1 Pendahuluan

Urea (NH2CONH2) 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 dapat 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 CS3000 Yokogawa.

2 Teori Dasar

2.1 Sintesis Urea

Gambar 1 Diagram blok perancangan simulator

Proses sintesis urea merupakan proses pembentukan urea dari reaksi amonia (NH3) dan karbondioksida (CO2). 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] :

\[2NH_3 + CO_2 \rightarrow NH_4COONH_2 + Q\] (1)

\[NH_4COONH_2 \rightarrow NH_2CONH_2 + H_2O - Q\] (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 NH3. Reaksinya ditunjukan oleh persamaan (3) [3] :

\[2NH_2CONH_2 \rightarrow NH_2CONHCONH_2 + NH_3\] (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 NH3cair. 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 NH3dan CO² dari larutan urea dengan menggunakan gas CO2sebagai stripping agent. Senyawa CO2dan NH3ini 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 CO2dan NH3keluar 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.

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 NH3dan perubahan temperatur di setiap unit.
• 2. Pada temperatur 354.164 K, CO2dan 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.
• 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 CO2dan NH3yang 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 2 Tabel persen kesalahan massa keluaran unit proses sintesis urea pada kondisi normal

Tabel 3 Tabel persen kesalahan temperatur keluaran unit proses sintesis urea pada kondisi normal

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 NH3dan 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 NH3 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