Sintesis Ammonia dengan Katalis Ru/VulcanTugas Presentasi Teknik Reaksi Kimia I

Disusun Oleh Kelompok 2 :

Annifah

Achmad Ezra Garnida

Eka Hertanto Syafei

Kezia Elkardiana

Tri Ali Herviansyah

Pendahuluan : Ammonia (NH3)Karakteristik Nilai

Rumus molekul NH3

Berat molekul 17,03 g/gmol

Titik didih -33,35oC

Titik beku -77oC

Temperatur kritik -133oC

Tekanan kritik 1657 Psia

Panas pembentukan

(kkal/mol)-9,368 (0oC), -11,04 (25oC)

Kelarutan dalam air pada 1

atm42,8 (0oC), 33,1 (20oC), 14,1 (60o

Kebutuhan Pupuk Ammonia

• Pupuk ammonia dikenal dengan pupuk sintesis yang terdiri dari 3 bahan penyusun utama (N, P, S)

• Penambahan unsur N pada pupuk sintesis merupakan tahap yang paling sulit

• Produksi pupuk sintesis dengan kandungan N2 membutuhkan katalis dan biaya produksi yang mahal karena kebutuhan Suhu dan Tekanan tinggi yang dibutuhkan.

• Kebutuhan pupuk meningkat seiring

meningkatnya kebutuhan pangan dunia

• Dibutuhkan katalis untuk meningkatkan efektifitas produksi (%konversi)

PROSES SINTESIS AMMONIA

• Proses sintesis mengharapkan laju konversi yang tinggi dengan

memperbesar volume katalis

• Sintesis ammonia merupakan reaksi kesetimbangan secara termodinamika

• Sintesis amonia memiliki konversi maksimum 30%

• Proses membutuhkan tekanan yang tinggi

• Proses sintesis membutuhkan kelebihan H2

PROSES SINTESIS AMMONIA

Feedstock Purificatio

n

Primary Reforming

Secondary Reforming

Methanation

CO2 Removal

Shift Conversio

n

Ammonia Synthesis

Natural Gas

T = 400oCC = Cobalt Oxide

steam

T = 800oCP = 25-40 barC = Nickel Oxide

air

T = 1000oCC = Cobalt Oxide

Stage 1T = 500oCC = Iron OxideStage 2T = 250oCC = Alumina

T = 300oCC = Supported Nickel Oxide

T = 550oCP = 100-350 barC = Ruthenium

Pemilihan Katalis• Ru/Vulcan stabil pada kondisi operasi

reaksi sintesis NH3 (ditunjukkan oleh

perubahan ukuran partikel pada kondisi

operasi).

• Ru/Vulcan memiliki ketahanan walau zat

H2(g) memiliki poisoning effect karena

menghalangi sisi tertentu untuk

dissosiasi N2.

• Konversi reaktan yang dihasilkan 2 kali

dari konversi dengan katalis magnetite.

• Aktifitas Ru/Vulcan yang tinggi karena

jumlah atom hidrogen yang lebih rendah.

Struktur Ruthenium

• Memiliki B5 Active Site• Active site berada pada bagian edge dan

corner pada elemen logam Ru.Number of Energy Levels: 5First Energy Level: 2 Second Energy Level: 8 Third Energy Level: 18 Fourth Energy Level: 15 Fifth Energy Level: 1

Absorbsi N dengan katalis Ru

1. Atom N terdifusi kedalam

B5-type site

2. Asosiasi N

3. Desorpsi N2

Struktur Katalis Ru/Vulcan• Menentukan Mean Particle Diameter

• Menentukan jumlah rata-rata partikel Ru pada 1cm2 permukaan Vulcan

• Perhitungan densitas partikel Ru

• Perhitungan jarak antar partikel▫ Memisalkan bahwa semua partikel Ru dalam bentuk persegi

apabila jarak antar partikel = a

Kondisi OperasiOverall process

Keterangan Katalis

• Pada tekanan tinggi, konversi dalam jumlah besar dapat dicapai

dengan temperatur yang rendah

• Pada suhu yang terlalu tinggi, tidak dapat dicapai kesetimbangan

walaupun laju reaksi sangat tinggi (Dipilih 500oK-700oK)

Tinjauan Termodinamika

Reaksi EksotermisApabila suhu reaktor naik, maka nilai K akan naikNamun konversi kesetimbangan akan menurun

Pemilihan Reaktor

Dipilih reactor jenis  Uhde three bed ammonia converter dengan pertimbangan sebagai berikut:

a. Reaksi yang berlangsung adalah fase gas dengan katalis

padat

b. Kebutuhan volume katalis yang besar

c. Diameter katalis (Ru) yang sangat kecil

d.  Membutuhkan reaktor dengan aliran radial

e. Kuantitas gas balik menurun

f. Kebutuhan daya untuk sirkulator lebih rendah

g. Permukaan heat exchanger lebih kecil

h. Tidak perlu pemisahan katalis dari gas keluaran reaktor.

Pemilihan Reaktor

•Tinjauan pada packed bed▫ Rule of thumb :

Diameter bed =/> 10 kali diameter partikel Panjang bed =/> 50 kali diameter partikel

▫Realisasi : Diameter bed = 7,2 mm Panjang bed = 18 mm

Mekanisme Reaksi yang Diusulkan

N2 + 2S ⇌ 2N.S

2N.S + 2H.S ⇌ 2NH.S + 2S

2NH.S + 2H.S ⇌ 2NH2.S + 2S

2NH2.S + 2H.S ⇌ 2NH3.S + 2S

2NH3.S ⇌ 2NH3 + 2S

3H2 + 6S ⇌ 6H.S

Mekanisme Rate of Reaction

Menentukan TPL (Reaksi Absorpsi)

Mengapa Adsorpsi dipilih sebagai TPL?(halaman 17 jurnal : SUPPORTED Ru BASED AMMONIA SYNTHESIS CATALYSTS)

Karena energi yang dibutuhkan untuk terjadinya disosiasi molekul N2.S sangat besar dibanding yang lain

TPL: reaksi adsorbsi disosiasi molekul N2

Reaksi yang lain akan berjalan jauh lebih cepat dibandingkan dengan reaksi ini.

Kontanta reaksi selain reaksi pada adsorbsi disosiasi N2 (kS1,

kS2, kS3, kI, kD) bernilai sangat besar, karena reaksi-reaksi tersebut berlangsung sangat cepat.

Mekanisme Reaksi (Menentukan TPL)

• Mengasumsikan bila TPL = ABSORBSI (Pers.1)

• Meninjau tiap persamaan elementer▫ Persamaan 6 (Inhibitor)

▫ Persamaan 5 (Desorpsi)

▫ Persamaan 4 (Reaksi Permukaan)

▫ Persamaan 3 (Reaksi Permukaan)

▫ Persamaan 2 (Reaksi Permukaan)

• Menentukan Persamaan Vacant Sites

• Mensubtitusi nilai Cv pada persamaan 1 (Absorpsi) ▫ Metode initial rate ( Tekanan parsial produk <NH3> = 0)

▫ Asumsi yang digunakan : K1 = kA . Ct2

K2 = (KS1KS2KS3KD)1/2

K3 = (KS3KS2KD)1/2

K4 = (KS3KD)1/2

• Mendapatkan rA menggunakan konstanta asumsi

Merupakan rate of reactiondari reaksi sintesis NH3menggunakan katalis Ru

“ “

Selesai