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.
