2.2 Proses Pabrik Amonia
2.2.4 Unit Sintesa Amonia
Reaksi pembentukan amoniak dari gas N2 dan H2 mengikuti persamaan sebagai berikut:
N2 + 3H2 2NH3 HR = +3,903 kkal/mol
Dengan mengikuti proses Kellog pada kondisi operasi dengan temperatur 430-500 0C dan tekanan 140-150 Kg/cm2. Pada kondisi ini dari hasil konversi didapatkan kandungan amonia yang keluar dari reaktor adalah 12% mol, sedangkan gas-gas yang tidak bereaksi dikembalikan kembali ke reaktor.
Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap operasi sintesa ini adalah:
a. Temperatur
Kenaikan temperatur akan menurunkan derajat kesetimbangan tetapi dapat mempercepat reaksi. Jika keaktifan katalis tidak berubah, konversi bertambah dengan kenaikan temperatur.
35
Kenaikan tekanan menyebabkan reaksi bergeser ke kanan (arah produk) sehingga konversi bertambah besar. Oleh karena itu, dalam proses ini digunakan tekanan yang tinggi yaitu diatas 30 atm.
c. Space velocity
Kenaikan space velocity berarti kenaikan kecepatan aliran gas yang melalui katalis, sehingga mengurangi waktu reaksinya. Kecepatan gas masuk reaktor tidak begitu mempengaruhi hasil, asalkan gas yang masuk reaktor memiliki jumlah yang sama.
d. Perbandingan hidrogen dan nitrogen
Perbandingan antara H2 dan N2 adalah 3:1. Hal ini dimaksudkan untuk memperoleh konversi yang besar. Perbandingan ini dapat bervariasi antara 2,98:1 hingga 3,1:1 sampai diperoleh konversi maksimum di dalam converter.
Untuk mencapai hasil reaksi yang maksimum maka harus dipilih kondisi yang optimum berdasarkan variabel-variabel yang mempengaruhi reaksi pembentukan amonia.
Salah satu usaha yang dapat dilakukan untuk memperoleh hasil yang optimum adalah dengan mendinginkan gas hasil reaksi tepat sebelum keadaan setimbang, kemudian reaksi dijalankan kembali. Demikian seterusnya sehingga diperoleh produksi yang diinginkan. Pendinginan gas hasil reaksi dilakukan dengan mencampurkan gas umpan ke dalam reaktor. Konsekuensi dari pencampuran ini adalah penurunan kadar amonia dalam produk, tetapi dengan penurunan fraksi ini dalam arus gas yang akan menyebabkan kesetimbangan kembali bergeser ke arah pembentukan amonia dan ini menjadi suatu keadaan yang menguntungkan. Konversi yang dihasilkan dengan cara ini masih relatif rendah, sehingga untuk lebih meningkatkan konversi digunakan sistem daur ulang yang disebut syntesis gas loop.
Gas yang keluar dari methanator memiliki tekanan 25,31 Kg/cm2 dengan temperatur 309 0C. Tekanan ini belum cukup tinggi karena menurut perhitungan konversi reaksi amonia akan optimal jika temperatur di dalam ammonia converter
36
adalah 430-500 0C dan tekanan 140-150 kg/cm2. Oleh karena itu, gas keluaran dari methanator dikompresikan oleh dua jenis kompresor yaitu Low Pressure
Case Compressor dan High Pressure Case Compressor (103-J). Penggerak dari
kompresor ini adalah steam turbine 103 JAT/JBT. Low Pressure Case
Compressor mengubah tekanan gas dari 25 hingga 60 kg/cm2, sedangkan High
Pressure Case Compressor mengubah tekanan dari 65 sampai 150 kg/cm2. Sebelum dimasukkan ke High Pressure Case Compressor, gas terlebih dahulu didinginkan oleh SynGas Feed Exchanger (136-C) yang memberikan panas kepada gas yang menuju methanator (106-D), SynGas compressor interstage
cooler (116-C) yang memanaskan air pendingin, NH3 refrigerant chiller (129-C)
yang memberikan panas kepada amonia cair. Kondensat yang terbentuk dipisahkan dalam SynGas compressor 1st stage separator (105-F). Gas kering dari separator masuk ke High Pressure Case Compressor dan bercampur dengan
ammonia recovery. Gas keluar High Pressure Case Compressor memiliki
temperatur 68 oC dan tekanan sekitar 150 kg/cm2. Selanjutnya campuran gas sintesa dan ammonia recovery didinginkan oleh 117-C, 118-C, 119-C dengan NH3 refrigerant hingga temperaturnya berkisar -26 oC.
Kemudian SynGas dimasukkan ke dalam secondary ammonia separator (106-F). Alat ini menggunakan mekanisme kondensasi sehingga diperoleh amonia cair yang dapat dipisahkan dari gas. Amonia cair selanjutnya dialirkan ke primary
ammonia separator (107-F) di unit pemurnian amonia. SynGas yang keluar dari secondary ammonia separator (106-F) dipanaskan di amonia converter feed gas/recycle exchanger (120-F) dan ammonia converter feed gas/effluent exchanger (121-C) yang memanfaatkan panas dari gas yang keluar dari ammonia converter. Selanjutnya, SynGas diumpankan ke ammonia converter.
Gas yang diumpankan ke ammonia converter memiliki temperatur 454 – 482 oC dan tekanan 140,6-147,6 kg/cm2. Gas ini memasuki ammonia converter dari bagian atas dan bawah. Ammonia converter (105-D) terdiri dari 4 bed katalis promoted iron yang tiap tumpukannya berbeda-beda seperti yang ditunjukkan oleh tabel II.3 berikut ini:
37
Tabel II. 3 Karakteristik Bed pada Ammonium Converter
Bed Volume (m3) Berat (Kg) Tinggi Bed (m)
1 8,63 17269 1,7
2 14,01 37697 2,7
3 20,00 54404 2,9
4 30,46 81929 4,8
Total 73,1 191299 12,2
Volume tiap bed dibuat berbeda-beda (semakin ke bawah semakin besar) dimaksudkan agar panas reaksi yang terjadi di bed paling atas, yang memiliki laju reaksi eksotermis paling cepat, dapat dibatasi. Dengan demikian temperatur
converter dapat dijaga pada batas-batas yang diinginkan.
Ammonia converter memiliki annulus pada dindingnya. Gas umpan yang
masuk dari bawah mengalir dalam annulus menuju ke puncak converter dan masuk dalam bed katalis melalui shell exchanger. Gas umpan yang masuk dari bagian atas ammonia converter digunakan untuk keperluan quenching sebelum gas masuk ke bed di bawahnya. Gas ini terbagi atas tiga aliran, yaitu untuk
quench di bed kedua, ketiga, dan keempat. Gas umpan yang mengalir dalam
annulus mengambil panas reaksi sehingga temperaturnya meningkat hingga 422
0
C ketika berada di shell exchanger. Reaksi yang terjadi di ammonia converter adalah sebagai berikut:
3H2 + N2 2NH3 HR(298 K) = -3,903 Kkal/mol
Hidrogen Nitrogen Ammoniak
Konversi reaksi disini dapat mencapai 13%. Dengan adanya quenching yang berulang diharapkan temperatur dapat dikontrol sesuai dengan yang diinginkan sehingga diperoleh konversi reaksi yang optimal.
Gas hasil reaksi keluar dari bed keempat melalui pipa di tengah converter. Temperatur gas ini sekitar 481 0C dan dimanfaatkan untuk membangkitkan steam di Ammonia Converter Exchanger (123-C) dan untuk memanaskan umpan di 121-C. Kandungan gas inert di dalam converter tidak boleh lebih dari 10% karena
38
dapat meracuni katalis dan mempengaruhi kesetimbangan reaksi bila kadarnya terlalu tinggi. Untuk mengurangi kadar gas inert tersebut, sebagian gas inert tersebut, sebagian gas umpan di-purge sebelum di-recycle melalui High Pressure
Case Compressor.