Profil Industri Ammonia

Amonia adalah salah satu substrat kimia yang sangat penting baik dalam bentuk produk ammonia itu sendiri maupun dalam bentuk senyawa turunannya. Amonia adalah produk kimia sintesis kedua terbesar di dunia setelah asam sulfat. Aplikasi produk maupun produk turunannya sangat banyak mulai dari pupuk, gas refrigeran, pembersih kaca, dan masih banyak aplikasi lainnya. Sintesis ammonia dilaksanakan dengan cara mereaksikan gas H2 dan gas N2. Gas H2 dapat diperoleh dari reformasi kukus dari gas alam, oksidasi parsial hidrokarbon, gasifikasi batubara atau biomassa, juga elektrolisis air dan garam. Reformasi kukus dari gas alam adalah yang banyak digunakan pada industri ammonia.
Video alat-alat kimia dapat di lihat di link berikut : https://www.youtube.com/watch?v=vhOpIrUjdw0

Pabrik ammonia pada umumnya terdiri dari 4 unit pemrosesan utama, yaitu :

1.  Feed Treating Unit

2.  Reforming Unit,

3.  Purification & Methanation

4.  Compression Loop & Refrigeration Unit

Feed Treating Unit

Sebelum masuk ke reforming unit, gas alam perlu dihilangkan senyawa pengotor seperti CO2, senyawa sulfur, dan senyawa Hg karena dapat mengganggu proses dan meracuni katalis. Pertama gas dilewatkan ke unit Desulfurizer untuk menghilankan senyawa sulfur dalam gas. Lalu gas tersebut dilewatkan ke Mercury Guard Vessel yang berisi katalis Sulfur Impregnated Carbon Active yang dapat menyerap kandungan merkuri dalam gas alam. Lalu gas alam dilewatkan ke CO2 Removal Unit. Alat yang biasa digunakan adalah kolom absorber dengan pelarut Methyl-Diethanol Amine (MDEA). CO2 akan larut dalam MDEA dan gas alam tersebut bebas dari CO2. Dalam regenerasi MDEA, larutan yang telah keluar dari kolom absorber dilewatkan ke kolom stripper untuk memisahkan pelarut MDEA dengan CO2 tadi dalam kondisi operasi tekanan rendah dan temperatur tinggi. MDEA hasil regenerasi tadi digunakan kembali untuk mengabsorb gas alam yang lewat di kolom absorber.

Reforming Unit

Untuk menghilangkan gas tersebut maka gas alam dilewatkan pada bejana desulfurizer. Lalu gas yang sudah bebas dari belerang tersebut dilewatkan pada reforming unit. Reforming unit ini terdiri dari primary reformer dan secondary reformer.Pada primary reforming unit ini gas metana dikontakan dengan kukus pada temperatur 800 - 8500C dan tekanan 40 bar. Lalu untuk menyempurnakan proses reformasi gas tersebut dilewatkan ke secondary reforming unit. Dengan bantuan udara bertekanan terjadi reaksi antara gas hidrogen dan oksigen membentuk air dengan menghasilkan panas. Panas tersebut meningkatkan temperatr operasi hingga 1200oC. Setelah itu gas produk keluaran unit reforming masuk shift converter dimana CO dirubah menjadi CO2. Shift Converter terdiri dari 2 unit yaitu High Temperature Shift Converter (HTSC) dan Low Temperatur Shift Converter (LTSC). Tujuan dibentuknya dua converter ini adalah untuk mendapatkan laju reaksi dan kesetimbangan yang optimum. Pada HTSC reaksi berjalan cepat namun karena reaksinya eksotermis membuat konversinya rendah sehingga diperlukan tambahan reaktor untuk meningkatkan konversi yang bisa dicapai. HTSC berisi katalis Fe- Cr (oksida) dan beroperasi pada kondisi tekanan 30 bar dan temperatur 300-4000C  sedangkan LTSC berisi katalis Cu-ZnO-alumina pada kondisi tekanan 30 bar dan temperatur 240-300oC.

Purification & Methanation

Setelah itu gas dilewatkan ke unit pemurnian gas untuk memastikan gas bebas CO dan CO2. Unit ini terdiri dari CO2 absorber dan Methanator. Sama seperti prinsip CO2 removal di bagian feed treating unit, gas dilewatkan ke kolom absorber dari bagian bawah kolom dan dari atas kolom di jatuhkan pelarut MDEA dengan cara dipercikan untuk meningkatkan luas permukaan kontak. Setelah itu gas bebas CO2 dan langsung menuju unit metanasi (methanator). Untuk memastikan gas bebas dari CO dan CO2, gas dilewatkan ke methanator. Dalam methanator terdapat katalis nikel tetohor) yang dapat merubah gas CO dan CO2 menjadi gas metana.

Compression Loop & Refrigeration Unit

Gas keluaran methanator dialirkan menuju ammonia converter dengan perbandingan gas H2 dan N2 sebesar 3:1. Sebelum masuk ke ammonia converter gas tersebut dimampatkan hingga 150 bar terjadi reaksi yang diinginkan dalam reaktor. Dalam reaktor ini berisi katalis Fe dan beroperasi pada kondisi tekanan sekitar 150 bar dan suhu 4800C. Uap amonia yang terbentuk lalu di lewatkan ke unit refrigerasi untuk mencairkan amonia dan gas yang tidak mencair di purging dan didaur ulang ke ammonia converter. Tujuan purging adalah mencegah akumulasi gas inert (He, CH4, CO2 atau H2O). Namun pada gas purging terdapat gas berharga yang ikut terbuang (NH3,N2, dan H2) sehingga gas purging dilewatkan ke scrubber untuk menyerap gas NH3 dan H2 yang terbuang.

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukanNH3) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC sekalipun. Dipihak lain, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur dengan Al2O3, MgO, CaO, dan K2O.

Reaksi kekanan pada pembuatan amonia adalah reaksi eksoterm. Reaksi eksoterm lebih baik jika suhu diturunkan, tetapi jika suhu diturunkan maka reaksi berjalan sangat lambat . Amonia punya berat molekul 17,03. Amonia ditekanan atmosfer fasanya gas. Titik didih Amonia -33,35 oC, titik bekunya -77,7 oC, temperatur & tekanan kritiknya 133 oC & 1657 psi. Entalpi pembentukan (∆H), kkal/mol NH3(g) pada 0oC, -9,368; 25 oC, -11,04. Pada proses sintesis pd suhu 700-1000oF, akan dilepaskan panas sebesar 13 kkal/mol. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi dengan suhu 400- 600oC, dengan tekanan 150-300 atm. 

Kondisi optimum pembuatan amonia (NH3) dapat digambarkan pada tabel berikut :

Kondisi Optimum Pembuatan NH3

Reaksi : N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H= -924 kJ

1.         Suhu

a. Reaksi bersifat eksoterm

b. Suhu rendah akan menggeser kesetimbangan kekanan.

c. Kendala:Reaksi berjalan lambat 400-600Oc

2.         Tekanan

a. Jumlah mol pereaksi lebih besar dibanding dengan jumlah mol produk.

b. Memperbesar tekanan akan menggeser kesetimbangan kekanan.

c. Kendala Tekanan sistem dibatasi oleh kemampuan alat dan faktor keselamatan pada 150-300 atm

3.         Konsentrasi

Pengambilan NH3 secara terus menerus akan menggeser kesetimbangan kearah kanan

4.         Katalis

Katalis tidak menggeser kesetimbangan kekanan, tetapi mempercepat laju reaksi secara keseluruhan

Fe dengan campuran Al2O3 KOH dan garam lainnya

Pengaruh katalis pada sistem kesetimbangan adalah dapat mempercepat terjadinya reaksi kekanan atau kekiri, keadaan kesetimbangan akan tercapai lebih cepat tetapi katalis tidak mengubah jumlah kesetimbangan dari spesies-spesies yang bereaksi atau dengan kata lain katalis tidak mengubah nilai numeris dalam tetapan kesetimbangan. Peranan katalis adalah mengubah mekanisme reaksi kimia agar cepat tercapai suatu produk.

Katalis yang dipergunakan untuk mempercepat reaksi memberikan mekanisme suatu reaksi yang lebih rendah dibandingkan reaksi yang tanpa katalis. Dengan energi aktivasi lebih rendah menyebabkan maka lebih banyak partikel yang memiliki energi kinetik yang cukup untuk mengatasi halangan energi aktivasi sehingga jumlah tumbukan efektif akan bertambah sehingga laju meningkat. Perbandingan reaksi dengan katalis dan tanpa katalis dapat dilihat pada gambar dihalaman berikut:

Dengan kemajuan teknologi sekarang digunakan tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan. Mula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang diinginkan. Kemudian campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan yang bersama katalisator sehingga terbentuk amonia. Diagram alur dari proses Haber-bosch untuk sintesis amonia

Share this post