Tahap Sintesis pada Gas Amoniak

Sunday, March 5, 2017



















Unit ini ditujukan untuk mensintesa amoniak didalam suatu sistem yang disebut Syngas & Synloop System. Pemisahan dan pemurnian amoniak merupakan suatu sistem yang tersintegrasi didalam proses sintesa amoniak. Proses pemisahan dan pemurnian amoniak memerlukan kondisi dengan temperature rendah. Kondisi tersebut dibentuk dan dipertahankan oleh suatu sistem refigerasi amoniak.
A. Sintesis Amoniak di dalam Amoniak converter
Proses sintesis berlangsung di dua reaktor yaitu 1St amoniak converter (R-0501) dan 2nd ammoniak converter(R-0502). Sebelum masuk ke dalam reaktor konverter, gas sintesis keluaran methanator dikompresi di K-0431 hingga bertekanan 145 kg/cm2G.Kompresi ini dilakukankarena sintesis amoniak memerlukan tekanan tinggi.Kompresi ini berlangsung sebanyak tiga tahap.

Deskripsi Proses
Gas sintesis yang telah dimurnikan pada tahap sebelumnya, dialirkan oleh Syn Gas Compressor (K-4031), menuju ke tahap sintesis amoniak.Kompressor ini terdiri dari tiga tingkat. Pada tingkat pertama gas masuk dengan tekanan gas sintesis masuk kompressor dengan tekanan sebesar 29 kg/cm2G dan keluar sebesar 46 kg/cm2G, lalu masuk ke dalam separator (V-0431) untuk dipisahkan dengan kondensatnya, kemudian gasnya masuk ke dalam kompressor tingkat 2 dan keluar dengan tekanan 71 kg/cm2G dan masuk ke tangki separator (V-0432) untuk dipisahkan kondensatnya, lalu gasnya masuk ke kompresor tingkat ke-3 dan keluar dengan tekanan mencapai 135 kg/cm2G. Setelah keluar dari kompressor tingkat tiga, gas didinginkan dengan di unit (E-0433) dan dimasukkan tangki separator (V-0433) untuk dipisahkan kondensatnya. Gas dari separator inilah. Yang kemudian dipakai sebagai gas make-up tahap sintesis amoniak.

Diagram alir sintesis loop amoniak












Gas Make-Up dialirkan ke bagian upstream 2nd Amoniak Chiller (1-E-508) dan bercampur dengan gas yang keluar dari converter amoniak, yang sebagian telah menjadi cair.Campuran ini mengalir ke Amoniak Separator (V-0501).Amoniak cair dipisahkan dari campuran gas sintesis di separator.Dari separator ini cairan amoniak dialirkan menuju ke bagian refrigerasi amoniak, sedangkan gas sintesis dialirkan menuju amoniak converter.Sebelum masuk amoniak converter, gas sintesis dipanaskan terlebih dahulu di 2 Cold Heat Exchanger (E-0507) dan 1 Cold Heat Exchanger (E-0505).Selanjutnya gas tersebut dikompresi oleh Recycle Gas Compressor (K-0431) dan dipanaskan lagi di Hot Heat Exchanger (E-0503).Dari sini gas sintesis dengan temperature ± 272oC dan tekanan ±133 kg/cm2G masuk ke Amoniak Converter (R-0501).

Di reaktor ini gas sintesis bereaksi membentuk gas amoniak. Gas masuk reaktor melalui dua saluran yaitu aliran gas utama dan aliran cold shot. Kedua aliran kemudian bertemu pada bed pertama di dalam reaktor.Temperature inlet aliran di bed pertama adalah ± 376oC dan keluar pada temperature ±475oC. Sebelum masuk bed kedua, gas sintesis didinginkan oleh aliran cold shot di dalam internal heat exchanger, sehingga temperature inlet bed II menjadi ±405 oC.

Kurva Kesetimbangan Reaksi NH3

















Pada Gambar diatas , pada reaktor pertama suhunya tinggi agar reaksinya berlangsung cepat, namun suhunya tidak boleh melebihi 500oC, karena akan berada disebelah kanan kurva kesetimbangan yang menyebabkan reaksi akan kembali menjadi produk, setelahitu pada bed ke dua reaksi terjadi pada suhu lebih rendah untuk memberikan konversi reaksi yang tinggi.

Reaksi dilakukan pada amoniak konverter seri S-250 yang terdiri dari 3 bed yang terbagi menjadi 2 reaktor yaitu R-0501 yang merupakan seri S-200 terdiri dari dua bed katalis dan R-0502 yang merupakan seri S-50 terdiri dari satu bed katalis.

Panas reaksi yang terjadi menyebabkan suhu setiap bed akan naik, hal ini dipandang tidak menguntungkan untuk kesetimbangan reaksi, karena konversi amoniak akan naik bila dilangsungkan pada tekanan tinggi dan suhu rendah ,sehingga untk mengoptimalkan reaksi pada setiap bed, maka dipasang inter bed exchanger pada outlet bed 1 yang berfungsi untuk mengambil panas pada bed 1 dan cold shot yang di pasang untuk mengatur temperature inlet bed 1 (R-0501), sedangkan untuk mengambil panas pada bed 2 dipasang presuperheater (E-0500).

Reaksi sintesis amoniak  yang berlangsung konverter (R-0501 dan R-0502) adalah sebagai berikut :
              N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + panas
Reaksi berlangsung reversibel dan hanya sebagian nitrogen dan hidrogen yang terkonversi menjadi amoniak ketika melewati katalis. Berdaasarkan desain, didalam R-0501 dan R-0502, sekitar 20% N2 dan H2 akan terkonversi  menjadi amoniak. Tekanan yang tinggi dan temperature yang rendah akan menghasilkan konsentrasi kesetimbangan amoniak yang tinggi.
Katalis yang digunakan pada konverter adalah KM1R, katalis besi oksida yang direduksi terlebih dahulu menjadi bentuk aktif Fe yang telah dipromosikan dengan ukuran partikel 1,5-3 mm. Kecepatan reaksi sangat banyak dipengaruhi oleh temperature tinggi. Oleh karena itu, perlu kompromi antara teoritis dan “approach to equilibrium” pada saat melewati katalis.Dari hubungan ini dapat diketahui temperature optimum yang menjadikan produksi maksimum bisa diperoleh. Pada temprature tinggi presentase kesetimbangan akan terlalu rendah sementara itu pada temperature rendah kecepatan reaksi rendah. Karena itu reaksi dilakukan pada dua buah reaktor.Seksi sintesa amoniak dibuat untuk tekanan 155 kg/cm2Gdan tekanan normal operasi 133-143 kg/cm2G.Temperature bed katalis adalah 360oC sampai 250oC dimana nilai ini mendekati temperature optimum reaksi sintesis amoniak yang merupakan reaksi kesetimbangan.
Kemudian gas keluaran konverter didinginkan secara bertahap. Amoniak yang terkandung  dalam aliran gas keluaran konverter akan terkondensasi selama proses pendinginan. Kondensat amoniak dipisahkan sehingga didapatlah produk amoniak murni.Pendinginan tahap pertama berlangsung SG Waster Heat Boiler (E-0501) dari temperature 418oC menjadi 340oC. Kemudian gas didinginkan menjadi 280oC di boiler feed water preheater (E-0502). Pendinginan tahap selanjutnya berlangsung di E-0503, E-0504, E-0505 hingga gas produk sintesis bertemperature 33oC. Akhir tahap pendiginan gas produk yang masih mengandung gas sintesis akanbertemperature -5oC setelah melewati pendinginan di 1st ammoniak chiller (E-0506), 2nd cold exchanger (E-0507) dan 2nd amoniak chiller (E-0508. Amoniak yang terkondensasi di dalam proses pendinginan dipisahkan di amoniak separator V-0501. Dari bagian atas separator, recycle gas diresirkulasi menuju amoniak converter melewati E-0507 dan E-0505, sehingga mengalami kenaikan temperature dari -5oC menjadi 35oC. Recycle gas ini lalu dikompresi di K-0431 hingga bertekanan 141 kg/cm2G dan dipanaskan di E-0503 hingga bertemperature 248oC sebelum kembali masuk ke 1st amoniak converter R-0501.
Sebagian besar recyle gas dimasukkan ke dalam converter pertama melalui dua saluran inlet utama pada bagian bawah pressure shell. Gas mengalir ke atas melalui ruang annulus antara insulated basket dan pressure shell. Hal ini bermanfaat untuk mendinginkan pressure shell. Pada bagian atas konverter pertama, gas mengalir  pada bagian tube dari interbed heat exchanger. Pada bagian tube ini, gas inlet akan mengalami pemanasan hingga mencapai temperature reaksi pada unggun katalis pertama. Gas yang meninggalkan unggun katalis yang pertama didinginkan dengan interbed heat exchanger sebelum masuk ke unggun katalis yang kedua. Temperature gas ketika memasuki unggun katalis yang kedua adalah 370oC dan meninggalkan unggun katalis kedua pada temperature 455oC.Gas meninggalkan unggun katalis kedua dan mengalir melewati SG Steam Superheater (E-0500) menuju Amoniak converter kedua (R-0502).Gas masuk ke konverter amoniak kedua pada temperature 376oC dan keluar pada temperature 420OC.
Make up gas sintesis ditambahkan di antara E-0507 dan E-0508. Make up gas sintesis yang masuk ke amoniak loop mengandung sejumlah pengotor berupa CO, CO2 dan gas inert. CO2 dalam aliran gas Makeup akan bereaksi dengan amoniak membentuk ammoniumcarbamate.
2NH3+  CO2 ↔ NH4 – CO2 – NH2
Karbamat yang terbentuk terlarut dalam kondensat amoniak. CO yang terlarut dalam amoniak sangat sedikit, sehingga kebanyakan CO akan terbawa aliran gas resirkulasi menuju amoniak converter yang akan mengalami hidrogenasi membentuk air dan metana. Karena air akan mendeaktivasi katalis pada sintesis amoniak , maka kandungan CO pada aliran make up gas sintesis harus dijaga sedikit mungkin.
Jumlah gas inert (argon dan metana) yang terkandung dalam aliran make up gas sintesis sangat sedikit, namun karena ada proses resirkulasi, maka dapat terjadi akumulasi jumlah gas inert dalam aliran. Untuk menghindari akumulasi ini, maka dilakukan pruging yang diambil pada aliran keluaran E-0507.Purging gas lalu ditampung V-0514.Di purging gas separator (V-0514), amoniak dipisahkan dan aliran gas purging di teruskan menuju unit ARU dan HRU.
Faktor utama yang mempengaruhi kerja reaksi amoniak adalah
1. Suhu                                                     
Suhu sangat mempengaruhi kecepatan reaksi dan konversi amoniak, semakin tinggi suhu semakin cepat reaksi berlangsung, namun suhu tidak boleh terlalu tinggi karena reaksi akan mempengarah pada reaktan yang menyebabkan konversi rendah.
·         Temperature inlet converter
·         Penuruan kadar amoniak
·         Kenaikan tekanan operasi
·         Penurunan laju alir cold shot
·         Penurunan kadar inert dalam aliran sirkulasi
·         Perubahan ratio H2/N2
2. Tekanan 
Tekanan juga mempengaruhi kecepatan dan konversi kesetimbangan reaksi. Semakin tinggi tekanan maka akan semakin tinggi kecepatan dan konversi reaksi.


3. Laju Alir Sirkulasi
Laju alir umpan akan ikut menentukan waktu kontak gas dengan katalis, makin cepat umpan mengalir dalam reaktor akan makin pendek waktu kontaknya sehingga akan makin kecil konversi yang dihasilkan, tetapi akan mempertinggi produk amoniak per satuan waktu.

4. Ratio H2/N2 didalam umpan 
Konversi amoniak maksimum dapat dicapai pada ratio H2/N2 2,2-3, Hal ini menunjukkan jumlah N2 yang diumpankan berlebih. Tujuan diumpankan N2 secara berlebih karena untuk meningkatkan laju absorpsi N2 pada permukaan katalis. 
Variabel utama yang dapat digunakan untuk mengontrol perbandingan H2/N2 adalah komposisi make up dan flow make up gas dan aliran sirkulasi. Sehingga untuik menjaga kestabilan ratio harus dilakukan di secondary reformer yaitu dengan mengontrol jumlah udara (N2) yang diumpankan ke dalam secondary reformer.

5. Konsentrasi gas inert dan amoniak dalam umpan
Semakin tinggi kadar gas inert (CH4 + Ar ) dan amoniak dalam inlet converter akan sangat memberi pengaruh negatif pada konversi, semakin tinggi kadar kedua komponen ini akan semakin rendah konversi yang diperoleh. Bila kedua komponen ini dibiarkan terus naik akan berakibat pada kenaikan tekanan di unit sintesa loop. Untuk mengontrol konsentrasi gas inert didalam sistem dilakukan dengan cara mengeluarkan sebagian gas campuran (±11 % dari make up gas ) yang keluar dari amoniak konverter yang disebut purge gas, untuk menurunkan kadar amoniak di inlet converter dengan cara pengoptimalan pendingin refrigeran unit.

Reaksi: