Proses Pembuatan Nitrogen pada Industri Nitrogen

 

Proses Pembuatan Nitrogen pada Industri Nitrogen

Bahan mentah yang paling sering digunakan dalam pembuatan industri Nitrogen adalah Naptha dan natural gas. Terdapat 6 tahap yang dibutuhkan pada steam reforming menggunakan metode analitik yaitu: natural gas desulfurization, catalytical steam reforming, carbon monoxide (CO) shift, carbon dioxide (CO₂) removal, methanation dan ammonia synthesis.

1.        Natural gas desulfurion

Pada tahap pertama, Naptha atau Natural Gas (CH₄ , C₂H₆ , C₃H₈ , C₄H₁₀ dan H₂S) masuk ke dalam tangki desulfurizer untuk menghilangkan kadar sulfur sebagai pengotor yang masuk bersama natural gas. Kadar sulfur harus diturunkan hingga dibawah 280 micrograms per cubic meter (μg/m3) atau setara dengan (122 grams per cubic feet) pada awal proses karena sulfur dapat mengganggu proses pembuatan amonia dan dapat meracuni katalis yang akan digunakan, serta jika dibiarkan keberadaannya akan merusak alat-alat proses operasi karena sulfur bersifat asam. Karbon aktif atau Zinc Oksida (ZnO) bisa digunakan pada proses desulfurisasi. Akan tetapi perlu mempertimbangkan pemilihan dari 2 zat tersebut, karena activated carbon bed dapat turun keefektifannya oleh hidrokarbon berat yang menimbulkan efek negatif tidak mampunya karbonil sulfida direduksi oleh karbon bed tersebut. Sedangkan pada Zinc Oksida (ZnO) mampu secara efektif menyerap dan menurunkan kadar sulfur anorganik (H₂S). Gas hasil keluaran proses desufulizer adalah CH₄ , C₂H₆ , C₃H₈ dan C₄H₁₀.

 

2.        Catalytic Steam Reforming

a.    Air dimasukkan ke dalam steam drum kemudian dipanaskan hingga pada suhu 540°C (1004°F), agar terbentuk menjadi steam. Kemudian hasil steam tersebut diteruskan masuk ke dalam primary reformer.

b.    Primary reformer adalah proses pembuatan gas H₂.

Natural Gas yang telah meninggalkan tangki desulfulizer kemudian memasuki primary reformer untuk direaksikan dengan steam. Dalam primary reformer, 70% metana akan dikonversi menjadi H₂ dan CO2, sebagian lagi akan terkonvesi menjadi CO. Reaksi yang berlangsung pada primary reformer dapat dituliskan sebagai berikut: 

CH_4(g)  +  H₂O_(g)   ↔   CO_(g) + H_2(g)

Reaksi terjadi pada tekanan 35 atm, bersuhu tinggi (reaksi endotermis) pada rentang 700°C – 750°C, serta menggunakan katalis Cobalt-Molibdenium sebagai pembantu pemercepat reaksi.

Gas hasil keluaran proses primary reformer adalah H₂, CO, CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀.

c.       Kemudian gas keluaran primary reformer menuju secondary reformer bersama dengan udara terkompresi pada suhu 540°C atau 1004°F. Tujuan dari tahap secondary reformer ialah menghilangkan kandungan hidrokarbon. Penurunan kandungan ini dilakukan dengan mereaksikan hidrokarbon tersebut dengan udara bertekanan dari compressor. Kemudian reaksi tersebut menimbulkan panas yang bisa digunakan untuk menghilangkan kandungan hidrokarbon dan memurnikan kandungan N₂.

Pada tahap reaksi secondary reformer dibagi menjadi 2, yaitu:

1)      Seksi oksidadi partial yaitu dengan mereaksikan semua hidrokarbon dengan oksigen dan menghasilkan karbondioksida dan air. Reaksinya sebagai berikut:

CH_{4 (g)} + 2O_2(g) → CO_2(g) + 2H₂O_(g)

C₂H_6(g) + 3/2O_2(g) → 2CO_2(g) + 3 H₂O_(g)

C₃H_8(g) + 5O_2(g) → 3CO_2(g) + 4H₂O_(g)

C₄H_10(g) + 13/2O_2(g) → 4CO_2(g) + 5H₂O_(g)

H_2(g) + ½ O_2(g) → H₂O_(g)

CO_(g) + ½ O_2(g) → CO_2(g)

2)      Seksi reforming yaitu dengan mereaksikan methan dengan air yang kemudian menghasilkan karbon monoksida dan hidrogen. Reaksinya berlangsung sebagai berikut:

CH_4(g) + H₂O_(g) ↔ CO_(g) + 3H_2(g)

Dengan kondisi reaksi pada tekanan 32 atm, suhu 950°C dengan katalis Cobalt-Molibdenium. Kandungan gas yang keluar dari secondary reformer adalah H₂, N₂, CO, CO₂, dan H₂O.

Kemudian gas yang meninggalkan secondary reformer ini diturunkan suhunya hingga 360°C (680°F) pada heat recovery.

 

3.        Carbon Monoxide (CO) shift

Gas keluaran dari secondary reformer akan di proses selanjutnya pada tahap shift converter dengan mengubah gas CO menjadi CO₂, yang nantinya CO₂ tersebut akan dipisahkan pada tahapan proses selanjutnya. Terdapat 2 tahapan proses shift converter, yaitu HTS (high temperature shift converter) dan LTS (low temprature shift converter). Perbedaan dari 2 proses tersebut yaitu terletak pada tekanan berjalannya reaksi, untuk HTS berlangsung dengan tekanan tinggi dan LTS berlangsung dengan tekanan rendah. Perbedaan tekanan ini dikarenakan sebelum memasuki LTS, gas telah mengalami penurunan suhu oleh Heat recovery.

Reaksi yang terjadi pada tangki Shift Converter, sebagai berikut:

Ø  HTS (high temperature shift converter):

CO_(g) + H₂O_(g) ↔ CO_2(g) + H_2(g)

Reaksi berlangsung pada tekanan 30 atm, suhu antara 350°C hingga 450°C dengan bantuan katalis Fe₂O₃ dan Cr₂O₃.

Ø  LTS (low temprature shift converter):

CO_(g) + H₂O_(g) ↔ CO_2(g) + H_2(g)

Reaksi berlangsung pada tekanan 25 atm, suhu 250°C dengan bantuan katalis CuO dan N₂O₃.

Sehingga gas keluaran dari shift converter yaitu H₂, N₂, CO₂, H₂O, dan CO.

Kemudian selanjutnya masuk pada separator untuk mengkondensasi dan memisahkan steam yang tidak bereaksi dari gas. Baru selanjutnya masuk pada sistem absorbsi Karbondioksida.

4.        Carbon Dioxide (CO₂) removal

Pada tahap CO₂ removal melewati 2 bagian proses yaitu CO₂ absorption dan CO₂ stripper. Tahap CO₂ absorption untuk memisahkan gas CO₂ yang berasal dari LTS (low temprature shift converter) dengan bantuan senyawa larutan CO₂ absorption yaitu larutan benfield (K₂CO₃). Reaksinya sebagai berikut:

CO_2(g)   +   K₂CO_3(g)  +  H₂O_(g)   →  2 KHCO_3(g)

            Dari reaksi tersebut, gas CO₂ direaksikan bersama K₂CO₃ dan air akan menghasilkan produk senyawa kalium bikarbonat (KHCO₃). Selanjutnya senyawa kalium bikarbonat (KHCO₃) diteruskan pada tangki CO₂ stripper. Tangki ini berfungsi memisahkan KHCO₃ dari CO₂ sehingga akan membentuk kembali larutan benfield (K₂CO₃) yang dapat digunakan kembali pada CO₂ absorption. Sedangkan untuk Gas CO₂ dengan kandungan presentase 98,5 % bisa digunakan sebagai bahan baku kimia industri lain seperti pupuk ataupun bisa juga dibuang ke udara .

Gas keluaran Carbon Dioxide (CO₂) removal adalah H₂ , N₂  dan CO yang selanjutnya diteruskan pada methanator.

5.         Methanation

Proses methanation berfungsi mengubah gas CO menjadi Methana. Gas CO harus diubah karena CO mudah bereaksi dengan katalis yang akan digunakan saat mensintesis N₂ dan H₂. Reaksi tersebut sangat mengganggu karena menimbulkan hambatan pada proses pembentukan amonia, oleh sebab itu reaksi tersebut harus dihilangkan.

Reaksi pada methanator dapat dituliskan sebagai berikut:

CO_(g)   +   3 H_2(g)   ↔   CH_4(g)  +  H₂O_(g)

            Reaksi berlangsung pada tekanan 20 atm, suhu antara 200°C – 250°C dengan tambahan katalis Cobalt-Molibdenium. Pada proses selanjutnya, methana (CH₄) yang dihasilkan dari reaksi tersebut tidak akan bereaksi karena gas keluaran methanator hanya tersisa komponen pembuatan amonia yaitu N₂ ,  H₂   ,  CH₄   ,  H₂O.

Proses pembuatan amonia membutuhkan tekanan tinggi yaitu 135 atm. Sehingga untuk mencapai keadaan tersebut, gas keluaran methanator harus melewati compressor.

6.             Ammonia synthesis

Pada tahap akhir yaitu tahap sintesis, proses sintesis gas dari methanator dikompres pada tekanan 13,800 - 34,500 kPa (2000 - 5000 psia) untuk kemudian didinginkan sampai 0°C (32°F) pada ammonia refregeration. Yang bertujuan untuk Mengubah H₂O menjadi fasa cair. setelah gas keluar dari ammonia refregeration, tahap selanjutnya diteruskan pada proses synthesis converters. Pada tahap ini dilakukan pengubahan/mesintesis gas N₂ dan H₂ menjadi amonia yang reaksinya dapat dituliskan sebagai berikut:

            N_2(g)    +    H_2(g)     ↔    2 NH_3(g)   

Reaksi berlagsung pada suhu : 400 – 500°C   ,  tekanan : 135 atm dengan bantuan katalis : Fe₂O₃.

Konversi reaksi pembentukan Amonia hanya mencapai 12 %. Sehingga hasil amonianya tidak bisa langsung didapatkan. Gas hasil keluaran dari synthesis converters (N₂ , H₂  ,  CH₄  dan NH₃) yang kemudian di compress oleh compressor untuk menaikan tekanan dan masuk ke ammonia refrigeration untuk mengubah NH₃ dan H₂O menjadi fase cair, kemudian diumpankan ke flash gas  untuk memisahkan gas CH₄ dan merecovery gas H₂.

Selama sintesis pembuatan amonia, CH₄ tidak ikut bereaksi sehingga jumlah masuk dan keluar pasti sama. Untuk mencegah semakin bertambahnya CH4, maka dilakukan recovery dengan jumlah komponen yang nantinya akan diteruskan ke purge harus  sama dengan jumlah komponen CH₄ yang masuk pada tangki synthesis converters.

Gas hasil keluaran flash tank sebagian yang berisi N₂ , H₂ dan CH₄ akan kembali ke  synthesis converters untuk membentuk NH₃. Kemudian sebagiannya lagi yang sudah mengandung NH₃ dan H₂O akan diteruskan dari flash gas ke separtor. Kemudian  NH₃ dan H₂O akan terpisah pada separator, dimana H₂O akan terkondensasi dan NH₃ akan keluar menuju storage. Proses tersebut akan terus menerus berputar untuk menghasilkan NH₃ yang dibutuhkan. Konsentrasi NH₃ yang dihasilkan memiliki kemurnian hingga 99%.