Di balik reaktor sintesis gas, dua tahap konverter shift memaksa CO berubah jadi CO₂ dan H₂—asal rasio uap dijaga di kisaran 3–4 dan jejak sulfur/klorin ditekan hingga sub‑ppm.
Reaksi water‑gas shift (WGS, CO + H₂O → CO₂ + H₂; eksotermik) adalah tulang punggung produksi syngas untuk amonia/urea. Praktiknya industrial: dua tahap, High‑Temperature Shift (HTS, 320–450 °C) di atas katalis besi‑krom (Fe₂O₃–Cr₂O₃ dipromosi K₂O) pubs.acs.org www.mdpi.com, lalu Low‑Temperature Shift (LTS, 150–280 °C) di katalis tembaga‑seng‑alumina (Cu/ZnO/Al₂O₃) www.mdpi.com. HTS “menyapu” sebagian besar CO (pada H₂O lebih rendah dan suhu lebih tinggi), LTS memoles sampai level jejak.
Contoh nyata: gas keluar HTS masih mengandung ~3,60% CO, yang turun menjadi ~0,40% setelah LTS www.azom.com www.azom.com. Di laboratorium, katalis Cu/ZnO/Al₂O₃ mencapai konversi CO ~94,8% (hasil CO₂ ~59,2%) pada 333 °C—menandakan katalis Cu yang dipretreatment baik bisa mendekati konversi kesetimbangan www.mdpi.com. Secara praktik, total konversi CO dua tahap ini melampaui 90–95%, menghasilkan H₂ nyaris bebas CO untuk sintesis amonia www.azom.com www.mdpi.com.
Mash pH 5,2–5,6: Ilmu Buffer Malt dan Asam Pangan
Arsitektur dua tahap konverter shift
HTS berbasis Fe–Cr dipilih demi laju reaksi tinggi dan volume reaktor ringkas, namun dibatasi kesetimbangan; LTS Cu–Zn pada ~200–250 °C “mematangkan” sisa CO. Komposisi gas daur ulang menunjukkan pola konsisten: H₂ sedikit naik, CO₂ naik, CO turun dari beberapa persen menjadi sub‑persen setelah LTS www.azom.com www.azom.com. Praktik modern menjalankan HTS pada 20–30 bar dan LTS ~20–25 bar; bed katalis (formulasi proprietari yang sudah terbukti) dirancang mencapai >90% konversi CO. Katalis Cu–Zn generasi lanjut tetap aktif signifikan bahkan di bawah 250 °C www.mdpi.com, sehingga CO di efluen mendekati level low‑ppm yang dituntut sintesis amonia.
Kendali rasio uap terhadap gas
Hasil WGS sangat ditopang rasio uap (H₂O) terhadap CO (sering juga “steam‑to‑carbon”, S/C). Rasio uap tinggi mendorong kesetimbangan ke CO₂ dan H₂, memaksimalkan konversi CO www.mdpi.com gasprocessingnews.com. Praktik industri menargetkan S/C ≈3,0–4,0. Baraj dkk. (2022) menyebut rasio steam/CO 3–4 sebagai “suggested” untuk performa WGS optimal www.mdpi.com, dan panduan gas processing mengonfirmasi S/C ≈3,0 sebagai standar global untuk pabrik hidrogen/amonia gasprocessingnews.com.
Di bawah itu, konversi CO turun dan risiko pembentukan karbon (coking) naik; di atasnya, bahan bakar terbuang untuk membuat uap. Secara kuantitatif, survei aliran pabrik amonia menunjukkan pencampuran uap yang “royal” dipakai “to prevent coking … a minimum ratio of 3.0 lb‑moles steam per 1.0 lb‑mole C” www.azom.com. Menaikkan S/C dari 2 ke 3 bisa meningkatkan konversi CO sekitar 10–20% (mis. dari ~80% ke ~95%), meski manfaat menurun setelah ~3–4. Pabrik modern menggunakan analisis on‑line untuk menjaga S/C dalam ±0,02% www.azom.com. Uap berlebih (S/C≫4) nyaris tak menambah H₂ dan memboroskan energi; terlalu rendah (<3) memicu deposisi metana/karbon pada reformer dan katalis shift www.azom.com.
Rasio uap tinggi juga mengencerkan gas—menurunkan tekanan parsial CO dan memperlambat kinetika WGS—sehingga desain menyeimbangkan efek‑efek ini. Data empiris (simulator proses dan kontrol plant) menunjukkan menjaga steam:CO ~3–4 memberi hasil H₂ mendekati maksimum: satu data spektrum massa plant menunjukkan, dengan uap memadai, H₂ naik dari 52,7% (HTS) menjadi 54,2% (LTS) www.azom.com www.azom.com.
Mash Terlalu Kental? Enzim & Sekam Padi Solusi Lautering Cepat
Sensitivitas katalis LTS terhadap racun
Katalis LTS (Cu–Zn–Al) sangat efisien namun amat rentan terhadap pengotor. Senyawa sulfur (H₂S, merkaptan) dan klorida pada umpan akan menonaktifkan katalis Cu secara ireversibel bahkan pada kadar jejak www.azom.com www.mdpi.com. Itu sebabnya gas umpan WGS harus dibersihkan ketat di hulu (mis. ZnO atau amine scrubbers) hingga H₂S “sub‑ppm (parts per million—bagian per sejuta)”.
Uji bangku menunjukkan kepekaan ini: saat katalis shift Ni/Fe lab dipapar 0,4 mol% H₂S (4000 ppm), >90% H₂S segera teradsorpsi di katalis www.mdpi.com. Penurunan aktivitasnya masih moderat—konversi CO turun ke ~86% dari mendekati lengkap (katalis Cu paralel tetap ~94% aktif) www.mdpi.com—namun sekitar 13,6 wt% sulfur (≈6,8 g) tertangkap sebagai sulfida logam pada bed. Untuk katalis Cu–Zn pada 0,4 mol% H₂S, terdeposisi 2,5 wt% S (diasumsikan sebagai Cu₂S) www.mdpi.com, yang pada praktiknya meracuni mayoritas situs Cu.
Merkaptan dan H₂S sama‑sama mengikat situs Cu, kerap membentuk COS dan perlahan mematikan aktivitas WGS www.mdpi.com www.mdpi.com. Satu sumber industri menegaskan perlunya “analyze the feed stream for sulfur‑containing components such as hydrogen sulfide and mercaptans, which are poisons and will de‑activate the catalyst” www.azom.com. Dalam praktik, bahkan <1 ppm H₂S dapat memendekkan umur katalis LTS. Klorin (mis. HCl) sama merusaknya: Cu membentuk copper chloride/oxychloride yang menghancurkan situs aktif; meski data kerasnya terbatas, operator berpengalaman menuntut HCl di syngas nyaris nol (sering <0,1 ppm) sebelum LTS.
Dampaknya nyata: bed LTS berbasis Cu yang terkontaminasi menunjukkan kehilangan aktivitas cepat dan/atau butuh penggantian lebih sering. Uji dengan gas berklorin (atau setelah sebagian Cu teracun) menunjukkan penurunan tajam konversi CO pada suhu operasi rendah (試). Karena itu, operator menambahkan guard beds (ZnO, CdO, activated alumina) untuk menyerap H₂S/HCl sebelum LTS. Derajat toleransinya dapat ditakar: satu studi melaporkan setelah menangkap 90% H₂S masuk, katalis Cu masih menghasilkan ~86% konversi CO www.mdpi.com—tetapi pajanan lebih lama atau level lebih tinggi akan menurunkan konversi secara tajam.
Kesimpulan operasionalnya jelas: memastikan rasio uap/gas “on spec” saja tidak cukup; kemurnian syngas sama kritisnya. Regulasi lokal menggarisbawahi tuntutan ini: Permen LHK 17/2019 (“Baku Mutu Emisi”) menetapkan batas emisi ketat bagi industri pupuk/ammonium nitrat peraturan.bpk.go.id, mengisyaratkan H₂S dan Cl di hulu harus diminimalkan dan “dibersihkan” di seksi shift agar patuh lingkungan.
Implikasi peralatan dan pemurnian hulu
Untuk pemurnian gas asam, amine scrubbers regenerable lazim digunakan; solusi pelarut seperti CO₂/H₂S removal (amine solvent) relevan dengan kebutuhan menurunkan H₂S ke level sub‑ppm sebelum memasuki LTS. Dalam banyak skema, guard bed berbasis ZnO/CdO/activated alumina ditempatkan tepat sebelum bed Cu untuk memoles H₂S/HCl.
Mengendalikan Biuret di Pabrik Urea: Suhu, Waktu Tinggal & Analisis
Catatan sumber dan angka kunci
Ulasan Baraj dkk. (2022) merangkum skema katalis WGS dua tahap Fe/Cr vs Cu/Zn dan merekomendasikan rasio steam/CO ~3–4 www.mdpi.com www.mdpi.com. Uji lab mereka mencapai 94,8% konversi CO pada katalis Cu yang diaktifkan www.mdpi.com. Analisis industri memperlihatkan tipikal CO ~3,6% pasca HTS dan ~0,4% pasca LTS www.azom.com www.azom.com. Panduan proses menekankan S/C ≥3 untuk menghindari coke www.azom.com dan memperingatkan H₂S serta merkaptan akan “de‑activate” bed katalis shift www.azom.com. Uji racun mengonfirmasi bed LTS berbasis Cu mampu mengadsorpsi >90% H₂S masuk www.mdpi.com namun cepat kehilangan aktivitas (konversi CO turun ke ~86%) www.mdpi.com www.mdpi.com. Konteks regulasi Indonesia (Permen LHK 17/2019) mendorong kontrol ketat sulfur/klorin di aliran proses peraturan.bpk.go.id.
