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 CO2 stripper 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).
