DISKRIPSI PROSES II.1. Pembuatan Amonia
II.3 Diskripsi Proses Ammonia
2. Unit Pembuatan Gas Sintesis
Unit ini bertugas membuat gas sintesa, yaitu H2 dan N2 dengan perbandingan mol 3:1 sebagai umpan ammonia converter . Mula-mula gas alam akan mengalami proses reforming menjadi CO, CO2, dan H2 di primary dan secondary reformer, kemudian gas CO dikonversi menjadi CO2 di shift converter.
a. Proses reforming
Reaksi yang terjadi di primary reformer 101-B adalah reaksi pembentukan hidrogen dari senyawa hidrokarbon dan steam. Gas alam yang keluar dari zinc oxide guard chamber dicampur dengan steam dan dipanaskan dengan mix feed preheater coil di bagian konveksi primary reformer. Gas keluar mempunyai suhu 483oC dan tekanan 36,8 kg/cm2 dan siap dimasukkan dalam tube-tube katalis di unit radiant. Reaksi yang terjadi sebagai berikut:
2 2 4 H O CO 3H CH + ⇔ + 2 2 2O CO H H CO + ⇔ +
Reaksi keseluruhan adalah endotermis. Panas yang dibutuhkan disuplai oleh panas pembakaran gas alam di luar tube. Reaksi pembakaran dapat dituliskan sebagai berikut:
O 2H CO O 2 CH4 + 2 ⇔ 2 + 2
Burner-burner fuel gas ini terletak diantara dua baris tube katalis. Ada 10 baris burner, masing-masing terdiri dari 20 burner.
Gas alam yang masuk ke primary reformer diatur supaya perbandingan mol S : C = 3,5 : 1, karena jika steam kurang akan terjadi reaksi samping sebagai berikut:
Q 2H C CH4 ⇔ + 2 + Q CO C 2CO ⇔ + 2 −
Perbandingan mol S : C ini diatur oleh suatu alat yang disebut ratio relay (RRl).
Gas yang bereaksi dalam tube akan keluar melalui bagian bawah tube dan disatukan dalam sebuah pipa besar untuk masing-masing baris yang disebut riser. Dari riser, gas dikirim ke secondary reformer 103-D melalui suatu pipa besar yang disebut transfer line. Gas CH4 yang lolos dari primary reformer diharapkan kurang dari 10%.
Gas hasil pembakaran (fuel gas) yang suhunya semakin tinggi dihisap oleh induced fan melalui unit konveksi untuk dimanfaatkan panasnya dalam memanaskan umpan gas alam, udara untuk secondary reformer, boiler feed water dan superheated steam untuk power generator. Dari unit konveksi, fuel gas dibuang ke udara melalui suatu cerobong (slack).
Tugas secondary reformer adalah untuk melanjutkan reaksi reforming. Reaksi yang terjadi sama dengan reaksi yang terjadi di primary reformer, tetapi panas yang diperlukan diperoleh dari pembakaran langsung dengan udara di dalam reaktor. Gas dan campuran udara steam masuk ke secondary reformer secara terpisah dari bagian atas yang disebut mixing zone atau combustion zone dan bagian bawah
disebut reaction zone. Reaction zone berupa packed bed yang terdiri dari tiga buah bed katalis nikel.
Gas dan udara dicampur dalam mixing zone, dengan reaksi pembakaran yang terjadi sebagai berikut:
O 2H CO O 2 CH4 + 2 ⇔ 2 + 2 O 2H O 2H2 + 2 ⇔ 2
Panas pembakaran ini digunakan untuk reaksi reforming di bed katalis. Kadar CH4 dalam gas yang keluar secondary reformer kira-kira tinggal 0,3%.
Udara yang masuk ke secondary reformer berfungsi juga sebagai penyuplai N2, sehingga gas H2 dan N2 yang keluar mempunyai perbandingan mol yang sesuai sebagai umpan amonia converter yaitu 3:1.
b. Proses konversi menjadi CO2
Untuk memproduksi urea, diperlukan bahan baku amonia dan karbon dioksida, karena itu gas CO yang ada perlu dikonversi menjadi CO2. Konversi CO menjadi CO2 terjadi di shift converter 104-D. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:
2 2
2O CO H H
CO + ⇔ +
reaksi ini endotermis, sehingga konversi ke kanan yang mengkonversi gas CO menjadi CO2 bertambah konversinya apabila temperatur diturunkan. Sebaliknya jika temperatur dinaikkan konversi akan berkurang, oleh sebab itu shift converter terdiri dari dua bagian, yaitu high temperature shift converter dan low temperature shift converter. High temperature shift converter (HTS) berfungsi untuk mempercepat reaksi. Gas yang keluar HTS digunakan untuk membangkitkan steam di shift effluent waste heat boiler 103-C dan memanaskan umpan methanator 106-D di methanator feed heater.
Low temperature shift converter (LTS) berfungsi untuk memperbesar konversi. Gas keluar LTS dikirim ke unit pemurnian gas sintesis. 3. Unit Pemurnian Gas Sintesis
Unit ini bertugas menyiapkan bahan baku ammonia converter , yang berupa gas N2 dan H2. Karena itu gas–gas yang lain harus dipisahkan terlebih dahulu. Gas CO2 dibutuhkan sebagai bahan baku pembuatan urea, sehingga gas ini diambil dengan cara diserap dengan larutan penyerap di unit CO2 absorber, kemudian di strip untuk memperoleh gas CO2 yang siap untuk diumpankan ke dalam reaktor sintesis urea di unit CO2 stripper. Keberadaan CO dan CO2 di ammonia converter dapat merusak katalis, oleh sebab itu CO dan CO2 sisa harus diubah kembali menjadi CH4 sebagai inert agar tidak merusak katalis. Proses perubahan CO dan CO2 menjadi CH4 disebut proses methanasi, proses methanasi terjadi di unit methanator.
a. Pengambilan gas karbon dioksida
Gas keluar dari LTS dimasukkan ke CO2 absorber 1101-E melalui sparger dibagian menara. CO2 absorber ini tersusun dari empat buah bed berisi slotted ring. Larutan penyerap yang digunakan adalah larutan benfield. Pada absorbsi CO2, mula-mula gas CO2 bereaksi dengan H2O membentuk asam karbonat. Asam karbonat kemudian bereaksi lagi dengan ion karbonat dari K2CO3 membentuk ion bikarbonat. Reaksi kimia yang terjadi dapat dituliskan sebagai berikut: CO + H2O ⇔ H2CO3 − = + + ⇔ 3 3 2CO CO 2HCO H 3 3 3 2 3 K CO CO 2KHCO 2HCO − + ⇔ = + 3 3 2 2 2 H O K CO 2KHCO CO + + ⇔
Reaksi absorbsi ini adalah reaksi eksotermis.
Larutan benfield yang dipakai ada dua aliran, yaitu larutan lean benfield yang masuk dari puncak menara dan larutan semi lean benfield yang masuk menara melalui bagian tengah menara.
Larutan lean benfield adalah larutan yang sama sekali tidak mengandung CO2. Larutan ini berasal dari bagian tengah absorber, sebelum dipompa dengan pompa 1107-JA/JB/JC ke bagian tengah absorber, larutan semi lean benfield dimasukkan ke dalam tangki low heat benfield yang dialiri steam diatasnya untuk menyempurnakan penyerapan CO2. Steam yang telah lewat low heat benfield banyak mengandung CO2 kemudian dimasukkan ke stripper.
Gas dari LTS yang masuk dari bagian bawah absorber akan berkontak dengan larutan semi lean benfield yang akan menyerap sebagian besar gas CO2 yang ada, kemudian sisa CO2 dalam gas akan diserap oleh larutan lean Benfield.
Larutan yang banyak mengandung CO2 (larutan rich benfield) keluar dari dasar absorber pada suhu 123oC, mengalir melalui turbin hidrolik 1107-JA, kemudian menuju bagian atas stripper. Gas yang keluar dari bagian atas absorber diharapkan kadar CO2-nya di bawah 0,1% volume.
Stripper 1102-E terdiri dari tiga buah bed berisi tumpukan slotted ring. Kondisis operasi dari stripper adalah 107-129oC dan tekanan 0,6 kg/cm2. Karena larutan rich benfield yang keluar dari dasar absorber masih mempunyai tekanan sebesar 27 kg/cm2, maka tekanan ini dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin hidrolik 1107-JA, yang digunakan untuk memompa larutan semi lean benfield yang akan menuju absorber. Untuk men-stripping CO2 digunakan steam bertekanan rendah yaitu 3,5 kg/cm2, yang berasal dari reboiler 1105-C, 1111-C dan 1113-C. Menggunakan tekanan rendah yaitu 0,6 kg/cm2
diharapkan gas CO2 dalam larutan rich benfield akan terlepas. Reaksi yang terjadi adalah kebalikan dari reaksi absorbsi, yaitu:
3 2 2 2 3 CO H O K CO 2KHCO ⇔ + +
Setelah melewati bed kedua, larutan ditampung dalam trap out pan, tempat sebagian larutan dikeluarkan sebagai larutan lean benfield menuju absorber, dan sebagian lagi mengalir ke bed ketiga untuk ditampung dalam trap out pan kedua. Larutan ini dialirkan ke reboiler 1105-C dan 1111-C dan steam yang terbentuk dimasukkan bagian bawah stripper. Steam dari reboiler 1113-C berasal dari trap out pan di atas bed pertama.
Larutan lean benfield yang keluar dari dasar stripper dialirkan ke puncak absorber, sedangkan gas CO2 keluar dari puncak menara. Uap air yang terkandung dalam gas ini cukup tinggi, yaitu sekitar 45%, sehingga sebelum masuk ke pabrik urea perlu dikurangi dahulu kadar airnya.
Untuk mengurangi kadar air dalam gas CO2, maka gas dimasukkan dalam CO2 overhead condensor 1110-C, untuk didinginkan kemudian dipisahkan kondensatnya dalam CO2 stripper reflux drum 1103-V. Kondensat ini dimasukkan ke bagian atas stripper dengan pompa 1108-J/JA, sedangkan gas CO2 yang keluar siap dikirim ke pabrik urea.
b. Pembentukan metana
Gas keluar dari absorber masih mengandung CO dan CO2 sisa yang merupakan racun di amonia converter, karena itu perlu diubah menjadi CH4 dalam methanator 106-D. Methanator berisi katalis nikel sebanyak 19,8 m3 yang tersusun menjadi tiga bed. Gas yang masuk methanator dibatasi kadar CO dan CO2-nya maksimum 0,1% untuk CO2 dan 0,6% untuk CO. Reaksi yang terjadi adalah kebalikan dari reaksi di primary reformer yang dapat dituliskan sebagai berikut:
O H CH
3H
O H 2 CH