Uraian Proses Ammonia

BAB II SELEKSI DAN URAIAN PROSES

II.1.

Macam Proses Pada proses pembuatan amonia, perbedaan yang ada sebenarnya hanya

berbeda jika bahan bakunya berbeda, yaitu antara gas alam, batu bara, dan naphta. Tabel II.1 Jenis-Jenis Proses pembuatan Amonia dan Penjelasan No Proses Penjelasan Dalam proses ini gas hidrogen diperoleh dari reaksi pembakaran bahan batu bara dengan udara. Gas nitrogen diperoleh dari udara yang digunakan dalam proses pembakaran batu bara. Hasil pembakaran yang berupa campuran gas sintesis ( hidrogen, nitrogen, karbondioksida, karbonmonoksida) dicampur dengan steam agar terjadi reaksi dengan karbonmonoksida menghasilkan gas hidrogen dan karbondioksida. Karbondioksida dibuang dengan menggunakan water scrubber sedangkan gas sintesis mengalami penekanan dan pelepasan karbonmonoksida yang belum terkonversi menjadi karbondioksida dengan menggunakan amoniacal euprous. Setelah melalui tahapan tersebut, gas sintesis masuk ke tahap pembuatan amonia. Kelebihan : Lebih ekonomis karena oksigen jauh lebih murah Kekurangan : a. Proses menggunakan tekanan tinggi b. Menggunakan energi yang sangat banyak sehingga kenaikan harga energy sangat berpengaruh terhadap biaya produksi c. Bahan baku yang digunakan (batu bara) hanya menghasilkan hidrogen sedikit dibandingkan gas alam.

1

Haber-Bosch

II- 2Bab I I Seleksi dan Uraian Proses

Reaksi C + H2O CO + H2 Dalam proses ini gas hidrogen diperoleh dari proses reforming gas alam dengan uap air. Gas dari nitrogen dari udara yang oksigen di dalam udara tersebut digunakan untuk proses pembakaran gas alam. Hasil proses reforming berupa gas sintesis (hidrogen, nitrogen, karbondioksida, karbonmonoksida) masuk ke reaktor untuk proses konversi karbonmonoksida menjadi karbondioksida. Selanjutnya karbondioksida diserap pada absorber kemudian dibuang lewat stripper. Gas sintesis yang masih mengandung sisa karbonmonoksida yang tidak terkonversi dan karbondioksida yang tidak terserap masuk ke metanator untuk dikonversi menjadi metana, kemudian metana dipisahkan dari gas sintesis dengan separator. Setelah proses tersebut gas sintesis siap masuk ke proses pembentukan amonia. Konversi amonia 8%. Kelebihan : a. Penggunaan energi yang lebih efisien b. Bahan baku menggunakan gas alam yang menghasilkan hidrogen lebih banyak c. Menggunakan peralatan dan katalis yang lebih baik (Katalis CuO-ZnO yang digunakan memiliki keaktifan dan selektifitas yang tinggi sehingga prosesnya efisien) d. Pembentukan produk sampingan seperti DME,alkohol tinggi,senyawa karbonil dan methane dapat dikurangi e. Proses menggunakan tekanan rendah (100-200 atm) f. Fleksibilitas lebih besar dalam pemilihan ukuran pabrik Kekurangan : a. Katalis yang digunakan tidak tahan terhadap sulfur dan chlorin yang terdapat dalam syn gas sehingga kandungannya harus kurang dari 0,1 ppm b. Menggunakan pendingin intermediate cooler yang akan memperbesar investasi desain reactor c. Perlu penambahan steam, sehingga membutuhkan

2

Kellog

Laporan Pra Desain Pabrik Amonia dari Gas Alam Jurusan Teknik Kimia FTI - ITS


biaya yang lebih besar

Reaksi : CH4 +H2O CO + 3H2 3 Haldor-Topsoe Dalam proses ini gas hidrogen diperoleh dari proses reforming gas alam dengan uap air. Beberapa variabel yang mempengaruhi reaksi di amonia converter : a. Temperatur reaksi Reaksi pembentukan amonia bersifat eksotermis. Sesuai prinsip kesetimbangan, untuk mendapatkan hasil reaksi yang optimal pada reaksi tersebut akan lebih baik dijalankan pada temperatur yang rendah. Namun, apabila reaksi berlangsung pada temperatur yang terlalu rendah, maka kecepatan reaksi akan lambat. b. Tekanan Operasi Reaksi pembentukan amonia ini baik dijalankan pada tekanan yang tinggi. Pada operasi dengan tekanan yang tinggi, reaksi akan lebih bergeser ke arah kanan / produk (NH3).



c. Rasio N2/H2Secara teoritis konversi optimum akan dicapai pada rasio gas dengan yang hampir sama dengan keadaan stoikiometri yaitu 3 : 1.

d. Aktifitas Katalis Keaktifan katalis akan sangat mempengaruhi konversi yang dihasilkan. Keaktifan katalis akan semakin turun dengan bertambahnya usia katalis. Temperatur yang terlalu tinggi dan racun katalis seperti, senyawa sulfur, CO, dan CO2 dapat merusak katalis. Kelebihan : a. Bahan baku menggunakan gas alam yang menghasilkan hidrogen lebih banyak (Lebih diperkaya gas alamnya, buka oksigen murni) b. Kualitas peralatannya lebih baik dan mempunyai ketahanan lebih baik Kelebihan : a. Perlu penambahan steam, sehingga membutuhkan biaya yang lebih besar b. Pengendalian prosesnya rumit dan mahal peralatannya Reaksi : CH4 +H2O CO + 3H2



Tabel II.2 Kondisi Operasi pada Proses pembuatan Amonia No Proses Tekanan Operasi (atm) 200-300 100-200 100-200 Temperatur Operasi (oC) Sumber Nitrogen Gas hasil pembakaran Udara Langsung Udara Langsung Sumber Hidrogen Kokas / Gas Alam Gas alam Gas alam/nafta Kebutuhan Energi (Gcal/MT amonia) 8,3/ 34,8 Gj/T 7,2 6,9

1 2 3

Haber-Bosch Kellog HaldorTopsoe

500 400-500 400-500

(Appl, Max. 1999. Ammonia Principles and Industria Practice:.Weinheim ; New York : Chichester ; Brisbane ; Singapore ; Toronto : Wiley-VCH) II.2. Seleksi Proses Untuk memilih proses yang akan dipakai perlu dipertimbangkan beberapa faktor untuk mendapatkan proses yang paling menguntungkan, misalnya, bahan baku yang murah, pengolahan limbah yang minimal, faktor resiko yang kecil serta diperoleh yield dan konversi yang tinggi. Dari lima jenis proses diatas dipilih proses kellog dengan pertimbangan : a. Dapat menghasilkan amonia dalam kapasitas yang besar b. Harga produksi, peralatan dan perawatan cenderung murah, tetapi harga jualnya cenderung menguntungkan c. Dengan tekanan yang lebih tinggi dapat menghasilkan konversi yang lebih tinggi d. Proses ini banyak dipakai oleh pabrik yang memproduksi bahan amonia di Indonesia seperti PT. Petrokimia Gresik, PT. Kujang, dan PT. Pupuk Kaltim 2.

Alasan Pemilihan Proses



II.3.

Uraian Proses

Proses Kellog Amonia diproduksi dengan mereaksikan gas Hidrogen (H2) dan Nitrogen (N2) dengan rasio H2 : N2 = 3 : 1 . Adapun tahapan dari produksi amonia adalah sebagai berikut : Gambar II.1 Blok Diagram Pabrik Amonia

Tahapan Proses Produksi 1. Feed Gas KO Drum Untuk memisahkan hidrokarbon berat yang terkandung dalam gas proses dengan jalan memasang screen di bagian atas vessel. 2. Seksi Desulfurisasi Berfungsi untuk menurunkan atau menghilangkan kadar S dalam Natural Gas (sbg H2S) dari 25 ppm menjadi 0,1 ppm (karena S bersifat racun terhadap katalis di pabrik amonia). 3. Seksi Reformer a. Primary Reformer mereaksikan methane dengan steam menjadi CO2 dan H2.Secondary Reformer



b. Secondary Reformer Mengubah sisa-sisa methane dari primary reformer menjadi H2, CO, dan CO2 serta mendapatkan N2 dengan memasukkan udara. 4. Seksi Shift Converter a. High Temperature Shift Converter (HTSC) Setelah mengalami reaksi pembentukan H2 di Primary dan Secondary Reformer maka gas proses didinginkan hingga temperature 436 oC untuk merubah CO menjadi CO2 b. Low Temperature Shift Converter (LTSC) Karena tidak semua CO dapat dikonversikan menjadi CO2 di HTSC, maka reaksi tersebut disempurnakan di LTSC setelah sebelumnya gas proses didinginkan hingga temperature 203 oC. c. CO2 Removal Karena CO2 dapat mengakibatkan degradasi di Amonia Converter dan merupakan racun maka senyawa ini harus dipisahkan dari gas synthesa melalui unit CO2 removal yang terdiri atas unit absorber, striper serta benfield sistem sebagai media penyerap. Sistem penyerapan di dalam CO2 absorber ini berlangsung secara counter current, yaitu gas synthesa dari bagian bawah absorber dan larutan benfield dari bagian atasnya. Gas synthesa yang telah dipisahkan CO2-nya akan keluar dari puncak absorber, sedangkan larutan benfield yang kaya CO2 akan diregenerasi di unit CO2 stripper dan dikembalikan ke CO2 absorber. Sedangkan CO2 yang dipisahkan digunakan sebagai bahan baku di pabrik urea. d. Methanasi Gas synthesa yang keluar dari puncak absorber masih mengandung CO2 dan CO relative kecil, yakni sekitar 0,3 % mol dry basis yang selanjutnya akan diubah menjadi methane di methanator pada temperature sekitar 344 oC.

5. Synthesa Loop Dan Amonia RefrigerantLaporan Pra Desain Pabrik Amonia dari Gas Alam Jurusan Teknik Kimia FTI - ITS


a.

Synthesis Loop

Gas synthesa yang akan masuk ke daerah ini harus memenuhi persyaratan perbandingan H2/N2 = (2,5 3) : 1. Gas synthesa pertama-tama akan dinaikkan tekanannya oleh syn gas compressor dan dipisahkan kandungan airnya melalui sejumlah K.O. Drum dan diumpankan ke Amonia Converter dengan katalis promoted iron. b. Amonia Refrigerant

Amonia cair yang dipisahkan dari gas synthesa masih mengandung sejumlah tertentu gas-gas terlarut. Gas-gas inert ini akan dipisahkan di seksi Amonia Refrigerant yang berfungsi untuk : 1. Mem-flash amonia cair berulang-ulang dengan cara menurunkan 2. Sebagai bagian yang integral dari refrigeration, chiller mengambil panas dari gas synthesa untuk mendapatkan pemisahan produksi amonia dari Loop Synthesa dengan memanfaatkan tekanan dan temperature yang berbeda di setiap tingkat refrigeration. (www.WordPress.com/proses Pembuatan Pupuk Amonia)

tekanan di setiap tingkat flash drum untuk melepaskan gas-gas terlarut.



II.3.1 Desulfurisasi E-113H FEED GAS PREHEATER

NATURAL GAS FEED

R-110

R-120

TO REFORMING SECTION

Gambar II.2. Seksi Desulfurisasi Gas alam dari sumber sebagai bahan baku dengan tekanan 18,9 bar dan temperatur 30oC dikompresi hingga mencapai tekanan 44,9 bar oleh kompresor (G-112). Setelah itu, melewati area furnace (E-113) yang berfungsi untuk memanaskan gas alam sampai suhu 399-610oC sebelum masuk ke hydrotreating reactor (R-110). Untuk memanaskannya digunakan arus dari syn gas yang keluar dari secondary reformer (R-310). Selanjutnya gas alam dicampur dengan recycle gas hydrogen dari PGRU (Purge Gas Recovey Unit) pada temperatur 399oC, kemudian dikurangi kandungan mercaptantnya dengan cara hydrotreating di hydrotreating reactor (R-110). Mercaptant dihilangkan agar tidak mencemari katalis nikel dan CuZn yang digunakan dalam primary reforming dan sintesa amonia. Untuk menghilangkannya digunakan katalis CoMo (Cobalt Molybdate) yang terdapat di dalam hydrotreating reactor (R-110) yang berfungsi untuk penguraian sulfur organik (CH3-SH) menjadi sulfur anorganik (H2S). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :Laporan Pra Desain Pabrik Amonia dari Gas Alam Jurusan Teknik Kimia FTI - ITS


CH3SH + H2 H2S + CH4 Karena gas alam hanya mengandung mercaptant dalam jumlah yang sangat kecil, maka reaksinya diasumsikan terkonversi 100 %. Katalis CoMo akan diganti jika sudah tidak aktif lagi. Selanjutnya gas alam masuk ke desulphurizer reactor (R-120). Gas alam yang keluar dari desulphurizer diharapkan hanya mengandung sulfur kurang dari 0,1 ppm, sama seperti mercaptant yaitu agar tidak mencemari katalis nikel pada unit primary reforming dan katalis Cu-Zn pada unit sintesa amonia. Proses ini dilakukan pada suatu reaktor yang berisi ZnO yang berfungsi untuk menyerap H2S yang terdapat dalam gas alam. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: H2S + ZnO ZnS + H2O

Di sini sulfur bereaksi dengan ZnO dengan konversi reaksi 99%. Setelah ZnO bereaksi dan menghasilkan ZnS, maka dilakukan regenerasi ZnO dengan cara mengalirkan udara ke reaktor sehingga terjadi reaksi sebagai berikut : ZnS + 3/2 O2 ZnO + SO2

Dari proses tersebut, maka ZnO akan terbentuk kembali. Proses di desulphurizer reactor berlangsung pada kondisi operasi temperatur 350 - 400oC dan tekanan 44,9 bar. Temperatur operasi lebih dari 400oC dapat menyebabkan cracking sehingga terbentuk karbon yang dapat menutupi permukaan katalis.

II.3.2. Tahap Penyediaan Gas Sintesis (Reforming) Tujuan utama dari proses Reforming ini adalah untuk menghasilkan synthesis gas, yaitu gas H2 yang merupakan bahan baku pembuatan amonia. Pada tahap reforming, gas alam yang telah didesulfurisasi dikonversi menjadi gas sintesis melalui reaksi reformasi katalitik dari campuran hidrokarbon dengan steam (primary reforming) yang bersifat endotermis. Selain itu, pada tahap reforming ini juga terjadi penambahan udara. Proses reforming berlangsung dalamLaporan Pra Desain Pabrik Amonia dari Gas Alam Jurusan Teknik Kimia FTI - ITS


dua tahap, yaitu tahap untuk menghasilkan gas hidrogen pada Primary Reformer (R-210) dan tahap untuk memasok gas hidrogen dan nitrogen pada Secondary Reformer (R-310). Primary Reformer harus dilakukan dalm furnace untuk menyesuaikan beban panas yang besar. Secondary Reformer merupakan pressure vessel dengan lapisan batu tahan api dan panas yang diperlukan untuk unit ini diperoleh dengan pembakaran gas dan udara luar yang sekaligus menyediakan N2 untuk pembuatan NH3. Selain itu tujuan reforming lainnya adalah menghasilkan gas dengan kadar CH4 yang rendah.

II.3.2.1.Primary Reforming Rktor entuk tubetalis Pemanasan reaktor dalam furnace dengan pengapian langsung Terdiri atas radiant section (tempat tube katalis ) dan convection section (coilcoil untuk mengambil panas pada flue gas). Proses ini berfungsi untuk memenuhi kebutuhan nitrogen pada sintesa amoniak. Oksigen yang ditambahkan bereaksi dengan hidrogen pada gas proses akan menyediakan panas yang diperlukan pada reaksi pembentukan CO dan H2. Panas gas keluaran dimanfaatkan untuk membangkitkan steam tekanan tinggi di WHB (E-413) dan steam superheater (E-414) Primary Reformer (R-210) berfungsi untuk pemrosesan/mereaksikan gas alam(CH4) dengan steam (H2O) guna mendapatkan gas hidrogen (H2), dimana gas H2 merupakan salah satu komponen dalam proses sintesa amonia. Gas sintesis ini yang terbentuk dari gas alam dan steam dengan perbandingan metana dan steam 1 : 4. Reaksi-reaksi yang terjadi pada tahap reforming adalah sebagai berikut : CnH2n-2 + 2H2O CH4 C2H6 C3H8 + H2O + 2H2O + 3H2O Cn-1H2n + CO2 + 3H2 CO + 3H2 - panas 2CO + 5H2 3CO + 7H2



C4H10 C5H12 C6H14 CO

+ 4H2O + 5H2O + 6H2O + H2O

4CO + 9H2 5CO + 11H2 6CO + 13H2 CO2 + H2 + panas

Untuk memenuhi kebutuhan panas reaksi di atas dilakukan pembakaran di radiant furnace. Reaksi yang terjadi pada Primary Reformer adalah reaksi endotermis. Katalis yang digunakan adalah nikel yang diletakkan di dalam tube, dimana gas keluar dengan temperature 827oC dan tekanan 36,5 bar. II.3.2.2.Secondary Reformer Reaksi utama yang terjadi dalam Secondary Reformer (R-310) tetap steam reforming. Perbedaannya pada sumber panas yang digunakan untuk memasok kebutuhan dari reaksi steam reforming. Pada Secondary Reformer (R-310),panas yang dibutuhkan untuk reaksi didapat secara langsung (direct heat) dari panas yang dilepaskan reaksi pembakaran campuran gas dengan oksigen dari udara kering di bagian atas dalam unit Secondary Reformer. Aliran udara proses masuk di-spray merata dan terjadi reaksi-reaksi pembakaran berikut: H2 + O2 + N2 H2O + N2 + panas CO2 + 2 H2O + N2 + panas CO2 + N2 + panas CH4 + 2 O2 + N2 2 CO + O2 + N2

Ketika aliran gas kemudian sampai ke unggun katalis, kandungan O2 sudah habis terpakai dan didapatkan N2 sebagai bahan untuk gas sintesis. Dengan menggunakan panas dari ketiga reaksi di atas, terjadi tahap terakhir dari proses reforming di dalam unggun katalis nikel : CH4 + H2O CO + H2O CO + 3 H2 - panas CO2 + H2 + panas

Di atas unggun katalis, diletakkan lapisan alumina yang berfungsi untuk menahan katalis dan melindungi katalis tersebut dari kontak langsung dengan oksigen yang dapat menyebabkan katalis teroksidasi.



Udara yang akan dipakai untuk pembakaran dipanaskan terlebih dahulu di air preheater coil (area furnace). Kemudian udara panas dicampur dengan gas outlet primary reformer sehingga terjadi reaksi pembakaran CH4 sisa dalam. Jumlah udara yang masuk ke secondary reformer diatur, supaya ratio H2/N2 dalam gas outlet terjaga pada kisaran 2,9-3. Gas outlet secondary reformer yang bersuhu 1005C kemudian didinginkan oleh (E-413) dan (E-414) sampai suhunya menjadi 371C. II.3.3. Tahap Pemurnian Gas Sintesis Gas-gas yang keluar dari secondary reformer mengandung sejumlah Karbon monooksida yang akan diubah menjadi Karbon dioksida di shift converter dengan reaksi sebagai berikut : CO(g) + H2O(g) shift dijalankan dengan dua tahap : 1. High Temperatur Shift Conversion (HTSC) 2. Low Temperatur Shift Conversion (LTSC) CO2(g) + H2(g) Berdasarkan pertimbangan secara teknis dan ekonomis maka reaksi di

II.3.3.1.

High Temperatur Shift Conversion (HTSC) (R-410) Gas keluar dari reformer sebelum masuk HTSC (R-410) terlebih

dahulu diturunkan temperaturnya menjadi 371C. Reaksinya : CO(g) + H2O(g) II.3.3.2. CO2(g) + H2(g)

Low Temperature Shift Conversion (R-420) Gas keluar dari HTSC sebelum masuk LTSC terlebih diturunkan

temperaturnya menjadi 203C oleh Cooler E-421 dan E-422. Reaksinya : CO(g) + H2O(g) II.3.3.3. CO2 Removal CO2(g) + H2(g)



Unit ini terdiri dari unit penyerapan CO2 di menara absorber dan unit pelepasan CO2 di menara stripper dengan menggunakan larutan benfield sebagai penyerap.Absorbsi penyerapan pada tekanan tinggi, temperatur rendah , Stripping

pelucutan pada tekanan rendah, temperatur tinggi. Komposisi larutan Benfield utama adalah :

1. K2CO3 (Potasium Carbonate) sebagai penyerap, 2. DEA (Di Ethanol Amin) sebagai aktivator 3. V2O5 (Vanadium Pentoxide) sebagai corrosion inhibitor.a. CO2 Absorber (R-430) Reaksi : CO2 + H2O + K2CO3 b. CO2 Stripper (R-440) Reaksi : 2KHCO3 + Panas CO2 + K2CO3 + H2O (2) Proses Benfield menggunakan ejector untuk menekan flash water ke stripping tower, sedangkan kondisi proses yang lain sama dengan proses hot carbonate atau conventional Benfield. Steam penggerak ejector (LPS) diperoleh dari pendinginan gas geluar dari LTSC. c. Tahap Methanasi Sebelum masuk ke Methanator (R-440), gas dipanaskan dulu pada heat exchanger (E-441). Reaksi : CO + 3H2 CO2 + 4H2 suhu 344oC dan tekanan 37,5 bar. CH4 + H2O + Q CH4 + 2H2O + Q (3) (4) 2KHCO3 + Panas (1) Absorber bereaksi beroperasi pada 29 atm dan suhu reaksinya 70oC.

Gas CO bereaksi dengan H2 membentuk methana, menhasilkan sintesa pada

II.3.4. Sintesa Amonia Tahapan pembentukan amonia dari gas sintesis melalui dua tahap sebagai berikut :



a. Kompresi gas sintesis b. Reaksi gas sintesis menjadi gas amonia Alat-alat yang digunakan pada unit ini : a. Amonia Converter (R-510) Setelah masuk dalam methanator kemudian masuk ke amonia converter yaitu pada suhu 232oC. Dengan reaksi : 3H2 + N2 2NH3 b. Amonia Refrigerant Untuk memurnikan amonia liquid yang terbentuk dan untuk mendinginkan gas outlet amonia converter agar kondensasi gas hasil reaksi dapat dipisahkan dengan gas-synthesa yang belum menjadi amonia. Refrigerasi dengan media Amonia digunakan untuk : Kondensasi NH3 yang terkandung dalam Syn Loop Kondensasi secondary NH3 dari vent gas dan purge gas Recovery Amoniak dari Purge dan Flash, Mendinginkan make up gas sebelum masuk Dryer Menurunkan jumlah H2O dari gas sintesa

Pemisahan dilakukan dengan melewatkan gas yang di recycle melalui sederetan chiller-chiller untuk mengembunkan atau mendinginkan ammonia yang terkandung di dalamnya. Pada case penyimpanan pada atmospheric storege, Ammonia cair dingin dipompakan ke tangki penimbunan (Ammonia - Storage ) dengan temperatur - 33oC sebagai coldproduct. Sedangkan Ammonia cair panas (hot product) temperatur 30 oC dikirim ke pabrik urea. II.3.5.Purge Gas Recovery Unit Gas-gas dari HP purge gas dikirim ke HP purge gas Scrubber. Flash gas dari NH3 Stripper dikirim ke LP gas Scruber. Media penyerap NH3 pada Scrubber ini adalah H2O. gas dari puncak HP Absorber dikirim ke separator sebagian besar N2 dan H2 dapat direcover dan dipakai sebgai make up gas ke Syn Loop. Gas dari puncak LP Absorber dan sisa off gas dari HRU direcover dan dipakai sebagaiLaporan Pra Desain Pabrik Amonia dari Gas Alam Jurusan Teknik Kimia FTI - ITS


bahan bakar primary reformer. Gabungan larutan dari Scrubber dibawa ke Stripper di bagian bawah reflux NH3. Reflux NH3 didapat dari sistem refrigerasi, sedangkan media Stripping adalah MPS NH3 vapor dari puncak Stripper di vent ke refrigerant kondensor, diembunkan dan direcover sebagai produk.


Documents

Uraian Proses Ammonia