BAB I PENGANTAR 1. -...

Prarancangan Pabrik Amoniak dari Low Grade Coal kapasitas 580.000 ton/tahun

1 M Harun Al Rasyid 12/330386/TK/39560 Wisnu Murti 12/333255/TK/39676 Rizky Arimurty Hadju 12/333792/TK/40134

BAB I

PENGANTAR

1. Latar Belakang

Amoniak merupakan bahan kimia yang paling banyak diproduksi di dunia.

Produksi amoniak sudah dimulai sejak abad ke-8 dalam bentuk garam amoniak. Sedangkan

amoniak pertama kali diproduksi dalam bentuk gas oleh Joseph Priestly pada tahun 1774.

Pada tahun 1909 Fritz Haber dan Carl Bosch mengembangkan teknologi pembuatan

amoniak dari nitrogen yang berasal dari udara dan dikenal dengan proses Haber-Bosch,

yang selanjutnya diterapkan untuk produksi amoniak berskala industri untuk pertama

kalinya di Jerman. Amoniak menjadi salah satu bahan kimia yang cukup penting dalam

industri kimia. Karena kandungan nitrogen yang tinggi, amoniak banyak digunakan sebagai

bahan dasar pupuk, selain itu amoniak juga digunakan pada berbagai industri seperti pada

refrigeration system, dan berbagai industri kimia yang lainnya.

Kebutuhan amoniak di dunia diperkirakan akan mencapai 245 MT pada tahun 2018,

jumlah ini 16 % lebih besar dibandingkan kebutuhan tahun 2013 (Heffer dan Prud’homme,

2014). Indonesia sebagai negara agraris yang sebagian untuk pertanian membuat kebutuhan

pupuk di Indonesia cukup tinggi. Meskipun di Indonesia sudah terdapat beberapa pabrik

amoniak, seperti Kaltim Parna Industri, Pupuk Sriwijaya, Pupuk Kujang Cikampek, Pupuk

Kalimantan Timur, dan Petrokimia Gresik, namun pada kenyataannya pada tahun 2013

Indonesia masih mengimpor 200.000 ton/tahun amoniak untuk memenuhi kebutuhan

dalam negeri (Dhany, 2013). Maka dengan kata lain pangsa pasar amoniak masih sangat

terbuka di Indonesia.

Untuk memproduksi amoniak sumber nitrogen biasanya diperoleh dari udara,

sedangkan hidrogen diperoleh dari gas alam. Permasalahannya adalah menipisnya

cadangan gas alam di dunia, mengingat gas alam merupakan sumber daya tidak terbarukan.

Dari data yang dihimpun oleh Indonesian Commercial Newsletter (ICN), pada tahun 2008

Indonesia memiliki cadangan gas alam sebanyak 170 TSCF dan produksi pertahun

mencapai 2,87 TSCF, sehingga diperikan Indonesia memiliki reserve to production

mencapai 59 tahun (Anonim1,2010). Untuk memperpanjang waktu reserve to production

Indonesia harus menurunkan jumlah produksi gas atau mencari kilang-kilang gas baru.

Maka perlu dikembangkan teknologi proses produksi amoniak yang memungkinkan

menggunakan bahan baku lain selain gas alam sebagai sumber hidrogen.



Sumber hidrogen lain yang dapat digunakan adalah batubara. Sementara itu

produksi batubara terus meningkat di Indonesia, dari data kementrian Energi dan Sumber

Daya Mineral pada tahun 2008 total produksi batubara Indonesia mencapai 197 juta

ton/tahun dan terus meningkat hingga mencapai 272 juta ton/tahun pada tahun 2013

(Anonim2, 2014). Dari data tersebut, batubara dapat dipertimbangkan sebagai salah satu

pengganti sumber hidrogen untuk bahan baku amoniak .

Pada tugas perancangan pabrik kimia ini akan dirancang pabrik amoniak

berkapasitas 580.000 ton/tahun amoniak. Dari proses gasifikasi dihasilkan syngas dengan

kandungan utama CO dan H2, selanjutnya CO dan. H2 menjadi umpan unit amoniak.

2. Tinjauan Pustaka

2.1. Batubara

Batubara merupakan salah satu jenis bahan bakar fosil. terbentuk dari endapan

organik, utamanya adalah sisa-sisa tumbuhan dan terbentuk melalui proses pembatubaraan.

Unsur-unsur utamanya terdiri dari karbon, hidrogen dan oksigen. Batu bara juga adalah

batuan organik yang memiliki sifat-sifat fisika dan kimia yang kompleks yang dapat

ditemui dalam berbagai bentuk. Analisis unsur memberikan rumus formula empiris seperti

C137H97O9NS untuk bituminus dan C240H90O4NS untuk antrasit. Pada umumnya batubara

digolongkan menjadi lima jenis yaitu antrasit, bituminus, sub-bituminus, lignit, dan

gambut. Pengelompokan ini didasarkan pada kandungan relatif antara unsur karbon (C)

dan hidrogen (H) yang terdapat pada batubara. Batubara antrasit memiliki kandungan

karbon paling tinggi dibandingkan dengan jenis lainnya, sedangkan batubara jenis gambut

memiliki kandungan hidrogen (dalam bentuk moisture maupun H2) paling tinggi

dibandingkan dengan jenis lainnya.

Batubara jenis antrasit memiliki memiliki struktur yang kompak, berat jenis tinggi,

berwarna hitam metalik, serta kandungan volatille matter, abu dan air yang rendah. Apabila

antrasit dibakar maka hampir semua terbakar, dan antrasit memiliki nilai kalor paling tinggi

yaitu 8.300 kkal/kg. Batubara kelas bituminus memiliki kenampakan warna hitam agak

kompak, kandungan abu dan airnya sekitar 5-10%, dan nilai kalor antara 7.000-8.000

kkal/kg. Batubara jenis sub-bituminus memiliki spesifikasi yang hampir sama dengan

bituminus namun memiliki nilai kalor yang lebih rendah, yaitu sekitar 6.000 kkal/kg.

https://id.wikipedia.org/wiki/Karbon

https://id.wikipedia.org/wiki/Hidrogen

https://id.wikipedia.org/wiki/Oksigen



Batubara jenis lignit memiliki nilai kalor yang lebih rendah dibandingkan sub-bituminus,

yaitu 1.500-4.500 kkal/kg, sementara jenis gambut memiliki nilai kalor terendah jika

dibakar, yaitu sekitar 1.700-3.000 kkal/kg (Sukandarrumidi, 2005).

Pada dasarnya ada beberapa jenis pengolahan batubara yaitu combustion,

gasifikasi, karbonisasi (coking), dan liquifaction. Sementara dalam proses pembuatan

ammonia dibutuhkan bahan baku hidrogen dalam fasa gas sehingga gasifikasi merupakan

metode yang paling cocok. Gasifikasi adalah proses dimana batubara direaksikan dengan

oksidator untuk menghasilkan fuel-rich product. Reaktan dalam proses ini adalah batubara,

oksigen, uap air (steam), karbondioksida, dan hidrogen. Hasil yang diinginkan adalah gas

yang mengandung karbonmonoksida, hidrogen, dan metana (Smooth dan Smith, 1985).

Pada proses gasifikasi juga terjadi beberapa reaksi , reaksi utama dari proses gasifikasi

adalah sebagai berikut

C(s) +1

2O2 → CO ΔHR

o = −110,5 mJ/kmol (1)

Reaksi di atas bersifat eksotermis. Reaksi terhadap C(s) tidak berhenti pada

pembentukan CO, namun oksigen bebas juga akan bereaksi dengan CO di fase gas

membentuk CO2. Reaksi pembentukan CO2 bersifat endotermik dan harus diminimalkan

karena akan mengurangi hasil dari gas CO.

C(s) + CO2 → 2CO2 ΔHRo = +172,0 mJ/kmol (2)

Untuk mengontrol suhu tinggi yang dihasilkan reaksi (1) dan untuk meningkatkan

heating value dari produk gas, penambahan steam dapat dilakukan.

C(s) + H2O → CO + O2 ΔHRo = +131,4 mJ/kmol (3)

Reaksi tersebut juga bersifat endotermis, dan sangat mengandalkan panas yang

dihasilkan reaksi (1) untuk kebutuhan energinya. Laju reaksi (3) jauh lebih lambat jika

dibandingkan dengan reaksi (1), akan tetapi mampu meningkatkan nilai kalor dari gas

produk. Disamping reaksi-reaksi terhadap karbon yang tergantung pada batubara, reaksi

pada fase gas juga perlu diperhatikan



CO +1

2O2 → CO2 ΔHR

o = −283,1 mJ/kmol (4)

CO + H2O(g) → CO2 + H2 ΔHRo = −283,1 mJ/kmol (5)

Reaksi (4) mengakibatkan oksigen cepat habis, meningkatkan suhu, dan

mengakibatkan terjadinya reaksi antara C(s) dengan CO2. Sementara reaksi (5) bersifat

eksotermis dan menghasilkan CO2 juga (Smooth dan Smith, 1985). Ada 3 jenis proses

gasifikasi batubara yaitu fixed (or moving) bed, fluidized bed, dan entrained bed.

2.1.1. Fixed bed gasification

Fixed bed gasification juga disebut dengan moving bed gasification, teknologi

ini adalah teknologi gasifikasi tertua yang pernah digunakan. Pada tahun 1927 Lurgi

mengembangkan reaktor atmosferik dan pressurized reactor pada tahun 1931. Proses

gasifikasi ini memiliki ciri-ciri adanya reaction bed dimana batubara bergerak

perlahan ke arah bawah karena gravitasi, dan selama pergerakan batubara digasifikasi

menggunakan blast secara counter current. Proses ini membutuhkan jumlah oksigen

yang rendah dan steam yang tinggi. Fixed bed gasification membutuhkan umpan

batubara dengan ukuran 6-50 mm. Fixed bed gasification tidak bisa digunakan untuk

caking coal. Karena caking coal membutuhkan bantuan pengaduk untuk mencegah

batubara membentuk pasta (Blesl, 2010).

(Blesl, 2010)

Gambar 1. Moving Bed Gasification Process



2.1.2. Fluidized bed gasification

Pada fluidized bed gasification transfer massa dan panas terjadi dengan sangat

baik karena kontak yang sempurna, namun masing-masing partikel memiliki waktu

tinggal yang berbeda-beda. Hal ini menyebabkan ada karbon yang belum bereaksi

namun sudah keluar bersama dengan partikel yang bereaksi sempurna (ash).

Keunggulan dari Fluidized bed gasification adalah konversinya mencapai 97%

(Blesl, 2010).

(Blesl, 2010)

Gambar 2. Fluidized Bed Gasification Process



2.1.3. Entrained bed gasification

Kelebihan dari entrained bed gasification adalah mampu memproses semua

jenis batubara sebagai umpannya, prosesnya bersih, dan tidak menghasilkan tar.

Namun ash dihasilkan dari proses gasifikasi dalam bentuk inert slag. Kelemahannya

adalah membutuhkan oksigen dalam jumlah besar terlebih jika umpan mengandung

moisture yang tinggi. Entrained bed gasification biasanya membutuhkan suhu

sekitar 1400 oC dan tekanan 20-70 bar. Entrained bed gasification adalah teknologi

yang paling banyak digunakan terutama dalam sistem IGCC (Blesl, 2010).

(Blesl, 2010)

Gambar 3. Entrained Bed Gasification Process

2.1.4. Judgement dan Pemilihan Proses

Perbedaan dari masing-masing jenis proses gasifikasi diberikan dalam

tabel berikut



Tabel 1. Tabel Perbandingan Jenis Proses Gasifikasi Batubara

Fixed Bed Fluidized Bed Entrained Bed

Waktu tinggal 1-3 jam 20-150 menit 0,4-1,2 detik

Ukuran Batubara 6-50 mm 500-2.400 µm 10-150 µm

O2/Batubara 0,14-0.81 0,25—0,97 0,28-1,71

Uap/Batubara 0,28-3,09 0,11-1,93 0,1-1,20

Jenis Batubara Sebagian jenis

batubara dengan

ukuran besar

Noncaking coal Semua jenis

Kisaran Suhu (K) 1.150-1.300 600-1.470 1.150-2.500

Tekanan

(atm)

1-20

1-100

1-300

Gas Produk (% mol)

CO+H2

CH4

HHV (Btu/SCF)

39-66

2-15

250-320

2-80

3-68

300-800

35-91

0,1-17

115-550

Principal advantages Teknologi sudah

banyak

dikembangkan

Panas yang hilang

rendah

Suhu yang

digunakan rendah

Dapat digunakan

batubara berbagai

ukuran

Waktu tinggal

sedang

Desain lebih kecil

dan lebih sederhana

Dapat digunakan

untuk semua jenis

batubara

Kapasitas besar

(Smooth dan Smith, 1985)

Pada perancangan pabrik ammonia dari batubara ini, diperlukan kualitas

batubara dengan kandungan hidrogen yang cukup tinggi untuk memenuhi kebutuhan



unit ammonia, maka dipilih batubara dengan jenis sub-bituminus dengan

pertimbangan memiliki kandungan hidrogen yang tinggi, sekitar 5-8% basis kering.

Pemilihan jenis batubara sub-bituminus juga didukung dengan adanya cadangan

batubara jenis ini yang cukup besar di Indonesia.

Sedangkan proses gasifikasi yang dipilih adalah fluidized gasification,

karena dari segi kapasitas fluidized gasification memiliki kapasitas yang besar dan

waktu tinggal yang tidak terlalu lama. Tidak dipilih entrained gasification karena

tidak dapat digunakan untuk batubara dengan kadar moisture yang tinggi, sedangkan

batubara yang digunakan mengandung moisture yang tinggi.

2.2. Amoniak

Amoniak merupaka gas yang tidak berwarna, lebih ringan dari udara, mempunyai

aroma yang sangat menyengat, tidak mudah terbakar namun beracun. Amoniak merupakan

hasil pengikatan nitrogen secara reduksi dengan bantuan katalis melalui reaksi berikut

N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g) (6)

Sumber nitrogen adalah udara, sedangkan hidrogen dapat diperoleh dari berbagai

jenis bahan mentah seperti batubara, hidrokarbon, gas alam, air, maupun dari kombinasi

bahan-bahan mentah tersebut. Amoniak dibuat dengan proses Haber-Bosch. Pada proses

Haber-Bosch biasanya reaksi terjadi pada tekanan 140-250 bar dan 400-500oC. Dalam

reaksinya gas melewati lebih dari 4 bed katalis yang dilengkapi pendingin dengan tujuan

untuk mencapai kesetimbangan. Pada masing-masing pass konversi yang dicapai sekitar

15%, namun dengan adanya recycle gas yang tidak bereaksi, konversi keseluruhannya

dapat mencapai 97%.

Steam reformer, shift converter, CO2 removal dan methanator beroperasi pada

tekanan 25-35 bar, sedangkan amoniak synthesis loop beroperasi pada tekanan 60-180 bar.

Sumber utama senyawa hidrogen yang digunakan adalah gas alam, namun pada awalnya

Bosch mendapatkan hidrogen dari elektrolisis air.



Nitrogen merupakan senyawa yang sulit bereaksi karena adanya ikatan rangkap

tiga yang sangat kuat, karena itu Haber mengembangkan katalis untuk memotong ikatan

ini.

Kesetimbangan adalah hal yang sangat penting karena reaksi bersifat reversible.

Pada suhu kamar kesetimbangan dari reaksi amoniak dapat tercapai namun laju reaksinya

sangat lambat, sedangkan sesuai dengan prinsip Le Chatelier's jika suhu dinaikan maka

laju reaksi menjadi besar namun kesetimbangan sulit tercapai. Akan tetapi katalis yang

digunakan membutuhkan suhu paling tidak 400oC agar bekerja secara efisien.

Tabel 2 . Hubungan nilai Konstanta Kesetimbangan Reaksi Amoniak terhadap Suhu

Temperature (Temperature oC) Kp

300 4,43 x 10-3

400 1,64 x 10-4

500 1,45 x 10-5

600 2,25 x 10-6

Tekanan dapat menjadi solusi untuk tercapainya kesetimbangan pada suhu tinggi.

Dari reaksi pembentukan amoniak ada 4 mol reaktan dan dihasilkan 2 mol produk, maka

tekanan tinggi (sekitar 200 atm) membantu tercapainya kesetimbangan agar menghasilkan

produk yang optimum (Schaurnheim, 2006).

https://en.wikipedia.org/wiki/Le_Chatelier%27s_principle



Gambar 4. Grafik Hubungan Suhu dan Tekanan terhadap Yield

Amoniak

(Schaurnheim, 2006)

Dari gambar dapat dilihat bahwa jika digunakan tekanan 140 atm dan suhu

350oC maka yield yang didapatkan lebih besar dibandingkan jika digunakan tekanan

yang sama dengan suhu yang lebih besar, namun dengan pertimbangan laju reaksinya

akan lebih menguntungkan menggunakan suhu yang lebih tinggi. Karena

mendapatkan yield yang tinggi namun waktu yang dibutuhkan lama akan berdampak

pada operating cost yang mahal. Dan dari penelitian yang telah dilakukan 400oC dan

140 atm merupakan kondisi operasi paling optimum untuk proses amoniak

(Schaurnheim, 2006).

Dari segi ekonomi masih tergolong mahal karena proses beroperasi pada

tekanan 140 atm maka dibutuhkan peralatan yang kuat seperti pipa, valve, dan aspek

keselamatan juga perlu diperhatikan. Katalis yang kini banyak digunakan adalah

katalis besi atau dengan kombinasi K2O, CaO, SiO2, dan Al2O3. Pada awalnya reaksi

pada proses Haber-Bosch dijalankan di sebuah kamar dengan osmium sebagai katalis,

namun hanya digunakan pada kapasitas kecil dan sangat mahal untuk produksi skala

industri. Pada skala industri katalis besi didapatkan dari serbuk besi, dan selanjutnya



diganti dengan menggunakan proses reduksi Fe3O4 murni. Katalis mempertahankan

sebagian besar bulk volume selama pengurangan, menghasilkan bahan luas

permukaan yang tinggi sangat berpori, yang meningkatkan efektivitasnya sebagai

katalis. Ada beberapa jenis amoniak konverter yang digunakan didunia industri, jenis-

jenis tersebut dijelaskan sebagai berikut

2.2.1. Amoniak Konverter dengan Internal Cooling

Converter dengan internal cooling membutuhkan sistem pendingin

yang di-supply oleh medium pendingin yang mengalir pada bagian tube pada

tumpukan katalis, atau dalam beberapa desain pada sekitar tube yang berisi

katalis. Konversi yang dapat dicapai dari konverter jenis ini berkisar 12 %. Pada

sistem konverter dengan internal cooling, arah aliran di cooling tube bisa bersifat

cocurrent atau counter current.

2.2.1.1.Aliran countercurrent pada cooling tube

Gambar skematik dari Konverter dengan aliran countercurrent

pada cooling tube diberikan pada Gambar 5.

(Christiansen dkk, 1995)

Gambar 5. Skematik dari Konverter dengan Aliran Countercurrent



Feed gas masuk melalui bagian atas konverter dan bergerak

melalui anulus antara pressure shell dan basket menuju bagian bawah dari

koverter. Pada saat yang bersamaan pressure vessel didinginkan (feed gas

digunakan sebagai “shell cooling gas”) maka desain dengan suhu rendah

dapat diaplikasikan untuk pressure vessel.

Feed gas mengalir melalui umpan dari heat exchanger yang

berada pada pressure shell yang sama sebagai bed katalis (heat exchanger

di bagian bawah dari koverter disebut “the lower heat exchanger”),

kemudian mengalir melalui bagian shell side, melalui tube side dari lower

heat exchanger dan keluar. Bypass steam ditambahkan untuk mengatur

suhu feed gas diantara lower heat exchanger dan bed katalis cooling tubes.

Dari profil suhu sepanjang konverter terlihat bahwa suhu gas relatif

rendah pada bagian outlet, jadi panas dari gas keluar konverter hanya

dapat digunakan untuk preheating boiler feed water atau produksi low

pressure steam.

Profil suhu dan konsentrasi menunjukan bahwa gas bereaksi

hampir secara adiabatik pada bagian awal dari bed katalis. Ketika

perbedaan suhu antara cooling gas dan reacting gas naik. Pada bagian

bawah bed katalis suhu relatif rendah sehingga laju reaksi juga rendah,

namun jika arus pendingin diperkecil akan berpengaruh pada performa

katalis. Konverter jenis ini jarang digunakan karena konstruksi yang

rumit, da kapasitasnya pun rendah yaitu 300 MTPD (Christiansen dkk,

1995).

2.2.1.2.Aliran cocurrent pada cooling tube

Gambar skematik dari konverter dengan aliran cocurrent pada

cooling tube, dan profil suhu sepanjang konverter diberikan pada Gambar

6.




Gambar 6. Skematik dari Konverter dengan Aliran Cocurrent

Aliran gas pada konverter ini adalah sebagai berikut, umpan gas

masuk pada bagian atas dan melewati shell sebagai cooling gas menuju

bagian bawah dari konverter. Gas kemudian mengalir melalui shell side pada

lower heat exchanger dan dilanjutkan ke bagian anulus antara tubular cooled

catalyst bed dan dinding luar basket menuju kebagian atas tubular cooled

bed, kebagian bawah melalui cooling tubes pada bed katalis, ke atas melalui

central pipe, ke bawah kembali melalui dua bed katalis secara seri dan

terakhir melalui tube side dari lower heat exchanger kemudian keluar dari

konverter. Cold gas ditambahkan untuk mengontrol suhu setelah melewati

bed katalis pertama. Konverter jenis ini memiliki desain yang rumit, dan

kapasitasnya pun masih relatif kecil, hampir sama dengan konverter dengan

aliran countercurrent pada cooling tube.

2.2.2. Amoniak Konverter dengan Quench Cooling

Konverter amoniak dengan tipe quench cooling kebutuhan pendingin

dipenuhi dengan injeksi gas dingin yang belum terkonversi (unconverted cool

gas), baik injeksi pada ruang antara bed katalis atau distribusi merata pada badan

katalis. Gambar skematik dari konverter ini beserta profil suhu dan konversinya

digambarkan pada Gambar 7




Gambar 7. Skematik Amoniak Konverter dengan Quench Cooling

Pada bed katalis pertama, belum diinjeksikan pendingin, suhu dari feed

gas meningkat secara adiabatis dari suhu masuk menuju suhu yang mendekati

suhu pada kesetimbangan. Setelah melalui bed katalis pertama, sejumlah gas

dingin yang belum terkonversi diinjeksikan untuk mendapatkan suhu pada outlet

mendekati suhu yang dibutuhkan untuk masuk ke bed setelahnya. Pada saat yang

bersamaan, konsentrasi amoniak menurun, karena gas yang keluar dari bed

pertama terlarut pada unconverted gas. Konsep quench cooling cocok untuk

konverter dengan kapasitas yang besar dan hampir digunakan pada semua

aplikasi konverter pada awal 1960an. Namun kapasitas yang besar ini juga

berdampak pada ukuran yang besar, dan sistem masih dianggap sangat

kompleks.

2.2.2.1 Axial Flow, dengan injeksi Quench Cooling pada jarak antara bed katalis

Pada jenis ini, feed gas masuk konverter pada bottom dan pada

mengalir gas pendingain pada jarak antara bed katalis setelah bed pertama

melalui quench gas distributor sebagai pengontrol temperatur. Gas yang

telah terkonversi melewati bed terakhir (bed pertama dari atas) menuju

feed-effluent heat exchanger sebelum meninggalkan konverter melalui

bagian atas. Skema dapat dilihat pada Gambar 8




Gambar 8. Skematik Konverter dengan Quench Cooling (Axial Flow)

Konverter jenis ini memberikan performa yang baik pada industri.

Namun, beberapa kelemahan sistem quench cooling, yaitu rendahnya

efisiensi, dan beberapa masalah lainnya maka jenis ini mulai ditinggalkan.

Pada pengembangan selajutnya, dikembangkan tipe konverter

quench horizontal. Bed katalis ditempatkan pada wadah yang sesuai

dengan tekanan horizontal dari shell. Dengan posisi yang horizontal,

penggantian katalis jauh lebih mudah, tidak diperlukan struktur tertentu

untuk puncak konverter maupun crane untuk mengganti katalis

(Christiansen dkk, 1995).

2.2.2.2 Axial Flow, dengan injeksi Quench Cooling pada bed katalis

Sama seperti tipe sebelunya, feed gas masuk melalui bottom dari

konverter. Namun, gas pendingin masuk bukan pada jarak antara bed,

melainkan pada badan bed katalis itu sendiri. Gas quench diinjeksikan pada

level yang berebda pada tiap bed katalis, untuk mendapatkan suhu yang

sesuai untuk feed pada bed selanjutnya (Christiansen dkk, 1995).



2.2.2.3 Radial Flow atau Axial/Radial Flow

Masalah yang sering muncul pada semua jenis konverter dengan

tipe axial flow saat kapasitas ditingkatkan, adalah terjadinya peningkatan

pressure drop karena peningkatan kedalam dari bed katalis seiring

meningkatknya kapasitas. Pada dasarnya hal ini dapat dikompensasi

dengan penambahan diameter konverter, namun diatas ukuran diameter

tertentu menjadi tidak memungkinkan secara teknis maupun secara

perhitungan ekonomi. Cara lain, yaitu pembesaran ukuran katalis, namun

ini dapat menurunkan aktivitas katalis karena ukuran yang semakin besar.

Pada konverter jenis radial flow, permasalahan diatas tidak

terdapat. Konverter dengan tipe radial flow dapat digunakan untuk

konverter yang di desain untuk bekerja pada kapasitas yang besar tanpa

memperbesar diameter konverter, dan pressure drop dapat dijaga rendah

dengan walaupun dengan katalis dengan ukuran kecil. Berikut pada

Gambar 9 ditampilkan skema dari tipe radial flow (Christiansen dkk,

1995).


Gambar 9. Konverter dengan Quench Cooling Arah Radial



2.2.3. Amoniak konverter dengan Indirect Cooling

Pada Konverter dengan indirect cooling pendingin dibutuhkan untuk

mencapai konversi maksimum, pada konverter ini disediakan sistem pendingin

diantara bed katalis, dimana medium pendingin gas sintesis atau boiler feed water.

Gambar skematik dari konverter ini digambarkan pada Gambar 10


Gambar 10. Skematik Konverter dengan Indirect Cooling

Pada konverter ini gas mengalir melalui semua bed katalis, dan tidak ada

pengenceran sebagian converted gas di bagian antar bed katalis. Ini berarti

dengan kondisi yang sama dengan konverter jenis lainnya dan jumlah katalis yang

sama, konversi yang dicapai dapat lebih tinggi dibandingkan konverter jenis

lainnya. Konverter dengan indirect cooling adalah konverter berkapasitas besar

yang kini banyak digunakan dan juga sudah banyak dikembangkan.

Pengembangan-pengembangan yang dilakukan membuat konverter jenis ini jauh

lebih sederhana dan efisien, konversi yang diperoleh pun dapat mencapai 20%.



2.2.3.1. Axial Flow

Konverter dengan indirect cooling sudah di kembangkan oleh

beberapa vendor, diantaranya Osterreichische Stickstoffwerke (OSW). Pada

konverter yang didesain oleh OSW menggunakan converter feed gas sebagai

medium pendingin.


Gambar 11 . Konverter dengan Indirect Cooling (Axial Flow)

Gas umpan masuk melalui bagian atas konverter, mengalir sebagai

gas pendingin shell di anulus antara pressure shell dan catalyst basket,

kemudian naik melalui shell side dari lower heat exchanger menuju bagian

atas konverter. Kemudian gas mengalir turun secara aksial melalui bed katalis

dan pada tube side di interbed heat exchanger, akhirnya gas mengalir melalui

tube lower heat exchanger dan keluar dari konverter. Gas sintesis bersuhu

rendah juga ditambahkan (cold shot) melalui bagian bawah konverter untuk

mengontrol suhu.



Konverter dengan indirect cooling yang memiliki arah aliran aksial

juga dikembangkan oleh Kellogg dengan posisi konverter tidak berdiri

vertikal namun horizontal.


Gambar 12. Konverter dengan Indirect Cooling (Horizontal)

Pada konverter ini gas masuk dari ujung horizontal pressure shell,

mengalir sebagai gas pendingin pada bagian diantara pressure shell dan

catalyst basket menuju shell side dari interbed heat exchanger yang

ditambahkan pada ujung lain konverter. Setelah mengalami preheating dan

bercampur dengan cold gas untuk mengontrol suhu, gas mengalir ke bawah

melalui bed katalis pertama, melalui tube side dari interbed heat exchanger,

kemudian ke bed katalis kedua (bed katalis kedua dibagi 2 bagian) dan keluar

melalui bagian ujung konverter yang sama dengan bagian inlet. Ada beberapa

keuntungan dari konverter jenis ini diantaranya pressure drop yang rendah

dengan partikel katalis yang kecil, dan mudah untuk mengganti bagian dalam

dari konverter tanpa bantuan derek (Christiansen dkk, 1995).

2.2.3.2. Radial flow atau radial/aksial flow

Haldor Topsoe merupakan salah satu vendor yang sudah banyak

mengembangkan amoniak koverter jenis ini. Haldor Topsoe mengembangkan



amoniak konverter jenis ini dalam dua tipe yaitu tipe dengan dan tanpa lower

heat exchanger.

Gambar 13. Amoniak Konverter dengan Indirect Cooling (Radial Flow) (a) dengan

Lower Heat Exchanger (b) tanpa Lower Heat Exchanger

Amoniak konverter jenis ini terdiri dari pressure shell dan basket.

Pada konverter tanpa lower heat exchanger, umpan gas masuk melalui bagian

bawah konverter dan mengalir sebagai shell cooling gas ke bagian atas

konverter dan melewati interbed heat exchanger yang dipasang di tengah bed

katalis pertama. Setelah melewati interbed heat exchanger gas bercampur

dengan cold gas (cold shot) untuk mengontrol suhu sebelum mengalir ke bed

katalis pertama secara radial, kemudian mengalir melalui tube side dari

interbed heat exchanger, kemudian mengalir secara radial pada bed katalis

kedua, dan akhirnya keluar pada bagian bawah konverter. Sedangkan pada

konverter dengan lower heat exchanger, desain yang ada dimaksudkan agar

feed gas masuk dan keluar akan melalui lower heat exchanger yang dipasang

di bagian bawah konverter.

2.2.4. Judgement dan Pemilihan Proses



Jadi dari uraian di atas dipilih proses sintesis amoniak dengan kondisi

operasi 140 atm dan suhu 270-500oC dan katalis yang digunakan adalah besi (Fe).

Pemilihan suhu dan tekanan ini didasarkan atas pertimbangan laju reaksi dan

kesetimbangannya. Adapun ringkasan dari pemilihan jenis konverter diberikan pada

Tabel 3

Tabel 3. Perbandingan Jenis-Jenis Konverter

Konverter dengan

Internal Cooling

Konverter dengan

Quench Cooling

Konverter dengan

Indirect Cooling

Kapasitas, MTPD 300 Mencapai 2000 Mencapai 2000

Lower Heat Exchanger Ada Ada Ada/tidak

Kompleksitas Desain Kompleks Lebih sederhana kompleks

Konversi Mencapai 12 % Mencapai 17% Mencapai 20%

Pressure Drop Tinggi Tinggi Rendah

Penggunaan pada Industri Sudah tidak

digunakan

Sudah banyak

dikembangkan,

dan banyak

digunakan pada

saat ini.

Sudah banyak

dikembangkan,

dan banyak

digunakan pada

saat ini.


Pada tugas prarancangan pabrik amoniak dari low grade coal ini dibutuhkan

amoniak konverter yang mempunyai efisiensi yang tinggi untuk mengoptimalkan

produk. Kapasitas yang ingin dicapaipun tinggi untuk memenuhi kebutuhan pasar,

sehingga dipilih konverter dengan quenching cooling. Penggunaan konverter

dengan internal cooling tidak feasible karena kapasitas yang diberikan terlalu kecil,

dan memiliki desain yang kompleks begitu pula indirect cooling.

BAB I PENGANTAR 1. -...

Documents

Transcript of BAB I PENGANTAR 1. -...