Katalis SMR di Pabrik Amonia: Bertahan 5+ Tahun Jika Sulfur Sub‑ppm dan Loading Rapi
Di balik jutaan Nm³/hari gas yang diproses pabrik amonia/urea, umur katalis nikel ditentukan oleh dua musuh: sulfur dan karbon. Data operasi menunjukkan proteksi H₂S hingga sub‑ppm, purifikasi umpan berlapis, serta loading dan startup disiplin adalah pembeda antara kampanye 5+ tahun dan shutdown darurat.
Pabrik amonia besar menangani jutaan Nm³ gas per hari. Di jantungnya, steam methane reformer (SMR) mengandalkan katalis nikel berbasis Ni/α‑Al₂O₃ dengan sedikit promotor K₂O untuk mendorong reaksi CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (chempedia.info). Mengganti puluhan ton katalis itu mahal dan memperpanjang downtime; karena itu, manajemen katalis yang benar—terutama pengendalian racun (poisons) dan coke—menjadi vital. Di kondisi ideal, umur layanan tipikal mencapai 5+ tahun (syamcat.com).
Hemat Energi Dewatering Tambang: Pompa Efisien, Motor IE3 & VFD
Profil katalis dan skala proses
Katalis Ni berbasis Ni/α‑Al₂O₃ dengan promotor K₂O bekerja pada suhu tinggi dan memfasilitasi konversi metana menjadi syngas. Karena throughputnya, setiap degradasi aktivitas segera terlihat: kenaikan suhu dinding tube, methane slip, hingga pemakaian bahan bakar lebih tinggi. Literatur industri dan akademik menyorot bahwa masa pakai bergantung ketat pada kebersihan umpan dan disiplin operasi (sciencedirect.com).
Mekanisme deaktivasi utama Ni/Al₂O₃
Keracunan sulfur (chemical poisoning). H₂S, COS, dan merkaptan adalah racun terparah bagi katalis Ni. Praktiknya, di kondisi reforming semua sulfur berperilaku sebagai H₂S yang teradsorb kuat dan membentuk kompleks Ni–S (Ni + H₂S → Ni–S + H₂), memblokir situs aktif (sciencedirect.com; chempedia.info). Studi menunjukkan Ni bisa diracuni hanya dengan 50 ppm H₂S pada 775 °C, dan level sub‑ppm pun menonaktifkan katalis perlahan (chempedia.info; chempedia.info; sciencedirect.com). Praktik komersial menargetkan S <0,1 ppm atau lebih rendah. Keracunan Ni oleh sulfur bersifat sebagian reversibel via steam purge bersuhu tinggi, namun akumulasi jejak sulfur tetap terjadi (sciencedirect.com; chempedia.info). Racun permanen lain (arsenik, timbal, klorida) dibatasi ketat; misalnya As harus <50 ppb karena meracuni Ni secara irreversibel (chempedia.info).
Deposisi karbon (coking). Pada suhu reformer, hidrokarbon dapat terurai menjadi karbon (CH₄ → C(s) + 2H₂) atau via disproporsionasi CO (Boudouard: 2CO → C + CO₂). Jika steam:C terlalu rendah atau ada hidrokarbon berat/aromatik, karbon tumbuh filamentous atau mengenkapsulasi, menutup pori dan situs aktif—menurunkan konversi dan menciptakan hotspot. Literatur menyebut coking sebagai salah satu masalah paling serius; pada uji katalis Ni terdukung, karbon pada spent catalyst menjadi faktor deaktivasi dominan (chempedia.info; pubs.acs.org). Promotor seperti K₂O dan CaO membantu menekan karbon, namun tidak menghilangkannya sepenuhnya (chempedia.info).
Dampak fisik dan termal. Sintering Ni atau kolaps penyangga pada >800–900 °C mengurangi luas permukaan dan meningkatkan resistansi difusi. Gradien suhu berlebih (misalnya akibat loading tidak seragam atau isu burner) memicu sintering lokal atau bahkan kegagalan tube. Impuritas pada steam—mis. silika atau logam berat—dapat menyumbat pori. Karena itu, distribusi loading dan kontrol temperatur yang seragam menjadi krusial (pdfcoffee.com).
Purifikasi gas umpan multi‑tahap
Rantai purifikasi umpan yang robust adalah benteng pertama untuk melindungi katalis. Skema modern meliputi:
Hydrodesulfurization (HDS). Hidrokarbon berat dipretreat di hydrotreating dengan katalis NiMo untuk mengkonversi sulfur organik menjadi H₂S.
Acid Gas Removal. Gas menuju unit amina (mis. MDEA) atau solvent fisik untuk menghilangkan H₂S/COS ke level sangat rendah (<100 ppm). Penggunaan solvent amina komersial dapat diwakili oleh amine solvent untuk penghilangan CO₂/H₂S dalam layanan proses.
Guard bed ZnO. Fixed‑bed sulfur guard (ZnO atau sorben sejenis) menangkap sisa H₂S hingga level ppb via reaksi stoikiometrik ZnO + H₂S → ZnS + H₂O pada ~300–400 °C. Praktik yang baik menghasilkan H₂S <0,1 ppm, beberapa target <10 ppb; contoh, purifikasi syngas Sasol (Rectisol) mencapai ~0,08 mg S/m³ (~0,1 ppm) (chempedia.info). Teks menegaskan “ZnO menurunkan [sulfur] hingga di bawah batas deteksi analitik, namun sisa sulfur tetap akan meracuni katalis secara perlahan” (chempedia.info).
Penghilangan impuritas lain. Gas harus dikeringkan secara termal; merkuri dan halida dihilangkan, misalnya melalui perangkap karbon aktif—contoh material yang digunakan pada tahap ini adalah activated carbon untuk adsorpsi—guna mencegah fouling asam/metal. Racun tidak langsung seperti NH₃ atau merkaptan juga diserap. Survei menunjukkan “bahkan jika level sulfur pada bahan bakar di bawah 0,2 ppm, beberapa deaktivasi katalis reforming uap masih dapat terjadi” sehingga multi‑step sweetening menjadi standar (chempedia.info).
Praktik operasi menambahkan analyzer H₂S on‑line downstream untuk mendeteksi breakthrough dan melakukan switching train bila diperlukan. Target operasi konvensional adalah menjaga H₂S <0,1 ppm (sering <50 ppb pada layanan kritis) demi ketahanan dan uptime (chempedia.info; chempedia.info).
Baca juga:
Blueprint Dewatering Tambang: Pompa Tahan Abrasi & Pengolahan Air
Panduan loading katalis tabung reformer
Persiapan tube. Inspeksi tube dan grid penyangga; pastikan sleeve/basket utuh. Muat zona inert (mis. bola Al₂O₃ atau ring spinel) di dasar tube untuk distribusi aliran dan jangkar bed. Cegah washout dengan mesh atau wedge kasar.
Pengisian terkontrol. Gunakan dropping socks atau corong untuk memasukkan pelet secara seragam, dengan laju freefall terkendali ≈3 ft. Ukur ΔP per meter selama pengisian untuk memeriksa konsistensi densitas; ΔP rendah menandakan pack longgar, ΔP tinggi menandakan bridging. Vibrasi (pneumatic tapping) atau redistribusi manual dipakai untuk koreksi (slideshare.net).
Minimalkan efek layering. Hindari segregasi ukuran pelet; jika bed multi‑ukuran diperlukan, sisipkan bertahap untuk mencegah channeling. Loading buruk memicu ketidakseragaman aliran antar‑tube dan suhu outlet: “each tube has a different exit temperature” dan methane slip sangat non‑uniform (pdfcoffee.com). Pada contoh, ketidakseimbangan aliran ±5% antara dua tube memicu swing suhu outlet 40 °C dan degradasi pendekatan ke kesetimbangan (pdfcoffee.com).
Verifikasi & penutupan. Konfirmasi massa total dan tinggi bed sesuai desain; densitas tipikal Ni/Al₂O₃ ~0,8–0,86 kg/L. Pasang hold‑down device atau mesh penahan untuk mencegah fluidisasi saat startup, lalu purge N₂ kering untuk memastikan pipa bebas kelembapan/kotoran (pdfcoffee.com). Analisis menunjukkan deviasi 10 °C dari titik kesetimbangan bisa muncul hanya karena satu tube mengalir 5% lebih kaya daripada lainnya (pdfcoffee.com).
Startup dan reduksi katalis yang aman
Inert purge & pemanasan awal. Setelah penutupan, purge reformer dan sistem steam dengan nitrogen (atau resirkulasi gas buang) untuk menyingkirkan udara/kelembapan. Panaskan perlahan di atas dew point steam; pemanasan sampai header outlet ~50 °C di atas dew point direkomendasikan sebelum steam masuk guna mencegah kondensasi yang dapat memecah pelet (slideshare.net).
Steam drying. Introduksi steam murni (tanpa hidrokarbon) pada laju rendah, naikkan hingga ~30–50% desain sambil menjaga firing rendah; semua jalur hidrokarbon harus tetap terisolasi (double‑blocked) pada fase ini (slideshare.net).
Reduksi katalis. Pada T tinggi (>300 °C), masukkan gas pereduksi seperti H₂ murni atau campuran bahan bakar ramping. Tujuannya mereduksi NiO menjadi Ni aktif. Pedoman: campuran steam:H₂ 5:1 untuk meminimalkan hotspot; hanya sekitar ~14% firing normal dibutuhkan untuk mencapai temperatur reduksi. Reduksi lebih cepat di T tinggi dan kandungan steam lebih rendah, namun hati‑hati terhadap overheating lokal bila distribusi H₂ tidak merata (slideshare.net). Beberapa unit mensirkulasikan gas produk via bypass pada tahap ini.
Pengenalan hidrokarbon & ramp ke beban penuh. Setelah reduksi, introduksi umpan hidrokarbon (gas alam) secara bertahap; awalnya alihkan outlet ke kompresor atau flare sambil memantau suhu tube. Naikkan steam dan fuel bersama menuju rasio steam:C desain (umumnya 3–4:1 untuk pabrik amonia) dan firing. Setelah aliran normal, tutup bypass H₂ dan kirim syngas ke unit shift/penghilangan CO₂ downstream. Ringkasan paten Shell menegaskan urut‑urutan ini: inert saat pemanasan, lalu “introduce steam and hydrocarbons … stop the inert circulation … and remove hydrogen product” via kompresor (patents.google.com).
Pantauan ramp & batas laju. Sepanjang warm‑up, pantau temperatur. Batas laju kenaikan tipikal 50–100 °C/jam pada tube‑metal temperature; beberapa desain modern memungkinkan ~150–170 °C/jam. Hindari cold spot katalis atau kehadiran oksigen. Kuras semua kondensat; air cair pada bed panas dapat menghancurkan pelet (slideshare.net). Catatan kasus menunjukkan firing berlebihan saat startup pernah menyebabkan meltdown katalis dan kebocoran tube—sebaliknya, startup terkontrol menghadirkan aktivitas penuh dengan kehilangan minimal (slideshare.net).
Teknologi Modular untuk Dewatering Tambang Batu Bara yang Efisien
Dampak operasional dan keputusan CAPEX/OPEX
Data dan pengalaman menyimpulkan pencegahan poisoning dan coking jauh lebih ekonomis daripada turnaround sering. Menjamin S ultra‑rendah (sub‑ppm) melalui sweetening berlapis memungkinkan kampanye multi‑tahun; sebaliknya, breakthrough racun memicu shutdown darurat (chempedia.info; sciencedirect.com). Penegakan prosedur loading/firing mencegah hotspot dan uneven burn‑out. Dalam operasi yang disiplin, reformer besar mempertahankan ~99% konversi CH₄, dengan kenaikan ΔP tube tahunan <1%, dan masa pakai katalis sesuai target; pengabaian langkah‑langkah ini menaikkan methane slip, konsumsi fuel, dan CO by‑product (pdfcoffee.com).
Angka‑angka memandu pengambilan keputusan: “50% steam + rasio 5:1” saat reduksi hanya butuh ~14% firing normal (slideshare.net); masa pakai 5+ tahun tipikal di umpan bersih (syamcat.com). Investasi pada purifikasi umpan berkinerja tinggi—unit amina, guard bed ZnO, analyzer on‑line—dibalas oleh runtime katalis yang lebih panjang dan kestabilan produksi. Untuk operator, semua ini bermuara pada disiplin: menjaga H₂S <0,1 ppm (sering <50 ppb pada layanan kritis) dan menghindari maldistribusi 5% antar‑tube yang dapat menimbulkan swing 40 °C di outlet (chempedia.info; pdfcoffee.com).
Sumber rujukan utama: sciencedirect.com; chempedia.info; chempedia.info; pubs.acs.org; slideshare.net; pdfcoffee.com; slideshare.net; syamcat.com; patents.google.com.
