BAB II

DESKRIPSI PROSES

2.1 Teknologi Proses

Proses pembuatan amonia dari gas alam dan gas sintesis dapat dilakukan dengan 4 proses antara lain :

a. Proses Haber-Bosh

Proses pembuatan amonia dari nitrogen dan hidrogen pertama kali ditemukan oleh Fritz Haber tahun 1908, seorang

ahli kimia dari Jerman. Untuk skala industri pembuatan ammonia ditemukan oleh Carl Bosch, seorang ahli kimia juga

dari Jerman. Persamaan reaksi sintesis amonia sebagai berikut:

N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g) H°= –46.1 KJ/mol

Berdasarkan prinsip kesetimbangan maka konstanta kesetimbangan reaksi tidak hanya tergantung pada

temperatur dan tekanan tetapi juga dipengaruhi oleh perbandingan komposisi nitrogen dan hidrogen. Kondisi yang

menguntungkan untuk pembentukan amonia adalah reaksi ke kanan pada suhu rendah dan tekanan tinggi. Namun

reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500 oC sekalipun. Di pihak lain

karena reaksi ke kanan eksoterm maka penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosh pertama

dilangsungkan pada suhu 500 oC dan tekanan 150 – 350 atm menggunakan katalis serbuk besi yang dicampur dengan

Al2O3, MgO, CaO dan K2O.

b. Proses Kellog

Proses ini merupakan proses sintesa amonia menggunkan bahan baku dari gas alam dengan reaksi utama

antara gas hidrogen dan nitrogen menjadi amonia yang berlangsung pada seksi ammonia converter. Kondisi optimal

yang digunakan pada proses ini adalah menjaga reaksi pada tekanan 140 – 150 kg/cm2 dan temperatur 360 – 500 oC.

Ammonia converter yang digunakan terdiri dari dua jenis, yaitu Kellog horizontal ammonia converter dan Kellog

vertical quench converter.

Gas sintesis murni yang didapat dari proses ini terdiri dari campuran H2 (74.2%), N2 (24.7%), CH4 (0.8%)

dan Ar (0.3%). Semua komposisi gas tersebut kemudian dipisahkan dengan treatment tertentu sehingga gas sintesis

yang dihasilkan hanya mengandung komponen H2 dan N2. Selanjutnya, proses inti terbentuknya amonia terjadi di

dalam ammonia converter yang mereaksikan gas nitrogen dan hidrogen menghasilkan amonia.

c. Proces Lurgi

Pada proses Lurgi reaksinya berlangsung dalam reactor fixed bed dengan menggunakan oksigen dan steam

pada kisaran tekanan 2000 – 3000 kPa (20 – 30 atm). Oksigen dan steam dimasukkan kedalam gasifier melalui celah

ke dalam rotary grate. Temperatur gasifikasi sekitar 560 – 620 oC dan tergantung dari karakteristik umpan.

Kandungan metan dan karbondioksida masing-masing 10% dan 28% dalam gasifier. Crude gas dari Lurgi gasifier

yang diproses dalam beberapa langkah yaitu pengolahan limbah panas, shift conversion, penghilangan tar, phenol dan

produk lain. Nitrogen cair melalui proses scrubbing akan menghasilkan gas sintesis yang murni dilanjutkan proses

kompresi dan terakhir proses pembuatan amonia.

d. Proses Koppers – Totzek

Proses ini berawal dari gasification steam generation washing pada fase cair dengan tekanan yang rendah dan

suhu yang tinggi. Campuran homogen dari batubara, oksigen dan steam memiliki suhu 1925oC. Steam dan karbon

bereaksi endotermik sehingga terjadi penurunan suhu hingga 1480oC. Gas sintesis yang dihasilkan memiliki sulfur,

CO dan CO2 yang bersifat racun bagi katalis, sehingga perlu dilakukan proses penghilangan sulfur, CO dan CO 2. Gas

1

sintesis yang telah murni kemudian diumpankan dalam ammonia converter dengan katalis Fe2O3 yang sangat reaktif

pada suhu 300oC – 500oC. Konversi amonia overall yang dihasilkan proses ini adalah 88,8%. (Kirk Othmer, 1998)

Untuk dapat mengetahui proses yang akan dipilih dalam memproduksi amonia maka dapat dilihat kondisi

operasi pada masing-masing proses seperti pada tabel 2.1. Berdasarkan tabel 2.1 maka Proses yang dipilih adalah

Kellogg Process (USA) karena konversi sangat tinggi pada tekanan dan suhu rendah dapat menghasilkan amonia

yang lebih banyak, hal lain juga didukung oleh aktivitas katalis Ruthenium 20 kali lebih besar dibandingkan katalis

besi (Fe , Al2O3, Fe2O3).

Tabel 2.1 Perbandingan Data kondisi Proses Pembuatan Amonia

Proses Haber Bosch Kellogg Lurgi Koppers

Totzek

Suhu 500 oC 365 oC 560-620 oC 1925 oC

Tekanan 150-350 atm 14-15 atm 20- 30 atm 123 atm

Konversi 20-25% 99,82% 61% 88,8%

Energi(GJ/t NH3) 80 – 90 27,1 50 – 56 44

2.2 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk

Bahan baku yang digunakan untuk pembuatan amonia adalah gas sintesis yang dapat diperoleh dari

berbagai bahan baku seperti batu bara, petroleum coke, naphtha, gas alam, dan fuel oil. Gas sintesis yang berasal dari

gas alam dipilih sebagai bahan baku karena mudah didapatkan, komponen pengotor yang dimilikinya lebih sedikit

dibanding sumber bahan baku lain. Hal ini akan memudahkan proses produksi sintesis amonia. Komponen gas

sintesis selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran D.

Produk dihasilkan berupa amonia dengan spesifikasi kemurnian minimal 99,5% dan H2O 0,5% (PT. Pupuk

Sriwijaya, 2009). Produk amonia yang siap dipasarkan dalam bentuk cair disimpan dalam tangki penyimpanan

amonia.

2.3 Uraian Singkat Proses

Pemilihan alur sintesis amonia didasarkan pada komponen umpan terutama komponen pengotor yang ada,

konversi produk yang dihasilkan dengan bantuan katalis, dan karakteristik katalis yang digunakan. Komponen umpan

berpengaruh pada jumlah unit pemurnian umpan yang diperlukan, berkaitan dengan karakteristik katalis yang

digunakan. Komponen pengotor ini tidak diharapkan dalam sintesis amonia karena menjadi racun katalis yang akan

menurunkan aktivitas katalis. Sedangkan konversi reaksi menentukan perlu tidaknya aliran recycle untuk

meningkatkan laju pembentukan produk.

Umpan gas sintesis dikompresi sebelum memasuki proses selanjutnya. Kenaikan tekanan tersebut bertujuan

untuk menyesuaikan umpan dengan kondisi operasi sintesis amonia. Pengotor yang terdapat dalam gas sintesis

adalah CO, CO2, dan H2O. Sebelum memasuki ammonia converter, pengotor CO2 dihilangkan pada CO2 purifier pada

suhu 47oC – 80oC dengan tekanan 3 - 4 atm. Kemudian H2O dan CO dikeringkan dengan dryer. Blok diagram sintesis

amonia, dapat dilihat pada Gambar 2.1.

2

NitrogenMixer

Air

NH3 Converter

Syn gas

CH4, H2N2 CO, CO2

Feed Treating Reformer Purification Compressor

Steam DrumUap Air

Refrigerator

AirSeparator

Gambar 2.1 Diagram Alir Pembuatan Amonia dari gas sintesis

Umpan gas sintesis yang telah murni dari pengotor dialirkan ke dalam synthesis gas compressor. Kadar nitrogen yang

rendah dari umpan akan ditambahkan melalui nitrogen mixing, nitrogen didapat dari pemisahan udara. Dalam

converter akan terjadi reaksi sintesis amonia pada suhu 250oC – 300oC dengan tekanan 3-5 MPa. Konversi yang

diharapkan dengan penggunaan katalis yang dipilih adalah 20% per pass pada titik kesetimbangan. Keluaran

converter amonia yang berupa campuran amonia dengan gas sintesis yang belum terkonversi diumpankan ke dalam

kondensor. Di dalam converter amonia terjadi reaksi pembentukan amonia dengan reaksi:

3H2 + N2 2NH3

Dalam condensor, produk amonia akan dicairkan sehingga terpisah dari gas sintesis yang belum terkonversi. Gas

sintesis yang belum terkonversi diumpankan dalam gas separator untuk memisahkan komponen gas yang ada. CH4

dan Ar di alirkan ke fuel gas. Sedangkan nitrogen dan hydrogen direcycle menuju synthesis gas compressor untuk

diumpankan kembali ke ammonia converter. Laju alir produk NH3 yang dihasilkan adalah 6 ton/jam. (Data

Perhitungan di Lampiran E).

2.4 Pemakaian Katalis

Katalis yang digunakan dalam reaksi pembuatan amonia ini adalah katalis (Ruthenium, ZnO,CoMo, Nikel)

dan absorbent (MDEA, Benfield).Katalis yang digunakan berbasis Ruthenium (Ru) dengan support Magnesium

Oksida (MgO) yang diteliti oleh Muhler, dkk (2004). Katalis berbasis Ruthenium (Ru) dipilih karena mampu

mengkonversi hingga produk 20 % per pass pada suhu 250-300oC dan tekanan 3-5 MPa (Larrichev, 2007).

Sedangkan dengan katalis Fe, kondisi operasi pada suhu 380-520oC dan tekanan 120-220 bar (Forni dan Pernicone,

2006). Sehingga energi terpakai jauh lebih hemat.

MgO dipilih sebagai support katalis karena lebih stabil dibandingkan support karbon konvensional yang

mudah terhidrogenasi (Muhler, 2004). Aktivitas Katalis Ru 5-20 kali lebih besar dari katalis besi (Appl, 1999, hal 62

dan Muhler, 2004). Katalis dibuat dengan mengkontakkan Ru melalui impregnasi support dengan Ru3(CO)12 dalam

katalis

NH3

3

tetrahydtofurane, atau melalui chemical vapour deposition (CVD) Ru3(CO)12. Promotor yang baik (alkali logam,

alkali logam bumi, lantanida, dan kombinasinya) kemudian ditambahkan. Katalis diaktivasi dengan perlakuan

hidrogen. Recovery katalis dilakukan dengan mencuci spent katalis untuk mendapatkan kembali promoter. Katalis

sisa cucian dipanaskan 70oC dalam pelarut asam nitrit 1 M berlebih. Support MgO berubah menjadi larutan

magnesium nitrat, dipisahkan dari sisa logam Ru dengan sentrifugasi atau penyaringan.

Proses produksi asam sulfat di PT. Dunia Kimia Utama, menggunakan proses kontak. Proses yang

dilakukan melalui 3 tahapan, yaitu:

1. Pembakaran Belerang

Proses produksi asam sulfat di awali dengan peleburan sulfur (S) yang digunakan sebagai bahan baku

utama dengan menggunakan steam yang dialirkan pada coil-coil di Sulfur Melter pada tekanan 4 Kg/cm2. Kemudian

sulfur cair dipompakan dari Sulfur Melter melalui pipa-pipa dan disemprotkan ke dalam Furnace. Di dalam Furnace

terjadi pembakaran belerang dengan udara.

Reaksi : S(g) + O2(g) → SO2(g)

Udara yang digunakan disuplai oleh Main Blower yang sudah mengalami proses pengeringan. Proses

pengeringan udara dilakukan di Drying Tower dengan menggunakan asam sulfat sirkulasi dengan konsentrasi 93%-

98%. Proses pengeringan udara tersebut dimaksudkan untuk mencegah korosi oleh gas pada pembakaran dan untuk

menghilangkan kandungan air dalam udara.

Proses pembakaran belerang cair menjadi SO2 dengan temperature pembakaran kurang lebih 750-770oC.

Gas hasil pembakaran di Furnace kemudian dialirkan ke Boiler melalui tube-tube untuk diambil panasnya guna

menghasilkan steam yang digunakan untuk mencairkan belerang di Sulfur Melter, sebagian gas yang lain dialirkan ke

Heat Exchanger bersama dengan gas keluar dari Boiler yang telah diambil panasnya. Di dalam Heat Exchanger gas

didinginkan dengan menggunakan udara yang di suplai oleh Blower. Setelah itu aliran gas mengalami proses

penyaringan dan penstabilan suhu gas di Hot Gas Filter.

2. Oksidasi Katalitik SO2 Menjadi SO3 dengan Bantuan Katalis

Dari Hot Gas Filter aliran gas masuk ke Converter. Converter ini terdiri dari empat bed katalis V2O5.

Aliran gas masuk ke setiap bed diatur pada temperature 425-440oC. Dengan bantuan katalis ini aliran gas tersebut

(SO2) diubah menjadi gas SO3. Reaksi ini merupakan reaksi eksoterm sehingga gas tersebut harus didinginkan pada

tahap-tahap katalis.

Aliran gas keluar bed I dan bed II didinginkan dalam 1st and 2nd Heat Exchanger. Sedangkan aliran gas dari

bed III langsung masuk ke bed IV karena perbedaan temperature gas keluar dan bed III dan bed IV sudah kecil.

Reaksi : SO2(g) + 1/2O2(g) → SO3(g)

Dari converter aliran gas SO3 masuk ke dalam SO3 Cooler A untuk didinginkan. Kemudian didinginkan

lebih lanjut ke SO3 Cooler B setelah itu aliran gas tersebut masuk ke Absorbing Tower.

3. Absorbsi Gas SO3

Di Absorbing Tower terjadi proses penyerapan gas SO3 dengan menggunakan sirkulasi asam sulfat dengan

konsentrasi 98-99% yang diatur di AT Pump Tank. Asam resirkulasi tersebut kemudian diencerkan dengan

menambahkan air dan setelah itu baru dialirkan kembali ke dalam AT Pump Tank. Asam sulfat yang dihasilkan pada

AT Pump Tank setelah mencapai level maksimum yang ditentukan, kemudian ditransfer dan ditampung di Sulphuric

Acid Storage Tank.

Reaksi yang terjadi di absorbing tower yaitu:

SO3(g) + H2SO4(l) → H2SO4.SO3(aq)

4

H2SO4.SO3(aq) + H2O(l) → 2 H2SO4(aq)

PT. Dunia Kimia Utama memiliki dua buah Acid Storage Tank berkapasitas 1000 ton dan satu buah Acid Storage

Tank berkapasitas 200 ton.

a. Persiapan KayuKayu merupakan bahan baku utama yang digunakan untuk memproduksi pulp. Kayu umumnya berbentuk gelondongan atau serpih dan diproses di daerah penanganan kayu, yang disebut sebagai woodyard. Secara umum, operasi woodyard adalah terpisah dari jenis proses pembuatan pulp. Jika kayu memasuki woodyard dalam bentuk gelondongan, maka perlu dilakukan serangkaian operasi agar gelondongan dipersiapkan untuk memasuki proses pembuatan pulp, biasanya dipersiapkan dalam bentuk serpih kayu. Kayu gelondongan diangkut ke slasher, untuk dipotong sesuai dengan ukuran yang diinginkan, diikuti oleh proses penghilangan kulit kayu, penyerpihan, skrining serpih, dan pengangkutan ke tempat penyimpanan. Serpih yang dihasilkan dari gelondongan atau serpih yang dibeli biasanya disimpan di penyimpanan yang besar.b. Pembuatan PulpSelama proses pembuatan pulp, serpih kayu dipisahkan menjadi serat selulosa individu untuk menghilangkan lignin (bahan perekat antar sel yang merekatkan serat selulosa bersama-sama) dari kayu. Ada lima jenis utama proses pembuatan pulp: (1) kimia; (2) mekanis; (3) semi-kimia; (4) daur ulang, dan (5) lainnya (misalnya, dissolving, non-kayu). Proses pembuatan pulp paling umum adalah proses kimia. Pembuatan pulp secara kimia (yaitu, kraft, soda,dan sulfit) melibatkan "pemasakan" bahan baku (serpihkayu) menggunakan larutan kimia berair, suhu tinggi dantekanan untuk mengisolasi serat pulp. Pembuatan pulpproses kraft adalah proses pembuatan pulp paling umumdigunakan oleh pabrik pulp di Indonesia untukmemproduksi serat virgin.Proses pembuatan pulp kraft menggunakan larutanpemasak alkali yang terdiri dari sodium hidroksida (NaOH)dan sodium sulfida (Na2S) untuk melarutkan lignin kayu,sementara proses soda hanya menggunakan NaOH.Larutan pemasak (white liquor) dicampur dengan serpihkayu dalam suatu reaktor (digester). Setelah serpih kayumasak, isi digester dikeluarkan dengan tekanan ke dalamtangki penampung. Kayu yang melunak, diuraikan menjadiserat pulp. Pulp dan sisa larutan pemasak (lindi hitam)kemudian dipisahkan dalam serangkaian pencucian pulpcoklat Dissolving pulp dapat dibuat melalui proses kraftataupun sulfit, dengan tujuan untuk memperoleh pulp kayudengan kemurnian tinggi yang digunakan untuk dikonversimenjadi produk rayon, viskosa, asetat dan selofan.c. Pemutihan PulpProses pemutihan menghilangkan warna dari pulp(karena adanya residu lignin) dengan menambahkanbahan kimia pada pulp dengan kombinasi yang bervariasi,tergantung pada penggunaan akhir produk. Prosespemutihan yang sama dapat digunakan untuk setiap

5

kategori proses pembuatan pulp.

6