## Pembuatan Operator Training Simulator Proses Sintesis Pabrik Urea Menggunakan Fasilitas Function Block Pada Distributed Control System
Adjie Ridhonmas, Estiyanti Ekawati, dan Agus Samsi Program Studi Teknik Fisika – Institut Teknologi Bandung

## Abstrak
Urea (NH 2 CONH 2 ) merupakan senyawa penting yang dimanfaatkan sebagai pupuk tanaman, bahan melamin dan lain-lain. Dalam menjalankan pabrik urea, terdapat  peran operator dalam mengawasi dan mengontrol keberjalanannya agar produksi urea konsisten dan berkualitas bagus. Operator yang bertugas  untuk  melakukan  hal  tersebut  haruslah  operator  yang  mengerti  proses  dari  urea  secara keseluruhan. Oleh karena itu dibuat suatu Operator Training Simulator (OTS) dari proses urea yang dapat  digunakan  untuk  melatih  operator  agar  dapat  menjalankan  tugas  sesuai  dengan  yang diharapkan.  Simulator  yang  dirancang  merepresentasikan  unit-unit  yang  terlibat  dalam  proses sintesis  urea  (karbamat  kondenser,reaktor  dan stripper ).  Ketiga  unit  ini  dimodelkan  berdasarkan persamaan  kesetimbangan  massa  dan  energi  agar  diperoleh  dinamika  perubahan  temperatur  dan massanya. Simulator dirancang menggunakan fasilitas function block yang dimiliki oleh DCS Centum CS3000  Yokogawa  dan  divisualisasikan  dengan  fasilitas human  machine  interface dalam  bentuk grafik  dan  angka  Validasi  OTS  dilakukan  dengan  membandingkan  hasil  simulasi  dengan  data lapangan pada pabrik urea PT. Petrokimia Gresik. Dari validasi pada kondisi tunak didapatkan persen kesalahan  massa  yang  dimiliki  oleh  keluaran  unit  karbamat  kondenser  sebesar  2.122  %,  reaktor 8.996  %  dan stripper 2.34%.  Sedangkan  persen  kesalahan  temperatur  keluaran  unit  karbamat kondenser 0.64% reaktor 0.67 % dan stripper 0.729%.
Kata Kunci: Urea, OTS, Sintesis Urea, Function Block, HMI, PT.Petrokimia Gresik

## Abstract
Urea ((NH2CONH2) is a compound that can be used as fertilizer, melamine mixture, etc. As a Urea plant, the operator has  an important role in supervising and controlling the production process. So that operator should have knowledge about a whole process production. Oprator Training Simulator (OTS) is a tool to help operator learn the process. OTS is a virtual plant that resemble the real plant that  made  by  function  block  on DCS  Centum  CS3000  Yokogawa.  In  this  study,  the  simulator  was developed to represent units at urea production (Karbamat condenser, reactor and stripper). Those units  was  modeled  using  equilibrium  mass  and  energy  equation  in  order  to  get  the  dynamic differences of temperature and mass in the process. Human machine interface (HMI) was also built in order  to  visualize  graphic  and  the  value  of  simulation  results.  Validation  of  simulation  results  was performed by comparing to actual data at PT. Petrokimia Gresik. As a result, at steady state percent error  of  mass  was found  in  condenser  unit,  reactor  and  striiper  as  2,122  %,  8,  99%  and  2,  34%, respectively. Meanwhile percent error of temperature was found as 0, 64 %, 0,67 % and 0, 729% at karbamat condenser, reactor and stripper, respectively.

## 1 Pendahuluan
Urea (NH 2 CON H 2 ) merupakan senyawa yang biasa  dimanfaatkan sebagai pupuk tanaman, bahan dasar melamin, nutrisi untuk binatang memamah biak dan lain-lain [1]. Ditinjau dari manfaat  tersebut,  maka  banyak  negara  yang  mengembangkan  industri  senyawa  ini  agar dapat  memenuhi  kebutuhan  urea  di  negaranya  sendiri  dan  juga  menambah  jumlah  kas negara dengan mengekspornya. Di Indonesia, perkembangan industri penghasil urea dapat dikatakan cukup baik jika dilihat dari jumlah pabrik dan jumlah produksinya.
Untuk  memproduksi  urea,  perusahaan -perusahaan  tersebut  merancang  suatu plant yang dapat  menghasilkan  urea.  Proses  yang  terdapat  pada plant tersebut  terus  dikontrol  dan dipantau  agar  kualitasnya  tidak  menurun,  sehingga  konsistensi  dari  produk  urea  di Indonesia  tetap  terjaga.  Pemantauan  dan  pengontrolan  terhadap  proses plant urea dilakukan  dengan  menggunakan  sistem  pengontrol  yang  dioperasikan  oleh  operator  yang handal  sehingga  apabila  terjadi  kondisi  yang  tidak  diinginkan,  operator  tersebut  dapat mengatasinya.
Dalam meningkatkan kualitas seorang operator, dibutuhkan sebuah pelatihan khusus agar operator  tersebut  memahami  karakteristik  proses  yang  sedang  mereka  kontrol.  Pelatihan khusus  tersebut  terdiri  dari  berbagai  macam  cara. Operator  Training  Simulator  (OTS) merupakan salah satu perangkat  yang digunakan untuk  mempelajari karakteristik proses, efek pengendalian serta kondisi operasi  yang perlu diketahui oleh operator  yang baru  [2]. Kelebihan  yang dirasa saat  seorang operator berlatih dengan  OTS adalah pengguna da pat mengubah variabel-variabel masukan pada proses yang disimulasikan dan melihat  respon proses akibat pengubahan variabel tanpa mengganggu proses sebenarnya. Bahkan dengan perangkat  ini,  operator  yang  menggunakan  akan  belajar  bagaimana  mengoperasikan sebuah  unit  proses  dari  suatu  pabrik  dalam  berbagai  kondisi  seperti  kondisi start-up, shutdown maupun  kondisi emergency. Tujuan  penelitian  ini  adalah  merancang  dan membuat  suatu  simulator  proses  sintesis plant urea  dengan  menggunakan  fasilitas pemrograman pada DCS Centum C S3000 Yokogawa.

## 2 Teori Dasar

## 2.1 Sintesis Urea
Gambar 1 Diagram  blok perancangan simulator
Proses  sintesis  urea  merupakan  proses  pembentukan  urea  dari  reaksi  amonia  (NH 3 )  dan karbondioksida (CO 2 ). Pada tahap ini juga terjadi proses sirkulasi kembali larutan karbamat yang  diperoleh  dari  tahap recovery .  Reaksi  yang  terdapat  pada  tahap  ini  ditunjukan  oleh persamaan (1) dan persamaan (2) [3] :
(1)
(2)
Selain  reaksi  pembentukan  urea,  pada  tahap  sintesis  juga  terjadi  reaksi  pembentukan biuret,  yakni  senyawa  yang  tidak  diinginkan  karena  dapat  merusak  tanaman.  Senyawa  ini
terbentuk  oleh  urea  dan  dipengaruhi  oleh  faktor  suhu  dan  konsentrasi  N H 3 .  Reaksinya ditunjukan oleh persamaan (3) [3] :
(3)
Proses  pada  tahap  ini  melibatkan  beberapa  unit,  yakni  unit  karbamat  kondenser,  unit reaktor, unit scrubber dan unit stripper .

## 2.2 Skenario Proses Sintesis Urea
Larutan  campuran  yang  berasal  dari  tahap recovery masuk  ke  dalam   unit  karbamat kondenser.  Pada  unit  ini,  gas  campuran  dari stripper dan scrubber akan  masuk  dan dikondensasikan  dengan  larutan  campuran  tersebut.  Reaksi  ini  sebagian  kecil  akan membentuk  amonium  karbamat,  seperti  persamaan  (1).  Keluaran  dari  karbamat kondenser akan masuk ke dalam unit reaktor dan dikontakkan den gan NH 3 cair. Pada unit reaktor,  senyawa  amonium  karbamat  akan  terbentuk  dan  langsung  mengalami  dehidrasi membentuk  urea  dan  air,  seperti  terlihat  pada  persamaan  (2).  Senyawa  biuret  juga terbentuk  di  unit  ini  pada  suhu  tertentu  seperti  terlihat  pada  persamaan  (3).  Keluaran  di unit reaktor terbagi menjadi dua fasa, yakni fasa gas dan larutan. Fasa  gas akan melewati bagian  atas  reaktor  dan  masuk  ke  dalam  unit scrubber. Pada  unit  ini  gas  tersebut  akan diabsorpsi oleh larutan campuran dari tahap recovery dan hasilnya akan masuk ke dalam unit  karbamat  kondenser.  Sedangkan  keluaran  yang  memiliki  fasa  larutan  keluar  melalui bagian  bawah  reaktor  dan  masuk  ke  dalam  unit stripper .  Pada  unit  ini  terjadi  pemisahan senyawa  NH 3 dan  CO 2 dari  larutan  urea  dengan  menggunakan  gas  CO 2 sebagai stripping agent .  Senyawa  CO 2 dan  NH 3 ini  merupakan  senyawa  yang  belum  terkonversi  sempurna pada  reaksi  di  dalam  unit  reaktor  dan  terpisah  dari  larutan  urea  karena  hidrolisis  urea  di unit stripper .  Senyawa  yang  terpisah  ini  keluar  melalui  bagian  atas stripper dalam  bentuk gas,  lalu  masuk  kembali  ke  dalam  unit  karbamat  kondenser  untuk  di- recycle .  Sedangkan larutan  urea  yang  telah  dimurnikan  dari  senyawa  CO 2 dan  NH 3 keluar  melalui stripper bagian bawah.

## 2.3 Operator Training Simulator
Operator  Training  Simulator (OTS)  merupakan  perangkat  khusus  yang  berbasiskan komputer,  dimana  perangkat  ini  menampilkan virtual  plant yang  merupakan  simulasi  dari suatu plant industri  beserta  sistem  kontrolnya.  Perangkat  ini  pada  dasarnya  berfungsi sebagai  salah  satu  media  untuk   melatih  operator-operator  baru  agar  memahami karakteristik  proses  plant  yang  akan  mereka  kontrol  dan  pantau.  Oleh  karena  itu,  OTS dibuat sedemikian rupa agar memiliki tampilan yang sama persis dengan Human Machine Interface yang  terdapat  pada control  room agar  operator  yang  baru  terbiasa menggunakannya. Perancangan OTS dapat dilakukan pada sistem  pengontrol DCS.

## 3 Perancangan Simulator
Dalam  perancangan  simulator,  tahapan -tahapan  yang  dilakukan  diilustrasikan  pada Gambar 2 .

## Gambar 2 Diagram  blok perancangan simulator
Tahap  perancangan  simulator  dimulai  dengan  menentukan  model  matematis  serta parameter  dari  unit  yang  ingin  disimulasikan.  Setelah  tahap  tersebut  selesai  dilakukan, tahap selanjutnya  adalah merancang function block dimana fasilitas ini merupakan virtual plant yang memuat kalkulasi model matematis  yang dirancang. Tahap  selanjutnya adalah memvisualisasikan virtual  plant ini  ke  dalam   bentuk Human  Machine  Interface .  Barulah setelah itu simulator dijalankan dan divalidasi dengan data lapangan.
Simulator  proses  ini  telah  menampilkan  proses  sintesis  yang  terjadi  di  pabrik  pembuatan urea  dan  juga  unit-unitnya.  Tampilan  dari  simulator  proses  sintesis  ini  ditampilkan  pada Gambar 3.
Gambar 3 HMI simulator proses sintesis urea

## 4 Hasil dan Analisis
Simulator  dijalankan  dalam dua kondisi,  yakni kondisi startup dan kondisi  normal operasi. Perbedaan kedua kondisi ini dapat dilihat pada  gambar 4.
(a) (b)
Gambar 4 (a) Grafik perbandingan kondisi start up dan (b) Kondisi normal operasi
Dengan  mengubah  variabel  masukan  sesuai  dengan  tahap -tahap  yang  dijelaskan  pada pustaka [1], maka dari kedua kondisi disimpulkan hal berikut :
1. Penambahan  jumlah ammonia  liquid secara  bertahap  pada  kondisi startup mengakibatkan peningkatan jumlah senyawa NH 3 dan perubahan temperatur di setiap unit.
2. Pada  temperatur  354.164  K,  C O 2 dan  N H 3 bereaksi  membentuk  amonium  karbamat yang  langsung  terdehidrasi  menjadi  urea  dan  air.  Reaksi  ini  ditandai  dengan berkurangnya massa C O 2 di unit reaktor pada temperatur tersebut.
3. Pada temperatur 382.191 K, urea membentuk biuret .
4. Hidrolisis urea juga merupakan salah satu fenomena yang terjadi pada stripper dimana pada tahap ini terjadi penguraian urea menjadi CO 2 dan NH 3 yang memiliki fasa gas
5. Pada saat simulasi memasuki kondisi normal operasi,  dibutuhkan waktu lebih kurang 5 menit bagi respon proses agar steady state atau tunak pada nilai tertentu.\
Validasi hasil simulasi dengan data lapangan dilakukan dengan cara sebagai berikut :
1. Kondisi start  up :  Validasi  kondisi startup hanya  dilakukan  pada  nilai  temperatur keluaran unit proses sintesis urea saja, yakni dengan membandingkan nilai temperatur keluaran  setiap  unit  pada  nilai  injeksi ammonia  liquid tertentu  di  lapangan  dengan hasil simulasi pada nilai injeksi ammonia liquid yang sama.
2. Kondisi  normal:  Validasi  kondisi  normal  dilakukan  dengan  membandingkan  data desain,  baik flow maupun  temperatur,  di  lapangan  dengan  data  hasil  simulasi  pada saat tunak atau steady state .
Dari hasi validasi,diperoleh persen kesalahan sesuai  Tabel 1, Tabel 2 dan Tabel 3
Tabel 1 Tabel persen kesalahan temperatur keluaran unit proses sintesis urea pada
kondisi startup Flow Ammonia Liquid(kg/h) % Kesalahan Temperatur Karbamat Kondenser Reaktor Stripper Bagian Atas EA-101  EA-102 DC-101 DA-101 1000 0.006  0.037 0.616 1.974 17000 0.0191  0.008 0.012 4.152 26400 0.027 0.05 7.63 3.168
Tabel 2 Tabel persen kesalahan massa keluaran unit proses sintesis urea pada kondisi
normal Senyawa % Kesalahan Massa Karbamat Kondenser Reaktor Stripper Bagian Atas Stripper Bagian Bawah EA-101 & EA-102 DC-101 DA-101 CO2 5.166 2.426 1.313 1.508 NH3 0.592 5.836 0.128 1.591 Urea 0 2.609 - 0.526 H2O 2.729 2.602 5.58 5.538 Biuret - 31.507 - 46.122 Tabel 3 Tabel persen kesalahan temperatur keluaran unit proses sintesis urea pada kondisi normal % Kesalahan Temperatur Karbamat Kondenser Reaktor Stripper Bagian Atas Stripper Bagian Bawah EA-101   EA-102  DC-101 DA-101 0.848 2.882 3.102 3.404 1.124
Kesalahan yang terjadi terbentuk karena beberapa faktor,  yakni faktor kesalahan variabel yang  mempengaruhi  variabel  yang  lain,  faktor  konversi,  faktor  variabel-variabel  yang diperkirakan  sendiri  oleh  pengguna  OTS  dan  faktor  pendekatan  dan  pembualatan konstanta-konstanta seperti massa jenis atau delta enlatphi.

## 5 Kesimpulan
1. Operator  Training  Simulator  yang  dirancang  pada  penelitian  ini  telah  mampu merepresentasikan  proses  yang  terjadi  dalam  unit  karbamat  kondenser,  unit  reaktor dan  unit  stripper  pada  proses  sintesis  urea.  OTS  disimulasikan  pada  kondisi  startup dan kondisi normal operasi
2. Dari hasil simulasi pada kedua kondisi, diperoleh beberapa kesimpulan, yakni:
a. Penambahan  jumlah ammonia  liquid secara  bertahap  pada  kondisi startup mengakibatkan peningkatan jumlah senyawa NH 3 dan perubahan temperatur di setiap unit.
b. Pada  temperatur  354.164  K  CO2  dan  NH3  bereaksi  membentuk  amonium karbamat yang langsung terdehidrasi menjadi  urea dan air. Reaksi ini ditandai dengan berkurangnya massa CO2 di unit reaktor pada temperatur tersebut.
c. Pada temperatur 382.191 K urea membentuk biuret.
d. Hidrolisis urea juga merupakan salah satu fenomena yang terjadi pada  stripper dimana  pada  tahap  ini  terjadi  penguraian  urea  menjadi  CO2  dan  N H3  yang memiliki fasa gas.
e. Pada  saat  simulasi  memasuki  kondisi  normal  operasi,  dibutuhkan  waktu  lebih kurang 5 menit bagi respon proses agar steady state atau tunak.
3. Validasi hasil simulasi dilakukan dalam 2 kondisi, yakni :
a. Kondisi  start  up  :  Validasi  kondisi  startup  hanya  dilakukan  pada  nilai temperatur  keluaran  unit  proses  sintesis  urea  saja,  yakni  dengan membandingkan  nilai  temperatur  keluaran  setiap  unit  pada  nilai  injeksi ammonia  liquid  tertentu  di  lapangan  dengan  hasil  simulasi  pada  nilai  injeksi ammonia liquid yang sama.
b. Kondisi  normal:  Validasi  kondisi  normal  dilakukan  dengan  membandingkan data  desain,  baik  flow  maupun  temperatur,  di  lapangan  dengan  data  hasil simulasi pada saat tunak atau steady state.
4. OTS  proses  sintesis  urea  pada  penelitian  ini  masih  memiliki  beberapa  keterbatasan, yakni :
a. Proses yang berjalan di dalam  OTS tidak kontinu secara keseluruhan.
b. Nilai steam pada  unit stripper saat  kondisi startup tidak  diketahui  sehingga nilai steam pada  kondisi startup disesuaikan  agar  dinamika startup pada  OTS sedekat mungkin dengan dinamika startup di lapangan.
c. Parameter  yang  terdapat  pada  OTS  merupakan  parameter  yang  harus  diubah secara manual oleh pengguna OTS. Oleh karena itu, pengguna OTS harus dapat memperkirakan  parameter-parameter  tertentu  yang  tidak  terdapat  pada  data desain  atau  pun  di  buku  manual  pabrik  urea  PT.  Petrokimia  Gresik  agar  hasil simulasi pada OTS sama dengan kondisi di lapangan .

## 6 Daftar Pustaka
[1] Simanjuntak,Robert,dkk.1984.”Buku  Petunjuk  Operasi  Urea  Kaltim -2”.  Bontang  : PT.Pupuk Kalimantan Timur
[2] Perry,R.H,dkk. 1973.”Perry’s Chemical Engineer’s Handbook”.McGraw-Hill. New York
[3] Tim Petrokimia Gresik.1996.“Proses Pabrik Urea”. Gresik : PT.Petrokimia Gresik