Pabrik amoniak

1

Pabrik amoniak

2

Fiksasi Nitrogen

N2 + 3 H2 2 NH3 ∆H 500oC = - 26 kal/mol

Fe

500 oC , 100 atm

N2 bebasdi udara

pupuk

3

1880 Haber menemukan jalur reaksi sintesa amoniak1901 Le Chatelier pertama kali mensintesa amoniak.1904-1907 Ostwald, Nernst and Haber mempelajari kesetimbangan sistem sintesa amoniak.1909 Haber membuat percontohan skala kecil menggunakan berkapasitas 80 gr/jam memakai katalis Os.1911 Proses Haber-Bosch (BASF) menggunakan katalis besi (Fe).1913 Pabrik komersil berkapasitas 30 ton/hari dibangun di Oppau, Germany1919 Haber mendapat hadiah Nobel.

4

Siklus Nitrogen

petir

Nitrogen di atmosfir

aktivitas gunung berapi

garam amonium

bakteri nitrifikasi

nitrat tanah

nitrat terambilakar tanaman

pupuk anorganiksintetikbangkai dan kotoran

makhluk hidup

hilang kedasar laut

protein nabatidan hewani

bangkai dan kotoranmakhluk hidup

NF

NF : Nitrogen yang diikat (difiksasi) oleh bintil akar tanaman leguminoseae

G

G : Ganggang biru-hijau

P

P : protein nabati dan hewani

5

katalis Fe/K

NN

H H

HH H

H

X

Fe FeFe Fe FeFe Fe FeFe

N HH HH

NH H

N2 + 3 H2 2 NH3 eksotermik

Sintesa amoniak

6

1 N2 (gas) + *

N2*

2 N2* + * 2 N

*

3 N * + H * NH * +

*

4 NH * + H * NH2

*

5 NH2 * + H * NH3

*

6 NH3 * NH3( gas) +

*

7 H2 (gas) + 2 * 2 H *

Mekanisme sintesa NH3

7

Katalis

No

Konsentrasi komponen utama ( % berat)

FeO Al2O3 K2O CaO SiO2 MgO TiO2

1.

2.

3.

4.

5.

32,6

36,6

35,5

36,0

26,3

4,1

2,9

4,3

3,0

2,2

0,9

1,0

0,4

1,0

0,8

1,4

2,8

3,4

2,3

1,7

0,7

0,9

0,8

0,2

0,4

-

-

4,1

-

0,3

0,7

-

-

-

-

Komposisi katalis untuk sintesa amoniak

Jenis katalis yang digunakan untuk sintesa amoniak terus dikembangkan, disesuaikan dengan suhu dan tekanan reaksi. Dari semua jenis katalis yangdipakai, 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 – 14.6Fe 0 – 0.54 79.7 – 81.6Al2O3 2.5 – 3.1 1.5 – 2.1CaO 1.8 – 3.9 0.1 – 0.2SiO2 0.1 – 0.7 0.1 – 0.7MgO 0.1 – 0.3 0.3 – 0.6K2O 0.4 – 0.6 0.2 – 0.5Porositas. % 1.8 – 4.4 40 – 50

9

Beberapa jenis proses sintesa amoniak berdasarkan kondisi dan jenis katalis yang dipakai.

Nama Proses P, atm Suhu

oC

Konversi, %

Bahan baku Katalis

1.Mont Cenis

2. American (large)

3. Haber Bosch

4. Fauser Montecatini

5. American (small)

6. Casale

7. Claude

8. Du Pont

120 – 160

150

200 – 300

200 – 300 300 600 900

900

400 – 425

500

550

500

500

500

500 – 650

500

9 – 20

14

8

12 – 22

20

15 – 25

40 – 85

40 – 85

H2 elektr.

Gas alam Gas sintesa

H2 elektr.

Gas H.K.

Semua

Gas BB

Gas alam

FeCN

DPI

PI

PI

PI

DPI

PI

PI

Cat : PI = Promoted IronDPI = Double Promoted Iron

10

Dari tabel di atas, dapat dibedakan 4 macam proses sbb :

1. 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.

3. 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 32H2N

23NH

pp.p

pK

Menurut Larson dan Dodge, hubungan antara konstanta kesetimbangandan suhu dapat dituliskan sbb. :

log Kp1/2 = - 2078 T-1 + 2,4943 log T + T – 1,8564 X 10 -7 + I

Tekanan (atm)

I

10

30

50

100

300

600

1000

0

0,34 X 10 – 5

1,256 x 10 – 4

1,256 x 10 – 4

1,256 x 10 – 4

1,085 x 10 – 3

2,6833 x 10 – 3

-1993

- 2021

- 2090

- 2113

- 2206

- 3059

- 4473

dan I , bervariasi tergantung pada tekananoperasi.

13

Suhu , oC Kp , atm Pengamatan

200

300

400

500

600

700

800

1000

6,60 x 10-1

7,00 x 10-2

1,38 x 10-2

4,00 x 10-3

1,51 x 10-3

9,50 x 10-4

3,60 x 10-4

1,36 x 10-4

Pada suhu 1000 oC, konstanta kesetimbangan Kp berkurang hingga 2/1000 kali.

1

4

10x60,6

10x36,1

Hubungan antara suhu terhadap konstanta kesetimbangan sintesa amoniak

14

Suhu,oC

% amoniak pada saat kesetimbangan

10 atm

50 atm

100 atm

300 atm

600 atm

1000 atm

200

300

400

500

600

700

50,66

14,73

3,85

1,21

0,49

0,23

74,38

39,41

15,27

5,56

2,26

1,05

81,54

52,04

25,12

10,61

4,52

2,18

89,94

70,96

47,00

26,44

13,77

7,28

95,37

84,21

65,20

42,15

23,10

12,60

98,83

92,55

79,82

57,47

31,43

12,87

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

gas masukgas pendinginmasuk

gas keluar

gas by pass dingin

Topsoe radial-flow ammonia synthesis converter

15

18

pendinginudara

turbinkompresor

gas sintesa ( N2 dan H2)

konverter amoniak

amoniak

gas buangan

uap air

amoniak

pompa

tangkipenampung

Diagram alir proses sintesa amoniak

oiltrap

resirkulator

air

uap air

P P

P = pemisah 1 dan 2flash gas

20

DS2 DS1

DS3

TU

amoniak cair

P1 Pn

E1

E2 E3 E4

E6

H2O H2O

NH3 cairuap airP tinggi

gas sintesa

purge

TU : Turbin uapP1 – Pn : kompresorDS1 : pemisah bertekanan tinggiDS2 : pemisah bertekanan tinggi sekunderDS3 : pemisah tekanan rendahE1, E2 : pendingin dgn airE3 , E6 : HE utk gas daur ulangE4 : pendingin dgn amoniak cair

kukus

H2

O

gas camp NH3,N2 dan H2

gas sintesa ( N2 dan H2)amoniak cair

Proses pemisahan amoniak satu tahap.Pemisahan berlangsung sebelum kompresiuntuk didaur ulang

WHB

Reaktor

21

Proses pemisahan amoniak satu tahap.Campuran gas dikompresi sebelum didaur ulang

DS1

TU

P1 Pn

E1

E2 E3 E4H2O H2O


gas sintesa

amoniak cair

DS3

purge



kukus

H2O

TU : Turbin uapP1 – Pn : kompresorDS1 : pemisah bertekanan tinggiDS3 : pemisah tekanan rendahE1, E2 : pendingin dgn airE3 : HE dgn gas daur ulangE4 : pendingin dgn amoniak cair

Reaktor

WHB

22Proses pemisahan amoniak dua tahap,dengan kompresi diantaranya.

kukus



DS1

TU

P1 Pn

E1

E2E3

E4H2O H2O


gas sintesa

amoniak cair

DS3

purge

H2O

WHB

Reaktor

TU : Turbin uapP1 – Pn : kompresorDS1 : pemisah bertekanan tinggiDS3 : pemisah tekanan rendahE1, E2 : pendingin dgn airE3 : HE dgn gas daur ulangE4 : pendingin dgn amoniak cair

23

Daur ulang dan aliran yang dibuangPendaur 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 reaktorakan mengganggu reaksi (katalis).Dengan membuang sebagian aliran daur ulang, perolehan amoniak juga akan bertambah.Berikut dipaparkan pengaruh gas inertterhadap perolehan amoniak pada reaksi yang berlangsung pada 700 K dan 300 atm.

Jumlah total inerts di

campuran awal (% mol)

Produksi NH3 pada saat kesetimbangan

( mol/molgas umpan)

Konversi pada saat

kesetimbangan

( % )

Persentasi NH3 pada

saat kesetimbang

an ( %)

1,05,010,025,050,0

0,2900,2740,2540,1971,111

58,657,856,552,744,5

40,937,834,124,612,5

24

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 :

323

3COK2KHCO

KHCOX

Tekanan parsial diatas larutan K2CO3 40%

pada suhu 120 oC : X1

X19p

2

2CO pada suhu 70 oC :

X1

X8,3p

2

2CO

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. O2H

2CO

p

p

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

umpan baru

pemisah produk

aliran yangdibuang

Reaktor sintesa amoniak

daur ulang

umpan reaktor

keluaran reaktor

2 3

45

67

1

Produk amoniak dikeluarkan dari pemisah sebagai amoniak cair, gas-gas yangbelum bereaksi dan impurities dikembalikan ke reaktor. Agar reaksi di reaktorberjalan dengan baik, maka kadar impurities yg masuk reaktor maksimum 5 %.

Agar tidak terjadi penumpukan impurities dari aliran daur ulang maka sebagian darialiran daur ulang harus dibuang. Hitung berapa bagian aliran yg harus dibuang tsb, jika :

(a)Umpan baru mengandung impurities 1% dan konversi perpass di reaktor 10%.(b) Umpan baru mengandung impurities 0,1% dan konversi perpass di reaktor 20%.

Pabrik amoniak

Documents

Transcript of Pabrik amoniak