Kelompok 8 :
Hidrogen Teknik memproduksi hidrogen dari hidrokarbon dan bahan baku organik : • Steam Methane Reforming (SMR) atau Cracking • Oksidasi Parsial • Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) • Pirolisis • Elektrolisis Air
Proses Steam Methane Reforming (SMR) terdiri atas 4 langkah proses: • Pemanasan stok umpan dan pemurnian (dibutuhkan karena katalis memiliki sensitivitas yang tinggi oleh ketidakmurnian, contohnya: sulfur, mercury, dan logam lainnya) • Steam reformer • CO shift • PSA purification (menyerap campuran lainnya selain dari H2 untuk menghasilkan H2 mencapai 80 – 80 – 90%. 90%.
Hidrogen juga dapat dibentuk oleh non-katalisis oksidasi parsial hidrokarbon. Banyak umpan hidrokarbon yang dapat dimampatkan atau dipompa mungkin digunakan. Efisiensi proses secara keseluruhan adalah hanya 50% (dibandingkan SMR pada 65 – – 75%). Oksigen murni diperlukan sebagai umpan. Reaksi reformer – reformer – oksidasi oksidasi parsial : Gas alam : CH4 + ½ O2 → CO + 2H2 (1350 oC) Batu bara : C + ½ O2 → CO (1350 oC)
Efisiensi operasi adalah diantara 29 – – 41%, 41%, tergantung pada karakteristik bahan bakar (yaitu kandungan sulfur, kandungan abu, dan nilai kalori), tipe dari sistem IGCC (yaitu entrained, moving-bed atau fluidized bed) dan puncak suhu turbin gas. Dalam kaitan efisiensi rendah dan biaya, IGCC hanya merupakan teknologi demonstrasi, akan tetapi hal itu diharapkan bahwa teknologi generasi kedua akan merealisasikan efisiensi dari 45 – 45 – 50% 50% dan mengurangi biaya.
Hidrokarbon dapat dikonversi menjadi hidrogen tanpa menghasilkan CO2, jika hidrokarbon tersebut didekomposisi pada suhu yang tinggi dalam ketidakhadiran oksigen (pirolisis). Sebagai contoh methana dapat di cracked dalam katalis seperti karbon (golongan karbon, seperti jelaga C60, grafit atau karbon aktif). Dalam prinsipnya, pirolisis dapat juga diaplikasikan lebih jauh kedalam hidrokarbon kompleks, biomassa, limbah padat kota.
Hidrogen dapat dihasilkan dari air yang dielektrolisis. Jika elektrolitas dihasilkan dari teknologi renewable (seperti solar, hidro, angin, pasang surut), maka proses tersebut disebut bebas karbon. Pemecahan elektrokimia dari air telah diketahui melalui reaksi : H2O → H2 + ½ O2 Pabrik elektrolisis komersial secara umum mencapai efisiensi 70 – – 75%. 75%.
Amonia
Ammonia
diproduksi
dengan
mereaksikan
gas
Hidrogen (H2) dan Nitrogen (N2) dengan rasio H2:N2 = 3:1. N2 + 3H2
2NH3
Tahapan Proses Sintesa Amonia : Persiapan bahan baku synthesis gas Pemurnian synthesis gas yang telah terbentuk synthesis Amonia synthesis
Pada tahap ini, terdapat dua metode yang digunakan, yaitu : a.Oksidasi a. Oksidasi Parsial dengan Oksigen CH4 + 3/2 O2 → CO + 2 H2O CO + H2O ↔ CO2 + H2 b. Steam Reforming Hidrokarbon CnHm + ¼(4n-m) H2O ↔ 1/8(4n+m)CH4 + 1/8(4n-m)CO2
CH4 + H2O ↔ CO + 3 H2 CO + H2O ↔ CO2 + H2
Proses Produksi Oksidasi Parsial • • • • • • •
Steam Reforming
Distilasi udara Oksidasi parsial Penghilangan karbon Penghilangan sulfur Penghilangan CO2 Shift conversion Penghilangan sisa CO (nitrogen scrubbing) Perbedaan
• Primary reforming • Secondary reforming • Shift conversion • Penghilangan CO2 • Penghilangan sisa CO (metanasi)
Oksidasi Parsial
Ste team am Ref Ref orm in g Hidrokarbon Hidrokarbon
Bahan baku
fuel oil / coal
natural gas (naphta )
Cara pelepasan CO
dengan nitrogen cair
dengan treatment menggunakan menggunakan turunan tembaga
H2S removal
Ada
tidak ada
Nitrogen scrubbing
Ada
tidak ada
Metanasi
tidak ada
ada
Pada tahap ini, bahan baku dalam pembuatan amonia di-treatment ditreatment untuk menghilangkan kotoran atau senyawa kimia lain yang dapat mengganggu jalannya proses sintesa amonia selanjutnya.
Amonia synthesis Tahap ini merupakan tahap yang utama. Secara umum, tahapan – tahapan – tahapan tahapan proses pembuatan amonia dapat diuraikan sebagai berikut : • Feed Treating & Desulfurisasi • Reforming Section • Gas Purification • Synthesis Loop & Amonia Refrigerant
Gas alam sebagai bahan baku utama dalam pembuatan Amonia dinetralkan terlebih dahulu untuk menghilangkan Sulfur organik yang dapat mengganggu jalannya proses melalui beberapa tahapan yaitu: a. Desulfurization Sponge Iron b. CO2 Removal Pretreatment Section c. Co-M /ZnO Desulfurizer
a.Primary a. Primary Reformer Proses Primary Reformer bertujuan untuk mengubah Feed gas menjadi gas menjadi gas sintesa secara ekonomis melalui Reaktor Reformer. b. Secondary Reformer Gas yang keluar dari Primary Reformer masih berkadar CH4 yang cukup tinggi, yaitu 12 – –13%, 13%, sehingga akan direaksikan menjadi H2 dengan perantaraan katalis NiO pada temperatur 1002,5oC
a. High Temperature Shift Converter (HTS) Setelah terjadi reaksi pembentukan H2, maka gas proses didinginkan hingga temperatur 371oC untuk mengubah CO menjadi CO2. b. Low Temperature Shift Converter (L (LTS) TS) Tidak semua CO dapat dikonversikan menjadi CO2 di HTS, maka reaksi tersebut disempurnakan di LTS setelah sebelumnya gas proses didinginkan hingga temperatur 210oC c. CO2 Removal d. Methanasi Gas sintesa yang keluar dari puncak Absorber masih berkadarkan CO2 dan CO yang relatif kecil, yakni 0,3% mol Dry Basis yang selanjutnya akan diubah menjadi Metana di Methanator pada pada temperatur sekitar 316oC.
a. Synthesis Loop
Gas sintesa yang akan masuk ke Synthesis Loop harus Loop harus memiliki perbandingan H2:N2 = 2,5 – –3:1. 3:1. Gas sintesa pertama-ta pertama-tama ma akan dinaikkan tekanannya menjadi 177.5kg/cm2 oleh Syn Gas Compressor dan dan dipisahkan komposisi airnya melalui sejumlah K.O Drum dan diumpankan ke Ammonia Converter dengan katalis Promoted Iron. b. Ammonia Refrigerant
Amonia cair yang yang dipisahkan dipisahkan dari gas gas sintesa masih memiliki sejumlah gas-gas terlarut tertentu. Gas-gas Inert ini ini akan dipisahkan ditahap Ammonia Refrigerant.
Bahan Baku: Batu Kapur Menggunakan Tekanan Tekanan Besar 700 atm dan Ammonia yang terbentuk dapat dipisahkan
• Langkah pertama dalam proses ini adalah untuk membuat kapur dari batu kapur: CaCO3 + panas → CaO + CO2 • Kemudian dipanaskan dengan Batubara dalam lingkungan yang anoxic untuk membuat Kalsium Carbide: CaO + 3C + panas → CaC2 + CO • Nitrogen berasal dari Carbide Kalsium bereaksi dengan nitrogen murni, sehingga agar proses ini dapat menjadi industri praktis dibutuhkan proses Linde fraksinasi udara cair. Reaksi berlangsung pada 2atm atau 0.2MPa, dipanaskan oleh melalui pemanasan ohmik dari batang Karbon: CaC2 + N2 → CaCN2 + C • Akhirnya dalam upaya untuk membuat Amoniak, Kalsium sianamida dicampur dengan air dan NaOH (sebagai katalis) untuk hidrolisis:
Metanol atau metil alkohol diproduksi dari distilasi wood atau dengan oksidasi langsung dari hidrokarbon. Kebanyakan metanol disintesis dari campuran H2, CO dan CO2.. Reaksi sintesa metanol : CO
+ 2 H2 ↔ CH3OH
CO2
+ 3 H2 ↔ CH3OH + H2O
Gas sintesis untuk produksi metanol : Hidrogen (H 2) dan Carbon monoksida (CO) Gas Sintesis Preparasi Bahan baku pada pada sintesa sintesa metanol : Gas Alam atau Hidrokarbon Preparasi Gas Sintesis untuk Produksi Metanol, dengan cara : a. Oks Oksida idasi si Par Parsia siall deng dengan an oks oksige igen n b. Ste Steam am Refo Reformi rming ng terha terhadap dap Hidr Hidroka okarbo rbon n
• Untuk sintesis metanol, rasio H 2/CO 2,25. • Nilai ini dapat diperoleh dengan mengatur aliran gas ke shift converter yang yang menyingkirkan kelebihan CO dan menyuplai sejumlah hidrogen (reaksi Shift Conversion). Conversion). • Dengan proses absorpsi dapat diperoleh CO 2 maksimal, yang tidak mengganggu katalis pada sintesis metanol.
Tahapan Preparasi dengan Oksidasi Parsial a) Katalis yang digunakan tidak dapat mentoleransi sulfur. • Umpan harus terlebih dahulu didesulfurisasi sampai kandungan sulfur bersisa 0,05 – 0,05 – 0,1 0,1 ppm. • Sebagian gas kemudian dilewatkan ke unit konversi CO dan kemudian dicampur kembali dengan fraksi yang tidak ditreating ditreating dan dan didekarbonisasi. b) Katalis tahan terhadap sulfur. Partial CO convertion convertion dilakukan simultan dengan desulfurisasi dan dekarbonisasi.
Katalis yang digunakan tidak tahan sulfur
Katalis yang digunakan tahan sulfur
1. Beroperasi pada tekanan tinggi ( 30 – – 35 35 . 10 6 Pa absolute) pada T=350 – T=350 – 400 400oC pada reaktor: a)Isothermal a) Isothermal (dengan pipa katalis, pendinginan eksternal dengan sirkulasi gas atau coolant coolant fluid fluid ) b) Adiabatis Adiabatis (dengan multi-stage bed katalis dengan intermediate cooling by injection of quenching fluid ) fluid ) 2. Operasi pada P rendah antara 5-10.106 Pa absolute pada T=240270oC Teknologi-teknologi yang berkembang pada industri untuk operasi ini adalah : a)ICI a) ICI : Single catalyst bed, bed, pendinginan dengan injeksi gas quench b)Lurgi b) Lurgi : Reaktor isothermal, katalis di tube dan boiler feed water di shell sehingga diperoleh HP steam. c) Ammonia-Casale c) Ammonia-Casale : Reaktor Multiple catalyst bed dengan intermediate cooling gas. d)Proses d) Proses Tekanan Rendah Kellog e)Topsoe e) Topsoe : Reaktor dengan aliran radial saling silang 3 bed katalis konsentris dalam tangki tepisah.
ICI • Campuran gas sintesis umpan segar ditekan dari 50-100 atm melalui sebuah kompressor dan diumpan kedalam reaktor berpendingin (quench ( quench type converter ) yang beroperasi pada 270OC • Quench converter berupa single bed yang mengandung katalis pendukung yang bersifat inert. • Aliran produk kemudian didinginkan dan methanol akan terkondensasi. Aliran gas purge direcycle ke reformer untuk mengubah methanol yang terakumulasi dalam gas sintesis • Crude methanol akan dipurifikasi dengan cara distilasi Dalam proses yang ditawarkan oleh Lurgi untuk sintesis methanol: reaktor sintesis dioperasikan pada rentang suhu dari 230-270 OC dan dengan tekanan operasi 50-100bar. Proses Lurgi akan menghasilkan methanol yang murni dengan proses sintesis methanol dan proses pemurniannya
• M.W Kellog Co. memperkenalkan reaksi sintesis yang sangat berbeda, tetapi pada dasarnya merupakan reaktor tipe adiabatik • Reaktor berbentuk bulat dan didalamnya berisi unggun katalis tunggal • Sintesis gas mengalir melalui beberapa bed reaktor yang tersusun aksial berseri. • Kebalikan dari proses ICI, panas reaksi yang dihasilkan dikontrol dengan pendingin intermediat (intermediate ( intermediate coolers) coolers ) • Proses ini menggunakan katalis tembaga dan beroperasi pada rentang suhu 200-280OC serta tekanan 100-150 atm • Suhu didalam unggun katalis dikendalikan melalui penggunaan sebuah reaktor berpendingin (quench ( quench type converter ) dengan menyerap panas reaksi dalam intermediate stage boiler .
• Reaktor bertipe adiabatis dengan aliran radial berjumlah 3 masing-masing memiliki 1 unggun radial dan penukar panas internal • Tiap reaktor mengandung 1 unggun katalis • Tekanan operasi dari proses ini diatas 150 bar dab suhu 200310OC • Produk pertama perlu didinginkan sebelum reaktor kedua, hasil pendinginan berupa uap (steam) bertekanan rendah. • Katalis yang digunakan berupa Cu-Zn-Cr yang aktif pada 230280OC dan 100-200 atm • Sintesis gas mengalir secara radial melalui katalis bed
• Perusahaan Jepang MGC pada awalnya menggunakan proses dengan tekanan sedang yang beroperasi pada 150 atm kemudian dikembangkan untuk tekanan kurang dari 100 atm. • Saat ini MGC menggunakan rentang tekanan 50-200 atm dan suhu 235-270 OC
Teknologi Tekanan (bar) Suhu (OC) Jenis reaktor
ICI
Lurgi
Kellog
Topsoe
Mitsubishi
50-100
50-100
100-150
>150
50-200
270
230-270
200-280
200-310
235-270
Tube berpendingi n
Shell and tube
Tipe adiabatik berbentuk bulat
Tipe adiabatik dengan aliran radial
