6. uraian proses.doc

BAB IIURAIAN PROSES

1.1 Persiapan Bahan Baku ( Amonia )Bahan baku pembuatan Pupuk Urea adalah Amoniak dan Karbondioksida, yang mana kedua bahan baku tersebut dihasilkan dari pabrik Amoniak. Amoniak dan Karbondioksida berasal dari synthesa gas alam.

Prosses Pabrik Amonia.Rumus molekul amoniak adalah NH3.Terlihat amoniak terbentuk dari gugus N dan H yang masing-masing dapat diperoleh dari H2(Hidogen)dan N2(Nitrogen).H2adalah salah satu komponen gas synthesa yang diperoleh dari pemrosesan gas alam yang mengandung 80 95 % CH4(Metan).Sedang N2diperoleh dari udara yang mengandung 79% N2dan 21% O2.

Gas alam Proses

Udara

Produk CO2 Produk NH3 Cair

Gambar 1. Blok Diagram Proses Pembuatan AmoniaReaksi-reaksi yang terlibat dalam proses pembuatan NH3dan CO2adalah sebagai berikut :1. Reaksi Desulfurisasi

H2S + ZnO ZnS + H2O

2. Reaksi Reforming

Ni

CH4 + H2O CO2 + 3H2 - Panas ( endothermis )

3. Reaksi Shift

Fe3O4

CO + H2O

CO2 + H2 + Panas ( eksothermis )

Cu

4. Reaksi Metanasi

Ni

CO + 3 H2 CH4 + H2O + Panas ( eksothetmis )

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O + Panas ( eksothermis )

Ni

5. Reaksi Absorbsi / Penyerapan CO2

DEA

K2CO3 + CO2 + H2O

2KHCO3 + Panas ( eksothermis )

6. Reaksi Pelepasan CO2

2 KHCO3 K2CO3 + CO2 + H2O + Panas ( eksothermis )

7. Reaksi Synthesa Amoniak

FeO

N2 + 3H2 2NH2 + Panas ( eksothermis )

KatalisatorKatalisator adalah suatu senyawa yang berfungsi untuk mempercepat suatu reaksi kimia. Secara fisik katalisator tidak berubah bentuk walaupun terlibat dalam suatu reaksi kimia. Dari bentuknya katalisator di pabrik Amoniak sebagian besar berbentuk padatan. Hanya DEA(Dietanol Amione)yang berbentuk cairan.

Katalisator yang dalam bentuk padatan ini disuplai dari pembuatnya dalam kondisi masih teroksidasi. Untuk mengaktifkanya katalisator harus terlebih dahulu direduksi(penurunan bilangan oksida)menggunakan pereduksi H2dan CO2, akan tetapi yang umum dipakai adalah H2karena kenaikan temperatur yang dihasilkan dari aktifasi/reduksi katalis masih dapat dikendalikan dibandingkan bila menggunakan CO sebagai pereduksi.Berikut adalah salah satu contoh reaksi reduksi katalis Fe3O4dengan H2:

3Fe2O3+ H2> 2Fe3O4+H2O + Panas

Katalisator yang aktif(tereduksi)bila terkena udara( O2)akan bereaksi dengan cepat dan menghasilkan panas yang besar(pyrophoric)dan sulit dikendalikan, oleh karena itu katalisator baru selalu disuplai oleh penjual dalam bentuk teroksidasi agar pada saat dibuka drumnya ketika akan dimasukkan ke dalam reaktor tidak bereaksi dengan udara.

Untuk menjaga katalisator tetap tinggi aktifitasnya maka beberapa beberapa racun katalis berikut harus dipastikan tidak masuk ke dalam sistem reaksi :

Sulfur

Carbon

CL- PhospatKhusus untuk katalis synthesa amoniak disamping racun-racun diatas berikut racun-racun lainnya yang dapat menurunkan aktifitas katalis :

CO

CO2 H2OTiga tahap dalam penyiapan gas synthesa.1. Desulfurisasi.Gas alam pada umumnya mengandung sulfur dalam bentuk H2S / Sulfur Anorganik dan Sulfur Organik seperti mercaptan yang rumus molekulnya RS. Kadar sulfur anorganiknya di dalam gas alam yang diterima industri pupuk adalah relatif kecil yaitu berkisar 0,18 -0.3 ppm sedang sulfur organiknya relatif tidak ada.

Kadar sulfur dalam gas alam yang diijinkan untuk memasuki Primary Reformer maksimum adalah 0,1 ppm. Untuk menyerap sulfur dari gas yang dari gas alam digunakan ZnO sebagai adsorbent ini bukan katalis, lihat reaksi no 1.

Keberhasilan adsorbsi sulfur anorganik praktis diadsorbsi pada temperatur yang lebih rendah(200-250oC)dibandingkan dengan sulfur organik(250-400oC).Kondisi operasi di Desulfurisasi:

Pressure : 35-40 kg/cm2G

Temperature Inlet : 350-400oC

Temperature Outlet : 330-380oC

2. Primary Reformer.Ke dalam Primary Reformer dimasukan Steam bersama gas alam yang keluar dari Desulfurisasi. Sebelum bertemu katalis yang berada dalam tube yang dipanasi secara radiasi oleh burner-burner(seperti burner pada kompor gas),campuran steam dan gas terlebih dahulu dipanasi hingga temperatur reaksi 530-650oC. Hal ini sesuai dengan jenis reaksinya yang endotermis. Disamping reaksi reforming, reaksi shift juga terjadi di Primary Reformer seperti pada reaksi no. 2 dan no. 3.

Untuk menjamin bahwa reaksi berjalan sesempurna mungkin rasio steam terhadap carbon yang ada dalam gas alam(S/C)dijaga sekitar 3,1-4(mol/mol)Kondisi operasi Primary Reformer :

Pressure : 35 40 kg/cm2G

Temperature Inlet : 530 650oC

Temperature Outlet : 770 811oC

Kadar CH4Outle : 9 16 % berat

Kadar CO Outlet : 8 9 % berat

Kadar H2Outlet : 65 70 % berat.

3. Scondary Reformer.Pada dasarnya Scondary Reformer berfunggsi untuk menyempurnakan reaksi reforming yang telah terjadi di Primery Reforming. Kalau Primery Reformer sumber panas untuk reaksi reforming yang endotermis disuplay oleh burner-burner yang memberikan panasnya secara radiasi, maka sumber panas di Scondary Reformer disuplay oleh udara yang dimasukkan ke Scondary Reformer menggunakan kompresor udara.Reaksi pembakaran O2dari udara dengan H2hasil reaksi reforming di Primary Reformer :2H2 + O2 -----> 2H2O

CH4 + H2O -----> CO + 3H2

CO + H2O -----> CO2 + H2

Akan menghasilkan panas yang akan dipakai oleh reaksi reforming Scondary Reformer. Campuran hasil reaksi di Scondery Reformer ini akan menyisakan N2yang praktis tidak/belum bereaksi dengan H2dan campuran gas lainnya. N2akan bereaksi dengan H2nantinya di Converter Amoniak setelah menjalani berbagai proses pemurnian berikutnya.

Kondisi operasi di Scondary Reformer :




CH4Outlet : 0,2-1,0 % berat

CO Outlet : 10-13 % berat

H2Outlet : 54-56 % berat

Tiga tahap proses pemurnian gas synthesaCO Shift dibagi dalam dua tahap yaitu :

1. CO Shift Temperatur Tinggi / High Temperature Shift(HTS)2. CO Shift Temperatur Rendah / Low Temperature Shift(LTS)Tujuan Reaksi shift adalah untuk menyempurnakan pembentukan H2seperti telah dilakukan pada reaksi reforming dengan mereakasikan CO dengan H2O menjadi H2dan CO2seperti telah dituliskan pada reaksi no. 3 di atas dan untuk mengurangi CO yang terbentuk di Reformer yang merupakan racun bagi katalisator amoniak.

Pada tahap HTS dimana reaksi masih jauh dari kesetimbangan kimia maka reaksi dilaksanakan pada temperature tinggi(360oC).Sedang pada LTS dimana reaksi sudah berada pada kesetimbangan, penurunan temperature reaksi(210oC)akan menggeser kesetimbangan ke kanan atau kearah terbentuknya H2. Dengan demikian LTS akan menyempurnakan reaksi yang eksotermis ini ke arah produk.Kondisi operasi HTS :


Temperature Inlat : 340-380oC

Temperature Outlet : 420 440oC

CO Inlet : 12-14,5 % berat

CO Outlet : 2,5-4,5 % berat.Kondisi operasi LTS :


Temperature Inlet: 190-210oC


CO Inlet : 2,5-4,5 % berat

CO Outlet : 0,2-0,4 % berat

CO2Outlet : 16-18 % berat1. CO2 RemovalSetelah CO diturunkan sampai kadar terendah, selanjutnya CO2diturunkan hingga 0,1 % berat(1000 ppm). Penurunan CO2dilakukan dengan cara absorbsi oleh larutan K2CO3(karbonat)yang konsentraasinya 25-30 % berat di dalam sebuah menara Absprber.

Gas Synthesa yang mengandung 16%-18% berat CO2dipertemukan dengan larutan karbonat yang mengalir dari atas ke bawah sedang gas mengalir dari bawah ke atas. Selanjutnya dalam pertemuan keduanya, CO2diserap oleh larutan karbonat sesuai reaksi no.5. Untuk meningkatkan efektifitas penyerapan oleh K2CO3diberikan juga Dietanol Amine(DEA)dengan konsentrasi 2,5-3 % berat.

Di Absorber penyerapan dilakukan dalam dua tahap. Absorbsi di bagian bawah absorber dilakukan dengan larutan karbonat yang bertemperature 65-117oC, sedang absorbsi berikutnya dilakukan di bagian atas Absorber dengan larutan Karbonat bertemperature 65-70oC. Tujuan tahapan absorbsi ini adalah untuk meningkatkan penyerapan CO2.Penyerapan CO2di menara Absorber berlangsung dengan kondisi :


Temperatur Gas Inlet : 100-130oC

Temperatur Gas Outlet : 65-70oCTemperature Larutan Karbonat inlet :

Ke Top menara : 65-70oC

Ke Middle Menara : 115-117oC

CO2Inlet : 16-18 % berat

CO2Outlet : 0,04-0,1 % berat.

Sebagian besar K2CO3dalam larutan Karbonat yang telah banyak menyerap CO2(Rich Solution)berubah menjadi KHCO3seperti terlihat pada reaksi no. 5. Selanjutnya KHCO3ini harus kembali diubah menjadi K2CO3agar bisa disirkulasikan ke Absorber untuk menyerap CO2. Hal ini dilakukan di Menara Regenerator dan reaksi yang tejadi adalah reaksi pada no 6.

Dari Absorber yang bertekanan 27-35 kg/cm2G larutan Karbonat(Rich Solution) dikirim ke regenarator yang tekanan operasinya 0,4-0,8 kg/cm2G. Penurunan pressure yang cukup besar ini akan menggeser kesetimbangan reaksi no. 6 ke kanan atau ke arah pelepasan CO2dan pembentuan K2CO3.

Di samping dengan penurunan tekanan, pelepasan CO2dari larutan karbonat (Rich Solution) juga dibantu dengan pemberian panas yang disuplay dari steam yang masuk dan dibangkitkan di Reboiler-reboiler yang terletak di bagian bawah Regenator.

Kondisi operasi Regenarator :

Pressure : 0,4-0,8 kg/cm2G

Temberature Bottom : 120-130oCLarutan Karbonat yang telah bebas CO2( Lean Solution)ini kemudian dikirim kembali ke Absorber, sedangkan CO2yang keluar dari Regenarator dikirim ke Pabrik Urea.2. MetanasiSetelah keluar dari CO2Removal gas synthesa masih mengandung 0,3 % CO dan 0,1 % CO2yang harus dikurangi lagi kadarnya hingga total CO+CO2maksimum 10 ppm. Pada dasarnya reaksi metanasi yang terjadi adalah kebalikan dari reaksi reforming, seperti reaksi no.4.

Kondisi operasi Metanasi :


Temperature Inleet : 280-310oC

Temperature Outlet : 320-340oC3. Synthesis Loop dan Refrigerasi.Di dalam Synthesis loop ini terdapat converter amoniak yang berfungsi mereaksikan N2dengan H2untuk membentuk Amoniak /NH3. Gas synthesa dengan kadar CO+CO2maksimum 10 ppm sebelum dimasukkan ke Synthesis loop dinaikkan tekanannya terlebih dahulu ke 130-210 kg/cm2G menggunakan kompressor Synthesis Gas.

Yang perlu diperhatikan adalah rasio H2/N2dijaga 3 atau sedikit dibawah dari 3. Hal ini penting dipertahankan agar reaksi pembentukan amoniak berjalan maksimal. Pangaturan Ratio ini dilakukan dengan mengatur laju udara yang dimasukkan ke Scondary Reformer.

Reaksi pembentukan amoniak ini berlangsung pada temperature inlet Converter 270oC dan temperature 530oC. Dengan temperature setinggi ini, maka amoniak yang terbentuk mustahil diperoleh dalam keadan cair. Untuk itu gas keluar Converter harus terlebih dahulu menjalani pendinginan hingga temperature 6 (-5)oC. Pendinginan ke temperature ini dilakukan dengan cara,melakukan pertukaran panas antara gas masuk dengan Converter dengan gas keluar Converter, pembangkitan steam dan pemanasan air umpanboiler (BFW),pendinginan dengan menggunakan air pendingin( cooling water )serta yang utama adalah pendinginan menggunakan refrigerasi.

Gas yang telah didinginkan,karena masih mengandung H2dan N2yang tidak bereaksi, gas dicampur dengan gas dari metanasi dikembalikan ke Converter amoniak. Sistem ini akhirnya merupakan sebuah Loop atau siklue Amoniak.

Di dalam Loop ini juga ada gas-gas yang benar-benar tidak bereaksi yang disebut inert, yaitu CH4yang berasal dari Metanasi dan Argon(Ar)yang berasal dari udara yang dimasukkan ke Scondary Reformer. Inert ini konsentrasinya harus dijaga sekitar 7-11 % berat agar reaksi pembentukan amoniak berlangsung maksimal.

Adapun gas dari metanasi yang mengandung CO, CO2dan H2O sebelum masuk ke dalam synthesis Loop dipertemukan terlebih dahulu dengan gas keluar Converter yang sudah didinginkan dan mengandung amoniak cair. Tujuannya adalah agar CO, CO2dan H2O yang ada dalam gas dari Metanasi(make up gas)dapat larut dalam amoniak cair dan terbawa ke refrigerasi, tidak ke inlet Converter amoniak.

Kondisi Operasi Converter :




NH3Inlet : 1,5-5 % berat

NH3Outlet : 13-20 % berat.4. RefrigerasiProduk amoniak cair dengan temperature 6oC (-5)oC ini selanjutnya dikirim ke Refrigerasi untuk dimurnikan dari H2, N2, CO, CO2, H2O dan inert yang terlarut dalam amoniak cair dan didinginkan hingga temperature -31oC. Pemurnian dilakukan dengan jalan menurunkan tekanannya dari 130-210 kg/cm2G menjadi 17 kg/cm2G. Dengan jalan ini kelarutan gas-gas tersebut diatas akan turun dan gas-gas akan lepas dari amoniak cair.

Refrigerasi ini seperti layaknya sebuah lemari es dilengkapi dengan kompresor refrigerant. Kompressor ini berfungsi untuk menaikkan pressure uap amoniak agar mudah dicairkan menggunakan air pendingin. Amoniak cair ini selanjutnya dikirim ke penukar panas yang ada di synthesa loop yang dipakai untuk mendinginkan gas keluar Converter amoniak dan mencairkan amoniak yang terdapat dalam gas keluar Converter. Pendinginan ini mampu membuat amoniak cair keluar loop bertemperature 6-(-5oC).

Uap penukar panas yang keluar dari penukar panas diatas yang merukajan hasil dari peristiwa pertukaaran panasdikirim ke Kompresor refrigeransi. Begitu pula dengan amoniak cair dari hasil pemurnian.

Selanjutnya amoniak cair yang panas(25oC)yang merupakan hasil kondensasi uap amoniak keluar kompressor/discharge dikirim ke pabrik Urea. Sedangkan amoniak cair yang dingin (-31oC)dari bagian suction komperssor dikirim ke Storage Amoniak.

Demikian proses pembuatan amoniak dan karbondioksida sebagai bahan baku pembuatan Industri Pupuk Urea.2.1 Proses Pembuatan Urea

UREANH3

CO2

PROSES

KONDENSAT

Gambar 2 . Blok Diagram Proses Pembuatan UreaTAHAPAN PROSES PEMBUATAN UREA Unit sinthesis

Unit Pemurnian atau Purifikasi

Unit recovery

Unit Kristalisasi dan Pembutiran

MATERIALBahan Baku Utama

Amonia(NH3)

Karbondioksida (CO2)Produk Utama

Urea [CO(NH2)2]Produk Samping

Air (H2O)Sintesis UreaAmonia cair direaksikan dengan gas CO2membentuk amonium karbamat yang selanjutnya terdehidrasi menjadi Urea.

Reaksi : 1. 2NH3+ CO2 NH2COONH4+ 38 kkal

2. NH2COONH4 NH2CONH2+ H2O -7,7 kkalReaksi samping : 2 NH2CONH2 NH2CONHCONH2 + NH3biuretReaksi ini akan mengurangi urea yang terbntuk dari ammonium karbamat, selain itu hasil samping adalah biuret yang merupakan racun tanaman dan harus diminimasi dalam Urea ( konsentrasi max < 1 %).

Usaha-usaha untuk meminimasi terbentuknya biuret. Kontak pada suhu tinggi harus cepat NH3masuk reaktor harus berkadar tinggi Perbandingan molar NH3dengan CO2= 4Pemurnian Tujuan Pemurnian :Memisahkan hasil urea dari larutan ammonium karbamat dari ekses ammonia. Hasil yang keluar dari reaktor terdiri dari Urea, Amonium karbamat, NH3sisa , H2O ,biuret dan gas-gas terlarut.Tahap-tahap pemurnian.

a. Flashing

:Mengekspansi larutan pada tekanan 1 MPa sehingga gas-gas terlarut dapat lepas dari cairan.

b. Stripping: Menyempurnakan pelepasan gas-gas dari cairan urea.

c. Decomposing: adalah menguraikan / dekomposisi amonium karbamat dengan pemanasan pada tekanan rendah ( 400 kPa) .Reaksi :

NH2COONH4 2 NH3+ CO2

- 38 kkal

Suhu tidak boleh tinggi karena akan terjadi hidrolisis urea.. Dan bila suhu terlalu tinggi dan tekanan rendah, akan terjadi reaksi samping yang tidak dikehendaki yaitu hydrol :

NH2CONH2+ H2O 2NH3+ CO2 2NH2CONH2 NH2CONHCONH2+ NH3

Recovery / pemulihan.Tujuan Recovery :

Penyerapan gas-gas yang belum bereaksi dari hasil pemisahan di unit pemisahan untuk dikembalikan ke reactor urea sebagai larutan karbamat. Gas hasil dekomposisiberupa gas NH3dan CO2diserab denganmother liquor(cairan induk) yang berasal dari unit kristalisasi yang kaya amonium karbamat dan selanjutnya dikembalikan Kristalisasi dan pembutiran.

Kristaliasi/PembutiranTujuan Kristalisasi :Membentuk urea prill dengan spesifikasi sebagai beikut :

Kadar nitrogen : 46% berat

Kadar Air 0.3% berat

Kadar Biuret 0,5% berat

Kadar Besi 1 ppm

Kadar Amonia bebas : 150 ppm

Pembutiran dapat dilakukan dengan 2 cara :Prillingdangranulation Prilling Urea cair dimasukkan ke spinner bicket dalam menara pembutir ( Prilling Tower) dan disemprotkan melalui nozle dari atas, dari bagian bawah menara dialirkan udara sehingga terbentuk padatan urea dengan ukuran 8-16 mesh dengan kadar air 0,3 %. Sistem ini berpotensi membuat polusi, Udara keluar masih membawa padatan dimasukkan ke cyclon untuk memisahkan padatan dari udara. GranulationUrea cair disemprotkan kepermukaan rotary drum sehingga terbentuk butiran sesuai dengan ukuran . Padatan kemudian di keringkan dirotary drier.

Pada Urea cair yang akan masuk prilling maupun granulation ditambahkan 0,2-0,5 % formaldehide untuk memperkuat butiran agar tak mudah pecah dan mencegah lengket pada penyimpanan. Urea dikemas dalam kantong plastik ( bagian dalam poly etylen , bagian luar polypropilen)

Cara Peningkatan Konsentrasi produk ureaa. Untuk mendapatkan konsentrasi urea yang lebih tinggi maka dilakukan pemekatan dengan cara:

b. Penguapan larutan urea di bawah vacuum (ruang hampa udara, tekanan 0,1 atmosfir mutlak), sehingga larutan menjadi jenuh dan mengkristal.

c. Memisahkan kristal dari cairan induknya dengan centrifuge

d. Penyaringan kristal dengan udara panas

Sedangkan untuk mendapatkan urea dalam bentuk butiran kecil, keras, padat maka kristal urea dipanaskan kembali sampai meleleh dan urea cair lalu disemprotkan melalui nozzle-nozzle kecil dari bagian atas menara pembutir (prilling tower). Sementara tetesan urea yang jatuh melalui nozzle tersebut, dihembuskan udara dingin ke atas sehingga tetesan urea akan membeku dan menjadi butir urea yang keras dan padat.

SEKSI

SINTESA

SEKSI

PURIFIKASI

SEKSI

PEMBUTIRAN

SEKSI

RECOVERY

SEKSI

KRISTALISASI

SEKSI

PENGOLAHAN

KONDENSAT

Secondary

Reformer

Primary

Reformer

Desulfurisasi

Synthesis

Loop

Metanasi

CO2

Removal

Shift

Converter

Refrigerasi

7

Documents

6. uraian proses.doc