BAB III

Macam – macam proses pembuatan ammonia

Adapun berbagai proses pembuatan ammonia dapat dilihat pada tabel berikut:

No

.

Nama Proses Deskripsi

1. Proses Haber – Bosch Konsentrasi ammonia sirkulasi sekitar 10 – 14 % mol.

Penurunan konsentrasi dilakukan dengan kondensasi pada

kesetimbangan pada tempratur keluaran kondensor.

Ammonia yang terkondensasi dipisahkan dari sirkulasi dan

gas dinaikkan tekanannya dengan kompresor sirkulasi

untuk memenuhi pressure drop pada loop.

2. Proses Claude Proses Claude merupakan proses pertama yang

menggunakan tekanan operasi tinggi, yaitu 1000 atm

dengan tempratur 500 – 650 oC dan katalis besi oksida

sehingga menghasilkan konversi ammonia 40 %, konversi

hidrogen 30 – 40 % tanpa recycle pada proses awal. Proses

Claude menggunakan hidrogen murni yang berasal dari

fraksinasi gas oven coke dan nitrogen dari liquefaksi

udara.

3. Proses Casale Proses ini bereaksi pada tekanan antara 500 – 600 atm,

sedangkan untuk meresirkulasi gas di sekitar sintesis loop

menggunakan proses yang sama dengan proses Haber.

Seperti pada proses Claude, tekanan tinggi akan

menghasilkan pendinginan ammonia pada tempratur yang

dapat dikontrol melalui air pendingin. Basis pengendalian

panas katalis ini adalah dengan membuang 2 -3 %

ammonia di dalam gas konverter, melalui penurunan laju

pembentukkan amonia dan menghilangkan panas berlebih

yang terdapat dalam katalis.

4. Proses Fauser Proses ini menggunakan hidrogen hasil elektrolisis dengan

sel Fauser dan nitrogen dari unit udara cair atau unit

pemurnian tail gases yang berasal dari menara absorbsi

didalam ammonia oxidation plant. Campuran hidrogen dan

nitrogen dikompresi hingga tekanan 200 – 300 atm dan

setelah melewati pemisahan minyak (oil separator) akan

menuju ke pembakar oksigen (oxygen burner).

5. Proses Mont Cenis Proses ini pada awalnya dikembangkan untuk

menggunakan hidrogen yang dipisahkan dari cake oven

gas melalui liquefaction. Ciri Utama dari Proses Mont

Cenis ini adlah tekanan operasinya kurang lebih 100 atm

dan temperatur katalis mencapai 400oC.

Campuran nitrogen dan hidrogen setelah ditekan hingga

100 atm lalu dipanaskan pada temperatur 300oC dalam

interchanger dan dilewatkan melalui unit pemurnian

tersebut.

6. Proses Kellog Proses Kellog merupakan proses pembuatan ammonia

menggunakan bahan baku gas alam dengan tekanan yang

relatif rendah. Proses ini merupakan proses yang sering

digunakan dalam pabrik pembuatan ammonia.

Pada langkah pertama reaksi yang dilangsungkan adalah

pembentukkan hidrogen dari senyawa hidrokarbon dan

steam pada primary reformer. Gas yang keluar diharapkan

mempunyai tempratur 484oC dengan tekanan 36,8 Kg/cm2

yang siap dimasukkan ke dalam tube – tube di seksi

radiant. Pada primary reformer terdapat 9 buah header

yang masing – masing terdiri dari 42 tube katalis. Katalis

yang dipakai adalah NiO dengan reaksi:

CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) DH= 49,3 kkal/mol

CO(g) + H20(g) O2(g) + H2(g) DH= -9,8 kkal/mol

Gas kemudian dikirim ke secondary reformer. Fungsi dari

secondary reformer adalah sebagai tempat berlangsungnya

reaksi reforming. Reaksi yang terjadi sama dengan reaksi

yang terjadi pada primary reformer, tetapi panas yang

diperlukan diperoleh dari pembakaran langsung dengan

udara didalam reaktor. Gas dan udara dicampur dalam

mixing zone, dimana terjadi reaksi pembakaran sebagai

berikut:

CH4 (g) + O2 (g) CO2(g) + 2H2O(g) DH=-191.73

kkal/mol

2H2 (g) + O2 (g) 2H2O DH=-57.58 kkal/mol

Di antara macam-macam proses pembuatan ammonia di atas, proses Kellog

merupakan proses yang sering digunakan dalam pabrik pembuatan ammonia. Sebagai contoh,

pada pembuatan ammonia yang dilaksanakan pada industri (PT PUSRI) secara garis besar

dibagi menjadi 4 Unit dengan urutan sebagai berikut :

1. Feed Treating Unit dan Desulfurisasi

2. Reforming Unit

3. Purification & Methanasi

4. Synthesa Loop & Amoniak Refrigerant .

Untuk proses tiap unit dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Feed Treating Unit

Gas alam yang masih mengandung kotoran (impurities), terutama senyawa belerang

sebelum masuk ke Reforming Unit harus dibersihkan dahulu di unit ini, agar tidak

menimbulkan keracunan pada Katalisator di Reforming Unit. Untuk menghilangkan senyawa

belerang yang terkandung dalam gas alam, maka gas alam tersebut dilewatkan dalam suatu

bejana yang disebut Desulfurizer. Gas alam yang bebas sulfur ini selanjutnya dikirim ke

Reforming Unit. Jalannya proses melalui tahapan berikut :

a. Sejumlah H2S dalam feed gas diserap di Desulfurization Sponge Iron dengan sponge iron

sebagai media penyerap. Persamaan Reaksi :

Fe2O3.6H2O + H2S → Fe2S3 6 H2O + 3 H2O

b. CO2 Removal Pretreatment Section

Feed Gas dari Sponge Iron dialirkan ke unit CO2 Removal Pretreatment Section Untuk

memisahkan CO2 dengan menggunakan larutan Benfield sebagai penyerap. Unit ini terdiri

atas CO2 absorber tower, stripper tower dan benfield system.

c. ZnO Desulfurizer

Seksi ini bertujuan untuk memisahkan sulfur organik yang terkandung dalam feed gas dengan

cara mengubahnya terlebih dahulu mejadi Hydrogen Sulfida dan mereaksikannya dengan

ZnO. Persamaan Reaksi :

H2S + ZnO → ZnS + H2O

2. Reforming Unit

Di Reforming Unit gas alam yang sudah bersih dicampur dengan uap air, dipanaskan,

kemudian direaksikan di Primary Reformer, hasil reaksi yang berupa gas-gas Hydrogen dan

Carbon Dioksida dikirim ke Secondary Reformer dan direaksikan dengan udara sehingga

dihasilkan gas-gas Hidrogen , Nitrogen dan Karbon Dioksida Gas-gas hasil reaksi ini dikirim

ke Unit Purifikasi dan Methanasi untuk dipisahkan gas karbon dioksidanya. Tahap-tahap

reforming unit adalah :

a. Primary Reformer

Seksi ini bertujuan untuk mengubah feed gas menjadi gas sintesa secara ekonomis

melalui dapur reformer dengan tube-tube berisi katalis nikel sebagai media kontak feed gas

dan steam pada temperature (824 oC)dan tekanan (45 – 46 kg/cm2) tertentu . Adapun kondisi

operasi acuan adalah perbandingan steam to carbon ratio 3,2 : 1. Persamaan Reaksi :

CH4 + H2O → CO + 3 H2 ∆H = - Q

CO + H2O → CO2 + H2 ∆H = + Q

Secara overall reaksi yang terjadi adalah reaksi endothermic sehingga membutuhkan burner

dan gas alam sebagai fuel.

b. Secondary Reformer

Gas yang keluar dari primary reformer masih mengandung kadar CH4 yang cukup

tinggi, yaitu 12 – 13 %, sehingga akan diubah menjadi H2 pada unit ini dengan perantaraan

katalis nikel pada temperature 1002,5 oC.

Persamaan Reaksi : CH4 + H2O → 3 H2 + CO

Kandungan CH4 yang keluar dari Secondary reformer ini diharapkan sebesar 0.34 %

mol dry basis. Karena diperlukan N2 untuk reaksi pembentukan Amoniak maka melalui

media compressor dimasukkan udara pada unit ini. Persamaan Reaksi :

2H2 + O2 → 2H2O

CO + O2 → 2CO2

3. Purification & Methanasi

Karbon dioksida yang ada dalam gas hasil reaksi Reforming Unit dipisahkan dahulu

di Unit Purification, Karbon dioksida yang telah dipisahkan dikirim sebagai bahan baku

Pabrik Urea. Sisa Karbon dioksida yang terbawa dalam gas proses, akan menimbulkan racun

pada katalisator Ammonia Converter, oleh karena itu sebelum gas proses ini dikirim ke Unit

Synloop & Refrigeration terlebih dahulu masuk ke Methanator. Tahap-tahap proses

Purification dan methanasi adalah sebagai berikut :

a. High Temperature Shift Converter (HTS)

Setelah mengalami reaksi pembentukan H2 di Primary dan Secondary Reformer maka

gas proses didinginkan hingga temperature 371 oC untuk merubah CO menjadi CO2 dengan

persamaan reaksi sebagai berikut :

CO + H2O → CO2 + H2

Kadar CO yang keluar dari unit ini adalah 3,5 % mol dry basis dengan temperature gas outlet

432 oC- 437 oC.

b. Low Temperature Shift Converter (LTS)

Karena tidak semua CO dapat dikonversikan menjadi CO2 di HTS, maka reaksi

tersebut disempurnakan di LTS setelah sebelumnya gas proses didinginkan hingga

temperature 210 oC. Diharapkan kadar CO dalam gas proses adalah sebesar 0,3 % mol dry

basis.

c. CO2 Removal

Karena CO2 dapat mengakibatkan degradasi di Amoniak Converter dan merupakan

racun maka senyawa ini harus dipisahkan dari gas synthesa melalui unit CO2 removal yang

terdiri atas unit absorber, striper serta benfield system sebagai media penyerap. System

penyerapan di dalam CO2 absorber ini berlangsung secara counter current, yaitu gas synthesa

dari bagian bawah absorber dan larutan benfield dari bagian atasnya. Gas synthesa yang telah

dipisahkan CO2-nya akan keluar dari puncak absorber, sedangkan larutan benfield yang kaya

CO2 akan diregenerasi di unit CO2 stripper dan dikembalikan ke CO2 absorber. Sedangkan

CO2 yang dipisahkan digunakan sebagai bahan baku di pabrik urea. Adapun reaksi

penyerapan yang terjadi : K2CO3 + H2O + CO2 → 2KHCO3

d. Methanasi

Gas synthesa yang keluar dari puncak absorber masih mengandung CO2 dan CO

relative kecil, yakni sekitar 0,3 % mol dry basis yang selanjutnya akan diubah menjadi

methane di methanator pada temperature sekitar 316 oC.

Persamaan Reaksi : CO + 3H2 → CH4 + H2O

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

4. Synthesa loop dan Amonik Refrigerant

Gas proses yang keluar dari Methanator dengan perbandingan Gas Hidrogen dan

Nitrogen = 3 : 1, ditekan atau dimampatkan untuk mencapai tekanan yang diinginkan oleh

Ammonia Converter agar terjadi reaksi pembentukan, uap ini kemudian masuk ke Unit

Refrigerasi sehingga didapatkan amoniak dalam fasa cair yang selanjutnya digunakan sebagai

bahan baku pembuatan urea. Tahap-tahap poses Synthesa loop dan Amonik Refrigerant

adalah :

a. Synthesis Loop

Gas synthesa yang akan masuk ke daerah ini harus memenuhi persyaratan

perbandingan H2/N2 = 2,5 – 3 : 1. Gas synthesa pertama-tama akan dinaikkan tekanannya

menjadi sekitar 177.5 kg/cm2 oleh syn gas compressor dan dipisahkan kandungan airnya

melalui sejumlah K.O. Drum dan diumpankan ke Amoniak Converter dengan katalis

promoted iron. Persamaan Reaksi :

3H2 + N2 → 2NH3 .

Kandungan Amoniak yang keluar dari Amoniak Converter adalah sebesar 12,05-17,2 % mol.

b. Amoniak Refrigerant

Amoniak cair yang dipisahkan dari gas synthesa masih mengandung sejumlah tertentu

gas-gas terlarut. Gas-gas inert ini akan dipisahkan di seksi Amoniak Refrigerant yang

berfungsi untuk Mem-flash amoniak cair berulang-ulang dengan cara menurunkan tekanan di

setiap tingkat flash drum untuk melepaskan gas-gas terlarut, sebagai bagian yang integral dari

refrigeration, chiller mengambil panas dari gas synthesa untuk mendapatkan pemisahan

produksi amoniak dari Loop Synthesa dengan memanfaatkan tekanan dan temperature yang

berbeda di setiap tingkat refrigeration.

2.1.1 Proses Pembuatan Ammonia

Proses pembuatan ammonia dihasilkan melalui beberapa tahap, yaitu :

1. Feed Treating Unit

Feed treating unit ini bertujuan untuk menghilangkan kandungan-kandungan unsur yang

tidak diinginkan pada gas alam seperti sulfur, air, hidrokarbon berat, dan gas CO2 sehingga

didapatkan gas alam bersih (pemurnian gas) yang siap untuk digunakan pada tahap proses

selanjutnya. Unsur-unsur ini harus dibuang karena dapat menghambat proses, seperti :

Air : penghambat di chilling system yang bekerja pada

temperatur -18 oC.

Hidrokarbon berat : sebagai racun karena menutup katalis.

Sulfur dan gas CO2 : mengurangi aktivitas katalis.

Proses pemisahannya adalah sebagai berikut :

Pemisahan Partikel Padat / Filtrasi

Pemisahan partikel padat dilakukan secara fisik, yaitu dengan penyaringan

(mechanical filter) yang menggunakan filter separator (202 – L) yang didalamnya

terdapat enam buah filter cartridge yang dapat diganti-ganti dengan kawat saringan

(wire mesh extractor) yang berfungsi untuk menyaring kotoran-kotoran padat/debu

(solid particle) dan cairan (liquid droplet) yang lolos dari gas matering station..

Pada filter separator (202 – L) ini dipasangkan alat penunjuk pressure drop, sehingga

tingkat kotoran bisa dengan mudah diamati. Dengan demikian dapat diketahui kapan

filter harus dibersihkan.

Pemisahan Sulfur Anorganik (Desulfurisasi).

Merupakan proses penghilangan senyawa sulfur anorganik. Gas alam (feed gas) setelah

melalui flter (202 L) dipanasi oleh low pressure steam dalam suatu pipa jacket heater baru

untuk mendapatkan temperatut yang optimum yaitu 35 oC, kemudian masuk ke “sponge

iron” desulfurizer (201 D). Temperatur ini harus dijaga stabil karena bila temperatur gas yang

masuk lebih tinggi dari 40oC, maka kandungan H2O didalam sponge iron akan menguap,

sedangkan bila temperatur lebih rendah dari 27oC maka kecepatan reaksi akan berkurang.

“Sponge Iron” Desulfurizer (201-D) menggunakan katalis sponge iron (Fe2O3.6H2O). Sponge

iron terdiri dari butiran-butiran halus serbuk oksida (Fe2O3) yang dimasukkan ke dalam serat

dalam serpihan-serpihan kayu dengan cara penekanan. Feed gas mengalir ke bawah dan

berkontak langsung dengan lapisan sponge iron. H2S pada feed gas akan diikat oleh

Fe2O3.6H2O menurut reaksi berikut :

Fe2O3.6H2O + 3H2S Fe2S3.6H2O + 3H2O + Q (panas)… (R.1)

Ke dalam “Sponge Iron” Desulfurizer (201-D) diinjeksikan larutan NaOH dengan

konsentrasi 0,3-0,5% (204 L) untuk menjaga pH agar kondisi sponge iron tetap basa (pH 7-

7,5) dan diinjeksikan juga uap air untuk mengabsorbsi dan mengikat cukup lama H 2S, agar

reaksi dengan sponge iron dapat berlangsung sekaligus mencegah terjadinya dehidrasi

sponge iron.

c) Dehidrasi

Merupakan proses untuk menghilangkan kandungan air didalam gas. Gas alam (feed gas)

masuk dari bottom (dasar) absorber dan melalui 10 “bubble cap trays”. Pada bagian atas

absorber 201-L dilengkapi dengan demister untuk mencegah agar glycol tidak terbawa oleh

aliran gas yang keluar dari puncak absorber 201-L. Agar gas alam yang dikirim ke unit

pemisahan Heavy Hidrocarbon benar-benar bebas dari air dan glycol berlebih dialirkan

melalui KO Drum yang dipasang sebagai alat tambahan.

Lean glycol (glycol bersih) masuk absorbser di atas “top tray” absorber, mengalir ke bawah

dan berkontak secara “counter current” dengan feed gas (yang mengalir ke atas). Uap air

akan diserap dan ikut kedalam glycol. Glycol yang telah digunakan diregenerasi dengan jalan

dipanaskan pada temperatur 204oC dalam tekanan atmosfer untuk menguapkan airnya

dengan bantuan stripping gas yang bertekanan 0,1-0,15 kg/cm2.

Sebelum dikembalikan ke absorber 201-L, lean glycol didinginkan didalam glycol exchanger

dan glycol cooler. Temperatur lean glycol dijaga 6oC diatas temperatur gas masuk ke

absorber 201-L untuk mencegah kondensasi hydrocarbon yang dapat menyebabkan foaming

di absorber 201-L.

Pemisahan Heavy Hidrocarbon (HHC)

Heavy Hidrocarbon (HHC) adalah senyawa hidrocarbon yang mempunyai berat molekul

tinggi atau atom C nya lebih dari 1, yaitu C2H6, C3H8, C4H10, C5H12 dan C6+. Pemisahan HHC ini

menggunakan prinsip perbedaan sifat fisis yaitu dengan pendinginan sampai temperatur –18

0C. Pendinginan ini terjadi di Chiller (203 – C) dengan medium pendingin ammonia.

Feed gas yang telah bebas air terbagi menjadi dua aliran, aliran pertama melalui shell side

feed gas exchanger (204 C) dan aliran kedua melalui tube side feed gas exchanger (206 C).

Kedua stream bergabung kembali kemudian melewati tube side dari feed gas chiller (203 C).

Disini gas campuran tadi didinginkan dengan ammonia cair sampai temperatur gas turun

menjadi –18oC. Aliran gas ini kemudian masuk feed/fuel separator (206-F) dimana

hidrocarbon berat dicairkan terpisah dari aliran gas.

Gas umpan yang bebas dari hydrocarbon berat dipanaskan lebih lanjut didalam tube side

exchanger dan shell side exchanger untuk selanjutnya mengalir masuk CO2 Absorber 201-E.

Hydrocarbon berat yang keluar dari fuel separator 206-F setelah terjadi pertukaran panas di

206-C selanjutnya dipanaskan dengan low steam (205-C). Hydrokarbon-hydrokarbon yang

menguap dengan cara pemanasan ini masuk ke fuel gas KO Drum (207-F). Hydrocarbon

berat dalam bentuk gas dipakai sebagai bahan fuel gas tambahan di Primary Reformer101-B

sedangkan yang masih tetap cair dikirim ke burning fit.

Pemisahan CO2

Penyerapan gas CO2 dari feed gas bertujuan mencegah terjadinya metanasi antara CO2 dan

H2 serta untuk mengurangi beban di desulfurizer tahap II, seksi persiapan raw synthesis gas

dan seksi pemurnian synthesis gas. Proses ini dilakukan pada CO2 absorber (201-E) dengan

larutan benfield sebagai bahan penyerap (Potassim Carbonate). Karbon dioksida dihilangkan

sampai mencapai kadar 0,3 %.

Larutan Benfield merupakan larutan Potassium Karbonat (K2CO3) dengan penambahan zat-

zat additif sebagai berikut :

- DEA (DiEtanol Amine) sebanyak (1,5 – 2,5) % untuk mempercepat penyerapan.

- V2O5 (Vanadium Pentoxide) sebanyak (0,5 – 0,8) % untuk mencegah korosi.

- Anti Foam Agent (UCON) untuk mencegah terjadinya pembusaan (foaming).

Feed gas yang bebas air dan HHC dipanaskan pada natural gas exchanger shell side dan

masuk ke bottom CO2 Absorber (201 – E). Feed gas yang masuk absorber kontak secara

counter current dengan larutan Benfield yang mengalir ke bawah, sehingga terjadi

penyerapan CO2 yang ada di feed gas.

Reaksi yang terjadi pada absorber :

CO2 + H2O + K2CO3 2KHCO3 … (R.2)

Pada absorber mempunyai kondisi operasi tekanan tinggi dan suhu rendah, kondisi ini

berlaku terbalik untuk Stripper. Larutan Benfield yang mengandung CO2 keluar dari dasar

absorber dan masuk ke bagian atas Regenerator atau Stripper (202 – E). CO2 yang keluar dari

stripper dapat dibuang langsung atau didinginkan di cooler (208 – C) dan air yang dikandung

gas CO2 dipisahkan di (209 – F). Sedangkan larutan benfield yang telah dilepaskan CO2

dikirimkan kembali ke CO2 absorber.

Reaksi yang terjadi di Stripper :

2KHCO3 K2CO3 + H2O + CO2 …(R.3)

Pemisahan Sulfur Organik

Sulfur organik dalam bentuk senyawa Merkaptan (RSH) tidak dapat langsung dipisahkan,

namun harus diubah terlebih dahulu menjadi senyawa H2S dengan bantuan H2.

Setelah gas umpan dikompresikan oleh kompressor 102-J sampai tekanan sekitar 38 Kg/cm2

mengalir melalui covection primary reformer 101-B setelah diinjeksikan syn gas yang kaya

dengan H2, gas umpan dipanaskan lebih lanjut didalam feed gas preheater coil sampai

temperatur sekitar 371oC, temperatur diatur dengan TRC - 318, kemudian gas umpan

dialirkan masuk ke desulfurizer 101-D, pada prosesnya ini terjadi kontak dengan katalis

CoMo (Cobalt Molebdenum) yang ada, dimana senyawa sulfur organik terdekomposisi dan

sulfurnya mengalami hydrogenasi menjadi H2S.

Reaksi yang terjadi di Cobalt Moly Hidrotreator (101 – D) :

RSH + H2 H2S + HR (Katalis CoMo) …(R.4)

H2S diubah menjadi ZnS di Zine Oxide Guard Chamber (108 – D).

Reaksi yang terjadi :

H2S + ZnO ZnS + H2O (Katalis ZnO) …(R.5)

Reaksi di atas berlangsung pada temperatur 350 – 380 0C. Ketika keluar dari Desulfurrizer

diharapkan kandungan senyawa sulfur sekitar 0,1 ppm.

2. Reforming Unit

Gas proses yang telah diolah di Feed Treating Unit dengan komponen utama CH4 (hampir 90

%), selanjutnya akan diproses di Reforming Unit dimana feed gas diubah menjadi gas H2 dan CO2.

Unit Reforming ini terdiri dari unit-unit :

Saturator

Saturator berfungsi untuk menjenuhkan gas proses dengan Process Water.Gas yang

mengalami desulfurisasi akan meninggalkan guard chamber dan mengalir melalui shell side

209-C untuk didinginkan dan selanjutnya memasuki feed gas saturator untuk penjenuhan

guna mengurangi pemakaian steam di primary reformer. Feed gas mengalir ke atas melalui

saturator tower (301-E) dimana gas tersebut dikontakkan dengan aliran sirkulasi panas, dan

gas yang meninggalkan bagian atas saturator tower akan jenuh dengan uap air.

Primary Reformer

Primary reforming (101-B) befungsi untuk menghasilkan H2 dari CH4 secara ekonomis pada

temperatur dan tekanan tinggi. Gas proses yang jenuh dengan air dimasukkan kedalam

Primary Reformer (101 – B) yang terdiri atas tube-tube yang berisi katalis Nikel Oksida. Di

dalam Primary Reformer terdapat 9 sub header (pipa sub induk) yang diatur secara paralel,

dimana setiap sub header terdiri dari 42 tube dan dilengkapi dengan 200 arch burner. Steam

boleh masuk ke Primary Reformer dengan kondisi temperatur 3000C dan tekanan 42 kg/cm2.

Reaksi di Primary Reformer berjalan pada temperatur 800oC. Panas Primary Reformer

dimanfaatkan untuk memanaskan coil-coil udara dan steam. Sedangkan panas sisa

dikeluarkan oleh ID fan dengan temperatur sekitar 2000C.

Reaksi yang terjadi di Primary Reformer adalah sebagai berikut :

CH4 + H2O CO + 3 H2 (reaksi endotermis) …(R.6)

CO + H2O CO2 + H2 (reaksi eksotermis) …(R.7)

Proses di Primary Reformer secara keseluruhan bersifat endotermis.

Secondary Reformer

Untuk menyempurnakan reaksi Reforming (pemecahan CH4 menjadi CO, CO2 dan H2), reaksi

Secondary Reformer berlangsung pada temperatur yang lebih tinggi (900 – 1200) 0C. Gas dari

Primary Reformer dialirkan ke Secondary Reformer (103 D) melalui transfer line yang

mempunyai water jacket. sTemperatur masuk secondary reformer kira-kira 8000C. Udara

proses dan steam yang telah dipanaskan bertemu dengan aliran gas purge melewati

chamber bagian atas dari secondary reformer. Keadaan ini memberikan campuran yang baik

antara udara dan gas proses sehingga terjadi pembakaran secara cepat dan membagi panas

pembakaran keseluruh permukaan katalis. Maksud penambahan udara adalah untuk

memperoleh nitrogen bebas sebagai bahan baku pembuatan ammonia. Udara mengandung

sekitar 20 % O2, 79 % N2, 1 % Ar. Gas panas dari bagian combustion section reformer

mengalir kebawah melalui katalis nikel, membuat reaksi reforming menjadi sempurna.

Reaksi yang terjadi adalah :

1. 2 H2 + O2 2 H2O (reaksi eksotermis) …(R.8)

2. 2CO + O2 2 CO2 (reaksi eksotermis) …(R.9)

3. 2 CH4 + 3 O2 2 CO + 4 H2O (reaksi eksotermis) …(R.10)

Panas yang dihasilkan di alat ini dimanfaatkan untuk menghasilkan steam di 101 CA / CB dan

102 – C, yang merupakan pemasok steam terbesar untuk Ammonia Plant sekitar 85 %

kebutuhaan steam. Secara keseluruhan reaksi bersifat eksotermis. Di secondary reformer

dihasilkan gas sintesa untuk sintesa ammonia dengan perbandingan N2 : H2 adalah 1 : 3.

Effisiensi maksimum pada operasi ini adalah diharapkan terjadi pembakaran partial

sebanyak mungkin.

3. Purifikasi

Gas sintesa yang dihasilkan di secondary reformer mengandung CO dan CO2 yang tidak baik

untuk Ammonia Converter. Oleh karena itu pada tahap purifikasi CO dan CO2 dihilangkan.

Tahapan purifikasi tersebut adalah sebagai berikut :

Konversi CO pada Temperatur Tinggi dan Rendah

Bertujuan untuk mengkonversi CO menjadi CO2 di High Temperature Shift Converter (HTSC) dan

Low Temperature Shift Converter (LTSC) dimana kedua alat ini dibuat menjadi satu alat namun

sebenarnya terpisah (104 D). Dari tube side, gas masuk ke HTSC dengan katalis besi pada

temperatur 350 – 4200C.

High Temperatur Shift Converter

Pada Shift Converter (104 – D) akan terjadi konversi CO menjadi CO2, agar CO2 dapat diserap

oleh larutan Benfield, selain itu untuk meringankan beban di Methanator agar katalis tidak

mengalami overheating. Pada HTSC, reaksi berjalan cepat tetapi konversi CO menjadi CO2

menurun. Reaksi yang dilaksanakan pada temperatur tinggi pada HTSC dimaksudkan untuk

memanfaatkan kecepatan reaksi yang tinggi. Gas masuk pada top HTSC melalui distributor,

mengalir kebawah menuju catalyst bed berisi katalis Fe2O3. Temperatur CO yang keluar HTSC

kira-kira 4300C dimanfaatkan sebelum masuk LTSC pada temperatur 2100C.

Reaksi yang terjadi adalah :

CO + H2O H2 + CO2 ...(R.11)

Low Temperatur Shift Converter

Unit ini merubah CO menjadi CO2 yang belum terkonversi di HTSC dengan bantuan katalis

Tembaga Alumina (Cu-ZnO). LTSC ini temperaturnya rendah sehingga dapat memanfaatkan

kondisi kesetimbangan dimana dapat dicapai konversi yang lebih tinggi. Reaksi yang terjadi

adalah :

CO + H2O CO2 + H2 …(R.12)

Reaksi ini bersifat eksotermis dan lambat sehingga pada suhu rendah (180 – 260) 0C,

konversinya bisa tinggi. Maksimum CO yang keluar dari LTSC dalam gas campuran < 0,5 %.

Pemisahan CO2

Pemisahan CO2 pada unit ini secara prinsip sama dengan pemisahan CO2 di Feed Treating.

Perbedaan yang ada terletak pada adanya Flash Tank yang dihubungkan dengan Stripper,

sehingga pada unit ini tekanan di Stripper bisa lebih rendah, akibatnya pemisahan CO2 di Stripper

lebih sempurna. CO2 dari Stripper merupakan pemasok utama CO2 untuk Urea Plant.

Keluaran LTSC didinginkan ke 1153 – C, 1105 – C, 1113 – C dan 1155 – C sehingga temperatur

sekitar 1060C dan masuk ke Raw Gas Separator 102 – F. Gas yang keluar dari 102 – F masuk ke

1101 – E (CO2 Absorber). Kondensat dari 102 – F dialirkan ke make up proses kondensat 301 – E

dan ke 4201 – E Offsite.

Keluaran top 1102 – E yang berupa gas CO2 didinginkan di 1110 – C dan masuk ke CO2 Stripper

Reflux Drum (1103 – F). Produk top 1103 – F dengan temperatur sekitar 470C dikirim sebagai CO2

produk ke Urea Plant dan CO2 Dry Ice Plant.

Keluar dari Absorber 1101 – E masuk ke 1113 – F CO2 Absorber Knock Out Drum lalu masuk ke

136 – C sebagai media pendingin selanjutnya ke 104 – C yang menuju ke Methanator (106 – D).

Reaksi di dalam CO2 absorber 1101-E :

K2CO3 + H2O + CO2 2KHCO3 … (R.13)

Methanasi

Kedua tahapan proses diatas masih menyisakan CO dan CO2 dalam jumlah kecil < 10 ppm. Untuk

itu CO dan CO2 diubah menjadi CH4 dengan menggunakan methanator. Gas yang keluar dari CO2

Absorber dipanaskan sampai 290oC dan masuk melalui top Methanator 106-D. Penghilangan

senyawa oksida carbon ini disempurnakan di Methanator 106-D melalui reaksi methanasi

dengan menggunakan katalis Nikel (Ni) sebagai berikut :

CO + 3 H2 CH4 + H2O + Q …(R.14)

CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O + Q …(R.15)

Reaksi diatas merupakan reaksi eksotermis, yang akan memberikan kenaikan temperatur

sebesar 72oC tiap %mol CO dan 64oC tiap % mol CO2. Oleh karena itu kandungan CO dan CO2 inlet

Methanator dibatasi maksimal 0,5% agar tidak terjadi overheating akibat reaksi eksotermis yang

terlalu besar.

Gas sinteas keluar dari Methanator dengan kandungan CO dan CO2 < 10 ppm kemudian

dikirim ke seksi Sintesa Ammonia (Synthesis Loop).

4. Synthesis Loop

a. Compression

Compression ini bertujuan untuk menaikkan tekanan gas sintesa dari 27 Kg/cm2 menjadi 134

Kg/cm2 dan temperatur 35oC menjadi 70,6oC dengan menggunakan 2 tingkat kompressor. Tingkatan

kompressor ini terdiri atas LP Case dan HP Case, diantara LP Case dan HP Case terdapat beberapa

penukar panas dan separator dengan maksud agar proses gas atau synthesis gas yang dikirim ke

daerah Synthesis Loop benar-benar memenuhi persyaratan. Pada kompressor tingkat LP Case

tekanan gas sintesa naik hingga mendekati setengah dari tekanan akhir yang dibutuhkan untuk

sintesa ammonia yaitu dari 27 Kg/cm2 dinaikkan menjadi 64,5 Kg/cm2 dan temperatur dari 38oC

menjadi 8oC yang didinginkan oleh tiga tingkat pendingin, yaitu :

1. dengan pertukaran panas menggunakan gas yang akan masuk ke methanator (136-C),

2. dengan air pendingin di dalam pendingin gas sintesa antar tingkat (116-C),

3. dengan ammonia dalam chiller gas sintesa antar tingkat (pendinginan terakhir sampai

temperatur mencapai 8oC dan mengembun hampir seluruh air yang terdapat dalam gas pada

first stage separator, (129-C).

Gas sintesa yang mengandung sedikit uap air masuk ke kompresor tingkat kedua atau

tingkat HP Case (103-J) akan bergabung dengan ammonia panas dari sintesis converter ( temperatur

48oC dan tekanan 124,5 Kg/cm2) dengan tekanan gas sintesa yang keluar dari kompressor tingkat dua

adalah 134 kg/cm2.

Campuran gas dari kompressor tingkat 2 ini didinginkan pada Heat Exchanger 124-C, 117-C,

118-C dan 119-C dengan temperature akhir –22oC dan kemudian masuk ke Ammonia Refrigeration

Vessel 106-F.

Di dalam Ammonia Refrigeration Separator Vessel terjadi pemisahan ammonia dengan gas-

gas lain yang belum terkonversi menjadi ammonia. Ammonia cair tadi ditampung di Intermediate

Refrigeration Flash Drum 107-F yang selanjutnya akan dikirim ke proses pemurnian ammonia. Gas-

gas lain yang belum terkonversi menjadi ammonia dikirim ke proses sintesa ammonia.

b. Synthesis reaction

Ammonia converter (105-D), berisi kira-kira 75 m2, 204.000 kg promoted iron catalyst. Katalis

ini diletakan di dalam internal basket yang didesain terdiri dari empat katalis bed yang terpisah di

dalam reaktor.

Bed paling atas adalah paling kecil volumenya dan ketiga bed makin ke bawah volumenya

makin besar. Tujuannya untuk membatasi panas reaksi yang eksotermis pada bed yang atas (dimana

reaksi paling cepat) sehingga converter dapat dijaga pada temperatur yang diinginkan.

Dengan temperatur converter kira-kira 400 - 4800C dan tekanan 130 - 140 kg/ cm2 sebagian

dari gas sintesa (H2 dan N2) yang melewati katalis akan berubah menjadi ammonia dengan reaksi

sebagi berikut :

N2 + 3 H2 2 NH3 + Q … (R.16)

Reaksi diatas merupakan reaksi eksotermis, dimana rasio N2/H2 = 1/3, konsentrasi ammonia

dalam gas alam yang akan keluar dari bed terakhir ammonia converter kira-kira 15 % mol.

Selanjutnya gas sintesa yang keluar dialirkan menjadi dua bagian ke refrigeration purge separator

vessel 108-F sedangkan bagian lain dikirim ke kompressor tingkat 2 yang akan bergabung dengan gas

sintesa dari methanator.

Pada ammonia converter dilengkapi dengan quench ke setiap bed catalyst yang berfungsi

untuk mengatur temperatur yang masuk ke tiap-tiap bed catalyst.

5. Pemurnian Produk

Amonia harus terus-menerus dipisahkan dari recycle gas yang menuju conventer amonia

karena keberadaannya yang cepat menumpuk dalam reaktor sintesis akan mempengaruhi

kesetimbangan reaksi. Hal ini dilakukan dengan jalan mendinginkan aliran recycle gas sintesis

melalui beberapa pendingin atau chiller-chiller untuk mengembunkan produksi amonia yang

dihasilkan.

Pemurnian produk amonia dilakukan memanfaatkan sistem refrigrerasi mempunyai dua

macam kegunaan, yaitu :

a. Menguapkan cairan amonia secara terus-menerus pada batas tekanan rendah untuk

melepaskan gas-gas yang terlarut dan kemudian dikirim ke sistem bahan bakar gas.

b. Proses pendinginan akan mengambil panas dari gas sintesa dalam loop gas sintesa untuk

mendinginkan sebagian gas recycle guna mendapatkan pemisahan dan pengambilan hasil

amonia yang memuaskan dari loop sintesis.

Secondary ammonia separator 106 – F, menerima cairan amonia dari Primary Ammonia

Separator dimana hasil amonia telah dipisahkan dari gas sintesa dengan tambahan sedikit aliran dari

purge gas separator, tekanan pada Secondary Ammonia Separator diatur pada 14,2 kg/cm2 dan

membuang kelebihan tekanan ke sistem purge gas tekanan rendah. Aliran cairan dari Secondary

Ammonia Separator diturunkan tekanannya (let down) menuju dua tempat dalam sistem refrigerasi.

Satu aliran dikirim ke refrigerant flash drum tingkat 2 111 – F refrigerant flash drum tingkat 3 112 – F

dan aliran kedua ke refrigerant flash drum tingkat 3 112 – F. Refrigerant flash drum tingkat 3 112 – F

ini memberikan pelayanan pada proses dengan tiga cara, yaitu :

a. Dengan penguapan yang kuat dan semua gas inert akan terpisah dari amonia.

b. Sebagai heat drum pada sirkulasi pendinginan karena mengambil panas dari loop gas sintesa

melalui chiller.

c. Menerima uap amonia dari chiller.

Amonia yang telah menguap dalam sistem dihisap dan dimampatkan oleh kompresor

amonia dan kemudian dihimpun di dalam refrigerant receiver dan tekanan dijaga kira-kira 10 %

diatas tekanan uap amonia pada temperatur operasi. Amonia panas dari drum refrigerant receiver

dipompakan dan bergabung dengan arus dingin dari refrigerant flash drum tingkat 3 yang

dipompakan pada battery limits sehingga akan diperoleh temperatur amonia yang diinginkan, yaitu

30oC. Produk amonia panas ini akan dikirim ke pabrik diuapkan dengan penurunan tekanan secara

bertahap, yaitu pada refrigerant flash drum tingkat pertama yang temperaturnya 14,6oC.

Amonia yang tidak dikirim ke battery limits diuapkan kembali di Refrigerant Flash Drum

Tingkat Pertama. Temperatur dari refrigerant flash drum tingkat pertama tidak berubah-ubah

bertahan pada tekanan menengah dari case kedua kompresor amonia, tekanannya kira-kira 6,25

kg/cm2. Drum ini berfungsi sebagai head drum dan memberikan supply amonia pada chiller.

Tekanan dari refrigerant flash drum tingkat kedua tidak berubah-ubah bertahan pada tekanan

masuk dari case kedua kompresor amonia, tekanannya kira-kira 2,2 kg/cm2 dengan temperatur –

7,8oC. Cairan amonia yang menguap dari flash drum tingkat pertama masuk ke refrigerant flash drum

tingkat kedua dan disirkulasikan dengan pengaruh termosyphon melalui chiller tingkat dua. Hasil

cairan dari refrigerant flash drum tingkat kedua diuapkan purge gas chiller dalam loop sintesa dalam

chiller gas alam untuk memberikian pendinginan.

Compressor Refrigerant beroperasi pada sistem pemurnian dengan dua cara :

a. Untuk menjaga tekanan-tekanan yang dikehendaki dalam flash drum tingkat satu, dua dan

tiga.

b. Untuk menaikkan tekanan semua uap amonia sehingga amonia dapat diembunkan sampai

temperatur sedikit di bawah titik embunnya dengan air pendingin dalam ammonia

condenser.

2.1.2 Penampungan Produksi Ammonia

Penampung produk refrigerasi (refrigerant receiver) 109 – F menampung semua hasil

produksi amonia. Produk amonia terbagi atas dua jenis :

a. Produk Amonia Panas (30oC)

Produk ini diambil langsung dari penampung amonia 109 – F dan dipompa oleh

pompa amonia 125 – J sebagai bahan baku pabrik urea. Suhunya dijaga dengan mengatur

penginjeksian amonia dingin dari 112 – F melalui pompa 118 – F. Kelebihan amonia yang

tidak terpompakan oleh 125 – J, selanjutnya dikirim ke 110 – F.

b. Produk Amonia Dingin (–30oC)

Untuk memproduksi jenis amonia ini, seluruh amonia dari penampung 109 – F

dikirim ke 110 – F. Dari sini, amonia tersebut dikirim 111 – F dan 112 – F. Produk amonia

dingin dari 112 – F inilah yang nantinya dipompa oleh 124 – J menuju ke amonia storage.

2.1.3 PGRU ( PURGE GAS RECOVERY UNIT)

PGRU adalah unit tambahan dalam Ammonia Plant yang berfungsi untuk mengolah gas

buangan yang berasal dari Ammonia Plant untuk dimanfaatkan kembali. Gas buang itu sendiri

mengandung ammonia dan H2. PGRU pertama kali dibangun pada tahun 1985 di Ammonia Plant

Pusri IV dengan kapasitas 180 Nm3/hr dengan sistem coldbox. Karena kapasitasnya kecil, maka pada

tahun 2001 dibangun lagi PGRU Pusri III dengan teknologi PRISM untuk pemisahan H2 berkapasitas

olahan total 2700 Nm3/hr. Dengan kapasitas itu cukup untuk mengolah gas buang dari Pusri II, Pusri

III dan Pusri IV.

Kelebihan teknologi pada PGRU Pusri III dibanding dengan PGRU Pusri IV adalah selain

memiliki kapasitas olahan yang lebih besar, unit ini juga mampu mengolah gas buang bertekanan

tinggi maupun yang bertekanan rendah. Selain itu pada teknologi Joule Thomson Effect Pusri IV

sangat rentan terhadap perubahan temperatur operasi karena prinsip kerjanya yang memisahkan

ammonia dan gas buang dengan cara mencairkannya. Hal ini tentu saja akan sangat tergantung pada

keadaan temperatur operasinya. Bila temperatur lingkungan meningkat maka suhu operasi yang

rendah akan sulit tercapai akibatnya operasi berjalan tidak sempurna.

Prinsip kerja pemisahan PGRU Pusri III, didasarkan pada perbedaan tekanan parsial gas-gas

dalam campuran. PGRU Pusri III didesain untuk merecovery 90 % H2 dengan kemurnian produk HP H2

sebesar 93 %, LP H2 sebesar 91 % dan ammonia cair 99 % dengan kemurnian 99,5 % berat.

PGRU Pusri III memiliki 4 seksi :

I. Seksi High Pressure Scrubber

Purge gas sebagai feed diolah dengan cara mengontakkannya dengan air masuk ke bottom High

Pressure Scrubber (C – 211). Ammonia cair yang dihasilkan dimurnikan pada suatu sistem

destilasi untuk mendapatkan ammonia 99 % dengan kemurnian 99,5 % berat. Sedangkan bagian

top High Pressure Scrubber berupa gas dengan temperatur 18 0C dijenuhkan dengan air. Untuk

menghilangkan gas dari kejenuhan dan untuk memberikan keadaan pemisah-pemisah yang

optimum, maka temperatur gas buang dinaikkan sampai 35 0C oleh pemanas umpan E – 216.

Pemanasnya berupa air sirkulasi yang panas dari sistem destilasi.

II. Seksi H2 Recovery

Gas yang dihasilkan di bagian top High Pressure Scrubber dan telah dipanaskan akan melewati

enam pemisah PRISM (M – 203 – 01 s/d M – 203 – 06) pada tekanan tinggi dan 12 pemisah

PRISM (M – 204 – 01 s/d M – 204 – 12) pada tekanan rendah. Gas yang kaya H 2 masuk melalui

pori-pori melalui serat berpori dan keluar melalui saluran-saluran gas masuk dalam dasar tiap

pemisah PRISM. Tekanan H2 produk pada PRISM bertekanan tinggi adalah 75 kg/cm2G

sedangkan tekanan produk pada PRISM bertekanan rendah adalah 35 kg/cm2G. Sedangkan gas

yang meninggalkan sisi dinding dari pemisah-pemisah PRISM merupakan aliran tidak jenuh yang

mengalami penurunan jumlah hidrogen dan meninggalkan PGRU menuju sistem gas bahan

bakar pabrik.

III. Seksi Low Pressure Scrubber

Gas buang yang bertekanan rendah digabungkan dengan aliran sirkulasi ulang

yang kecil dan tidak pekat dari sistem destilasi dan memasuki dasar Low Pressure

Scrubber (C – 231). Air dikontakkan ke bagian atas Low Pressure Scrubber dari aliran

air sirkulasi sistem destilasi yang beroperasi pada tekanan yang lebih tinggi. Aliran gas

atas mengandung sekitar 0,5 % ammonia. Aliran tersebut digabungkan dengan aliran

tidak jenuh dari PRISM dan menuju sistem gas bahan bakar pabrik.

Aliran ammonia cair dari Low Pressure Scrubber dinaikkan tekanannya dengan pompa Low

Pressure Scrubber (P – 232 A/B). Salah satu pompa ini beroperasi dan satunya stand by.

IV. Seksi NH3 Destilasi

Aliran ammonia cair dari High Pressure Scrubber (C – 211) maupun Low Pressure Scrubber (C –

231) digabungkan dan mengalir menuju sistem destilasi ammonia. Pertama, cairan tersebut

ditukar dengan aliran dasar sistem destilasi ammonia untuk memperoleh panas dalam Stripper

Interchanger (E – 222). Kemudian dimasukkan ke bagian tengah kolom destilasi Ammonia

Stripper (C – 221). Aliran yang bertekanan sedang mengalir ke bawah menuju Reboiler (E – 224).

Lalu aliran dasar kolom destilasi digunakan untuk memanaskan kembali membrane feed dalam

Feed Heater (E – 216) dan kemudian memanaskan kembali feed kolom destilasi dalam (E – 222).

Kemudian aliran dasar kolom destilasi didinginkan lebih lanjut melalui pertukaran dengan air

pendingin dalam Condensate Cooler (E – 234) sebelum dikembalikan ke Low Pressure Scrubber

dan Tank Condensate (D – 216). Sedangkan untuk make up adalah Demineralized Water.

Ammonia yang berada dibagian atas dikondensasikan pada Condenser (E – 223) melalui pertukaran

dengan air pendingin. Produk ammonia dikembalikan pada tekanan sebesar 27 kg/cm 2g. Dengan

cara ini, kemudian produk ammonia sebesar 99,5 % berat dapat dipertahankan. Sejumlah gas yang

terlarut yang berada dalam aliran feed ammonia cair keluar melalui atas Condenser dan

dikembalikan ke tempat masuk di Low Pressure Scrubber untuk recovery Ammonia.