar  semakin  banyak  hidrogen  yang  terkonversi menjadi  air  (H₂O).  H₂O  akan  bereaksi  dengan  metana  untuk  menghasilkan syn  gas (H₂)  dan  karbon monoksida.  Sehingga,  semakin  banyak  O₂,  CH₄ leak pada secondary  reformer (103-D)  menjadi berkurang  (LeBlanc,  2016).  Namun,  bila  O₂  dibatasi  dengan  pengurangan  laju  alir  udara,  maka konversi CH₄ pada secondary reformer akan menjadi lebih sedikit daripada laju alir udara normal.

## 4.3.5. Konsumsi energi pada pabrik amoniak
Gambar 13. Hubungan Laju Alir Udara dengan Konsumsi Energi pada Pabrik Amoniak
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160
Gambar  13  menunjukkan  hasil  bahwa  terdapat  peningkatan  konsumsi  energi  yang dibutuhkan pada pabrik amoniak seiring dengan pengurangan laju alir udara pada secondary reformer (103-D).  Secara  umum,  nilai  konsumsi  energi  per  ton  amoniak  pada  pabrik  amoniak  dirumuskan menggunakan persamaan 30.
Dimana:
KE = Konsumsi energi per ton amoniak (MMBTU/ton) NG = Jumlah energi yang dihasilkan dari natural gas (MMBTU) E = Konsumsi listrik yang dibutuhkan pada proses (MMBTU) S = Jumlah energi yang dihasilkan dari ekspor steam (MMBTU) P
= Total produk amoniak yang dihasilkam (ton/hari)
Peningkatan  kebutuhan  energi  ini  disebabkan  karena  berkurangnya  reaktan  N₂  dan  produk syn gas (H₂) yang dihasilkan seiring dengan pengurangan laju alir udara pada secondary reformer (103- D).  Hal  ini  menyebabkan  adanya  pengurangan  jumlah  produk  amoniak  pada  keluaran ammonia converter (122-C2).  pengurangan  laju  alir  udara  menyebabkan  jumlah  energi  yang  dihasilkan  dari natural  gas  meningkat  karena  metana  yang  tersisa  semakin  banyak  untuk  digunakan  pada  proses pembakaran pada primary reformer (101-BCC).

## 5. Kesimpulan
Studi kasus ini menunjukkan hasil bahwa penurunan laju alir udara pada secondary reformer (103- D)  menyebabkan  beberapa  hal  yakni  naiknya  jumlah methane  leak pada outlet  secondary  reformer , meningkatkan  produk secondary  fuel  methane ,  terjadi  penurunan  pada  produk saturated  steam pada waste  heat  boiler ,  penurunan  pada  produk  amoniak  yang  dihasilkan  pada ammonia  converter ,  dan konsumsi pada energi yang dibutuhkan untuk per ton amoniak juga mengalami peningkatan seiring dengan  pengurangan  laju  alir  udara  dengan  rata-rata  peningkatan  konsumsi  energi  sebesar  0,15 MMBTU/ton.

## Daftar Pustaka
Abbas,  S.  Z.,  Dupont,  V.,  &  Mahmud,  T.  (2017). Kinetics  study  and  modelling  of  steam  methane reforming  process  over  a  NiO/Al2O3  catalyst  in  an  adiabatic  packed  bed  reactor .  International  Journal  of Hydrogen Energy, 42(5), 2889–2903. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.11.093
Bahadori,  A.  (2016). Fuel  systems,  in:  Essentials  of  Oil  and  Gas  Utilities .  Elsevier,  1–14.
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803088-2.00001-8
Batebi,  D.,  Abedini,  R.,  &  Mosayebi,  A.  (2021). Kinetic  Modeling  of  Combined  Steam  and  CO Reforming of Methane over the Ni–Pd/Al O Catalyst Using Langmuir–Hinshelwood and Langmuir–Freundlich Isotherms . Industrial &
Engineering Chemistry Research, 60(2), 851–863.
https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c04566
Bhaumik,  S.K.,  Rangaraju,  R.,  Parameswara,  M.A.,  Bhaskaran,  T.A.,  Venkataswamy,  M.A., Raghuram, A.C., Krishnan, R.V. (2002). Failure of reformer tube of an ammonia plant . Eng. Fail. Anal. 9, 553–561. https://doi.org/10.1016/S1350-6307(01)00039-5
Benjamin,  W.  (2019).  Laporan  Kerja  Praktek  Departemen  Produksi  IB  Unit  Amonia.  PT Petrokimia Gresik, Jawa Timur.
Biro  Pengembangan  Sumber  Daya  Manusia.  (2015).  Buku  Panduan  Kerja  Praktek  PT.  Pupuk Kalimantan Timur. Bontang. Kalimantan Timur.
Vol. 3, No. 2, pp 154 – 172 doi: 10.14710/jebt.2022.14160
Boudart, M. (1981). Kinetics and Mechanism of Ammonia Synthesis . Catalysis Reviews, 23(1–2), 1– 15. https://doi.org/10.1080/03602458108068066
Er-rbib, H., Bouallou, C. (2014). Methanation Catalytic Reactor . Comptes  Rendus  Chim. 17, 701– 706. https://doi.org/10.1016/j.crci.2014.01.016
Ettouney,  H.M.,  Shaban,  H.I.,  Nayfeh,  L.J.  (1995). Theoretical  Analysis  Of  High  and  Low Temperature Shift Converters . Chem. Eng. Commun. 134, 1–16.
https://doi.org/10.1080/00986449508936319
LeBlanc, J. R. (2016). Ammonia Production with Enriched Air Reforming and Nitrogen Injection into the Synthesis Loop . https://patents.google.com/patent/EP0770578A3/no Mudassir, R. (2022). Kebutuhan Pupuk Bersubsidi Capai 25,18 Juta Kementan Cuma Penuhi 9,5 Juta  Ton.  https://ekonomi.bisnis.com/read/20220129/12/1494793/kebutuhan-pupuk-bersubsidi-capai- 2518-juta-ton-kementan-cuma-penuhi-95-juta-ton
Perry, R.H. and Green, D.W. (1999). Perry’s Chemical Engineers Handbook , 7th ed. Mc Graw-Hill, New York. Pupuk Kaltim. (2022). Profil dan Riwayat Singkat.
https://www.pupukkaltim.com/profile/profil-dan- riwayatsingkat/id#:~:text=PT%20Pupuk%20Kalimantan%20Timur%20(PKT,Presiden%20No.%2039%2 0tahun%201976
Rayful, M., (2022). Kebutuhan Pupuk Bersubsidi Capai 25,18 Juta Ton, Kementan Cuma Penuhi
9,5 Juta Ton | Ekonomi - Bisnis.com. [online] Bisnis.com. Available
at:
<https://ekonomi.bisnis.com/read/20220129/12/1494793/kebutuhan-pupuk-bersubsidi-capai-2518-juta- ton-kementan-cuma-penuhi-95-juta-ton
Smith,  J.  M.,  Van  Ness,  H.  C.,  Abbott,  M.  M.,  &  Swihart,  M.  T.  (2018). Introduction  to  Chemical Engineering Thermodynamics (Eighth edition) . McGraw-Hill Education.
Stoecker, W. (1998). Industrial Refrigeration Handbook . McGraw-Hill, New York.
Team Start Up. (2015). Petunjuk Manual Operasi Pabrik Urea Pabrik-5. PT. Pupuk Kalimantan Timur. Bontang, Kalimantan Timur.
Vannier,  D.  (2011). Kinetic  Study  of  High  Temperature  Water  Gas  Shift  Reaction .  Norwegian Institute of Science and Technology.
Yu,  Y.-H.  (2002). Simulation  of  Secondary  Reformer  in  Industrial  Ammonia  Plant .  Chem.  Eng. Technol. 25, 307–314. https://doi.org/10.1002/1521-4125(200203).