KBR Ammonia Synthesis [PDF]

Citation preview

TUGAS 2 SINTESIS AMMONIA DENGAN METODE KELLOGG BROWN & ROOT TEKNOLOGI PRODUKSI PUPUK (TK201518) Kelompok 4



:



Desly Angeline Sa’pangan Muhammad Zulfikar Nadiya Riska Dwi Putri Winda Fatimahuz Zahroh



(05201022) (05201058) (05201059) (05201088)



A. Industri-Industri yang Telah Menggunakan Proses Tersebut Kellog Brown & Root, Inc (KBR) merupakan perusahaan pendukung perindustrian global yang berbasis di Amerika Serikat. Perusahaan ini memiliki sejarah panjang sebagai penyedia layanan engineering dan construction terkemuka di dunia. Perusahaan ini bermula pada tahun 1901 dengan pendirian MWK Company oleh Morries W. Kellog di New York. Pada awalnya, perusahaan ini merintis bisnisnya pada perancangan konstruksi kilang minyak, gas alam, dan pabrik kimia. Sementara itu, pada tahun 1947 perusahan lain bernama Brown & Root didirikan di Houston, Texas dengan fokus utama pada konstruksi proyek infrastruktur seperti bendungan, jembatan, dan jalan raya. Singkat cerita, kedua perusahaan ini diakuisisi oleh Halliburton Company menjadi anak perusahaan divisi rekayasa dan konstruksi dengan nama Kellog Brown & Root, Inc. Salah satu rancangan pabrik berlisensi yang didesain oleh KBR adalah pabrik produksi ammonia, baik pada single-train maupun modern plant. Sebagian besar pabrik ammonia yang dirancang oleh KBR menggunakan proses pemurnian (puritifcation) yang menggabungkan reforming dengan tingkat severity yang rendah pada primary reformer, N2 cair dimurnikan melalui stream bawah metanator untuk menghilangkan kotoran dan menyesuaikan rasio H2:N2; paten desain waste heat boiler; unitized chiller; dan konverter sintesis ammonia horizontal (Pattabathula dan Richardson, 2016). Sampai saat ini, sudah ada beberapa industri yang menggunakan lisensi KBR untuk produksi ammonia, termasuk di Indonesia sendiri. Pada pertengahan 1960, perusahaan minyak Amerika Serikat, American Oil Co. memakai single-converter ammonia plant KBR (saat itu masih bernama MWK) dengan kapasitas 544 m.t/day. Konsep single-train tersebut dianggap revolusioner sehingga mendapatkan penghargaan Kirkpatrick Chemical Engineering Award tahun 1967. Pada era 1960 juga, MWK mendapatkan permintaan dari perusahaan asal Inggris, Imperial Chemical Industries (ICI) untuk merancang 544 m.t/day dengan tekanan 152 bar untuk synthesis loop ammonia (Pattabula dan Richardson, 2016). Di Indonesia sendiri, dilakukan revitalisasi 5 pabrik PT Pupuk Indonesia yang selesai pada 2017. Dilansir dari liputan6.com (2016), 5 pabrik tersebut yaitu Amorea II, Kaltim 5, Pusri 2B, Pusri 3B, dan Kujang 1C. Pabrik-pabrik yang ditargetkan rampung pada 2017 tersebut akan menggantikan pabrik lama yang usianya lebih 20 tahun dengan konsumsi gas di atas 30 MMBTU/ton pupuk. Proyek yang menelan dana US$ 661 juta ini memiliki kapasitas produksi ammonia sebanyak 660 ribu ton/tahun dan untuk urea 570 ribu ton/tahun. Bahan baku yang digunakan pada sintesis ammonia yaitu gas 85 MMSCFD dengan teknologi Kellog Brown & Root (AS).



1



B. Unit-Unit yang Digunakan Serta Kondisi Operasinya Process Flow Diagram (PFD)



Gambar 1. Rancangan Pabrik Ammonia Modern dari KBR Adapun unit-unit operasi dan proses yang digunakan yaitu: 1. Air Compressor Pada air compressor, excess air dimampatkan atau dipadatkan dan disimpan dibawah tekanan yang lebih besar dari tekanan atmosfer. Kemudian, disimpan didalam air receiver tank yang selanjutnya dapat didistribusikan ke seluruh pabrik untuk berbagai keperluan di pabrik pada tekanan tertentu. 2. Feed Gas Compressor Gas alam yang digunakan terdiri dari 91,87% CH4, 5,66% C2H6, 1,60% C3H8, 0,79% iC4H10, 0,08% N2 dan 0% CO2. 3. Desulfurizer Gas alam sebagai bahan baku dialirkan ke dalam desulfurizer untuk disentesis dengan tekanan operasi 20.39 kg/cm2 dan suhu 480-550°C serta katalis nikel untuk mereformasi hidrokarbon yang lebih berat menjadi metana dengan menggunakan uap (Fitri, et al. 2021). 4. Heat Recovery Exchanger Heat Recovery Exchanger (HRE) digunakan untuk memanfaatkan kembali waste energy yaitu exhaust gas untuk sumber energi penukar panas. Pada sintesis ammonia, terdapat beberapa HRE yang dipasang di beberapa unit, seperti pada primary dan secondary reformer, setelah HTS reactor, setelah LTS reactor, dan setelah horizontal magnetite converter. Masing-masing HRE memiliki kondisi operasi yang berbeda-beda. Seperti yang dijelaskan Pattabula dan Richardson, (2016), pabrik ammonia modern menggunakan HRE untuk produksi steam pada tekanan 125 barg baik di proses preparasi syngas maupun pada synthesis loop. 5. Primary Reformer Reaksi yang terjadi di Primary Reformer adalah reaksi pembentukan H2 dari senyawa Hydrocarbon dan Steam. Gas alam yang keluar dari unit desulfurisasi (unit pemurnian



2



6.



7.



8.



9.



10.



11.



12.



13.



bahan baku untuk membuang dan memurnikan gas atau bahan yang bersifat racun seperti Sulfur dan Mercury) dicampur dengan steam dan dipanaskan di mixfeed preheater coil, hasilnya adalah gas dengan suhu 483°C dan tekanan 36.8 kg/cm2. Adapun, katalis yang digunakan pada proses di primary reformer adalah nikel oksida. Pada primary reformer terdapat sembilan baris tube katalis dimana gas hasil dari mixfeed preheater coil akan bereaksi melalui tube dengan katalis nikel oksida, kemudian keluar melalui bagian bawah tube dan dikirim ke Secondary Reformer. Suhu gas yang keluar sekitar 810-815°C dan tekanan 32.5 kg/cm2 dan diharapkan gas CH4 yang lolos kurang dari 1% (Fitri, et al. 2021). Secondary Reformer Secondary Reformer terbagi menjadi dua bagian, yaitu bagian atas yang disebut mixing zone atau combustion zone dan bagian bawah yang disebut reaction zone dengan reaktor berjenis packed bed menggunakan katalis nikel oksida. Gas proses hasil primary reformer dan campuran udara steam masuk ke secondary reformer secara terpisah dari bagian atas dan dicampur dalam mixing zone, sehingga terjadi pembakaran yang menghasilkan panas untuk digunakan pada reaksi reforming di reaktor packed bed katalis. Suhu gas di bed berkisar sekitar 870-1200°C dengan tekanan 31.5 kg/cm2. Adapun, kadar CH4 dalam yang keluar dari secondary reformer hanya 0.3% (Fitri, et al. 2021). High Temperature Shift Reactor High Temperature Shift Reactor berfungsi untuk mempercepat reaksi (pengubahan CO menjadi CO2) dengan bantuan katalis FeCr berbentuk tablet. Gas yang keluar memiliki suhu 433°C dan tekanan 30.3 kg/cm2 (Fitri, et al. 2021). Low Temperature Shift Reactor Low Temperature Shift Reactor berfungsi untuk memperbesar konversi dengan katalis zinc untuk mengkonversi CO menjadi CO2 yang belum terkonversi keseluruhan di HTSR. Gas yang keluar memiliki suhu 232°C dan tekanan 28.8 kg/cm2 (Fitri, et al. 2021). Condensate Stripper Condensate stripper berguna dalam melaksanakan pemanasan dengan melakukan pertukaran panas dari aliran CO2 serta melakukan pemisahan antara CO2 dan ammonia. Condensate ini akan dipanaskan oleh process gas yang ada dibagian tube sehingga akan berubah menjadi steam yang digunakan untuk proses reboiler. Unit ini dapat bekerja dengan tekanan 3 kg/cm2. CO2 Scrubber Unit ini memiliki fungsi untuk memisahkan partikel CO2 dengan udara atau gas yang kerjanya dibantu oleh cairan. Di dalam scrubber terjadi proses pemisahan dikontakkan dengan lelehan urea yang memiliki suhu 147°C sehingga suhu off gas akan turun sampai 152°C dengan tekanan 32.94 kg/cm2. CO2 Stripper CO2 stripper (ST-101) didesain untuk meregenerasi pelarut MDEA (monodiethanolamine) dengan melepaskan karbon dioksida dari larutan MDEA yang di stripping menggunakan steam. Unit ini beroperasi pada suhu 85°C dan tekanan 10 bar (Emiliana, 2021). Methanator Kondisi operasi di methanator memiliki tekanan 26 kg/cm2 dengan suhu mencapai 335°C. Reaksi yang terjadi adalah CO dan CO2 bereaksi dengan H2 menjadi CH4 dan H2O dan gas yang keluar memiliki tekanan 26 kg/cm2 dengan suhu mencapai 310°C. Katalis yang digunakan adalah nickel dengan, kadar CO dan CO2 maksimal 0.3 ppm untuk mengubah CO dan CO2 menjadi metana (Fitri, et al. 2021). Dryer Dryer merupakan unit yang dapat digunakan dalam pengeringan bahan. Dalam hal ini dryer mengeringkan kristal ammonium sulfate yang masih mengandung air 2%. Tahapan pengeringan produk ini bertujuan untuk mengurangi kadar air dalam kristal ammonium sulfate sehingga kandungan air di dalam kristal ammonium sulfate yang awalnya 2% (w/w) menjadi 0,1 % (w/w) atau maksimal 1% (w/w). Alat ini menggunakan udara panas sebagai



3



14. 15.



16.



17.



18.



19.



media pengering dengan suhu 160°C. Udara panas dan uap air serta debu-debu kristal yang terikut di dalam udara panas ditarik dengan menggunakan dust fan menuju venturi scrubber. Expander Expander (Turbin) memiliki fungsi untuk menurunkan tekanan reaktor yang awalnya 12 atm menjadi 3 atm. Purifier Sebagian besar pabrik ammonia terkini yang dirancang oleh KBR menggunakan proses Purifier, yang menggabungkan reformasi kondisi sedang dalam reformer primer, pemurni pencuci N2 cair setelah methanator untuk menghilangkan pengotor dan mengatur rasio H2:N2, desain boiler buangan panas (waste-heat boiler) yang sesuai, pendingin yang disatukan, dan reaktor sintesis ammonia horizontal. Keluaran dari unit ini memiliki kondisi operasi dengan tekanan 150 bar. Synthesis Gas Compressor Untuk mengkompresi gas synthesis sampai tekanan operasi 140 kg/cm2g agar dapat direaksikan di ammonia konverter, syngas compressor digerakkan oleh HP steam yang bertekanan 110 kg/cm2g. Jenis kompressor adalah extraction steam dan condensing steam turbine. Extraction yang dihasilkan adalah bertekanan 42,5 kg/cm2. Pada suction 3rd stage dimasukkan sejumlah H2 produk hasil dari recovery H2. Unitized Chiller Chiller adalah mesin refrigerasi yang memiliki fungsi utama mendinginkan air pada sisi evaporator, air yang didinginkan selanjutnya didistribusi ke alat penukar panas. Refrigeran yang akan digunakan dalam chiller ini berpengaruh pada kapasitas pendinginan, penipisan lapisan ozon (ODP), pemanasan global (GWP) dan tingkat emisi (CO2). Di alat penukar panas ini cairan ammonia mendinginkan gas make-up yang masuk ke unit sintesis ammoniak. Akibat penyerapan panas ini, cairan ammonia kembali menguap sebagian. ammonia yang menerima panas akan menguap dan kemudian uap ammonia tersebut dikompresi oleh kompresor NH3 dan didinginkan kembali menjadi ammonia cair (Cappenberg, 2020). Horizontal Magnetite Converter Untuk loop sintesis ammonia magnetit konvensional, KBR menawarkan konverter sintesis ammonia horizontal. Konverter berisi dua atau tiga tahap reaksi, masing-masing dengan aliran vertikal ke bawah dalam katalis magnetit tempat tidur. Refrigeration Compressor Sistem pendinginan dilakukan dengan mengkondensasikan ammonia pada loop sintesis. Dalam siklus refrigerant, gas ammonia mengalami kompresi melalui penggunaan kompresor. Hal ini menyebabkan gas memanas di bawah tekanan. Gas bergerak ke kondensor di mana panas hilang dalam gulungan. Ini mengembunkan ammonia, mengubahnya menjadi bentuk cair, tetapi tetap pada tekanan tinggi.



C. Keterbaruan Proses Dibandingkan Dengan Proses Haber – Bosch Keterbaruan proses dari metode Kellogg Brown & Root (KBR) jika dibandingkan dengan metode Haber-Bosch adalah jenis katalisnya. Pada proses KBR menggunakan katalis ruthenium, sedangkan pada Haber-Bosch menggunakan katalis besi. Katalis ruthenium menghasilkan jumlah air yang lebih sedikit selama reduksi karena mengandung logam yang jauh lebih sedikit daripada katalis besi konvensional. Untuk itu, reduksi katalis akan berlangsung cepat dan membutuhkan waktu 19 jam dalam sekali pemasangan. Sedangkan, saat menggunakan katalis besi proses reduksi katalis biasanya membutuhkan waktu 36 sampai 48 jam. Selain itu, kelebihan menggunakan metode KBR jika dibandingkan metode lain yaitu pabrik dapat menghemat biaya modal hingga 3-8% karena beberapa hal berikut. a. Tidak ada pabrik pemisahan udara, b. Tidak ada reformator utama,



4



c. Kompresor gas sintesis kasus tunggal, d. Sintesis pada 90 bar, e. Tidak ada unit pemulihan gas pembersih, dan f. Mengurangi ruang plot. Biaya pemeliharaan lebih rendah karena metode KBR menghilangkan primary reformer dan menyederhanakan kompresor syngas dimana kedua item ini mengeluarkan biaya perawatan tertinggi di pabrik ammonia konvensional. Metode KBR juga menurunkan kondisi pengoperasian. Suhu keluar reforming exchanger dan autothermal reformer sekitar 100°C lebih rendah daripada di pabrik konvensional. Selain itu, tekanan sintesis diatur pada 90 bar jauh lebih rendah daripada proses lainnya. DAFTAR PUSTAKA Amhamed, A. I., Shuibul Qarnain, S., Hewlett, S., Sodiq, A., Abdellatif, Y., Isaifan, R. J., & Alrebei, O. F. (2022). Ammonia Production Plants—A Review. Fuels, 3(3), 408-435. Cappenberg, A.D. (2020). Analisis Chiller Dengan Menggunakan R123 dan R134a Pada Kinerja Pendinginan. Jurnal Kajian Teknik Mesin. Vol. 5. No. 1. Deny, S. (2016) Revitalisasi 5 Pabrik Pupuk Indonesia Rampung di 2017, Liputan6.com. Available at: https://www.liputan6.com/bisnis/read/2569712/revitalisasi-5-pabrik-pupuk-indon sia-rampung-di-2017 (Accessed: 6 March 2023). Emiliana., Fermi, M.I. (2021). Perancangan Pabrik Ammonia dari Hidrokarbon dan Udara dengan Proses KBR dengan Disain Alat Utama CO2 Stripper. Jom FTEKNIK. Vol. 8. pp 1-8. Fitri D. A. & Fermi M. I, (2021). Pra Rancangan Pabrik Ammonia Dari Hidrokarbon dan Udara Menggunakan Proses KBR dengan Desain Alat Utama High Temperature Shift Converter (R-104). Vol (8): FTEKNIK. Pattabathula, V. and Richardson, J. (2016) ‘Introduction to Ammonia Production’, Chemical Engineering Progress, 112(9), pp. 69–75. Syafitri, D.O. (2017). Prarancangan Pabrik Amonium Nitrat Dengan Proses UHDE Kapasitas 160.000 Ton/Tahun. Skripsi. Universitas Muhammadiyah Surakarta.



5