91

BAB III

TUGAS KHUSUS

Evaluasi Umur Katalis Zinc Oxide (ZnO) pada Desulfulizer ( 201-D ) di Feed

Treating Unit pada Ammonia Plant PUSRI-IB

III.1 Latar Belakang

Proses pembuatan Ammonia di PT. PUSRI secara garis besar terbagi menjadi 5

tahap sebagai berikut :

1. Feed treating unit (pengolahan gas alam)

2. Reforming unit (pembuatan gas sintesa)

3. Purification unit (pemurnian gas sintesa)

4. Ammonia synthesis (sintesa Ammonia)

5. Ammonia refrigeration unit (pemurnian produk dan pendinginan)

Gas alam yang murni sangat diharapkan pada proses ini, oleh karena itu dilakukan

proses pemurnian gas alam untuk menghilangkan berbagai senyawa atau unsur

yang tidak diperlukan yang tidak terkandung dalam gas alam, proses ini

dinamakan feed treating.

Senyawa Sulfur organik pada gas alam bila tidak dihilangkan akan mengakibatkan

gangguan pada Kompresor CO2 di pabrik Urea, merupakan racun bagi katalis

pada proses selanjutnya dan dapat mereduksi inhibitor pada sistem Benfield. Oleh

92

karena itu, kadar sulfur yang keluar dari unit Desulfurizer (201-D) harus lebih

kecil dari 1 ppm.

Proses pemisahan Sulfur anorganik terjadi pada alat Desulfurizer (201-D) yang

berisi katalis Zinc Oxide (ZnO). Sulfur anorganik dalam bentuk H2S dihilangkan

dengan cara mereaksikan gas alam dengan Zinc Oxide. Gas alam mengalir ke

bawah melalui katalis dan keluar dari dasar vessel. Pada waktu gas umpan

mengadakan kontak dengan lapisan katalis, H2S dalam gas diserap dengan Zinc

Oxide.

Dalam jangka waktu tertentu katalis ZnO ini akan mengalami kejenuhan, sehingga

tidak mampu lagi untuk mengikat H2S yang terdapat dalam gas alam. Indikasi

kejenuhan katalis ZnO ini ditunjukkan dari kandungan H2S yang keluar dari

desulfurizer 201-D yang melebihi batas desain (1 ppm). Jika kandungan H2S yang

keluar dari alat desulfurizer telah melebihi batas desain, untuk menjaga kelancaran

proses dan keamanan peralatan, maka katalis ZnO tersebut harus diganti karena

H2S yang lolos dari alat desulfurizer tersebut merupakan racun bagi katalis di

Primary Reformer dan akan membebani pada alat Desulfurizer 108-D.

III.2 Tujuan

Untuk mengetahui proses yang terjadi pada alat desulfulizer serta efisiensi katalis

Zink Oxide pada desulfulizer dalam menghilangkan senyawa belerang pada feed

treating unit (201-D).

93

III.3 Manfaat

Manfaat dari menghitung efisiensi penyerapan senyawa sulfur oleh ZnO pada

Desulfurizer di unit feed treating adalah untuk mengetahui berapa lama umur dari

katalis ZnO dan efisiensi katalis ZnO tersebut dalam menyerap senyawa sulfur.

Sehingga dapat dijadikan sebagai bahan pertimbangan bagi pihak Departement

Operasi Pusri-1B dalam menentukan jangka waktu penggantian katalis ZnO pada

alat Desulfurizer 201-D.

III.4 Rumusan Masalah

Senyawa sulfur dapat meracuni larutan Benfield di dalam proses penyerapan CO2,

selain itu senyawa sulfur (H2S) bersifat korosif dan dapat meracuni katalis pada

ammonia converter. Sehingga proses ini sangat penting untuk diketahui

efisiensinya. Karena dapat mempengaruhi proses pembuatan ammonia.

III.5 Batasan Masalah

Hal yang dibahas dalam bab ini terbatas pada menghitung efisiensi penyerapan

senyawa sulfur oleh katalis Zink Oxide pada desulfulizer dalam menghilangkan

senyawa belerang pada feed treating unit Departemen Operasi Pusri IB, PT

PUSRI PALEMBANG.

94

III.6 TINJAUAN PUSTAKA

Pabrik Ammonia PT. PUSRI menggunakan proses Kellog Overseas Corporation

dari M. W. Kellog Company. PT. PUSRI mengahasilkan 792 MT/D Ammonia dari

bahan baku berupa gas alam, air, dan udara. Blok diagram dan flowsheet proses

pembuatan Ammonia pada PT. PUSRI dapat dilihat dilampiran.

Proses pembuatan Ammonia di PT.PUSRI secara garis besar terbagi menjadi 5

tahap sebagai berikut :

1. Feed treating unit (pengolahan gas alam)

2. Reforming unit (pembuatan gas sintesa)

3. Purification unit (pemurnian gas sintesa)

4. Ammonia synthesis (sintesa Ammonia)

5. Ammonia refrigeration unit (pemurnian produk dan pendinginan)

III.6.1 Desulfurizer

Desulfurizer adalah alat yang berfungsi sebagai tempat penyerapan atau

pemisahan senyawa sulfur dalam gas alam. Sulfur merupakan racun yang dapat

membebani kerja alat apabila terikut dalam gas dan juga sulfur bersifat korosif.

Sulfur dapat berupa sulfur organic dan sulfur anorganik. Proses pemisahan sulfur

organik dilakukan dengan cara mengubah sulfur organik menjadi sulfur anorganik

terlebih dahulu, sehingga sulfur dapat dipisahkan. Pada PT. Pupuk Sriwidjaja

(PUSRI) digunakan dua alat Desulfurizer pada area Feed Treating.

95

Alat Desulfurizer yang pertaman (201-D) adalah Desulfurizer yang berfungsi

untuk menghilangkan senyawa sulfur organik (H2S) dari gas alam dengan

menggunakan katalis ZnO sebagai bahan penyerapnya. Katalis ini bersifat kering

dan memiliki pH netral sehingga injeksi basa sudah tidak diperlukan lagi. Reaksi

yang terjadi pada Desulfurizer 201-D yaitu :

ZnO + H2S ZnS + H2O

Alat Desulfurizer yang kedua (108-D), adalah Desulfurizer yang terdiri dari dua

tingkat unggun (bed). Unggun pertama terdapat katalis CoMo yang berfungsi

untuk mengubah sulfur organik menjadi sulfur anorganik. Pada unggun kedua

terdapat katalis ZnO yang berfungsi untuk menghilangkan senyawa sulfur dari gas

alam. Reaksi yang terjadi yaitu :

Reaksi yang terjadi di bed katalis CoMo :

RSR + 2 H2 RH + RSH + H2S

RSR + H2 RH + H2S

Sedangkan pada katalis ZnO terjadi reaksi :

H2S + ZnO ZnS + H2O

Dalam laporan ini penulis hanya membahas alat Desulfirizer 201-D. Desulfirizer

201-D beroperasi pada rentang temperatur 30 – 1000C dengan konsentrasi H2S

keluar sebesar 1 ppm.

96

Spesifikasi Desulfirizer 201-D

Jenisnya : Single Stage silfur Removal

Tinggi : 5500 mm

Diameter : 4419 mm

Tekanan Operasi : 28 – 30 bar

Temperatur Operasi : 30 – 100oC

Konsentrasi H2S outlet : 1 ppm

Volume katalis : ± 1624 ft3

Katalis yang digunakan : Zink Oxide

Deskripsi prosesnya yaitu gas alam sebelum masuk ke Desulfurizer 201-D

disaring terlebih dahulu di filter 202-L yang berfungsi untuk menghilangkan

partikel – partikel padat yang terdapat dalam gas alam, setelah itu dipanaskan

dalam Jacket Water Pipe menggunakan Low Steam sampai mencapai temperatur

operasi dari alat Desulfurizer 201-D. kemudian gas alam masuk kea lat

Desulfurizer 201-D dan sulfurnya diserap dengan menggunakan katalis Zinc

Oxide ( ZnO ), gas alam yang telah bebas sulfurnya ( H2S ) masuk ke alat glycol

absorber.

97

III.6.2 Katalis

III.6.2.1 Pengertian Katalis

Istilah katalis pertama kali diperkenalkan oleh Jacob Berzelius pada tahun 1835.

Istilah ini digunakan untuk menerangkan suatu fenomena yang diperolehnya yaitu

adanya sejumlah zat asing yang ditambahkan pada suatu campuran reaksi yang

dapat membuat reaksi tersebut berjalan dengan cepat.

Penambahan katalis pada suatu reaksi kimia bertujuan untuk mempercepat reaksi.

Di dalam industri, pemakaian katalis sangat penting karena akan meningkatkan

produk dan mengurangi biaya produksi.

Pada umumnya pemakaian katalis adalah untuk mempercepat laju suatu reaksi

kekanan atau kekiri sehingga keadaan setimbang akan lebih cepat tercapai,

sehingga dikenal dengan katalis positif. Penambahan katalis juga dapat

menghambat reaksi, katalis tersebut disebut katalis negative atau inhibitor.

Dalam suatu reaksi ada kalanya salah satu hasil reaksi memiliki sifat katalis,

sehingga katalis tersebut tidak perlu ditambahkan dari luar. Hasil reaksi yang

terbentuk dengan sendirinya akan mempercepat reaksi itu, zat ini disebut

autokatalis. Ciri khas autokatalis yaitu mula – mula reaksi berjalan lambat dan

lama kelamaan reaksi akan berjalan cepat karena jumlah katalis yang bertambah.

98

Katalis hanya mempengaruhi laju pencapaian kesetimbangan, bukan posisi

kesetimbangan, (misalnya : membalikkan reaksi). Katalis tidak mengganggu hasil

suatu reaksi kesetimbangan dan konsentrasi atau massanya setelah reaksi selesai

sama dengan konsentrasi atau massa reaksi sebelum reaksi dilangsungkan.

Artinya, katalis bukan berfungsi mengubah zat yang tidak bereaksi menjadi

bereaksi, melainkan mengubah zat yang bereaksi lambat menjadi bereaksi cepat.

Dua hal penting yang menyebabkan mengapa katalis dapat mempercepat laju

reaksi :

1. Katalis mempercepat laju reaksi kearah produk maupun kearah pereaksi,

sehingga dapat menghasilkan rendemen produk lebih cepat.

2. Katalis dapat menurunkan energy pengaktifan dengan cara menyediakan

mekanisme reaaksi yang berbeda yang memiliki jalur energy pengaktifan

lebih rendah.

III.6.2.2 Komposisi Katalis

Katalis terbentuk dari komponen – komponen yang dapat menunjang sifat – sifat

katalis yaitu aktivitas, selektivitas, dan stabilitas. Untuk memenuhi sifat tersebut

dibutuhkan komponen utama yaitu :

1. Fase aktif berfungsi mempercepat dan mengarahkan reaksi, reaktan yang

akan bereaksi harus dapat kontak dengan zat ini. Pemilihan komponen aktif

merupakan usaha pertama dalam perencanaan katalis. Pertimbangan utama

99

dalam pengklasifikasian katalis adalah konduktivitasnya tergantung dari

konfigurasi elektronik atomnya.

2. Penunjang (Support) fungsinya agar aktifitas katalis berbanding lurus dengan

bagian aktifnya, untuk itu digunakan penunjang yang mempunyai luas

permukaan yang besar. Sebagai penunjang zat padat yang berpori dengan luas

permukaan dapat mencapai beberapa ratus meter persegi per gram katalis.

3. Promotor (aditif) ditambahkan pada katalis untuk meningkatkan aktivitas,

selektivitas, dan stabilitas. Biasanya ditambahkan dalam jumlah kecil 3%

pada saat pembuatan katalis. Selain itu sering kali promotor bertujuan untuk

menghalangi aktivitas yang diinginkan, seperti pembentukan kokas.

III.6.2.3 Jenis – jenis katalis

Berdasarkan fasa katalis, reaktan dan produk reaksinya, katalis dapat

dikelompokkan sebagai berikut :

1. Katalis homogen

Katalis homogen yaitu katalis yang mempunyai fasa yang sama dengan

reaktan dan produk reaksinya. Misalnya semua dlam bentuk gas atau cairan.

Katalis homogen ini mempunyai aktivitas lebih tinggi dibandingkan dengan

katalis heterogen karena setiap molekul katalis aktif sebagai katalis.

Keunggulan dari katalis homogen adalah aktivitas dan selektivitasnya tinggi,

tidak mudah teracuni oleh adanya sedikit kotoran, mudah dioperasikan,

mudah dimodifikasi dan mudah untuk dipelajari.

100

2. Katalis heterogen

Katalis heterogen yaitu katalis yang mempunyai fasa yang berbeda dengan

reaktan dan produknya. Biasanya berbentuk padat, tidak semua permukan

padatan dan tidak semua pusat aktif memiliki keaktifan yang sama. Bahkan

pada kondisi yang buruk, bagian yang satu dapat meracuni bagian yang

lainnya.

III.6.2.4 Katalis Desulfurizer 201-D

Katalis Desulfurizer 201-D merupakan katalis heterogen (katalis padat). Volume

total katalis Desulfurizer 201-D yaitu lebih kurang 1624 ft3. Katalis yang

digunakan yaitu katalis Zinc Oxide (ZnO). Katalis ini bersifat kering dan memiliki

pH netral sehingga injeksi basa tidak diperlukan lagi. ZnO berbentuk bubuk putih

yang tidak larut dalam air, yang banyak digunakan sebagai aditif dalam banyak

bahan dan produk yaitu termasuk plastic, keramik, kaca, semen, dan pelumas.

Berat molekul ZnO adalah 81,37.

Spesifik umum

ZnO : minimal 90%

Bulk density : 1,01 – 1,05 kg/L

Temperature optimum operasi : 30 – 1050C

Kapasitas H2S : ˃ 10% berat pada temperatur 1050C

Bentuk : 4 – 5 mm sphere

Surface Area : > 78 m2/g

Porositas : 0,4 – 0,45 ml/g

101

pH : 7 – 7,5

Crush Strength : ˃ 8,2 lbs

Pore Diameter : 220 Angstrom

III.6.2.5 Jenis – jenis katalis yang pernah digunakan untuk menghilangkan

sulfur (H2S)

1) Desulfulizer sponge iron

Desulfulizer sponge iron merupakan desulfulizer sulfur removal yang

berfungsi memisahkan H2S dalam gas alam dengan iron oxide yang

diimpregnasi dalam tatal kayu sebagai komponen utamanya. Temperatur

operasional berkisar antara 32-40oC. untuk menjaga kondisi proses (suassana

basa dan lembab) maka diinjeksikan NaOH 5-10% wt kedalam desulfulizer.

Penurunan tekanan berkisar 0,5 kg/cm2 dan bulk density sponge iron sebesar

0,76 – 0,87 kg/L. konsentrasi H2S dalam gas alam sebesar 5 ppm akan diserap

maksimum menjadi 1 ppm selama life time 1 tahun (aktual 3–6 bulan).

Konsentrasi aktual dalam gas alam yang masuk desulfulizer sponge iron pada

saat ini rata-rata 10 ppm dengan keluaran mencapai 1 ppm dalam waktu 60

hari.

2) Desulfulizer unycat (ZnO)

Desulfulizer unycat merupakan desulfulizer sulfur removal yang berfungsi

menyerap H2S,COS, merupakan R-S-H dan R-S-R. komponen utama adalah

active ZnO dan metal oxide. Unycat tersebut beroperasi efektif pada

102

temperatur minimum 30oC. Pengoperasian unycat akan mencapai dua tahun

sementara sponge iron hanya mencapai 60 hari. Selain itu penurunan tekanan

(pressure drop) unycat lebih kecil dibandingkan sponge iron sehingga

kompresor mengalami penurunan bban sebesar 31,33 Kwatt. Dengan

menggunakan unycat maka tidak perlu menggunakan jacket heater sehingga

menghemat penggunaan steam pada saat gas alam masuk desulfulizer.

Penggunaan unycat juga tidak menggunakan bahan kimia dalam proses

penyerapan H2S sehingga tidak memerlukan pompa untuk penginjeksian

bahan kimia, dengan demikian dapat menghemat biaya operasional.

III.6.2.6 Evaluasi katalis

Penggantian katalis yang sangat ideal dilakukan tepat pada waktu katalis tersebut

harus dilakukan proses penggantian. Penundaan dari penggantian katalis dapat

mengganggu keamanan operasi dan fungsi dari katalis akan menjadi kurang

efektif. Jika umur katalis dapat diprediksi maka dapat diketahui kapan katalis

tersebut harus diganti. Untuk mengetahui umur dari katalis adalah dengan cara

memperhatikan laju alir gas masuk, komposisi gas masuk dan keluar.

Metoda yang digunakan untuk menghitung umur katalis ZnO pada laporan ini

adalah metoda reaksi kimia. Kemudian dihitung efisiensi penyerapan senyawa

belerang oleh katalis ZnO tersebut. Metoda ini berdasarkan pada stoikiometri

reaksi kimia yang biasanya dilakukan pada katalis ZnO pada alat Desulfurizer.

Metoda ini dapat dilakukan dengan cara menhitung atau mengetahui kadar H2S

103

yang terserap oleh katalis. Dengan cara ini maka kita dapat memprediksi sisa

umur dari katalis tersebut. Reaksi yang terjadi yaitu :

ZnO + H2S ZnS + H2O

III.6.2.7 Hidrogen Sulfida (H2S)

Hidrogen sulfide (H2S) adalah gas yang tidak berwarna, beracun, mudah terbakar

dan berbau seperti telur busuk. Hidrogen sulfide terbentuk dari proses penguraian

bahan – bahan organic oleh bakteri. Hidrogen sulfide banyak terdapat dalam

minyak bumi, gas bumi, lokasi pembuangan limbah, air yang tergenang, seperti

pada rawa – rawa dan juga terbentuk pada proses – proses industri maupun proses

biologis.

III.7 Pemecahan Masalah

III.7.1 Metoda pemecahan masalah

Untuk menyelesaikan perhitungan umur katalis ZnO dan efisiensi penyerapan

senyawa belerang oleh katalis ZnO di Desulfirizer 201-D baik secara desain

maupun secara aktual dilakukan langkah – langkah sebagai berikut :

1. Mempelajari prinsip kerja peralatan Desulfurizer 201-D

2. Pengambilan data :

a. Volume total katalis ZnO

b. Konsentrasi H2S inlet

c. Konsentrasi H2S outlet

d. Laju aliran masuk Desulfurizer

104

3. Menghitung umur katalis ZnO

4. Menghitung efisiensi penyerapan senyawa belerang oleh katalis ZnO

III.8 Hasil dan Pembahasan

III.8.1 Hasil

Tabel III.1 Hasil perhitungan H2S terserap dan H2S akumulatif

Tanggal

H2S masuk H2S keluar H2S terserap

akumulasi

(kg/hari)

H2S inlet

(kg/hari)

H2S outlet

(kg/hari)

H2S terserap

(kg/hari)

30-12-2013 4,2678 0,0074 4,2604 4,2604

06-01-2014 5,6111 0,0072 5,6039 35,4272

28-04-2014 4,6153 0,0177 4,5976 477,1327

26-05-2014 3,8450 0,0838 3,7612 600,4306

23-06-2014 3,4970 0,2974 3,1996 705,1831

07-07-2014 6,2731 0,1685 6,1046 752,8821

21-07-2014 4,7230 0,0556 4,6674 843,0132

18-08-2014 5,7356 0,0587 5,6769 974,7122

III.8.2 Pembahasan

Sulfur (H2S) yang terserap secara desain dengan kemampuan penyerapan katalis

8% adalah 3128 kg, sedangkan H2S yang terserap secara aktual dapat dilihat pada

lampiran B.

105

Umur katalis ZnO secara teorinya adalah selama dua tahun. Katalis ZnO telah

diregenerasi pada bulan juni 2014. Sehingga dilakukan perhitungan umur katalis

ZnO dengan cara mengumpulkan data volume H2S dan menghitung massa H2S

yang terserap pada katalis ZnO tersebut yang dapat dilihat pada lampiran A. Dari

lampiran A dapat diketahui H2S yang terserap. Sedangkan pada grafik dialurkan

data penyerapan H2S pada tanggal 7 juli 2014 hingga 18 agustus 2014. Hal ini

disebabkan karena katalis beroperasi kembali setelah diregenerasi adalah pada

bulan juli 2014.

Dikarenakan konsentrasi/ppm H2S outlet pada alat Desulfurizer 201-D hanya

dianalisa satu kali dalam satu bulan, maka diasumsikan bahwa penyerapan H2S

pada data yang ada sama dengan hari berikutnya hingga didapatkan kembali data

H2S outlet hasil analisa laboratorium bulan berikutnya.

106

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

50

100

150

200

250

f(x) = 4.85512308165568 x + 11.2610625009545R² = 0.994696474360792

kurva hubungan anatra waktu (hari) vs H2S yg terserap akumulasi (kg/hari)

waktu ( hari )

H2S

yg te

rser

ap a

kum

ulati

f (kg

/har

i)

Gambar III.1. Kurva hubungan antara waktu ( hari ) dengan H2S terserap

akumulatif (kg/hari)

Kurva diatas menunjukkan hubungan antara waktu (hari) dengan banyaknya H2S

yang terserap secara akumulasi dari waktu ke waktu. Dari kurva diatas didapatkan

persamaan y = 4,8551x + 11,261 dengan R² = 0,9947. Kemudian dimasukkan

nilai x= 3128 pada persamaan tersebut. Dimana nilai 3128 adalah penyerapan H2S

secara desain. Sehingga didapatkan hasil bahwa umur katalis ZnO pada

Desulfurizer 201-D adalah selama 642 hari atau 21 bulan ( ± 1,8 tahun ).

III.9 Kesimpulan Dan Saran

III.9.1 Kesimpulan

Dari hasil evaluasi umur katalis zink oxide (ZnO) dan perhitungan yang telah

dilakukan selama kerja praktek dapat disimpulkan bahwa katalis zink oxide (ZnO)

yang baru dilakukan proses penggantian pada bulan juni 2014, kualitas

107

penyerapan sulfurnya masih baik, itu dilihat dari kadar sulfur yang keluar dari alat

Desulfurizer 201-D masih dibawah desain (1 ppm). Dari hasil perhitungan dapat

diprediksi bahwa Lifetime zink oxide (ZnO) adalah 642 hari atau 21 bulan (± 1,8

tahun), jadi dapat diprediksi katalis zink oxide (ZnO) akan jenuh pada tanggal 1

Maret 2016.

III.9.2 Saran

Saran- saran yang dapat diberikan adalah sbagai berikut :

1. Sulfur organik maupun anorganik merupakan senyawa yang sangat berbahaya

dan juga dapat mengganggu baik pada peralatan maupun pada proses, oleh

karena itu pemeriksaan konsentrasi H2S inlet maupun outlet 201-D

diharapkan tidak dilakukan satu kali dalam satu bulan oleh pihak

laboratorium kontrol, tetapi lebih rutin yaitu setiap hari agar kenaikan

kandungan sulfur dapat lebih cepat diketahui dan dapat diantisipasi apabila

terjadi kenaikan diluar batasan standar perusahaan.

2. Setelah diketahuinya umur katalis zink oxide (ZnO) di Desulfurizer 201-D

maka dapat diprediksi katalis akan jenuh pada tanggal 1 maret 2016. Penulis

menyarankan agar penggantian katalis dilakukan pada tanggal tersebut.