TAHAP PEMURNIAN GAS SINTESIS

Friday, March 3, 2017















Unit ini ditujukan untuk memperoleh gas sintesis yang hanya terdiri dari gas nitrogen dan hidrogen sebagai bahan baku sintesa amoniak. Sedangkan pengotor gas sintesis seperti CO2 dan CO, harus dihilangkan karena dapat menjadi racun bagi katalis di NH3converter, sedangkan Ar dan CH4 dapat menjadi inert di reaksi konversi NH3. Untuk memperoleh tingkat kemurnian gas sintesis yang tinggi maka proses pemisahan dan pemurnian gas sintesis dibagi menjadi beberapa tahap, yaitu tahap Shift Converter, tahap CO2 removal, dan tahap Metanasi.
A. Shift Converter
Shift Converter berguna untuk mengkonversi CO menjadi CO2 yang lalu dipisahkan di CO2removal. Reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis dimana reaksinya adalah sebagai berikut :
CO2 + H2O ↔ CO2 + H2 + Q
Suhu rendah akan menyebabkan konstanta kesetimbangan naik tetapi Kecepatan reaksi menjadi lambat. Oleh karena itu digunakan suhu tinggi untuk mempercepat kecepatan reaksi dan suhu rendah untuk memperoleh kesetimbangan reaksi yang lebih tinggi. Dua tahap tersebut di High Temperature Shift Converter dan Low Temperature Shift Converter. 

Flow Diagram Unit Shift Converter














B. Hight Temperature Shift Converter
Fungsi alat adalah untuk mereaksikan karbon monoksida dengan air menjadi karbon dioksida dan hidrogen.Reaksi berlangsung pada temperature antara 340-450oC.Reaktor yang berisi katalis besi (iron catalyst) ini bertujuan untuk menyempurnakan pembentukan H2, seperti yang dilakukan pada reaksi Reforming.
Karbon monoksida harus diubah menjadi karbon dioksida karena CO tidak bisa dilakukan penyerapan di unit CO2 removal dan juga CO juga merupakan racun bagi katalisator di sintesa ammonia.Selain itu CO dapat terdekomposisi menjadi karbon atau terhidrogenasi membentuk methana, maka sejumlah steam harus ditambahkan secukupnya ke dalam reaktor HTSC untuk mencegah terjadinya kedua reaksi tersebut.

C. Low Temperature Shift Conversion
Seperti halnya HTS, LTS juga berfungsi menyempurnakan pembentukan H­2 yaitu merubah CO dan H2O menjadi CO2 dan H2. LTS adalah tahapan lanjutan dari proses pergeseran air. Reaktor LTS berisi katalis Cu. Karena pada tahapan LTS bekerja di suhu rendah jadi diperlukan katalis yang cukup reaktif untuk melakukan reaksi pergeseran air dalam hal ini digunakan tembaha sebagai katalisator.

CO + H2O ↔cu  CO2+ H2

Katalis ini diperdagangkan dalam bentuk oksidanya sehingga harus direduksi menjadi logam tembaga sebelum digunakan.Senyawa yang digunakan untuk mereduksi katalis ini adalah H2 atau CO. Reaksi reduksi katalis ini sangat eksotermis sehingga apabila tidak dikontrol dengan baik temperatur campuran gas dapat naik hingga 500oC.

Reaksi reduksinya adalah sebagai berikut :
CuO + H2 ↔ Cu + H2O
CuO + CO ↔ Cu + CO2

Dalam prakteknya reduksi dengan hidrogen lebih banyak digunakan dengan pertimbangan :
-Reaksi dengan CO 1,5 kali lebih eksotermis sehingga lebih sulit   dikontrol.
-Hidrogen lebih mudah diperoleh daripada CO
-CO dapat mengalami reaksi metanasi jika konsentrasinya tinggi.

Kenaikan suhu yang lebih tinggi dari 2600C tidak diijinkan karena partikel tembaga mulai kehilangan kereaktifannya. Untuk menghindari terjadi kehilangan kereaktifan, proses reduksi harus dilakukan secermat mungkin yaitu dengan menambahkan gas H2 dalam sejumlah besar gas inert, misalnya gas N2. Katalis CuO digunakan pada suhu aktif 180-270oC. Apabila suhu terlalu tinggi maka katalis akan mengalami destrukturisasi, sedangkan apabila terlalu rendah akan mengalami deaktivasi akibat adanya kondensasi. Ada batas temperature rendah yang tidak boleh terlewati. Temperature tersebut adalah temperature pengembunan air yang harganya tergantung pada tekanan total dan ratio steam/gas bumi. Apabila temperature rendah ini terlampaui, maka tetes air yang terbentuk pada permukaan katalis akan melarutkan ammonia dan CO2 yang ada di dalam aliran gas yang meninggalkan HTSC membentuk ammonium karbonat. Larutan ini menyebabkan pelarutan logam tembaga.Sehingga katalis Cu menjadi tidak aktif lagi. Jika gas proses mempunyai kemurnian yang cukup tinggi, sehingga katalis tidak mudah teracuni, maka konsentrasi CO didalam gas hasil akan mendekati konsentrasi CO pada keadaan kesetimbangannya. Akan tetapi apabila kandungan racun didalam gas proses cukup tinggi, maka kereaktifan katalis tersebut akan turun dengan cepat. Sehingga katalis harus diganti dengan katalis baru yang lebih reaktif.

D. CO2 Removal
Pelarut yang digunakan dalam proses absorpsi CO2 adalah pelarut MDEA 03. Sistem proses utamanya terdiri dari CO2 Absorber, CO2 Stripper, dan dua buah flash vessel.

1. Absorber CO2
Bagian ini bertugas untuk menyerap CO2 yang terkandung dalam gas sintesa dengan menggunakan larutan MDEA.

Komposisi larutan MDEA (Methyl Diethanol Amine):
1. 2,2 Methyl diethanol amine : 40%
2. Piperazine (R2NH)               : 3%

Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
1. R3N + H2O + CO2 ↔ R3NH+ + HCO3-
2. 2R2NH + CO2 ↔ R2NH2+ + R2N-COO-
3. R2NCOO- + R3N + H2O ↔ HCO­­3- + R2NH + R3NH+

Piperazine sebagai aktivator berfungsi sebagai katalis untuk melangsungkan reaksi (1), dengan cara menurunkan tekanan partial gas CO2. Mekanisme penurunan tekanan partial gas CO2 melalui reaksi antara gas CO2 dengan piperazine sebagaimana ditunjukkan oleh reaksi (2) di atas dengan membentuk R2NCOOH.Hal ini mengakibatkan tekanan partial dari CO2 lebih rendah, yang berarti makin banyak CO2yang terlarut.Reaksi (2) berlangsung dalam tempo cepat dan reaksi (3) berlangsung lebih lambat dan menghasilkan asam karbonat. Sedangkan aktivatornya akan kembali sebagai senyawa R2NH. Kandungan gas CO2 pada outlet atas absorber (C-0302) adalah <500 ppm.

Proses absorbsi di unit CO2 removal ini memakai 2 stage : aliran lean dan semi lean. Dimana pada larutan lean merupakan larutan yang menganbdung sedikit CO2 dibandingkan larutan semi lean.Larutan Semi lean dipakai menyerap sebagian besar CO2, dan CO2 yang tersisa diabsorb oleh larutan lean. Data dan komposisi serta kondisi operasi masing-masing aliran adalah sebagai berikut :
1.  Semi Lean
Dialirkan ke absorber menggunakan pompa P-0301 A/B/C. 
Kapasitas semi lean                          : 2713 ton/jam
Suhu                                                : 70,9oC
Komposisi                                       :
-         CO2                                         : max 6,1% wt
·         CO + H2 + N2 + CH4 + Ar       : 0%
·         MDEA                                      : 35,1 % wt
·         Piperazine                                  : 2,8% wt
·         H2O                                          : 57,0% wt
       2.  Lean
       Dialirkan ke bagian atas absorber (C-0302) menggunakan pompa         P-0302A/B
       Kapasitas lean                                  : 427 ton/jam
       Suhu                                                : 50oC
       Komposisi                                       :
       ·         CO2                                         : max 0,3% wt
      ·         CO + H2 + N2 + CH4 + Ar       : 0%
      ·         MDEA                                      : 37,2% wt
      ·         Piperazine                                 : 3% wt
      ·         H2O                                         : 59,5 % wt
Guna menghindari hilangnya larutan MDEA dan piperazine, serta untuk menjaga kemurnian gas sintesa outlet atas absorber, di bagian atas C-0302 diinjeksikan proses kondensat sebanyak 1105 kg/jam. Selain itu juga sebagai penyedia H2O karena sebagian H2 yang ada di MDEA lepas sehingga menjaga agar konsentrasi MDEA tetap terjaga sebesar 37% berat pada konsentrasi optimumnya. Setelah terjadi reaksi penyerapan CO2 oleh larutan MDEA, larutan yang keluar dari absorber kaya akan CO2 yang disebut rich solution dengan komposisi sebagai berikut :
1. Tekanan                  : 31 kg/cm2G
2. Suhu                       : 80,9oC
3. Komposisi              : 
·         CO2                       : min 8,8% wt
·         H2                           : 1 ppm
·         N2                    : 17 ppm
·         CH4                       : 43 ppm
·         Piperazine         : <1 ppm
·         MDEA             : 35,0% wt
·         Ar                    : 2,9% wt
·         H2O                 : 54,3% wt
 Untuk memperluas bidang kontak antara gas dan larutan MDEA, maka menara absorber didesain dengan tinggi tertentu dan berisi packing.Packing di bagian bawah absorber dipasang Mellapax, karena di daerah ini merupakan daerah kontak yang besar antara gas dan liquid.Sedangkan packing lean solution dipasang alat pall ring 1”.Lalu Rich solution bottom absorber, diturunkan tekanannya (let down) oleh Turbin hidraulik (TX-0301), yang mempunyai satu shaft dengan pompa dan motor penggerak.Sehingga pemakaian lebih rendah.

Pada bagaian bawah absorber (C-0302), temperature tetap dijaga tinggi, dengan alasan agar kecepatan reaksi tinggi.Sehingga sisa CO2 yang tidak terserap atau lolos ke bagian atas cukup kecil.Penyerapan kedua berlangsung di bagian atas adsorber dengan temperature rendah, yakni sekitar 50oC agar diperoleh konversi yang tinggi (kesetimbangan reaksi bergeser ke kanan). Faktor yang mempengaruhi tinggi rendahnya CO2 yang lolos dari absorber antara lain :

1. Jumlah sirkulasi larutan
Untuk amannya, larutan MDEA yang disirkulasi dijaga lebih besar 3% dari gas proses. Ketika sirkulasi diturunkan lebih rendah, maka CO2 yang lolos akan naik dan sebaliknya, bila rate sirkulasi dinaikkan, maka haarus diperhatikan kapasitas pompa dan flooding di adsorber. Karena jika melebihi batas flooding maka cairan akan terikut aliran gas ke atas.

2. Temperature
Temperature di bagian bawah lebih tinggi (± 70oC) dengan pertimbangan masalah kecepatan reaksi agar tinggi, sedangkan pada bagian atas temperature lebih rendah (±50 oC), dengan pertimbangan konversi pada kesetimbangan dapat dinaikkan dengan menurunkan temperature karena reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis.

3. Jumlah split larutan
Dipakai dua aliran, lean dan semi lean adalah untuk memaksimalkan penyerapan, agar CO2 yang lolos rendah.

4. Konsentrasi larutan MDEA
Untuk memaksimalkan penyerapan CO2, maka konsentrasi MDEA dijaga pada rentang 40% wwt R3NH dengan konsentrasi aktivator 2-3%.

Stripper CO2
Bagian ini berfungsi untuk memisahkan CO2 dari larutan penyerapnya (MDEA)
Alat-alat pada bagian stripping CO2 terdiri dari :
1. HP Flash Drum V-0302
Fungsi     : memisahkan H2 dan gas inert yang terkandung dalam larutan MDEA
Tekanan   : 8 kg/cm2G
Suhu        : 80,9oC
2.LP Flash Drum V-0301
Fungsi     : Memisahkan CO2 dari larutan MDEA pada tekanan rendah
Tekanan   : 0,3 kg/cm2G
Suhu        : 80,7oC
3. Stripper CO2 C-0301
Fungsi     : memisahkan gas CO2 yang terkandung dalam larutan MDEA sehingga larutan tersebut dapat digunakan lagi.
4. Washing Section
Fungsi     : meminimalkan carry over larutan amine dan piperazine dari atas LP Flash Drum. Larutan amine dan piperazine yang tertangkap dikembalikan ke proses flash V-0301.
Suhu        : 40oC

Pada bagian pertama yaitu HP Flash Drum gas inert yang terlarut dilepaskan sebagai gas tekanan 8 kg/cm2G, kemudian larutan dimasukkan ke dalam LP flash drum untuk selanjutnya sebagian besar CO2 dilepaskan pada tekanan 0,3 kg/cm2.Di dalam CO2 stripper, CO2 distripping dengan panas secara tidak langsung. Panas yang dibutuhkan untuk stripping berasal dari COstripper boiler E-0302. CO2 yang meninggalkan CO2 stripper jenuh dengan uap air.Kondensasi dari uap air ini meningkatkan performa dari LP flash. Larutan lean yang berasal bottom stripper didinginkan menjadi 50oC setelah melewati solution heat exchanger (E-0301 A/B),DFW preheater (E-0304), dan lean solution cooler (E-0303) yang kemudian dipompa ke atas absorber dengan pompa (P-0302 A/B).
 

Reaksi: