FILOSOFI PROSES
PABRIK AMONIAK
DINAS TEKNIK PROSES
PT PUPUK SRIWIDJAJA PALEMBANG PABRIK AMONIAK PROSES : MW. KELLOGG (USA)
KAPASITAS (TON/DAY)
PUSRI–II PUSRI-III PUSRI-IV PUSRI-IB
DESAIN 660 1000 1000 1350
A O P 792 1200 1200 -
KONSUMSI ENERGI (MMBTU/TON NH3-GHV)
PUSRI–II PUSRI-III PUSRI-IV PUSRI-IB
DESAIN 44,93 43,28 43,28 31,41
A O P 38,09 37,51 37,51 -
BAHAN BAKU Ø Ø Ø
GAS BUMI AIR UDARA
BAHAN PEMBANTU Ø Ø Ø Ø Ø Ø
AIR DEMIN LISTRIK AIR PENDINGIN UDARA INSTRUMEN/PABRIK GAS NITROGEN AIR TERSARING
KUALITAS PRODUK Amonia = 99,5 % wt (minimal) H2O = 0,1 % wt (maksimal) Oil = 5,0 ppm wt (maksimal) 2 Tekanan = 4,96 kg/cm ke NH3 Storage 2 18,0 kg/cm ke Urea Plant o Temperatur = - 33 C ke NH3 Storage o 30 C ke Urea Plant
PROSES PEMBUATAN AMONIAK 2
Proses pembuatan Amoniak dibagi dalam 5 tahapan proses, yaitu: 1. 2. 3. 4. 5.
Feed Treating Reforming Purifikasi Sintesa Pemurnian Produk
BLOK DIAGRAM PABRIK AMONIAK
CO2 UDARA GAS BUMI
REFORMING FEED TREATING
STEAM
WASTE HEAT RECOVERY
H2O SINTESA H 2
PURIFIKASI
PURGE GAS
PEMURNIAN
PGRU
AMONIAK
PRODUK
3
1. Feed Treating Bahan baku Gas Alam yang diterima dari Pertamina masih mengandung beberapa unsur yang tidak diinginkan, yaitu: 1.1. Partikel Padat 1.2. Sulfur An-organik 1.3. Heavy Hydrocarbon (HHC) 1.4. Karbon Dioksida (CO2) 1.5. Sulfur Organik Semua unsur ini dipisahkan di area Feed Treating sehingga Gas Alam bersih dan siap untuk masuk pada tahapan proses berikutnya. Proses pemisahannya adalah sebagai berikut :
1.1. Pemisahan Partikel Padat Pemisahan partikel padat dilakukan secara fisik dengan cara penyaringan (mechanical filter) sehingga partikel padat dan cairan yang terbawa gas alam (feed gas) dapat terpisahkan. Pada unit ini dipasang alat penunjuk pressure drop yang akan menunjukkan tingkat kekotoran filter agar diketahui waktu pembersihan filter. 1.2. Pemisahan Sulfur An-organik Sulfur An-organik dalam bentuk senyawa Hydrogen Sulfida (H2S) dihilangkan dgn cara mereaksikannya dengan serbuk besi oksida (Sponge Iron) dalam sebuah vessel. Reaksi yang terjadi sebagai berikut : Fe2O3.6H2O + 3H2S
↔
Fe2S3.6H2O + 3H2O + Q
Reaksi ini berlangsung dalam suasana basa (pH = 7,8-8) dan lembab, untuk itu ke dalam vessel diinjeksikan larutan NaOH dengan konsentrasi antara 0,3 s/d 0,5 %. Temperatur dijaga 27– 40 oC. Catatan untuk Pusri-IV :
4
Sejak Februari 2006, unit pemisahan sulfur ini yang sebelumnya menggunakan “sponge iron” diganti dengan absorben “Dycat 158” dengan proses penyerapan “cold zinc oxide”. Reaksi yang terjadi adalah : ZnO ZnO ZnO ZnO COS
+ H2S ↔ ZnS + H2O + Q + COS ↔ ZnS + CO2 + Q + RSH + H2 ↔ ZnS + R-H + H2O + RSH → ZnS + R-H Absorption + H2O ↔ H2S + CO2 + Q
Reaksi ini berlangsung dengan temperatur optimum 30 – 100 o C.
1.3.
Pemisahan Kandungan Air Sebelum memasuki tahapan proses selanjutnya di pemisah HHC, air yang terikut dalam gas alam (feed gas) dari proses pemisahan sulfur menggunakan sponge iron harus dipisahkan karena akan menyebabkan kebuntuan di unit pemisah HHC (203-C). Pemisahan kandungan air tersebut dilakukan dengan proses absorbsi yang menggunakan larutan Tri Ethylen Glycol (TEG). Tri Ethylen Glycol (TEG) yang telah jenuh dengan air diregenerasi di Glycol stripper dengan pemanasan dan bantuan stripping gas alam. Pabrik Amoniak Pusri-IB tidak menggunakan unit Glycol ini karena tidak menggunakan pemisah Heavy Hydrocarbon (HHC).
1.4. Pemisahan Heavy Hydrocarbon Heavy Hydrocarbon (HHC) adalah senyawa Hydrocarbon yang mempunyai berat molekul tinggi, yaitu C2H6, C 3H8, C 4H10, C5H12 dan C6 plus. Pemisahan HHC ini menggunakan prinsip perbedaan sifat fisis, yaitu dengan pendinginan sampai temperatur -25 oC sehingga HHC akan terkondensasi dan dapat dipisahkan dari gas proses yang lain, selanjutnya HHC ini digunakan sebagai tambahan bahan bakar di Primary Reformer. Pabrik Amoniak Pusri-IB tidak menggunakan pemisah Heavy Hydrocarbon (HHC).
1.5.
Pemisahan CO2 Pemisahan CO2 dari gas proses menggunakan larutan penyerap Benfield pada sebuah Absorber. Reaksi penyerapan gas CO2 oleh larutan Benfield berlangsung pada temperatur
5
rendah dan tekanan tinggi. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : K 2CO3 + H2O + CO2
↔
2 KHCO3
Gas CO2 yang telah diserap, akan dilepaskan kembali dari larutan Benfield di Stripper yang sekaligus berfungsi meregenerasi larutan Benfield. Proses pelucutan gas CO2 di stripper berlangsung pada tekanan rendah dan temperatur tinggi. Reaksi yang terjadi adalh sebagai berikut : 2 KHCO3
↔
K 2CO3 + H2O + CO2
Larutan Benfield yang telah di regenerasi di stripper kemudian digunakan kembali untuk penyerapan gas CO2 di Absorber. Larutan benfield terdiri dari : - K 2CO3 (Potasium carbonat) 30 % berat, berfungsi sebagai penyerap gas CO2. - DEA (Di ethanol amin) 2 – 3 % berat, berfungsi sebagai aktivator. - V2O5 (Vanadium pentoxide) 0,8 % berat, sebagai corosion inhibitor. Ke dalam larutan Benfield ditambahkan anti foam agent (Ucon 500 HB) untuk mencegah pembentukan foam (busa). Diharapkan konsentrasi gas CO2 di dalam gas alam keluar dari Absorber maksimum 1,0 % mol.
1.6. Pemisahan Sulfur Organik. Sulfur organik dalam bentuk senyawa Mercaptan (RSR) tidak dapat langsung dipisahkan, namun harus dirubah terlebih dahulu menjadi senyawa Hidrogen Sulfida (H2S) baru dipisahkan dengan cara mereaksikan dengan ZnO. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: RSR+2H2 H2S+ZnO
↔ ↔
2 RH+H2S (katalis CoMo) ZnS+H2O (katalis ZnO)
Reaksi tersebut berlangsung pada temperatur 350-400 oC. Diharapkan senyawa sulfur yang keluar dari Hydrotreator maksimum = 0,1 ppmv, dan H2S = 0,05 ppmv.
6
2.
Reforming Gas Proses yang telah diolah di area Feed Treating dengan komponen utamanya CH4 selanjutnya akan diproses di area Reforming yang terdiri dari unit sebagai berikut :
2.1. Saturator Saturator berfungsi untuk menjenuhkan Gas Proses dengan air. Desain asli pabrik tidak mempunyai Saturator, namun pada Ammonia Optimation Project (AOP) alat ini ditambahkan untuk mengurangi konsumsi steam proses di Primary Reformer. Gas proses setelah dilewatkan Saturator diharapkan jenuh dengan uap air sehingga siap untuk dimasukkan ke Primary Reformer setelah dicampur dengan steam tekanan 42 kg/cm 2 (Medium Pressure Steam). Diharapkan rasio Steam to Carbon (S/C) gas keluar saturator ± 0.8 %. 2.2. Primary Reformer Gas Proses yang jenuh dengan air dimasukkan ke dalam Primary Reformer yang terdiri atas reaktor-reaktor tabung yang berisi katalis Nickel Oksida agar terjadi reaksi steam reforming. Reaksi steam reforming terjadi pada temperatur 780 - 820 oC dan secara keseluruhan bersifat endotermis. Panas untuk reaksi berasal dari pembakaran Gas Bumi (fuel gas) di radian section Primary Reformer. Adapun reaksi steam reforming tersebut adalah : CH4 + H2O CO + H2O
↔ ↔
CO + 3H2 - Q CO2 + H2 + Q
Kadar CH4 dalam gas keluar dari Primary Reformer mempunyai konsentrasi sekitar 11 % - 13 % mol.
2.3. Secondary Reformer Untuk menyempurnakan reaksi steam reforming (pemecahan Methane menjadi CO, CO2 dan H2) diperlukan Secondary Reformer. Reaksi di Secondary Reformer berlangsung pada temperatur yang lebih tinggi dari Primary Reformer (900-1200 o C). Untuk mempercepat reaksi steam reforming digunakan katalis yang sama dengan Primary reformer yaitu nickel oksida. Secara keseluruhan reaksi bersifat endotermis sehingga memerlukan panas. Kebutuhan panas diperoleh dari panas reaksi antara H2 dan O2. Oksigen untuk keperluan reaksi tersebut berasal dari udara yang dimasukkan ke dalam Secondary Reformer. Jumlah udara yang di injeksikan ke dalam 7
Secondary Reformer diatur sehingga diperoleh perbandingan H2/N2 tertentu (3 : 1) agar reaksi pembentukan amoniak di Ammonia Converter terjadi secara optimum. Reaski steam reforming di Secondary Reformer sama dengan reaksi di Primary Reformer. Adapun reaksi keseluruhan adalah sebagai berikut : 2H2 + O2 CH4 + H2O CO + H2O
↔ ↔ ↔
2H2O + Q 3H2 + CO - Q H2 + CO2 + Q
Kadar CH4 yang tersisa dari gas yang keluar dari Secondary Reformer diharapkan sekitar 0,35 % mol.
3.
Purifikasi Komponen gas proses yang keluar dari Secondary Reformer terdiri dari : H2, N2, CO, CO2, Ar, dan CH4. Yang diperlukan untuk sintesa Amonia adalah H2 dan N2, Ar dan CH4 sebagai inert, sedangkan CO dan CO2 keberadaannya tidak diinginkan sehingga gas proses (Syn gas) perlu dimurnikan dari CO dan CO2. Tahapan pemurniannya adalah sebagai berikut :
3.1. CO Konversi Temperatur Tinggi (HTSC) Unit ini merubah CO menjadi CO 2 dengan bantuan katalis besi alumina pada temperatur tinggi (350-420 oC). Reaksi tersebut CO + H2O
↔
H2 + CO2 + Q
adalah : Pada tahap ini, temperatur reaksi yang tinggi akan memberikan kecepatan reaksi yang tinggi. Tetapi karena reaksi bersifat eksotermis maka pada temperatur tinggi, konversi yang dihasilkan rendah. Gas CO setelah melewati HTSC konsentrasinya akan turun dari + 13, 6 % menjadi sekitar 3,5 %.
3.2. CO Konversi Temperatur Rendah (LTSC) Unit ini merubah CO menjadi CO 2 yang belum terkonversi di High temperatur shift converter (HTSC) dengan bantuan katalis Tembaga Alumina. Unit LTSC ini berlangsung pada temperatur rendah (180-260oC) sehingga dengan reaksi yang eksotermis, konversinya lebih tinggi. Konsentrasi CO keluar LTSC sekitar + 0,3 %. 3.3.
Pemisahan CO2
8
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, yang digunakan untuk memisahkan gas-gas yang masih terlarut di dalam larutan semi lean Benfield yang keluar dari CO2 Stripper, sehingga larutan Benfield yang menuju Absorber konsentrasinya Potasium Karbonatnya menjadi lebih tinggi. Disamping dengan adanya Flash Tank, tekanan di Stripper bisa lebih rendah dan sebagai akibatnya pelepasan CO2 di Stripper lebih sempurna.
3.4. Methanasi Kedua tahapan proses diatas (Shift Converter dan CO2 removal) tidak berlangsung sempurna sehingga baik CO maupun CO2 masih tersisa dalam jumlah kecil, meskipun demikian CO dan CO2 dalam jumlah kecil ini akan merusak katalis Ammonia Converter. Untuk itu CO dan CO2 dirubah menjadi CH4 di Methanator ini, hingga total CO dan CO2 inlet CO + 3H2 CO2 + 4H2
↔ ↔
CH4 + H2O + Q CH4 + 2H2O + Q
Ammonia Converter < 10 ppm. Reaksi terjadi pada temperatur 280-360 oC dengan menggunakan katalis Nickel Alumina, sebagai berikut : Setiap 1 mol gas CO2 yang bereaksi dengan gas H2 membentuk Methane (CH4), mengakibatkan kenaikkan temperatur sebesar 74 oC, sedangkan setiap 1 mol gas CO yang bereaksi akan mengakibatkan kenaikkan temperature sebesar 60 oC. Pada kondisi desain, CO2 dan CO outlet Methanator masing-masing adalah 0,6 c% mol dan 0,37 % mol, sehingga akan menaikkan temperatur gas proses sebesar + 31 oC.
4.
Sintesa Syngas yang keluar dari Methanator dicampur dengan gas recycle, diharapkan mempunyai ratio komposisi H2 dengan N2 inlet Ammonia Converter sebesar 3:1 dan konsentrasi NH 3 sekitar 2 %. Selanjutnya dinaikkan tekanannya dengan Syn gas compressor sampai sekitar 140 170 Kg/Cm2, temperatur reaksi pada tekanan ini sebesar 400 – 500 oC. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
3H2 + N2
↔
2NH3 + Q
9
Konsentrasi amoniak (NH3) outlet Ammonia Converter adalah sebesar + 15-17 %.
5.
Pemurnian Produk Amoniak yang terbentuk dalam Ammonia Converter dipisahkan dari komponen yang lain dengan cara pendinginan bertahap, karena temperatur titik embun Amoniak lebih besar dari komponen yang lain maka Ammonia akan mengembun terlebih dahulu sehingga dapat dipisahkan dari komponen yang lain. Sedangkan akumulasi gas-gas inert di buang (purge) dalam dua tahap, yaitu High Pressure Purge Gas yang dikirim ke pengolahan gas buang (Purge Gas Recovery Unit PGRU) dan Low Pressure Purge Gas dikirim ke Primary Reformer sebagai bahan bakar. Produk Amoniak (hot product) dikirim ke Pabrik Urea sebagai bahan baku pembuatan urea dan sisanya (cold product) dikirim Tangki Penyimpan Amoniak (NH3 Storage).
10
