Sedikit CO/CO₂ saja bisa melumpuhkan katalis besi di loop amonia. Metanasi di tahap akhir purifikasi syngas adalah benteng terakhir—dan angka 5 ppm menjadi garis batas operasional.
Katalis amonia berbasis besi–kalium (magnetit terpromosi) sangat sensitif terhadap “oxygenates” jejak seperti H₂O, O₂, CO, dan CO₂. Bahkan beberapa ppm (parts per million, satuan konsentrasi) CO atau CO₂ akan teradsorbsi kuat pada permukaan Fe, menutup situs aktif dan membentuk spesies karbonil/karbida besi yang menonaktifkan katalis secara irreversibel (sumber: cheresources.com, slideshare.net). Praktik industri menahan residu COx (karbon oksida: CO dan CO₂) di “single-digit ppm”—biasanya <5–10 ppm total—di umpan sintesis.
Dampaknya bukan teoretis. Satu kebocoran yang menaikkan CO/CO₂ ke ~40–50 ppm memicu penurunan konversi amonia yang terukur dan tekanan gas buang (off-gas) yang meningkat (cheresources.com). Di atas ~10 ppm karbon oksida, “active iron forms carbonyls and carbonates with these two”, memicu kehilangan aktivitas yang cepat (cheresources.com). Karena itu pabrik yang berhasil menargetkan <5 ppm COx; analisis proses standar menyebut setelah penyisihan CO₂ secara amina/fisika, jejak COx “must be removed” melalui metanasi agar level akhir di bawah ~5 ppm (slideshare.net, slideshare.net). Operasi yang rapi secara rutin mengantar <5 ppmv (ppm berbasis volume) CO dan CO₂ di syngas keluar metanator (slideshare.net).
Standar Kemurnian CO₂ Urea-Grade dan Teknologi Pemurniannya
Dampak racun pada katalis besi
Keracunan memotong aktivitas dan selektivitas katalis, memaksa operasi pada temperatur atau tekanan lebih tinggi untuk menjaga produksi amonia. Konverter yang terkontaminasi menunjukkan ΔT (kenaikan temperatur reaktor) yang berkurang—indikasi konversi memburuk—dan tekanan off-gas yang meningkat. Pengendalian ketat kimia syngas (termasuk COx) memperpanjang masa operasi; satu laporan menunjukkan kendali tertutup (closed-loop) atas rasio umpan kunci dan “methane slippage” meningkatkan waktu operasi sekitar ∼20% (azom.com). Secara analog, pencegahan keracunan CO via metanasi menjaga kapasitas katalis dan menghindari shutdown mahal.
Metanator sebagai tahap pembersihan akhir
Karena CO dan CO₂ adalah racun, tahap akhir syngas sebelum loop amonia adalah metanator: COx dihidrogenasi menjadi metana (CH₄), yang inert di loop. Reaksi kuncinya: CO + 3 H₂ → CH₄ + H₂O (ΔH ≈ –206 kJ/mol) dan CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O (ΔH ≈ –165 kJ/mol) (slideshare.net, slideshare.net). Katalis umumnya berbasis Ni (nikel) di atas alumina atau kieselguhr—sering dibeli dalam kondisi prareduksi untuk layanan amonia.
Kondisi tipikal inlet metanator ~270–300 °C dan tekanan tinggi (~20–30 bar) (chemengexpert.com, slideshare.net). Karena reaksi sangat eksotermis, desain reaktor bertingkat dengan pendinginan antar-tahap: multibed adiabatik (atau 2–3 fixed bed disela penukar panas). Pelepasan panasnya dramatis: kira-kira +60 °C per 1 vol% CO yang dikonversi dan +74 °C per 1 vol% CO₂. Contohnya, 1% CO di umpan menaikkan temperatur gas ≈60 °C; outlet bisa mencapai ~320–350 °C walau inlet ~280 °C, sehingga dibutuhkan cooler antar-bet atau gas quench (slideshare.net).
Komposisi umpan dan kualitas effluent
Umpan metanator adalah gas kaya hidrogen dari outlet absorber CO₂ (dan setiap unit pressure-swing atau booster purge gas). Komposisi pra-metanator lazimnya 0,1–0,5 vol% CO dan 0,1–0,3 vol% CO₂ dalam aliran H₂, yang kemudian “dibersihkan” katalis hingga nyaris nol: CO₂ effluent didorong ke <5 ppmv dan CO setara, dengan konsekuensi slip metana meningkat sedikit (misal CH₄ naik dari ~0,3% menjadi ~0,8%)—contoh flow sheet: inlet 0,3% CO₂ dan 0,1% CO turun ke <5 ppm (slideshare.net).
Desain Konverter Amonia: Siapa Paling Efisien di Industri Modern?
Integrasi scrubbing CO₂ pra‑metanasi
Setelah amine/physical CO₂ scrubbing, jejak COx “must be removed” oleh metanasi agar level akhir di bawah ~5 ppm (slideshare.net). Banyak pabrik memakai solvent amina untuk menyerap CO₂ sebelum tahap ini, misalnya solusi berbasis amina seperti CO₂/H₂S removal amine solvent sebagai bagian dari skema pra‑perlakuan gas.
Parameter operasi dan proteksi reaktor
Parameter dipantau ketat melalui DCS (distributed control system): analyzer cepat CO dan CO₂ di inlet/outlet, serta temperatur di tiap bed. Kenaikan CO di outlet menandakan penuaan katalis atau channeling; ΔT yang tinggi menandakan COx berlebih atau hotspot. Bejana metanator umumnya memiliki banyak thermowell dan kerap dilengkapi temperature guns untuk mencegah runaway. Perancang membatasi CO/CO₂ feed ke metanator (sering <0,5 vol%) karena CO₂ tinggi drastis meningkatkan beban panas (~74 °C per persen). Pressure drop melintasi bed dijaga rendah agar tak terjadi bypass.
Kinerja tipikal dan dampak ekonomi
Dengan desain yang tepat, residu CO/CO₂ di loop amonia praktis nol. Angka kinerja khas: konversi COx >99,99%, menyisakan <5 ppmv di recycle gas (slideshare.net). Katalis metanasi seperti “VSG‑N101” tercatat berjaya dengan “umur panjang” dan outlet COx konsisten <5 ppm (slideshare.net). Tanpa metanasi, kebocoran CO kecil pun akan menggerus aktivitas dalam hitungan minggu—memaksa operasi pada temperatur lebih tinggi atau penggantian katalis.
Dari sisi bisnis, konsistensi run tanpa gangguan (campaign bertahun‑tahun) menghasilkan jutaan ton NH₃; keracunan bisa memaksa shutdown dan penggantian katalis senilai ~\$0,5–1M (untuk pabrik besar). Biaya operasi tambahan metanator (bahan bakar/hidrogen) relatif moderat. Malah, metanasi “memulihkan” hidrogen terbuang (konversi CO₂ ke CH₄ memakai H₂) dan menghasilkan fuel gas nilai kalor rendah untuk burner reformer. Dalam satu analisis, kendali cermat atas methane slip dan kemurnian syngas memberi ~20% perpanjangan run time (azom.com)—dengan analogi, memastikan COx <5 ppm lewat metanasi menolong menjaga umur konverter dan uptime.
Pemisahan Amonia Multi-Flash untuk Kemurnian dan Efisiensi Maksimal
Ringkasan desain yang menyeimbangkan panas reaksi
Intinya: tahap metanasi akhir adalah kritikal bagi keandalan pabrik amonia‑urea. Ia mencegah keracunan katalis dengan “menyapu” CO dan CO₂ menjadi metana yang inert, memungkinkan operasi loop stabil. Desain menyeimbangkan panas reaksi—pendinginan multi‑tahap pada ~280–300 °C, 20–30 bar dengan katalis Ni—agar COx tersapu tanpa overheating. Hasilnya terukur: syngas keluar metanator mengandung CO/CO₂ praktis nol (mendorong umur konverter ke batas desain), langsung meningkatkan yield dan menurunkan downtime (slideshare.net, azom.com).
