Gas Alam dan Udara Menjadi Pupuk Urea: Proses Haber-Bosch di Pupuk Kaltim

Persoalannya: nitrogen melimpah tetapi tidak dapat diserap tanaman

Nitrogen memang menyusun sekitar 78 persen udara, tetapi bentuknya adalah molekul N₂ dengan ikatan rangkap tiga yang sangat stabil. Akar tanaman tidak dapat menyerapnya secara langsung, sehingga nitrogen udara, sebanyak apa pun jumlahnya, tidak bernilai gizi bagi tanaman. Tanaman mengambil nitrogen dari tanah pada setiap panen, dan tanpa pengembalian, cadangan tersebut habis dan hasil panen menurun. Di sinilah pabrik pupuk berperan: nitrogen harus diubah terlebih dahulu menjadi amonia dan urea sebelum dapat digunakan oleh tanaman [1].

Reaksi pengikatnya adalah Haber-Bosch, N₂ + 3 H₂ menjadi 2 NH₃, yang merupakan fondasi hampir seluruh pupuk nitrogen modern. Reaksi ini tidak memerlukan nitrogen dari sumber mana pun selain udara, tetapi memerlukan hidrogen dalam jumlah besar, dan hidrogen itulah yang mahal. Dengan demikian pabrik urea pada hakikatnya adalah dua pabrik yang dirangkai, yaitu pabrik hidrogen di bagian depan dan pabrik pengikat nitrogen di belakangnya [1][2].

Tahap pertama: gas alam dipecah menjadi hidrogen

Pabrik urea berawal dari gas alam. Metana direaksikan dengan uap air pada suhu tinggi melalui steam reforming, CH₄ + H₂O menjadi CO + 3 H₂, yang menghasilkan hidrogen dan karbon monoksida. CO kemudian diubah lagi melalui water-gas shift, CO + H₂O menjadi CO₂ + H₂, untuk memperoleh hidrogen tambahan sekaligus menghasilkan CO₂ yang kelak dipakai untuk membuat urea. Reforming gas alam adalah sumber hidrogen industri terbesar untuk pabrik amonia dan urea di dunia [1][3].

Udara dimasukkan pada reformer tahap kedua, dan oksigennya membakar sebagian gas untuk menyediakan panas proses, sementara nitrogennya lolos sebagai bahan baku kedua yang tidak berbayar. Gas mentah kemudian dimurnikan: CO₂ diserap keluar, dan sisa CO serta CO₂ yang dapat meracuni katalis sintesis dibersihkan sampai tingkat yang sangat rendah. Hidrogen inilah bahan baku amonia; tanpa hidrogen, tidak ada pupuk nitrogen. Indonesia adalah salah satu produsen urea besar di Asia dengan kompleks pupuk berbasis gas alam di Kalimantan dan Sumatera, seperti Pupuk Kaltim di Bontang yang mengolah gas alam skala besar menjadi butiran urea siap karung [3].

Tahap kedua: Haber-Bosch, reaksi yang memberi makan dunia

Nitrogen dan hidrogen ditekan tinggi, sekitar 200 bar, lalu dilewatkan di atas katalis besi panas pada suhu sekitar 450°C. Tekanan industri umumnya berada pada kisaran 150 sampai 250 bar. Persamaan termodinamikanya tidak bersahabat: reaksi ini eksotermik dan jumlah mol gas menyusut dari 4 menjadi 2, sehingga kesetimbangan menghendaki suhu rendah dan tekanan tinggi, sedangkan kecepatan reaksi menghendaki suhu tinggi. Suhu operasi merupakan kompromi di antara keduanya, dan katalis berbasis besi dengan promotornya membuat kompromi tersebut dapat dijalankan secara ekonomi [1].

Karena kesetimbangan membatasi, hanya sebagian gas yang berubah menjadi amonia dalam satu kali lewatan. Amonia dipisahkan dengan kondensasi, dan gas yang belum bereaksi diputar kembali ke reaktor dalam loop recycle. Energi besar yang dibayarkan oleh proses ini adalah harga untuk memutus ikatan N₂. Besarnya taruhan terlihat dari jejaknya: sekitar separuh nitrogen dalam protein makanan manusia modern ditelusuri berasal dari proses Haber-Bosch, sehingga proses ini menopang separuh kebutuhan pangan dunia [2].

Tahap ketiga: amonia dibungkus menjadi urea

Amonia cair direaksikan dengan CO₂ dari tahap reforming. Mula-mula terbentuk amonium karbamat dalam reaksi yang sangat eksotermik, kemudian karbamat terurai menjadi urea dan air dalam reaksi endotermik yang dibatasi kesetimbangan. Karena konversinya tidak tuntas, karbamat yang belum berubah dipisahkan dan diputar kembali, pola recycle yang sama seperti pada loop amonia. CO₂ yang semula merupakan produk samping reforming di sini menjadi bahan baku, sehingga pabrik amonia dan urea memang dirancang sebagai satu kompleks terpadu [3][4].

Cairan urea kemudian dibentuk menjadi butiran melalui menara prilling atau granulasi. Bentuk butiran membuat urea mudah disimpan, diangkut dengan truk, dan ditebarkan petani di sawah. Urea mengandung nitrogen sekitar 46 persen, tertinggi di antara pupuk nitrogen padat yang umum, sehingga ongkos angkut per satuan nitrogennya paling rendah. Rantai tersebut dengan demikian lengkap: gas alam menjadi hidrogen, hidrogen bertemu nitrogen dari udara menjadi amonia, dan amonia ditambah CO₂ menjadi urea, tahapan yang menghubungkan sumur gas ke piring makan.

Kesimpulannya

Urea adalah udara yang diikat dengan energi gas alam: hidrogen dari reforming membayar harga untuk memutus ikatan nitrogen, dan Haber-Bosch menguncinya menjadi amonia yang kemudian dibungkus sebagai urea. Itulah sebabnya harga pupuk selalu mengikuti harga gas, dan kompleks seperti Pupuk Kaltim di Bontang dibangun di dekat sumber gas. Memahami rantai ini membuat satu karung urea terbaca sebagai termodinamika, katalisis, dan logistik yang bertemu di sawah. Artikel ini layak disimpan sebagai peta dasar pupuk nitrogen; bedah berikutnya adalah neraca massa, satu persamaan yang menjelaskan mengapa data pabrik selalu terasa bocor.