Ads 720 x 90

Pembuatan Amonia Menurut Proses Haber-Bosch

Pada tahun 1981, Fritz Haber yang lahir di Breslau yang kala itu terletak di Jerman (sekarang termasuk wilayah Polandia), mendapat hadiah Nobel Kimia untuk kontribusinya dalam mengembangkan sintesis amonia. Dengan Carl Bosch, dia menemukan proses produksi amonia skala besar yang dikenal sebagai Proses Haber-Bosch.

Amonia banyak dipakai sebagai bahan baku industri pupuk seperti urea (NH2CONH2), amonium nitrat (NH4NO3), pupuk ZA (NH4)2SO4, dan diamonium fosfat (NH4)2HPO4. Industri kimia yang menggunakan amonia sebagai bahan baku antara lain adalah pabrik asam nitrat (HNO3) dan natrium bikarbonat (NaHCO3). Amonia juga bisa dipakai sebagai refrigerant.

Pembuatan Amonia dari Gas Alam
Pada proses Haber-Bosch, amonia dibuat dari gas alam sebagai sumber H2 dan udara sebagai sumber N2. Untuk membuat H2 dari gas alam ini diperlukan steam (H2O). Proses dimulai dengan pembuatan gas sintesis yaitu campuran gas H2 dan N2 dengan perbandingan 3:1 sesuai yang diinginkan untuk sintesis amonia. Selanjutnya gas sintesis dimasukkan ke reaktor sintesis amonia untuk direaksikan menjadi amonia.

Proses pembuatan gas sintesis dari gas alam ini terdiri atas beberapa langkah, yaitu:
  1. Pemurnian gas alam yang tergantung pada pengotor (impurities) yang ada pada gas alam
  2. Pembuatan gas sintesis yang terjadi di Primary Reformer dan Secondary Reformer
  3. Pemurnian gas sintesis yang terjadi di CO Shift Converter, CO2 removal, dan Metanator.
amonia haber bosch industri diagram skema
Gambar 1. Skema pembuatan amonia.
Sumber: http://ietd.iipnetwork.org/content/ammonia

Pemurnian Gas Alam
Gas alam yang komponen utamanya CH4 mengandung pengotor yang bervariasi tergantung pada sumbernya. Pengotor (impurities) dalam gas alam harus dihilangkan, untuk menghindari rusaknya katalisator. Alat atau proses yang digunakan tergantung pada jenis pengotor yang ada dalam gas alam.
Pengotor yang ada dalam gas alam dapat berupa debu, merkuri, senyawa belerang (organik maupun anorganik), uap air, hidrokarbon berat, dan CO2. Pengotor gas alam berbeda-beda, tergantung darimana sumber gas alam diperoleh. Berikut adalah cara pemurnian gas alam:

1. Penghilangan merkuri (Hg)
Apabila gas alam mengandung merkuri, maka Hg dihilangkan dalam merkuri dengan (Hg)-Guard Chamber yang berisi sulfur impregnated dalam karbon aktif. Reaksi yang terjadi:
Hg + S → HgS
2. Penghilangan senyawa belerang/sulfur
Sulfur organik dihilangkan dalam hidrometer dengan katalisator Cobalt-Molybdenum (Co-Mo). Reaksi yang terjadi:
CO2 + H2 → CO + H2O + Q
CO + 3H2 → CH4 + H2O + Q
Kandungan CO2 harus diturunkan dulu karena reaksi dengan Co-Mo menghasilkan kalor yang bisa merusak katalisator.

Pembuatan Gas Sintesis
Gas alam yang sudah bersih dari pengotor, dimasukkan ke reformer untuk direaksikan dengan steam membentuk gas hidrogen. Reformer terdiri dari primary reformer dan secondary reformer.

A. Primary Reformer
Ke dalam primary reformer, gas alam direaksikan dengan steam (uap air) sehingga terjadi reaksi utama sebagai berikut:
CH4 + H2O ↔ 3H2 + CO
CO + H2O ↔ CO2 + H2
Reaksi utama di atas terjadi di dalam tube dengan bantuan katalisator Nikel (Ni). Reaksi samping yang mungkin terjadi adalah:
CH4 ↔ C + 2H2 + Q
2CO ↔ C + CO2 - Q
Reaksi samping terjadi apabila steam (uap air) yang ditambahkan kurang, sehingga disyaratkan agar perbandingan steam dengan karbon (S/C) rasio 2,8 - 3,3. Reaksi samping ini merupakan reaksi eksotermis sehingga kemungkinan bisa terjadi hot spot di tube katalisator. Reaksi di tube terjadi pada suhu 650°C - 800°C dan secara keseluruhan reaksinya adalah endotermis, maka perlu kalor selama reaksi. Kalor diperoleh dengan pembakaran gas alam yang belum dibersihkan di luar tube. Reaksi pembakaran yang terjadi:
CH4 + O2 → CO2 + H2O
Kondisi operasi primary reformer dan hal yang perlu dikendalikan di P.T. Pupuk Kujang adalah:
  1. Tekanan 15-40 atm
  2. Temperatur 650-800°C
  3. Konsentrasi CH4 yang lolos 9-14%
  4. Efisiensi pembakaran (komposisi gas buang, excess udara, temperatur gas buang, dll.)
primary reformer inlet burner reformer katalis gas secondary reformer
Gambar 2. Primary dan Secondary Reformer
Sumber: http://ietd.iipnetwork.org/content/steam-reforming

B. Secondary Reformer
Fungsi dari secondary reformer adalah melanjutkan reaksi yang terjadi di primary reformer yaitu mengonversikan sisa CH4 (9-14%) menjadi H2. Ke dalam secondary reformer dimasukkan udara sebagai sumber nitrogen (N2). Secondary reformer berupa reaktor fixed bed yang berisi katalisator nikel (Ni). Bagian atas dari reaktor disebut combustion zone (tidak berkatalisator) yaitu daerah pembakaran antara H2, CH4 dengan O2 (yang berasal dari udara yang masuk) dan bagian bawah disebut reaction zone (berisi katalisator Ni), tempat terjadinya reaksi utama.

Reaksi yang terjadi di combustion zone, yaitu:
2H2 + O2 ↔ 2H2O
CH4 + O2 ↔ CO2 + H2O
2CO + O2 ↔ 2CO2
Reaksi yang terjadi pada katalis Ni di reaction zone, yaitu:
CH4 + H2O ↔ 3H2 + CO
CO + H2O ↔ CO2 + H2
Umpan secondary reformer adalah gas yang keluar dari primary reformer dan udara yang diinjeksikan sebagai media pemanas dan sumber nitrogen. Gas reaktan dan udara harus tercampur homogen dengan menggunakan desain burner khusus. Bila pencampuran jelek, akan menghasilkan temperatur tinggi. Hal ini mengakibatkan katalisator bisa terbakar, distribusi tidak merata, dan pressure drop tinggi. Oksigen harus habis bereaksi pada combustion zone. Jika terjadi kegagalan umpan (gas alam terhenti di primary reformer), maka harus segera dilakukan penghentian supply udara.

Pemurnian Gas Sintesis
Gas yang keluar dari secondary reformer (raw syn gas) masih mengandung gas CO dan CO2 yang tidak boleh ada pada umpan reaktor amonia. Oleh karena itu, perlu dimurnikan agar gas yang masuk synthesis loop hanya berupa gas H2 dan N2 dengan gas inert berupa Argon (Ar) dan metana (CH4). Proses pemurnian gas sintesis terjadi di CO shift converter, CO2 removal (CO2 absorber dan stripper), serta methanator. Air yang masih ada bersama gas keluar methanator, diembunkan dan gas ini disesuaikan kondisinya agar siap memasuki synthesis loop untuk dikonversi menjadi amonia.

A. Shift Converter
Fungsi dari shift converter adalah merubah gas CO menjadi gas CO2. Shift converter terdiri dari dua bagian, yaitu High Temperature Shift (HTS) Converter dengan katalisator Fe dan Low Temperature Shift (LTS) Converter dengan katalisator Cu. Reaksi yang terjadi:
CO + H2O ↔ CO2 + H2
Temperatur yang rendah dan H2O yang banyak akan menggeser kesetimbangan reaksi ke arah kanan. Temperatur tinggi mempercepat laju reaksi, namun karena reaksi setimbang dan eksotermis, jika temperatur semakin tinggi, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri. Oleh karena itu, konversi CO dilakukan dalam dua tahap, yaitu di HTS dan LTS. Gas dari secondary reformer dimasukkan ke HTS supaya reaksi berjalan cepat dan diturunkan suhunya sebelum kesetimbangan bergeser ke kiri, lalu dialirkan ke LTS untuk menggeser kesetimbangan ke kanan. Kondisi operasi shift converter adalah:

  1. HTS, temperatur tinggi (315-500°C) agar reaksi berlangsung cepat
  2. LTS, temperatur rendah (200-250°C) agar kesetimbangan bergeser ke kanan (ke arah pembentukan CO2.
  3. CO slip HTS sekitar 3,2% dan CO slip LTS kurang lebih 0,17%. CO slip ditekan sekecil mungkin karena CO yang lolos akan menurunkan potensi hasil amonia.
B. CO2 Removal
Fungsi dari CO2 removal adalah memisahkan CO2 dari gas yang ke luar dari shift converter. Larutan penyerap bisa dipakai larutan Benfield atau aMDEA (activated methyl diethanol amine). Proses pemisahan CO2 (CO2 removal) terdiri atas dua alat utama, yaitu Absorber dan Stripper. Absorber dioperasikan pada tekanan tinggi dan temperatur yang rendah, sedangkan Stripper pada tekanan rendah dan temperatur tinggi. Larutan Benfield terdiri atas K2CO3 sebagai penyerap CO2, V2O5 sebagai bahan untuk membentuk lapisan pasivasi, dan DEA yang berfungsi sebagai aktivator penyerap CO2.

Reaksi yang terjadi pada proses penyerapan di absorber adalah:
CO2 + K2CO3 + H2O <-> 2KHCO3
Regenerasi larutan Benfield di stripper yaitu:
2KHCO3 <-> CO2 + K2CO3 + H2O
Larutan penyerap yang baik harus bisa memenuhi dua aspek, yaitu:
1. Aspek teknis, seperti:

  • Kapasitas penyerapan larutan penyerap terhadap CO2 besar
  • energi stripping kecil
  • energi untuk pemompaan kecil (viskositas rendah)
  • tingkat korosi rendah
  • stabil (tidak terdegradasi, tidak volatil)
2. Aspek ekonomis yaitu murah dan mudah didapat.

C. Methanator
Fungsi dari methanator adalah mereaksikan CO dan CO2 yang lolos dari proses sebelumnya menjadi CH4. Gas CO dan CO2 ini merupakan racun pada amonia converter. Gas CO2 yang lolos akan bertemu dengan NH3 yang ter-recycle menjadi amonium karbamat dengan persamaan reaksi:
CO2 + NH3 <-> NH4COONH2
Amonium karbamat sangat korosif akan mengendap sebagai deposit pada kompressor syn gas.

D. Synthesis Loop
Fungsinya adalah:
1. Tempat terjadinya reaksi pembentukan amonia sesuai dengan persamaan:
N2 + 3H2 <-> 2NH3
2. Tempat pemisahan NH3 cair dari hasil pendinginan
3. Tempat pemisahan gas inert (CH4 dan Ar) yang terbawa dari proses bagian depan (Methanator)

Reaksi pembentukan amonia dari gas nitrogen dan hidrogen adalah reaksi bolak-balik dan eksotermis. Kondisi operasi proses ini adalah tekanan 100-250 bar, 350-550°C, dan perbandingan H/N = 2,5-3,5. Konsentrasi amonia produk berkisar antara 12-22% karena reaksi kesetimbangan yang tidak favorable. Konversi yang kecil, sehingga gas yang tidak bereaksi akan direcyle. Gas CO, CO2, dan H2O tidak diizinkan kontak dengan katalisator karena merupakan racun. Kalor reaksi yang dihasilkan besar dan dimanfaatkan untuk pembangkit steam. Gas inert harus dikeluarkan/purge dari syn loop karena akan menurunkan tekanan parsial yang mengakibatkan konversi rendah.

Related Posts

Post a Comment

Subscribe Our Newsletter