industri nitrogen ros-yeni
TRANSCRIPT
INDUSTRI NITROGEN
Nitrogen yang berasal dari udara merupakan kompenen utama dalam
pembuatan pupuk dan telah banyak membantu intensifikasi produksi bahan
makanan di seluruh dunia. Pengembangan proses fiksasi nitrogen telah berhasil
memperjelas berbagai asas proses kimia dan proses tekanan tinggi. Sebelum
adanya proses fiksasi nitrogen secara sintetik sumber utama nitrogen untuk
pertanian adalah bahan limbah dan kotoran hewan serta ammonium sulfat yang
didapatkan dari pembuatan kokas dari batubara. Bahan- bahan ini tidak
mencukupi kebutuhan sehingga diproduksi ammonia sintetik dan nitrat.
Sejarah
Priestley dan Cavendish melewatkan percikan bunga api listrik di dalam
udara dan mendapatkan nitrat setelah melarutkan oksida yang terbentuk dari
reaksi tersebut di dalam alkali.tetapi, dalam perkembangannya membutuhkan
energi listrik yang banyak. Nitrogen pernah difiksasi sebagai kalsium sianida
tetapi prosesnya terlalu mahal. Harber dan Nernst melakukan pengkajian yang
teliti mengenai keseimbangan hydrogen dan nitrogen di bawah tekanan sehingga
membentuk ammonia dan mereka berhasil menemukan beberapa katalis yang
cocok tetapi karena pada masa tersebut peralatan tekanan tinggi belum ada
sehingga mereka menciptakan sendiri untuk penelitiannya. Pada tahun 1913
Haber dan Bosch berhasil menciptakan proses sintesis ammonia pada tekanan
tinggi. Namun proses ini banyak menggunakan energi sehingga proses ini banyak
mengalami modifikasi.
Penggunaan dan Ekonomi
Ammonia adalah bahan terpenting diantara bahan yang mengandung
nitrogen. Gas ammonia banyak digunakan sebagai pupuk, dalam perlakuan
panas, pembuatan pulpkertas, asam nitrat, garam nitrat, berbagai jenis bahan
peledak dan bahan refrigerant. Dari gas tersebut dibuat urea, hidroksilamina dan
hidrozina. Ammonia banyak yang digunakan sebagai pupuk tetapi jumlahnya
masih di bawah kuantitas yang diperlukan untuk menghasilkan panen yang
maksimum.
Bahan Baku
Bahan yang digunakan dalam industri nitrogen adalah udara, air,
hydrocarbon dan tenaga listrik. Hydrocarbon dapat digantikan dengan udara
namun prosesnya terlalu mahal.
Ammonia Sintetik
Penggunaan dan Ekonomi
Digunakan 80% untuk pupuk, 20% dalam plastic dan 5% dalam bahan
eksposi militer dan komersial.
Reaksi dan Kesetimbangan
Tetapan Keseimbangan Reaksi:
1/2 N2(g) + 3/2H2(g) NH3(g) ΔH 12 oc = -46,0 kJ ΔH 659
oc =
-55,6 kJ
Oleh karena molekul produk ammonia punya volume yang lebih kecil
dibandingkan reaktannya, hasil ammonia akan bertambah dengan peningkatan
tekanannya. Peningkatan suhu memberikan efek yang sebaliknya namun akan
meningkatkan laju reaksi yang berarti akan memperkecil alat yang diperlukan
sehingga akan memperkecil biaya peralatan. Oleh karena itu perlu dicari
keseimbangan antara berbagai kondisi sehingga diperoleh hasil yang
maksimum.
Laju dan Katalisis Reaksi
Agar ukuran peralatan dibuat sekecil mungkin maka laju reaksi harus
ditingkatkan semaksimal mungkin, namun karena reaksi hydrogen dan nitrogen
berlangsung lama maka diperlukan suatu katalisator dan tambahan promotor.
Yang biasa digunakan adalah katalis besi dengan promotor oksida aluminium,
zirconium atau silicon. Katalis yang diinginkan adalah katalis yang cukup kuat
untuk menanggung ketidakmurnian yang lebih tinggi namun efektif pada suhu
rendah sehingga menghasilkan konversi keseimbangan yang lebih tinggi.
Kecepatan ruang (space velocity) adalah volume gas. Persentase ammonia yang
dihasilkan pada suhu dan tekanan tertentu dengan katalis tertentu akan
berkurang bila kecepatan ruang bertambah. Biasanya unit industri menggunakan
kecepatan ruang 10000 dan 20000/jam.
Prosedur Pembuatan
Pembuatan ammonia terdiri dari 6 tahap: (1) Pembuatan gas- gas
pereaksi, (2) Pemurnian, (3) Kompresi, (4) Reaksi katalitik, (5) Pengumpulan
ammonia yang terbentuk, (6) Resirkulasi. Pembuatan amoniak merupakan suatu
proses kombinasi dimana gas bumi, udara dan uap direaksikan sambil
menambahkan kalor di atas katalis sehingga menghasilkan campuran hydrogen
dan nitrogen 3:1 bersama CO2 dan H2O. CO2 dan H2O kemudian disingkirkan.
Namun juga terdapat system lain yaitu elektrolisis airI (prosesnya menggunakan
tekanan sedang), hydrogen hasil sampingan, perengkahan hidrokarbon serta
oksidasi parsial hidrokarbon.
Sistem Sintesis
Gas sintesis ammonia dibuat melalui reformasi katalitik tekanan tinggi
terhadap umpan hidrokarbon, biasanya gas bumi yang telah dibersihkan dari
kandungan belerangnya dalam lingkungan uap di atas katalis nikel di dalam
reformer primer, kemudian mengalami reaksi geser katalitik pada suhu yang lebih
rendah di dalam lingkungan udara di dalam satu atau beberapa reformer
skunder. Setelah penyingkiran CO2 dengan air kemudian dengan absobrsi kimia
akan mengkonversi CO dan CO2 yang tersisa menjadi metana di dalam
metanator. Setelah dilakukan metanasi pada tekanan 2,75 MPa, campuran
hydrogen dan nitrogen (3:1) yang telah bebas dari senyawa yang mengandung
karbon akan dimampatkan sampai tekanan reaksi penuh kira-kira 20MPa dengan
bantuan kompresor sentrifugal yang digerakkan oleh turbin maka terbentuklah
ammonia.
Diagram Alir Proses Amonia Kellog
Biaya
Hal yang menentukan biaya produksi ammonia adalah metode produksi
hydrogen dan bahan baku yang digunakan. Untuk menurunkan biaya tersebut
dilakukan prosedur pengolahan yang lebih sederhana dan katalis yang lebih baik,
serta operasi pada tekanan yang cukup rendah dengan menggunakan kompresor
satu tahap saja.
Ammonium Nitrat (NH4NO3)
Ammonium nitrat merupakan pupuk nitrogen yang sangat penting karena
kandungan nitrogennya mencapai 33 %, pembuatannya mudah dan murah dan
mengandung suatu kombinasi yang berharga yaitu nitrogen yang dapat bekerja
dengan cepat dan nitrogen dalam bentuk ammonia yang bekerja lambat. Pada
mulanya NH4NO3 tidak disukai karena cenderung menggumpal pada waktu
disimpan namun setelah dilakukan granulasi dan penambahan bahan
antihidroskopik masalah ini dapat diatasi. Ammonium nitrat banyak digunakan
dalam bahan peledak militer dan komersial
Ammonium nitrat dibuat dengan mereaksikan asam nitrat (yang dibuat
melalui oksidasi ammonia) dengan ammonia:
NH3(g) + HNO3(aq) NH4NO3(aq) ΔH= -86,2 kJ
Bila perbandingannya diatur dengan baik maka akan dihasilkan
Ammonium nitrat cair dengan sedikit sekali mengandung air (1-5%) dan dapat
dibentuk menjadi bola-bola kecil (pril).
Diagram Alir Proses Ammonium Nitrat
Ammonium Sulfat ( (NH4)2SO4 )
Ammonium sulfat lebih disukai oleh petani karena sifatnya yang tidak
mudah menggumpal. Pada mulanya zat ini dibuat dengan menggunakan asam
sulfat untuk mambasuh ammonia yang didapat sebagai hasil sampingan gas
tanur kokas namun sekarang ini lebih banyak dibuat melalui reaksi antara
ammonia sintetik dengan asam sulfat. Bila belerang dalam pembuatan asam
sulfat terlalu mahal maka dilakukan proses pada gypsum dan karbon dioksida:
(NH4)2CO3 (aq) + CaSO4.2 H2O(s) CaCO3(s) + 2 H2O + (NH4)2SO4(aq)
Ammonium Fosfat ( (NH4)3PO4 )
Ada 3 macam ammonium fosfat tetapi hanya 2 yang dibuat dalam skala
komersil. Monoammopnium Fospat (MAP) dibuat melalui reaksi antara ammonia
dengan asam fosfat diiukuti dengan sentrifugasi dan dikeringkan dalam
pengering putar. Zat ini digunakan sebagai pupukdfan bahan pencegah
kebakaran pada kayu, kertas dan tekstil. Diammonium fosfat(DAP)
pembuatannya memerlukan reactor 2 tahap uintuk mencegah kehilangan
ammonia kemudian diikuti proses granulasi dan penyelesaian reaksi di dalam
drum putar.
UREA (NH2CONH2)
Urea merupakan pupuk nitrogen yang paling mudah dipakai. Zat ini
mengandung nitrogen paling tinggi(46%) di antar semua pupuk padat. Urea
mudah dibuat dalam bentuk pril atau granular, mudah dibawa dalam bentuk
kantong dan tidak mudah meledak. Disamping sebagai pupuk juga digunakan
sebagai makanan penambah protein pada hewan memamah biak, untuk produksi
melamin, sebagai pewaris dalam pembuatan resin, plastic, bahan pelapis dan
resin perpindahan ion.
Pembuatan Ammonia melibatkan 2 reaksi :
1. Pembentukan ammonium karbamat melalui reaksi antara karbon dioksida
dengan ammonia di bawah tekanan:
14 MPa
CO2 + 2NH3 180 oc NH2COONH4 ΔH = - 155 MJ/kgmol
2. Dekomposisi ammonium karbamat
NH2COONH4 NH2CONH2 + H2O ΔH = + 42 MJ/kgmol
Dewasa ini metode yang paling popular dirancang dengan tujuan
menggunakan energi seminimal mungkin adalah dengan metoda melucuti
(stripping) cairan hasil melalui kontak dengan CO2 yang masuk. Proses ini
menggunakan kalor pembentukan karbamat untuk menjalankan reaksi
dekomposisi yang endotermik, dengan sisa pembangkit uap. Reactor harus
dipanaskan terlebih dahulu agar reaksi dapat berlangsung.
Amoniak cair, CO2 dan bahan daur ulang bertemu dalam reactor penukar ion
pada tekanan 14 MPa 170-190 0C sehingga membentuk karbamat. Reaksi ini
berlangsung lambat dan endotermik.. untuk mendapatkan keseimbangan yang
lebih sempurna maka harus ditambahkan CO2 dan NH3 berlebih. Campuran
reagen yang tidak bereaksi dan karbamat itu mengalir ke pengurai. Dari digram
alir terlihat pengurai yang diikuti pelucut (stripper), tempat mengumpulkan CO2.
yang mempunyai tekanan yang hamper sama sehingga tidak memerlukasn
rekompresi gas. Agar semua gas yang tidak bereaksi dan karbamat yang tidak
terdekomposisi dapat seluruhnya disingkirkan dari produk maka urea harus
dipanaskan pada tekanan lebih rendah (400 kPa). Reagen ini direaksikan dan
dipompakan kembali kedalam system. Produk akhir didapat setelah evaporasi
dan pembuatan pil/granul. Secara keseluruhan CO2 dan NH3 terkonversi menjadi
urea sehingga tidak menyebkan masalah pada lingkungan.
Diagram Alir Proses Pelucutan Urea Stamicarbon
Asam Nitrat (HNO3)
Asam nitrat telah lama dikenal dan dihargai sejak dulu. Pembuatnnya
melalui destilasi selpeter dengan asam sulfat dan zat ini juga dapat terbentuk
secara alami di dalam atmosfer karena petir.
Penggunaan dan Ekonomi
Asam nitrat banyak digunakan dalam pembuatan ammonium nitrat, nitrat
organic dan anorganik juga untuk berbagai senyawa nitro organic lainnya.
Asam nitrat yang digunakan dalam asidulasi batuan fosfat lebih
menguntungkan dibandingkan menggunakan asam sulfat. Ini disebabkan karena
terdapatnya penambahan nitrogen untuk pupuk disamping pospor yang telah
ada. Asam nitrat juga digunakan dalam mensintesis nitrat- nitrat organic.
Bahan Baku
Amoniak, udara, air dan katalis platina-10%rhodium merupakan bahan
terpenting dalam pembuatan asam nitrat.
Reaksi dan Perubahan Energi
(menyeluruh) NH3(g) + 2O2(g) HNO3(aq) + H2O(l)
ΔH = - 437 kJ/kgmol
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO2(aq) + 6H2O(g) ΔH = - 227
kJ/kgmol
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) ΔH = -
57,1 kJ/kgmol
3NO2(g) + H2O(g) 2HNO3(l) + NO(g) ΔH = - 58,7
kJ/kgmol
4NH3(g) + 3O2(g) 2N2(g) + 6H2O(l) ΔH = - 317
kJ/kgmol
4NH3(g) + 6NO(g) 5N2(g) + 6H2O(g) ΔH = - 451
kJ/kgmol
2NO2(g) N2O4(g) ΔH = - 28,7
kJ/kgmol
Prosedur Pembuatan
1. Proses Tekanan Tunggal
Udara keluar dibelah, 85 % masuk ke converter dan 15 % masuk ke
penukar kolom. Kolom udara tekan yang panas dicampur dengan amoniak
yang lewat panas dan dikirim ke converter untuk dilakukan proses
pembakaran, dimana campuran udara dan ammonia (10%) dilewatkan
melalui 30 lapisan kasa 80 mesh yang terbuat dari platina +10% rhodium.
Dimana suhu gas dan kosentrasi amoniak yang masuk reactor merupakan
parameter yang menentukan. Gas keluar dari converter dilewatkan melalui
pemanas lanjut uap, ketel uap kalor limbah dan pemanas gas sisa yang
keluar pada suhu 2000C. Gas ini kemudian dilewatkan melalui pendingin
kondensor yang menghasilkan HNO3 40% - 45%.
Gas keluar yang telah didinginkan maupun asam nitrat encer
dilewatkan melalui adsorber . Gas masuk dari bawah, asam nitrat encer
agak ke atas pada kolom dan air dingin masuk dari atas. Di dekat dasar,
laju reoksidasi NO cukup lambat karena kosentrasi asam pekat
menghalangi absorbsi NO2 sehingga tidak dapat berlangsung lambat. Di
dekat puncak kolom kosentrasi NOX dan oksigen menjadi sangat rendah
sehingga gaya dorong untuk absorbsi itu kecil saja. Asam yang keluar dari
dasar kolom mengandung sedikit NOX, terutama N2O4 (tak berwarna)
namun ada juga NO2 yang berwarna merah yang selanjutnya akan
diputihkan (bleach) dengan melewatkannya melalui kolom, berlawanan
arah dengan udara primer yang yang dibocorkan dari kompresor udara.
2. Proses Dua Tekanan
Dalam proses dua tekanan ini mempunyai beberapa keuntungan :
biaya katalisnya lebih rendah karena menggunakan kecepatan yang lebih
rendah, uap hasil sampingannyqa lebih sedikit, diameter unggun katalis
lebih besar dan lapisan kasa lebih tipis(4 lapisan) dan beroperasi pada
tekanan lebih rendah di dalam converter. gas dilewatkan melalui system
pemulihan kalor dan dikompresi sampai 990kPa untuk absorpsi dan
pemutihan. Selanjutnya prosesnya serupa dengan proses tekanan
tunggal.
Diagram Alir Pembuatan Asam Nitrat
Natrium Nitrat (NaNO3)
NaNO3 digunakan sebagai pupuk juga sebagai fluks, kembang api, cuci
asam, campuran untuk erlakuan panas dan aditif tambahan. Endapan
alamiahnya terdapat di dataran tingi Chili. Produk dengan kualitas tinggi dapat
diperoleh dengan penguraian dan pengkristalan. Penyedian iodium dunia
kebanyakan berasal dari hasil sampingan produksi NaNO3.
Kalium Nitrat (KNO3)
Kalium Nitrat dibuat melalui 2 cara:
1. Reaksi antara asam nitrat dengan kalium klorida dengan menghasilkan
klor sebagai hasil sampingan
2. Hasil sampingan antara natrium niotrat dengan kalium klorida lalu
mengkristalkan hasil garamnya.
Zat ini sangat baik untuk pupuk karena mengandung 2 komponen pupuk yang
berguna yaitu 13%N dan 44%K2O juga digunakan untuk bahan peledak, keramik,
dan garam untuk perlakuan panas.
Sianamida
Dulu sianamida merupakan pupuk pertanian yang sangat berguna tetapi
kemudian kalah oleh turunannya disianamida. Penggunaanya sekarang sudah
sangat berkurang.