Pabrik amoniak

Fiksasi Nitrogen N2 bebas di udara pupuk N2 + 3 H2 2 NH3 ∆H 500oC = - 26 kal/mol Fe 500 oC , 100 atm

Haber menemukan jalur reaksi sintesa amoniak 1901 Le Chatelier pertama kali mensintesa amoniak. 1904-1907 Ostwald, Nernst and Haber mempelajari kesetimbangan sistem sintesa amoniak. Haber membuat percontohan skala kecil menggunakan berkapasitas 80 gr/jam memakai katalis Os. 1911 Proses Haber-Bosch (BASF) menggunakan katalis besi (Fe). Pabrik komersil berkapasitas 30 ton/hari dibangun di Oppau, Germany 1919 Haber mendapat hadiah Nobel.

Siklus Nitrogen nitrat tanah Nitrogen di atmosfir petir aktivitas gunung berapi petir G bangkai dan kotoran makhluk hidup nitrat terambil akar tanaman P protein nabati dan hewani NF pupuk anorganik sintetik garam amonium bangkai dan kotoran makhluk hidup nitrat tanah bakteri nitrifikasi hilang ke dasar laut G : Ganggang biru-hijau P : protein nabati dan hewani NF : Nitrogen yang diikat (difiksasi) oleh bintil akar tanaman leguminoseae

Sintesa amoniak N2 + 3 H2 2 NH3 eksotermik N H X Fe katalis Fe/K

Mekanisme sintesa NH3 1 N2 (gas) + *  N2* 2 N2* + *  2 N * 3 N * + H *  NH * + * 4 NH * + H *  NH2 * 5 NH2 * + H *  NH3 * 6 NH3 * NH3( gas) + * 7 H2 (gas) + 2 *  2 H *

Konsentrasi komponen utama ( % berat) Komposisi katalis untuk sintesa amoniak Katalis No Konsentrasi komponen utama ( % berat) FeO Al2O3 K2O CaO SiO2 MgO TiO2 1. 2. 3. 4. 5. 32,6 36,6 35,5 36,0 26,3 4,1 2,9 4,3 3,0 2,2 0,9 1,0 0,4 0,8 1,4 2,8 3,4 2,3 1,7 0,7 0,2 - 0,3 Jenis katalis yang digunakan untuk sintesa amoniak terus dikembangkan, disesuaikan dengan suhu dan tekanan reaksi. Dari semua jenis katalis yang dipakai, hampir semua mengandung besi dan alumina sebagai komponen utama.

Komposisi tipikal katalis untuk industri sintesa amoniak yang sekarang banyak dipakai. tanpa reduksi,% pre-reduksi, % Fe2O3 57.5 – 70.5 1.1 – 1.7 FeO 24.2 – 33.9 14.3 – 14.6 Fe 0 – 0.54 79.7 – 81.6 Al2O3 2.5 – 3.1 1.5 – 2.1 CaO 1.8 – 3.9 0.1 – 0.2 SiO2 0.1 – 0.7 0.1 – 0.7 MgO 0.1 – 0.3 0.3 – 0.6 K2O 0.4 – 0.6 0.2 – 0.5 Porositas. % 1.8 – 4.4 40 – 50

Beberapa jenis proses sintesa amoniak berdasarkan kondisi dan jenis katalis yang dipakai. Nama Proses P, atm Suhu oC Konversi, % Bahan baku Katalis Mont Cenis 2. American (large) 3. Haber Bosch 4. Fauser Montecatini 5. American (small) 6. Casale 7. Claude 8. Du Pont 120 – 160 150 200 – 300 300 600 900 400 – 425 500 550 500 – 650 9 – 20 14 8 12 – 22 20 15 – 25 40 – 85 H2 elektr. Gas alam Gas sintesa Gas H.K. Semua Gas BB Gas alam FeCN DPI PI Cat : PI = Promoted Iron DPI = Double Promoted Iron

Dari tabel di atas, dapat dibedakan 4 macam proses sbb : Proses dengan tekanan sangat tinggi ( 900 – 1000 atm), beroperasi pada suhu 500 – 600 oC dengan perolehan antara 40 – 80 %. Proses Claude dan Du Pont termasuk proses ini. 2. Proses dengan tekanan tinggi sekitar 600 atm, suhu 500 oC dengan perolehan antara 15 – 20 %, misalnya proses Casale. Proses dengan tekanan sedang/moderat, pada 200 – 300 atm, dengan suhu 500 – 550 oC dan perolehan antara 10 – 30 %. Proses Haber Bosch dan Kellog termasuk proses ini. 4. Proses dengan tekanan rendah yaitu 100 atm dan suhu 400 – 425 oC, dengan perolehan antara 8 – 20 %. Proses dengan tekanan rendah ini antara lain adalah proses Mont Cenis.

Kesetimbangan reaksi sintesa amoniak. N2 + 3 H2  2 NH3 Menurut Larson dan Dodge, hubungan antara konstanta kesetimbangan dan suhu dapat dituliskan sbb. : log Kp1/2 = - 2078 T-1 + 2,4943 log T + T – 1,8564 X 10 -7 + I Tekanan (atm)  I 10 30 50 100 300 600 1000 0,34 X 10 – 5 1,256 x 10 – 4 1,085 x 10 – 3 2,6833 x 10 – 3 1993 2021 2090 2113 2206 3059 4473  dan I , bervariasi tergantung pada tekanan operasi.

Hubungan antara suhu terhadap konstanta kesetimbangan sintesa amoniak Suhu , oC Kp , atm Pengamatan 200 300 400 500 600 700 800 1000 6,60 x 10-1 7,00 x 10-2 1,38 x 10-2 4,00 x 10-3 1,51 x 10-3 9,50 x 10-4 3,60 x 10-4 1,36 x 10-4 Pada suhu 1000 oC, konstanta kesetimbangan Kp berkurang hingga 2/1000 kali.

Hubungan antara suhu dan tekanan terhadap prosentase perolehan amoniak pada saat kesetimbangan Suhu, oC % amoniak pada saat kesetimbangan 10 atm 50 100 atm 300 atm 600 atm 1000 atm 200 300 400 500 600 700 50,66 14,73 3,85 1,21 0,49 0,23 74,38 39,41 15,27 5,56 2,26 1,05 81,54 52,04 25,12 10,61 4,52 2,18 89,94 70,96 47,00 26,44 13,77 7,28 95,37 84,21 65,20 42,15 23,10 12,60 98,83 92,55 79,82 57,47 31,43 12,87

gas masuk gas pendingin masuk gas keluar gas by pass dingin Topsoe radial-flow ammonia synthesis converter

Diagram alir proses sintesa amoniak pendingin udara turbin kompresor gas sintesa ( N2 dan H2) konverter amoniak gas buangan uap air pompa tangki penampung Diagram alir proses sintesa amoniak oil trap resirkulator uap air air P P flash gas P = pemisah 1 dan 2

P1 Pn Reaktor TU TU : Turbin uap P1 – Pn : kompresor gas sintesa H2O H2O E2 E3 E4 E1 NH3 cair uap air P tinggi TU E6 kukus P1 Pn WHB TU : Turbin uap P1 – Pn : kompresor DS1 : pemisah bertekanan tinggi DS2 : pemisah bertekanan tinggi sekunder DS3 : pemisah tekanan rendah E1, E2 : pendingin dgn air E3 , E6 : HE utk gas daur ulang E4 : pendingin dgn amoniak cair DS2 DS1 H2O purge Reaktor DS3 gas camp NH3,N2 dan H2 gas sintesa ( N2 dan H2) amoniak cair Pemisahan satu tahap sebelum kompresi untuk didaur ulang. Seperti terlihat pada gambar di atas, gas sintesa dikompresi menggunakan kompresor sentrifugal (jumlah tahap pengkompresan disesuaikan dengan kebutuhan). Sesudah terkompresi hingga tekanan yang sama dengan tekanan gas keluaran reaktor R ( setelah melewati E5 ), gas sintesa dicampur dengan sisa gas yang belum bereaksi hasil pemisahan DS1. Campuran ini kemudian didinginkan berturut-turut di E2 sampai dengan E4. Sebelum dimasukkan ke reaktor, gas di lewatkan E6, kemudian dikompresi dan dilewatkan E3. Gas hasil sintesa dari R berupa campuran amoniak dan sisa reaktan ( N2 dan H2) yang belum terkonvesi dilewatkan E5, dan didinginkan lagi di E6. Gas yang sudah dingin tersebut akan dikompres/ditekan di pemisah bertekanan tinggi untuk memperoleh NH3 cair murni. Sisa gas yang belum bereaksi didaur ulang dan sebagian dibuang untuk mengurangi penumpukan inert. amoniak cair Proses pemisahan amoniak satu tahap. Pemisahan berlangsung sebelum kompresi untuk didaur ulang

P1 Pn TU TU : Turbin uap P1 – Pn : kompresor gas sintesa H2O H2O E2 E3 E4 E1 NH3 cair uap air P tinggi kukus TU DS1 purge P1 Pn TU : Turbin uap P1 – Pn : kompresor DS1 : pemisah bertekanan tinggi DS3 : pemisah tekanan rendah E1, E2 : pendingin dgn air E3 : HE dgn gas daur ulang E4 : pendingin dgn amoniak cair WHB DS3 H2O Reaktor gas camp NH3,N2 dan H2 gas sintesa ( N2 dan H2) amoniak cair amoniak cair Proses pemisahan amoniak satu tahap. Campuran gas dikompresi sebelum didaur ulang

P1 Pn Reaktor TU TU : Turbin uap P1 – Pn : kompresor DS1 TU P1 Pn E1 E2 E3 E4 H2O NH3 cair uap air P tinggi gas sintesa amoniak cair DS3 purge kukus WHB TU : Turbin uap P1 – Pn : kompresor DS1 : pemisah bertekanan tinggi DS3 : pemisah tekanan rendah E1, E2 : pendingin dgn air E3 : HE dgn gas daur ulang E4 : pendingin dgn amoniak cair Reaktor gas camp NH3,N2 dan H2 gas sintesa ( N2 dan H2) amoniak cair Proses pemisahan amoniak dua tahap, dengan kompresi diantaranya.

Daur ulang dan aliran yang dibuang Pendaur ulangan sisa gas N2 dan H2 yang belum bereaksi dilakukan untuk menghindari penumpukan gas inert ( biasanya CH4 dan gas mulia yang terdapat di udara). Gas mulia dengan kadar diatas maksimal(biasanya sekitar 5%) di reaktor akan mengganggu reaksi (katalis).Dengan membuang sebagian aliran daur ulang, perolehan amoniak juga akan bertambah.Berikut dipaparkan pengaruh gas inert terhadap perolehan amoniak pada reaksi yang berlangsung pada 700 K dan 300 atm. Jumlah total inerts di campuran awal (% mol) Produksi NH3 pada saat kesetimbangan ( mol/molgas umpan) Konversi pada saat kesetimbangan ( % ) Persentasi NH3 pada saat kesetimbangan ( %) 1,0 5,0 10,0 25,0 50,0 0,290 0,274 0,254 0,197 1,111 58,6 57,8 56,5 52,7 44,5 40,9 37,8 34,1 24,6 12,5

LATIHAN 1. Hitung konversi pada saat kesetimbangan pada reformasi kukus dengan kondisi sbb : Gas masuk , metana + kukus Perbandingan kukus/karbon : 4.0 Tekanan keluaran : 20.0 atm Suhu keluaran : 850 oC 2. Salah satu cara penghilangan gas CO2 dari campuran gas sintesa adalah dengan penyerapan menggunakan pelarut K2CO3 akuatik. Proses penyerapan tersebut disertai dengan reaksi kimia : CO3= + CO2 + H2O  2 HCO3- Untuk setiap mol karbonat dan CO2 yang bereaksi terbentuk bikarbonat X : Tekanan parsial diatas larutan K2CO3 40% pada suhu 70 oC : pada suhu 120 oC : persamaan di atas tidak berlaku untuk X > 0,9

Campuran gas yang terdiri dari 15 % CO2 , 1,2 % uap air dan sisanya inert ( N2 dan H2) dialirkan ke kolom penyerap yang beroperasi dengan aliran pelarut –umpan berlawanan arah. Pelarut yang dipakai adalah larutan 40 % K2CO3, operasi berlangsung pada suhu 70 oC dan tekanan 20 atm. Pada saat keluar dari kolom penyerap, kandungan CO2 tinggal 2 % pada tekanan 2 atm. a. Buat grafik yang menggambarkan hubungan antara perbandingan tekanan parsial CO2 /tekanan parsial H2O ( ) terhadap X pada suhu 70 oC dan 120 oC. b. Berapa banyak uap air minimum yang dapat ditoleransi pada kolom penyerap tsb setiap satu mol CO2 yang terserap. 3. Berikut ini adalah diagram alir sintesa amoniak dari nitrogen dan hidrogen yang diumpankan dengan perbandingan 1 : 3. Umpan tersebut juga masih mengandung sedikit argon dan metana (sbg impurities)

Reaktor sintesa amoniak pemisah produk aliran yang dibuang Reaktor sintesa amoniak daur ulang umpan reaktor keluaran reaktor 2 3 4 5 6 7 1 umpan baru Produk amoniak dikeluarkan dari pemisah sebagai amoniak cair, gas-gas yang belum bereaksi dan impurities dikembalikan ke reaktor. Agar reaksi di reaktor berjalan dengan baik, maka kadar impurities yg masuk reaktor maksimum 5 %. Agar tidak terjadi penumpukan impurities dari aliran daur ulang maka sebagian dari aliran daur ulang harus dibuang. Hitung berapa bagian aliran yg harus dibuang tsb, jika : Umpan baru mengandung impurities 1% dan konversi perpass di reaktor 10%. (b) Umpan baru mengandung impurities 0,1% dan konversi perpass di reaktor 20%.