Amonia adalah salah satu substrat kimia yang sangat penting baik dalam bentuk produk ammonia itu sendiri maupun dalam bentuk senyawa turunannya. Amonia ialah produk kimia sintesis kedua paling besar di dunia setelah asam sulfat. Aplikasi produk maupun produk turunannya sangat banyak mulai dari pupuk, gas refrigeran, pembersih beling, dan masih banyak aplikasi lainnya. Sintesis ammonia dijalankan dengan cara mereaksikan gas H2 dan gas N2. Gas H2 dapat diperoleh dari reformasi kukus dari gas alam, oksidasi parsial hidrokarbon, gasifikasi batubara atau biomassa, juga elektrolisis air dan garam. Reformasi kukus dari gas alam yaitu yang banyak dipakai pada industri ammonia.
Video alat-alat kimia mampu di lihat di link berikut : https://www.youtube.com/watch?v=vhOpIrUjdw0
Video alat-alat kimia mampu di lihat di link berikut : https://www.youtube.com/watch?v=vhOpIrUjdw0
Pabrik ammonia pada umumnya berisikan 4 unit pemrosesan utama, ialah :
1. Feed Treating Unit
2. Reforming Unit,
3. Purification & Methanation
4. Compression Loop & Refrigeration Unit
Feed Treating Unit
Sebelum masuk ke reforming unit, gas alam perlu dihilangkan senyawa pengotor seperti CO2, senyawa belerang, dan senyawa Hg sebab mampu mengganggu proses dan meracuni katalis. Pertama gas dilewatkan ke unit Desulfurizer untuk menghilankan senyawa welirang dalam gas. Lalu gas tersebut dilewatkan ke Mercury Guard Vessel yang berisi katalis Sulfur Impregnated Carbon Active yang mampu menyerap kandungan merkuri dalam gas alam. Lalu gas alam dilewatkan ke CO2 Removal Unit. Alat yang umum digunakan yakni kolom absorber dengan pelarut Methyl-Diethanol Amine (MDEA). CO2 akan larut dalam MDEA dan gas alam tersebut bebas dari CO2. Dalam regenerasi MDEA, larutan yang telah keluar dari kolom absorber dilewatkan ke kolom stripper untuk memisahkan pelarut MDEA dengan CO2 tadi dalam kondisi operasi tekanan rendah dan temperatur tinggi. MDEA hasil regenerasi tadi digunakan kembali untuk mengabsorb gas alam yang melalui di kolom absorber.
Reforming Unit
Untuk menghilangkan gas tersebut maka gas alam dilewatkan pada ember desulfurizer. Lalu gas yang sudah bebas dari sulfur tersebut dilewatkan pada reforming unit. Reforming unit ini terdiri dari primary reformer dan secondary reformer.Pada primary reforming unit ini gas metana dikontakan dengan kukus pada temperatur 800 – 8500C dan tekanan 40 kafetaria. Lalu untuk menyempurnakan proses reformasi gas tersebut dilewatkan ke secondary reforming unit. Dengan dukungan udara bertekanan terjadi reaksi antara gas hidrogen dan oksigen membentuk air dengan menciptakan panas. Panas tersebut memajukan temperatr operasi hingga 1200oC. Setelah itu gas produk keluaran unit reforming masuk shift converter dimana CO dirubah menjadi CO2. Shift Converter terdiri dari 2 unit ialah High Temperature Shift Converter (HTSC) dan Low Temperatur Shift Converter (LTSC). Tujuan dibentuknya dua converter ini yaitu untuk menerima laju reaksi dan kesetimbangan yang optimum. Pada HTSC reaksi berjalan cepat tetapi alasannya reaksinya eksotermis menciptakan konversinya rendah sehingga diharapkan pemanis reaktor untuk mengembangkan konversi yang mampu diraih. HTSC berisi katalis Fe- Cr (oksida) dan beroperasi pada kondisi tekanan 30 kafe dan temperatur 300-4000C sedangkan LTSC berisi katalis Cu-ZnO-alumina pada keadaan tekanan 30 kafe dan temperatur 240-300oC.
Purification & Methanation
Setelah itu gas dilewatkan ke unit pemurnian gas untuk memastikan gas bebas CO dan CO2. Unit ini berisikan CO2 absorber dan Methanator. Sama mirip prinsip CO2 removal di bab feed treating unit, gas dilewatkan ke kolom absorber dari bagian bawah kolom dan dari atas kolom di jatuhkan pelarut MDEA dengan cara dipercikan untuk mengembangkan luas permukaan kontak. Setelah itu gas bebas CO2 dan eksklusif menuju unit metanasi (methanator). Untuk memutuskan gas bebas dari CO dan CO2, gas dilewatkan ke methanator. Dalam methanator terdapat katalis nikel tetohor) yang mampu merubah gas CO dan CO2 menjadi gas metana.
Compression Loop & Refrigeration Unit
Gas keluaran methanator dialirkan menuju ammonia converter dengan perbandingan gas H2 dan N2 sebesar 3:1. Sebelum masuk ke ammonia converter gas tersebut dimampatkan hingga 150 bar terjadi reaksi yang diinginkan dalam reaktor. Dalam reaktor ini berisi katalis Fe dan beroperasi pada keadaan tekanan sekitar 150 kafetaria dan suhu 4800C. Uap amonia yang terbentuk lalu di lewatkan ke unit refrigerasi untuk mencairkan amonia dan gas yang tidak mencair di purging dan didaur ulang ke ammonia converter. Tujuan purging ialah mencegah akumulasi gas inert (He, CH4, CO2 atau H2O). Namun pada gas purging terdapat gas berguna yang ikut terbuang (NH3,N2, dan H2) sehingga gas purging dilewatkan ke scrubber untuk menyerap gas NH3 dan H2 yang terbuang.
Berdasarkan prinsip kesetimbangan keadaan yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukanNH3) yakni suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berjalan sungguh lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC sekalipun. Dipihak lain, alasannya reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan meminimalkan rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, adalah serbuk besi diaduk dengan Al2O3, MgO, CaO, dan K2O.
Reaksi kekanan pada pembuatan amonia adalah reaksi eksoterm. Reaksi eksoterm lebih baik bila suhu diturunkan, namun jikalau suhu diturunkan maka reaksi berjalan sangat lambat . Amonia punya berat molekul 17,03. Amonia ditekanan atmosfer fasanya gas. Titik didih Amonia -33,35 oC, titik bekunya -77,7 oC, temperatur & tekanan kritiknya 133 oC & 1657 psi. Entalpi pembentukan (∆H), kkal/mol NH3(g) pada 0oC, -9,368; 25 oC, -11,04. Pada proses sintesis pd suhu 700-1000oF, akan dilepaskan panas sebesar 13 kkal/mol. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi dengan suhu 400- 600oC, dengan tekanan 150-300 atm.
Kondisi optimum pengerjaan amonia (NH3) mampu digambarkan pada tabel berikut :
Kondisi Optimum Pembuatan NH3
Reaksi : N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H= -924 kJ
1. Suhu
a. Reaksi bersifat eksoterm
b. Suhu rendah akan menggeser kesetimbangan kekanan.
c. Kendala:Reaksi berjalan lambat 400-600Oc
2. Tekanan
a. Jumlah mol pereaksi lebih besar dibanding dengan jumlah mol produk.
b. Memperbesar tekanan akan menggeser kesetimbangan kekanan.
c. Kendala Tekanan tata cara dibatasi oleh kemampuan alat dan aspek keamanan pada 150-300 atm
3. Konsentrasi
Pengambilan NH3 secara terus menerus akan menggeser kesetimbangan kearah kanan
4. Katalis
Katalis tidak menggeser kesetimbangan kekanan, namun mempercepat laju reaksi secara keseluruhan
Fe dengan gabungan Al2O3 KOH dan garam lainnya
Pengaruh katalis pada metode kesetimbangan yaitu mampu mempercepat terjadinya reaksi kekanan atau kekiri, kondisi kesetimbangan akan tercapai lebih cepat namun katalis tidak mengganti jumlah kesetimbangan dari spesies-spesies yang bereaksi atau dengan kata lain katalis tidak mengganti nilai numeris dalam tetapan kesetimbangan. Peranan katalis adalah mengganti prosedur reaksi kimia biar cepat tercapai sebuah produk.
Katalis yang dipergunakan untuk mempercepat reaksi menunjukkan mekanisme suatu reaksi yang lebih rendah dibandingkan reaksi yang tanpa katalis. Dengan energi aktivasi lebih rendah menjadikan maka lebih banyak partikel yang mempunyai energi kinetik yang cukup untuk menanggulangi halangan energi aktivasi sehingga jumlah tumbukan efektif akan bertambah sehingga laju meningkat. Perbandingan reaksi dengan katalis dan tanpa katalis mampu dilihat pada gambar dihalaman berikut:
Dengan pertumbuhan teknologi kini digunakan tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk menghemat reaksi balik, maka amonia yang terbentuk secepatnya dipisahkan. Mula-mula adonan gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga meraih tekanan yang dikehendaki. Kemudian adonan gas dipanaskan dalam sebuah ruangan yang bareng katalisator sehingga terbentuk amonia. Diagram alur dari proses Haber-bosch untuk sintesis amonia