Pabrik amoniak

1. Pabrik amoniak

2. Fe N2 + 3 H22 NH3 ∆H 500oC = - 26 kal/mol 500 oC , 100 atm Fiksasi Nitrogen N2 bebas di udara pupuk

3. 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.

4. Siklus Nitrogen Nitrogen di atmosfir 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

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

6. Mekanisme sintesa NH3

7. Komposisi katalis untuk sintesa amoniak 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.

8. 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

9. Beberapa jenis proses sintesa amoniak berdasarkan kondisi dan jenis katalis yang dipakai. Cat : PI = Promoted Iron DPI = Double Promoted Iron

10. 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.

11. 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  dan I , bervariasi tergantung pada tekanan operasi.

13. Hubungan antara suhu terhadap konstanta kesetimbangan sintesa amoniak

14. Hubungan antara suhu dan tekanan terhadap prosentase perolehan amoniak pada saat kesetimbangan

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

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

20. gas sintesa DS3 DS2 DS1 gas camp NH3,N2 dan H2 gas sintesa ( N2 dan H2) amoniak cair 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 H2O Reaktor purge amoniak cair Proses pemisahan amoniak satu tahap. Pemisahan berlangsung sebelum kompresi untuk didaur ulang

21. DS3 DS1 gas camp NH3,N2 dan H2 gas sintesa ( N2 dan H2) amoniak cair gas sintesa H2O H2O E2 E3 E4 E1 NH3 cair uap air P tinggi kukus TU 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 H2O Reaktor amoniak cair Proses pemisahan amoniak satu tahap. Campuran gas dikompresi sebelum didaur ulang

22. gas sintesa H2O E4 E3 E2 H2O E1 NH3 cair uap air P tinggi DS3 TU purge DS1 P1 Pn H2O amoniak cair gas camp NH3,N2 dan H2 gas sintesa ( N2 dan H2) amoniak cair 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 Proses pemisahan amoniak dua tahap, dengan kompresi diantaranya.

23. 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.

24. pada suhu 120 oC : pada suhu 70 oC : 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% persamaan di atas tidak berlaku untuk X > 0,9

25. 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)

26. 6 7 aliran yang dibuang daur ulang 1 4 5 pemisah Reaktor sintesa amoniak 2 3 produk keluaran reaktor umpan reaktor 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%.