BAB III TINJAUAN PUSTAKA
3.2 Unit Amonia
3.2.7 Unit Amonia Loop
Tahap inilah yang menjadi inti dari proses pembuatan amonia. Reaksi antara H2 dengan N2 menjadi amonia terjadi pada tahap ini. Reaksi sintesis tersebut adalah sebagai berikut:
3H2 + N2 2NH3 ∆H298 = −11 kcal/mol ... (3.47)
Hanya sekitar 15% H2 dan N2 yang terkandung dalam gas sintesa inlet konverter menjadi amonia setiap kali lewat bed katalis. Gas sintesa yang tidak terkonversi menjadi NH3 disirkulasi kembali ke konverter sehingga membentuk loop sintesa. Akan tetapi kecepatan reaksi sangat banyak dipengaruhi oleh temperatur tinggi. Oleh karena itu, perlu kompromi antara konversi teoritis dan “approach to equilibrium” pada saat melewati katalis. Dari hubungan ini dapat diketahui temperatur optimum yang menjadikan produksi maksimum bisa diperoleh. Pada temperatur tinggi prosentase kesetimbangan akan terlalu rendah sementara itu pada temperatur rendah kecepatan reaksi rendah.
Seksi sintesa amonia dibuat untuk tekanan 155 kg/cm2G dan tekanan normal operasi 133-143 kg/cm2G. Temperatur bed katalis adalah 360 0C sampai 520 0C dimana nilai ini mendekati temperatur optimum reaksi sintesis amonia yang merupakan reaksi kesetimbangan. Kondisi optimal reaksi tercapai jika reaksi dilangsungkan pada temperatur rendah dan tekanan tinggi. Selain itu, terdapat faktor lain yang mempengaruhi jalannya reaksi, yaitu katalis dan rasio H2/N2.
Peralatan utama yang digunakan di unit Amonia Loop adalah sebagai berikut: 1 Amonia Converter
Fungsi : merupakan tempat berlangsungnya reaksi antara H2 dengan N2 dari gas sintesa untuk menjadi NH3 dengan bantuan katalis Fe (besi).
Tipe : Vertikal (1-R-501) IDxTLxTL : 2.900 mm x 29.710 mm Tekanan : 155 kg/cm2G
Temperatur : 370-510 oC 2 Make Up Gas Separator
Tipe : Vertikal (1-S-434) IDxTLxTL : 1.200 mm x 2.090 mm x 1.000 mm Tekanan : 155 kg/cm2G Temperatur : -20-50 oC 3 Amonia Separator Tipe : Vertikal (1-S-501) IDxTLxTL : 2.660 mm x 3.790 mm x 2.200 mm Tekanan : 155 kg/cm2G Temperatur : -20 sampai 50 oC 4 Amonia Chiller
Fungsi : merupakan pendingin gas outlet converter dengan menggunakan amonia sebagai media pendinginnya. Amonia yang menerima panas akan menguap dan kemudian uap amonia tersebut dikompresikan oleh kompresor dan didinginkan kembali menjadi liquid amonia.
Tipe : DKU (1-E-506)
IDxTL : 2.300 mm x 6.550 mm
Surface Area : 812,5 m2 Tekanan : 155 kg/cm2G Temperatur : -20-70 oC 5 Purge Gas Chiller
Tipe : BKU (1-E-512)
IDxTL : 1.550 mm x 2.930 mm
Surface Area : 36,4 m2 Tekanan : 155 kg/cm2G Temperatur : -33 oC 6 Flash Gas Chiller
Tipe : BKU (1-E-513)
IDxTL : 1.550 mm x 2.930 mm
Surface Area : 3,9 m
Sintesis amonia dilakukan dalam amonia converter yang terdiri dari dua buah bed, Amonia converter ini merupakan jenis converter radial dimana gas melewati 2 bed katalis dengan arah radial. Amonia converter seri 200 ini juga dilengkapi dengan satu internal heat exchanger. Bed pertama terletak di bagian atas, beroperasi pada temperatur tinggi dengan tujuan meningkatkan laju reaksi, sedangkan bed kedua terletak di bagian bawah, beroperasi pada temperatur yang lebih rendah untuk memberikan konversi reaksi yang tinggi.
Katalis yang digunakan pada sintesis amonia adalah katalis berbasis Fe2O3 yang direduksi terlebih dahulu menjadi bentuk aktif Fe. Secara teoritis, perbandingan stoikiometrik H2/N2 pada reaksi adalah 3:1. Namun, Pada Praktiknya perbandingan H2/N2 yang diterapkan dalam proses sintesis ini berkisar antara 2,7-2,79. Hal ini menunjukkan jumlah N2 yang diumpankan berlebih. Tujuan diumpankan N2 secara berlebih adalah untuk meningkatkan laju absorpsi N2 pada permukaan katalis.
Gambar 3.14 Flow Diagram Unit Amonia Loop
Deskripsi Proses
Gas sintesis yang telah dimurnikan pada tahap sebelumnya, dialirkan oleh Syngas Compressor (1-K-403), menuju ke tahap sintesis amonia. Kompresor ini terdiri dari tiga tingkat. Gas sintesis masuk kompresor dengan tekanan sebesar 27 kg/cm2Gdan keluar dari tingkat ke-3 kompresor mencapai 127 kg/cm2G. Sebelum masuk kompresor, gas sintesis dipisahkan dari kondensat – kondensatnya di dalam Suction Separator (1-S-431). Sedangkan gas sintesis yang telah dikompresi dilewatkan ke After Cooler (1-E-433) dan Make Up Gas Chiller (1-E-434) untuk didinginkan, kemudian dipisahkan lagi dari kondensatnya di Make Up Gas Separator (1-S-434). Gas dari separator inilah yang kemudian dipakai sebagai gas make-up tahap sintesis amonia.
Gas make-up dialirkan ke bagian upstream 2nd Amonia Chiller (1-E-508) dan bercampur dengan gas yang keluar dari converter amonia, yang sebagian telah menjadi cair. Campuran ini mengalir ke Amonia Separator (1-S-501). Amonia cair dipisahkan dari campuran gas sintesis di separator. Dari separator ini cairan amonia dialirkan menuju ke bagian refrigerasi amonia, sedangkan gas sintesis dialirkan menuju amonia converter.
Sebelum masuk amonia converter, gas sintesis dipanaskan terlebih dahulu di 2 Cold Heat Exchanger (1-E-507) dan 1 Cold Heat Exchanger (1-E-505). Selanjutnya gas
tersebut dikompresi oleh Recycle Gas Compressor (1-K-404) dan dipanaskan lagi di Hot Heat Exchanger (1-E-503). Dari sini gas sintesis dengan temperatur ±2720C dan tekanan ±133 kg/cm2G masuk ke Amonia Converter (1-R-501).
Di reaktor ini gas sintesis bereaksi membentuk gas amonia. Gas masuk reaktor melalui dua saluran yaitu aliran gas utama dan aliran cold shot. Kedua aliran kemudian bertemu pada bed pertama di dalam reaktor. Temperatur inlet aliran di bed pertama adalah ±376 oC dan keluar pada temperatur ±475 °C .Sebelum masuk bed kedua, gas sintesis didinginkan oleh aliran cold shot di dalam internal heat exchanger, sehingga temperatur inlet bed II menjadi ±405 oC.
Aliran gas yang mengandung amonia sebagai hasil reaksi dan gas – gas lain yang belum bereaksi keluar dari converter pada temperatur 439 oC. Gas amonia keluaran reaktor mengalami delapan kali pendinginan sehingga didapatkan amonia cair yang kemudian dikirim ke unit refrigerasi amonia.
Gas tersebut turun temperaturnya selama pendinginan tersebut, yaitu dari ±439 °C menjadi ±-5 °C . Pendinginan gas amonia terjadi pada unit – unit Syn Loop WHB (1-E-501), Syn Loop BFW Pre Heater (1-E-502), Hot Heat Exchanger (1-E-503), Water Cooler (1-E-504),1st Cold Heat Exchanger (1-E-505),1st Amonia Chiller (1-E-506),2nd Cold Heat Exchanger (1-E-507), dan 2nd Amonia Chiller (1-E-508). Untuk menghindari akumulasi inert, dilakukan purging di bagian downstream 2nd Cold Heat Exchanger, sebelum gas make-up dimasukkan.
Purge gas sebagian dikirim ke Hydrogen Recovery Unit (HRU dan sebagian lagi digunakan sebagai bahan bakar untuk pembakaran di primary reformer. Tujuan memasukkan purge gas adalah untuk menyerap gas CO2 yang masih terkandung dalam gas make up oleh amonia cair yang terjadi pada outlet cold (1-E-507) sehingga terbentuk karbamat yang mudah larut dalam air.
Di bagian upstream 2nd amonia chiller aliran produk reaktor bercampur dengan gas make-up. Dari 2nd Amonia Chiller aliran ini mengalir ke Amonia Separator (1-S-501).
Amonia cair dipisahkan dari campuran gas sintesis di separator ini, kemudian dialirkan menuju ke bagian refrigerasi amonia. Amonia cair ini mempunyai temperatur -5 °C .
Tabel 3.5 Spesifikasi Gas Inlet pada Amonia Converter
Senyawa % Vol (Dry Basis)
Make Up Gas Recycle Sintesa Gas
H2 74,12 63,81
CH4 0,79 7,16
N2 24,73 21,27
Ar 0,36 3,44
NH3 0 4,32
Katalis yang dipakai adalah jenis promoted iron yang mengandung sejumlah kecil oksida yang tak tereduksi (non reducible oxides). Sejumlah panas akan dilepas selama reaksi (±750 Kcal/kg NH3), panas tersebut digunakan untuk memproduksi HP steam dan untuk memanaskan HP Boiler Feed Water.
Volume bed katalis pertama 27,61 m dan di bed kedua 81,44 m. Katalis ini memiliki diameter nominal 1,5-3 mm dengan aktivitas yang tinggi. Keistimewaan dari Converter radial ini adalah memungkinkan untuk menggunakan bentuk katalis kecil tanpa menaikkan pressure drop.
Bed pertama converter amonia diisi dengan prereduced catalyst KMIR. Katalis ini adalah katalis amonia normal (KM1), yang telah direduksi dan distabilkan dengan cara superficial oxidation selama pembuatannya (kandungan oksigen ±2% berat katalis). Katalis akan stabil di udara pada temperatur di bawah 100 0C di atas 100 0C katalis akan bereaksi secara spontan dengan udara dan melepas panas. Katalis diaktifkan dengan cara mereduksi lapisan luar (layer) besi oksida menjadi besi bebas. Reduksi ini biasanya dilakukan dengan sirkulasi gas sintesa. Bed kedua diisi dengan unreduced catalyst, tipe KM1. Aktifitas katalis pelan-pelan akan berkurang selama normal operasi. Selain umur katalis, racun katalis seperti H2O, CO, CO2 juga dapat mengurangi aktifitas katalis.
Tabel 3.6 Spesifikasi Gas pada Purge Gas Senyawa % Vol (Dry Basis )
H2 58,85
CH4 13,18
N2 20,69
Ar 3,69
NH3 3,59
Tekanan operasi pada seksi sintesa tidak dapat dikontrol secara langsung karena hal ini tergantung pada kondisi proses lainnya, yakni laju produksi, jumlah inert, konsentrasi NH3 di inlet converter, rasio H2/N2 dan aktifitas katalis. Rate produksi akan bertambah dengan naiknya tekanan dan untuk suatu kondisi yang ditetapkan, tekanan akan mengikuti dengan sendirinya sehingga rate produksi akan sesuai dengan jumlah gas make up yang masuk ke loop. Tekanan loop akan naik dengan naiknya flow make up, turunnya sirkulasi, bertambahnya inert, naiknya konsentrasi amonia inlet converter, perubahan rasio, dan menurunnya aktifitas katalis. Sebagai tambahan bahwa komposisi gas sintesa akan berubah secara perlahan bila dilakukan sedikit pengaturan di gas make up dan diperlukan waktu yang cukup bagi sistem untuk mencapai kesetimbangan yang baru sebelum dilakukan koreksi lebih lanjut. Pabrik amonia Kaltim-3 menggunakan reaktor amonia jenis converter radial tipe S-200 dengan dua bed katalis:
- Bed tipe KMIR (prereduce), base material Fe3O4 - Bed tipe KMI (unreduce), base material Fe3O4