JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

1

Di dalam suatu industri pupuk kimia terdapat berbagai macam unit operasi salah satunya adalah reaktor. Pabrik pupuk NPK melibatkan reaktor Preneutralizer yang berguna untuk menghasilkan Diammonium Phosphate (DAP) sebagai senyawa utama sumber unsur N dan P. Sedangkan sumber unsure K didapatkan pencampuran KCl pada granulator. Inti dari reaktor Preneutralizer adalah untuk memproses NH3 dan H3PO4 menjadi Monoammonium Phosphate (MAP) yang selanjutnya menjadi DAP. Proses reaksi di reaktor Preneutralizer melibatkan feed yang dapat berubah sehingga perlu dipasang sistem pengendali untuk menjaga komposisi produk keluar reaktor. Dalam penelitian ini kinetika reaksi diasumsikan setimbang yang berarti bahwa ketika terjadi perubahan suhu tidak mempengaruhi kinetika reaksinya. Pengendalian ini melibatkan 3 variabel yang dikendalikan, yaitu suhu reaktor, level reaktor dan komposisi produk keluar reaktor. Dengan menggunakan sistem pengendalian ini diharapkan kemurnian produk dapat dijaga. Pada penelitian dilakukan pengendalian terhadap 3 variabel tersebut menggunakan PID Controller. Dari pengendalian ini dapat dilihat respon yang dihasilkan ada pemberian gangguan laju alir H3PO4 masuk sebesar ± 10 % untuk mengetahui kinerja konfigurasi pengendali terbaik. Kinerja pengendali terbaik ditetapkan menggunakan metode IAE (Integral of The Absolute Value of The Error). Simulasi steady

state dan dynamic mode dilakukan dengan Aspen Plus Simulator.

Dari penelitian yang dilakukan diperoleh hasil bahwa penerapan pengendalian dengan PID Controller dapat mengendalikan reaktor preneutralizer dengan kinerja yang baik.

Kata Kunci— Reaktor Preneutralizer, Pabrik Pupuk NPK,

Proportional Integral Derivative (PID)controller, Integral of The

Absolute Value of The Error (IAE), Aspen Plus

I. PENDAHULUAN

Di dalam suatu industri kimia mengontrol dan mengendalikan suatu unit adalah salah satu bagian penting. Proses pengendalian adalah salah satu dasar engineering,

dan pengendalian merupakan penentu dari kualitas, kuantitas dan kehandalan suatu proses serta keamanan dari proses tersebut.

Produk utama dari pabrik pupuk NPK adalah pupuk NPK granul. Pupuk NPK adalah pupuk majemuk dengan kadar unsur hara N,P, dan K berbasis urea dengan kadar perbandingan N, P, dan K sekitar 15%:15%:15 %.

Secara umum tahapan dari pembuatan pupuk NPK dimulai dari reaksi pembuatan Monoammonium Phosphate (MAP) dilanjutkan sintesis Diammonium Phosphate (DAP) pada reaktor preneutralizer, dilanjutkan dengan pencampuran KCl dan granulasi pada granulator, kemudian dikeringkan di rotary dryer dan dilakukan pendinginan pada cooler untuk selanjutnya diberi warna pada proses coating.

Reaktor preneutralizer merupakan salah satu unit penting dalan sintesis pupuk NPK untuk membentuk Diammonium

Phosphate (DAP) sebagai sumber Nitrogen (N) dan Sulfur (P). Feed masuk pada reaktor ini berupa amoniak (NH3), asam fosfat (H3PO4), dan asam sulfat (H2SO4). Kondisi feed masuk reaktor preneutralizer dapat berubah sehingga

perlu dipasang sistem pengendali untuk menjaga komposisi produk keluar dari reaktor preneutralizer, selain itu pemasangan sistem pengendali dapat menjaga keamanan dari proses tersebut.

Tujuan dari penelitian ini adalah : Membuat konvergensi Simulasi Steady State dan Dynamic pada Reaktor Preneutralizer, Membuat sistem control Reaktor Preneutralizer dengan menggunakan pengendali PID, Mengevaluasi kinerja dari system pengendali PID pada Reaktor Preneutralizer dengan menggunakan metode Integral of The Absolut Error (IAE).

Manfaat dalam penelitian ini adalah : Mengetahui cara permodelan yang sesuai dengan kondisi lapangan pabrik pupuk NPK, Mengetahui cara pengendalian pada reaktor Preneutralizer dengan menggunakan PID controller, serta Mengetahui kinerja dari sistem pengendali PID pada reaktor Preneutralizer dengan menggunakan metode Integral of The

Absolut Error (IAE).

II. URAIAN PENELITIAN Proses pembuatan pupuk NPK menggunakan prinsip

reaksi menggunakan Continuous Stirred Tank Reactor

(CSTR), merupakan salah satu jenis reaktor tangki berpengaduk.

(Rahul Updahyay dan Rajesh Singla, 2010) Kompunen utama dari pupuk NPK adalah senyawa

Monoammonium Phosphte (MAP) dan Diammonium Phosphate (DAP). Monommonuim Phosphate adalah salah satu jenis pupuk yang memiliki kandungan nutrisi bagi tumbuhan. Reaksi dari asam phosphate dan amoniak dengan pH 4,4 atau 8,8 yield MAP yang menghasilkan 12,2 % N dan 51,7 P2O5. Pupuk NPK umumnya diproduksi melalui Ammoniation of Wet Process dari asam phosphate.

(Slack dan James, 1979)

Proses reaksi pembuatan MAP dan DAP dilakukan pada reaktor preneutralizer yang selanjutnya diproses pada granulator dan dikeringkan di rotary dryer. Dengan reaksi sebagai berikut :

NH3 + H3PO4 NH4H2PO4 NH3 + NH4H2PO4 (NH4)2HPO4

Feed dari proses ini berupa NH3 cair, asam phosphate pada 40-54 % P2O5, air untuk scrubber, dan N booster serta Urea, NH4NO3, (NH2)SO4 dan H2SO4.

(Aimin Xu dkk, 2004)

Beberapa sifat, manfaat, dan keunggulan pupuk

phonska adalah : - Higroskopis - Mudah larut dalam air - Mengandung unsur hara N, P, K dan S sekaligus

PENGENDALIAN REAKTOR PRENEUTRALIZER PADA PABRIK PUPUK NPK DENGAN MENGGUNAKAN PID CONTROLLER

Laorencia W. Praptiwi, Jeffry Pradana, dan Prof. Ir. Renanto, MS, PhD Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: renanto@chem-eng.its.ac.id

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

2

- Kandungan unsur hara setiap butir pupuk merata - Larut dalam air sehingga mudah diserap tanaman - Sesuai untuk berbagai jenis tanaman - Meningkatkan produksi dan kualitas panen - Menambah daya tahan tanaman terhadap gangguan hama,

penyakit dan kekeringan - Menjadikan tanaman lebih hijau dan segar karena banyak

mengandung butir hijau daun - Memacu pertumbuhan akar dan sistem perakaran yang

baik - Memacu pembentukan bunga, mempercepat panen dan

menambah kandungan protein - Menjadikan batang lebih tegak, kuat dan dapat

mengurangi risiko rebah - Memperbesar ukuran buah, umbi dan biji-bijian - Meningkatkan ketahanan hasil selama pengangkutan dan

penyim-panan. - Memperlancar proses pembentukan gula dan pati.

(http://www.petrokimia-gresik.com/default.asp)

Proses yang digunakan adalah menggunakan pipe reactor berukuran kecil untuk netralisasi asam fosfat dengan amoniak sesuai dengan teknologi dari incro S.A. kapasitas produksi pada unit ini sebesar 300.000 ton/tahun. Bahan Baku

A. Asam Fosfat - Kadar P2O5 50% min - Padatan 2% max - Suhu 33 oC - Tekanan 5 kg/cm2

B. Amoniak Cair

- Kadar NH3 99,5 % min - H2O 0,5 % max - Suhu -33 oC - Tekanan 12 kg/cm2

C. Asam Sulfat - Kadar H2SO4 98% min - S.g 1,84 - Suhu 33 oC - Tekanan 5 kg/cm2

D. Amonium Sulfat - Kadar N 21% berat min - Moisture 0,15% max - Granul 0,5-1,2 mm, 90% min

E. Kalium Clorida - Kadar K2O 60% min - Moisture 1% max - Granul 0,15-1,2 mm, 90% min - Bulk Density

F. Filler - Moisture 4% max - Granul 0,15-1,15 min, 90% min - Bulk density 1000 kg/cm2

Pengumpulan Bahan Baku

ZA, KCl, Filler diumpankan dari gudang ke hopper dengan pay loader, selanjutnya dengan conveyor diumpankan ke masing-masing bin dalam unit produksi. Semua bin dilengkapi dengan big blaster yang bekerja dengan menggunakan plant air, untuk menghindari terjadinya gumpalan dan akumulasi bahan baku dalam bin. Bahan baku padat dari feeder jadi satu di conveyor dan

dimasukkan ke granulator elevator bersama-sama dengan bahan padat dari recycle conveyor.

Penyiapan Slurry dan Proses Granulasi

Peralatan utamanya adalah Plug Mill berupa double srew conveyor tang berfungsi mencampur bahan baku dan bahan padat daur ulang hingga homogeny. Asam sulfat, steam dan amoniak bias ditambahkan sehingga terjadi proses granulasi awal untuk menaikkan produkstivitas unit granulasi. Produksi Pug Mill masuk granulator secara gravitasi melalui chute dumana sebagian besar proses granulasi akan berlangsung. Reaksi netralisasi antara asam fosfat dan amoniak utamanya terjadi di pipe reactor yang terpasang pada sisi inlet granulator sehingga slurry (ammonium fosfat) suhu 120-150 0C tertuang langsung ke lapisan bahan padat di dalam granulator. Reaksi yang terjadi : NH3 (l) + H3PO4 NH4H2PO4 + Q NH3(l) + NH4H2PO4 (NH4)2HPO4 + Q Granulasi

Alat utamanya adalah granulator yang berfungsi untuk membuat granul phonska akibat terjadinya reaksi kimia dan fisis antara bahan baku yang berbeda-beda karakteristiknya dan senyawa P2O5 selalu berasal dari asam fosfat. Semua bahan baku dan daur ulang diumpankan ke granulator. Asam sulfat diumpankan juga ke granulator pada lapisan padatan yang beraksi dengan sebagian amoniak cair. Reaksi yang terjadi :

NH3 + H2SO4 (NH4)2SO4 + Q Pengeringan

Alat utamanya adalah dryer untuk mengeringkan produk dengan kadar air 1-1,5% dengan media udara panas suhu 150-170 oC aliran searah. Udara keluar dryer mengandung amoniak dan uap air yang akan dihisap oleh dryer exaust fan untuk dibawa ke dryer scrubber, sedangkan debu produk dipisahkan di cyclone untuk dikembalikan ke granulator. Pemilahan dan Penghancuran Produk

Produk dari dryer dikirim ke double deck screen untuk dipilah-pilah sesuai dengan ukurannya. Produk oversize didaur ulang ke dalam pug mill. Produk yang onsize ukuran 2-4 mm min 90% dicurahkan ke regulator bin.

Perlakuan Produk Akhir

Produk onsize diumpankan ke polishing screen untuk memisahkan produk halus dengan suhu 70-90 oC. Selanjutnya produk masuk fluid bed cooler untuk mencapai suhu < 45 oC. Produk ini kemudian diumpankan ke coater untuk pelapisan produk dengan coating agent agar tidak menggumpal, yang selanjutnya dikirim ke gudang produk dengan spesifikasi bentuk granul 2-4 mm 90%, kadar air 1,5% max. Penyerapan Gas

Peralatan menggunakan srubber 4 tahap untuk membersihakan gas buang dan menangkap unsur hara sebagai daur ulang. Pada pencucian tahap pertama digunakan granulator pre scrubber untuk menangkap gas dari granulator. Pencucian tahap kedua berupa 2 ventury scrubber yang fungsinya mencuci gas daru dryer cyclone, granulator, dan dedusting sistem. Tahap pencucian ketigaberupa gas scrubber yang fungsinya mencuci gas dari

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

3

dua sistem scrubber sebelumnya. Tahap pencucian keempat berupa Tower Scrubber untuk menangkap gas buang yang lolos dari 3 sistem scrubber di atas.

Gambar 1. Diagram Alir Pembuatan NPK Plant

Plug Mill

PIPE REACTOR

GRANULATOR

DRYER

PROC. SCREEN

CRUSHER

POLISHING

SCREEN

F.B COOLER

COATER

PR VESSEL

GRAN PRE SC

DRYER SC

TAIL GAS SC

AS. SULFAT

STEAM

AMONIAK

AS. FOSFAT

SC. VESSEL

WATER

KCl

ZAFiller

PHONSKA/NPK

GRAN & DEC SC

FINAL TAIL GAS SC

GAS TO ATM

Gambar 2.Detail Diagram Alir Pembuatan NPK Plant Salah satu metode yang banyak digunakan untuk

melakukan setting atau tunning parameter alat pengendali adalah metode Ziegler’s Nichols Tunning (1942). Tunning adalah suatu cara untuk menentukan parameter-parameter pengendali dari alat pengendali yang dipasang.

Metode ini digambarkan sebagai metode close loop karena Ziegler dan Nichols tidak menyatakan bahwa ultimate gain, Kcu dan ultimate period, Pu dapat dihitung dari perhitungan response frekuensi dari model proses secara open loop tetapi menyatakan bahwa Kcu dan Pu didapatkan dari test closed loop proses sebenarnya (actual

process) secara dinamis. Dari harga Kcu dan Pu dapat ditentukan parameter alat pengendali untuk masing-masing kontroller, seperti tabel 1.

Tabel 1. Detail Diagram Alir Pembuatan NPK Plant

Salah satu metode tunning untuk sistem multivariabel adalah metode yang dikembangkan oleh Luyben pada tahun 1986. Metode yang disebut Biggest Log-Modulus Tunning (BLT) memberikan metodologi tunning standar untuk system multivariabel. Tunning BLT terdiri dari empat tahap sebagai berikut : 1. Menghitung setting Ziegler-Nichols untuk tiap-tiap loop

individual. 2. Mengasumsikan factor detuning F. nilai F seharusnya

lebih besar dari 1 untuk memberikan hasil yang lebih konservatif dibandingkan dengan setting Ziegler-Nichols. Nilai yang biasa digunakan antara 1,5 sampai 4. Gain dari semua pengendali feedback Kci dihitung dengan membagi gain Ziegler-Nichols KZNI dengan factor F.

F

KK ZNi

ci (2.15a)

Dimana : 2,2

KuiK ZNi (2.15b)

Kemudian semua reset time pengendali feedback dihitung dengan mengalikan reset time dari Ziegler-Nichols dengan factor F.

FZNiIi . (2.16a)

Dimana : ui

ZNi

2.12

(2.16b)

3. Mendefinisikan fungsi iW

iii BGIW det1 (2.17)

Dimana B = matriks diagonal pengendali feedback SISO. Menghitung log modulus closedloop, Lcm

W

WLcm

1log20 (2.18)

Puncak dari plot Lcm dalam keseluruhan jangkauan frekuensi adalah log modulus maksimum max

cmL (Luyben, 1986)

Aspen Plus merupakan software yang handal, yang akan memudahkan tiap orang untuk memodelkan proses-proses industri kimia seperti salah satu contoh proses dalam pengolahan minyak bumi. Proses-proses ini memiliki karakter yang unik yang membedakannya dengan proses kimia lainnya, antara lain :

a. Umpan proses, yang mengandung campuran hidrokarbon yang kompleks dengan kisaran titik didih yang luas, yang komposisi eksaknya tidak diketahui.

b. Unit-unit kolom pemisah yang saling berhubungan satu sama lain, yang digunakan untuk memisahkan minyak bumi menjadi beberapa jenis produk yang memiliki spesifikasi yang berbeda-beda.

c. Adanya open steam dan air pendingin untuk stripping dan mengambil kembali panas, meningkatkan kemungkinan adanya pemisahan dua fase dalam proses pengolahan minyak bumi.

d. Derajat pemisahan tergantung pada temperatur kolom destilasi, gaps, overlaps, dan properti lainnya.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

4

e. Spesifikasi produk diberikan dalam bentuk properti aliran seperti flash point, pour point, kandungan sulfur, kandungan logam dan angka oktan. Aspen Plus menyiapkan bagian khusus untuk menangani karakteristik-karakteristik yang unik pada aplikasi proses pengolahan minyak bumi. Dengan Aspen Plus, kita dapat mengembangkan model simulasi proses untuk proses pengolahan minyak bumi yang kita miliki, kemudian menggunakan model ini untuk mempelajari beberapa alternatif kondisi atau mengoptimasi proses yang telah ada.

(Aspen Plus, 2006) Dalam penelitian, begitu juga dengan simulasi, untuk

mendekati kondisi simulasi dengan kondisi lapangan sangat diperlukan pemilihan model termodinamika yang paling akurat. Sebagai acuan pemilihan model termodinamika ditampilkan pada tabel pemilihan model termodinamika yang digunakan dalam industri proses yang dkutip dari Chen dan Mathias.

(Chen dan Mathias, 2002). Dalam tabel pemilihan model termodinamika

dipengaruhi oleh sistim kimia. Untuk mendapatkan model yang paling akurat pemilihan juga dipengaruhi oleh kondisi operasi (tekanan dan temperatur) terutama untuk proses dalam fasa gas.

Metode termodinamika yang digunakan untuk menghitung properti dalam Aspen Plus terutama untuk industry petrokimia yang berhubungan dengan kesetimbangan uap-cair menggunakan metode termodinamika Peng-Robinson. Sedangkan yang berfasa padatan dapat menggunakan termodinamika Solids.

(Aspen Plus, 2006).

UCAPAN TERIMA KASIH Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk

memperoleh gelar sarjana di Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Tidak ada kata yang paling banyak kami ucapkan kecuali terimakasih untuk semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi ini. Dalam kesempatan ini kami tidak lupa mengucapkan terima kasih kepada orang tua serta saudara-saudara kami, atas doa, bimbingan, perhatian dan kasih sayang yang selalu tercurah selama ini serta Bapak Prof. Ir. Renanto, MS, Ph.D, selaku Dosen Pembimbing atas bimbingan dan saran yang telah diberikan.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Anonyms. “Data Desain Departemen Produksi I Unit Pupuk

Urea PT. Petrokomia Gresik”. 2003. Gresik : PT Petrokimia Gresik..

[2] Levenspiel Octave. “Chemical Reaction Engineering 3rd edition”. New York: John Wiley & Sons.

[3] Luyben, L.M. 2007. “Chemical Reactor Design and Control”. Environmental Engineering and Management Journal. Vol.6, No.6. December 2007

[4] Mahoney, Svrcek and B. R Young. 2006. “A Real Time Approarch to Process Control, second edition”. New York : John Wiley & Sons, Inc.

[5] Seborg, Dale E., Thomas F. Edgar and Duncan A. Mellichamp. 2004.”Process Dynamic and Control, second edition. New York : John Wiley & Sons, Inc.

[6] Slack, A. V. and G. Russell James. 1979. “Fertilizer Science and Technology Series”. Alabama : SAS Corporation Wilson Lake Shores Sheffield.

[7] Smith, Carlos A. 2002. “Automated Continuous Process Control”. New York : John Wiley & Sons, Inc.

[8] Tunks, S Donal. 2010. “Diammonium Phosphate (DAP) Plant Optimization”. Florida : Clearwater Convention.

[9] Tushar, Jain and M.J Nigam. 2008. “Optimization of PD-PI Controller Using Intelligence. International Journal of Computational Cognition, Vol.6 No. 4 December 2008.

[10] Upadyyay, Rahul and Rajesh Singla. 2010. “Analysis of CSTR Temperature Control with Adaptive and PID Controller”. International Journal of Engineering and Technology, Vol.2, No.5, October 2010.

[11] Van, E Ave. 2000. “Production of NPK Fertilizers by The Nitrophosphate Route’. Brussels : European Fertilizer Manufactures Association.

[12] Xu Aimin. 2004. Disertasi : “Chemical Production Cmplex Optimization, Pollution Reduction and Sustainable Development. Tianjin, China : Tianjin University

[13] http://www.petrokimia-gresik.com/default.asp. Selasa, 7 Februari 2012