PROSES INDUSTRI KIMIA AMMONIA

Industri Nitrogen

Nitrogen dari udara merupakan komponen utama dalam pembuatan pupuk

dan telah membantu produksi bahan makanan. Selama proses pengembangan

fiksasi nitrogen , proses dengan tekanan tinggi semakin di eksplorasi. Sebelum

penggunaan proses fiksasi nitrogen  secara sintetik, bahan limbah, kotoran hewan

dan hasil – hasil dekomposisi serta ammonium sulfat yang didapatkan dari hasil

sampingan pembuatan kokas dari batu bara merupakan sumber utama nitrogen

untuk keperluan pertanian. Bahan – bahan tersebut sulit diolah dan jumlahnya

kurang untuk memenuhi keperluan pertanian. Salpeter Chili, salpeter(garam)  dari

air kencing manusia dan hewan, kemudian ammonia hasil dari pembuatan kokas

menjadi penting kemudian digantikan dengan sintesis ammonia dan nitrat.

Ammonia merupakan bahan utama dalam pembuatan hampir semua jenis produk

yang mengandung nitrogen.

Sejarah

Priestley dan Cavendish melewatkan percikan listrik di udara dan

menghasilkan nitrat dengan melarutkan oksida dari nitrogen di dalam alkali.

Dalam perkembangan komersialnya tidaklah mudah karena memerlukan energi

listrik yang banyak dan memiliki efisiensi yang rendah. Awalnya nitrogen pernah

difiksasi sebagai kalsium sianida, tetapi prosesnya terlalu mahal. Proses lainnya,

proses termal untuk mencampur NOX, sianida, aluminium nitrit, kemudian

didekomposisikan menjadi amoniak, meskipun secara teknis mungkin untuk

dilakukan namun secara komersial kurang menjanjikan Haber dan Nersnt

melakukan penelitian keseimbangan antara nitrogen dan hidrogen dengan

menggunakan tekanan tinggi sehingga terbentuk ammonia. Dari penelitian

tersebut, berhasil ditemukan katalis yang cocok. Tetapi peralatan untuk

menghasilkan tekanan tinggi belum ada, sehingga mereka harus menciptakannya

sendiri. Haber dan Bosch juga meneliti proses untuk menghasilkan hydrogen dan

nitrogen murni. Produksi hidrogen dari proses elektrolisis air dan distilasi udara

untuk mendapatkan nitrogen terlalu mahal lalu mereka menciptakan proses lain

yang lebih baik. Usaha mereka telah berhasil menciptakan prosees sintesis

ammonia pada tekanan tinggi di tahun 1913. Beberapa tahun kemudian proses ini

mengalami modifikasi , yang menghasilkan harga yang tidak mahal seperti proses

sebelumnya.

Penggunaan dan nilai ekonomis

Ammonia merupakan senyawa nitogen yang paling penting dan paling

banyak

digunakan.Sebagian besar dibuat dengan cara sintesis dan sebagian dari produk .

Saltpeter chili (NaNO3) ditambang untuk dijadikan sebagai sumber nitrogen. Gas

amoniak secara langsung digunakan pada pupuk, treatment panas, bubur kertas,

industri nitrat dan asam nitrat, industri senyawa nitro dan ester asam nitrat, bahan

baku berbagai macam bahan peledak dan sebagai pendingin. Urea, hidroksilamin,

dan hidrazin berbahan baku ammonia.Penggunaan ammonia terbesar yaitu

sebagai pupuk sangat diperlukan untuk memaksimalkan hasil panen. Udara, air,

hidrokarbon, dan sumber energi merupakan bahan yang biasa digunakan. Batu

bara dapat menggantikan hidrokarbon namun prosesnya kompleks dan mahal.

Bahan baku yang digunakan dalam industri amoniak dan pupuk nitrogen,

ditunjukkan oleh gambar 18.1

Sintesis Ammonia

Amoniak merupakan bahan baku utama untuk industri dan pertanian seperti

gambar 18.1. Total penggunaan di United State melebihi 19 x 106 t pada tahun

1981. Hasil produksi ammonia 20 persennya untuk memproduksi asam nitrat, 20

persen untuk urea, dan 15 persen untuk amonium fosfat. Digunakan 80 persen

untuk pupuk, 20 persen untuk plastik dan serat, 5 persen untuk bahan peledak

komersial dan militer.

Reaksi dan kesetimbangan

Reaksi umum :

Konstanta kesetimbangan :

Karena produk ammonia memiliki volume yang lebih kecil daripada

reaktan, maka ketika tekanan dinaikkan yield ammonia meningkat. Kenaikan

temperatur menghasilkan pengaruh yang sebaliknya pada kesetimbangan tetapi

dapat meningkatkan laju reaksi, seperti gambar dibawah ini :

Laju reaksi dan katalis

Untuk menjaga ukuran peralatan tetap kecil, laju reaksi harus dinaikkan,

agar hydrogen dan nitrogen dapat bereaksi dengan cepat. Proses sintesis

membutuhkan katalis yang efisien untuk meningkatkan laju reaksi. Beberapa

katalis ammonia telah diuji coba, tetapi industry jaman sekarang menggunakan

katalis besi dengan penambahan promoters,promoters yang digunakan adalah

alumunium oksida, zicronium, atau silikon dengan konsentrasi 3%, dan kalium

oksida sekitar 1%. Promoter berfungsi untuk meningkatkan penyerapan dari

katalis. Pada laju tertentu, penggunaan katalis besi murni menghasilkan konversi

3-5%, katalis besi dengan menggunakan promoters menghasilkan 8-9% dan

katalis besi dengan jumlah promoters dua kali lipat akan menghasilkan konversi

13-14%. Katalis besi akan tidak reaktif ketika dipanaskan di atas 520°C. Katalis

juga akan berhenti bekerja saat kontak/bertemu dengan dengan tembaga, fosfor,

arsenik, sulfur, dan karbon monoksida, karena dapat mengubah komposisi besi

dan ini menyebabkan kerusakan dalam pemurnian gas untuk reaksi.Katalis yang

dapat menahan pengotor dan berjalan efektif pada temperature rendah agar

kesetimbangan konversi menjadi lebih besar sangat diperlukan.

Prosedur pembuatan

Pembuatan ammonia terdiri dari 6 tahap : (1) pembuatan gas reaktan, (2)

purifikasi,

(3) kompresi, (4) reaksi katalis, (5) recovery amoniak yang terbentuk, dan (6)

resirkulasi. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Terdapat banyak perbedaan pada sumber hydrogen sebagai bahan baku.

Pada prinsipnya, proses pembuatan hidrogen yaitu dengan mengkombinasikan gas

alam, udara, dan uap kemudian direaksikan dengan panas melebihi katalis, untuk

menghasilkan komposisi campuran 3:1 dari hidrogen dan nitrogen bersama

dengan karbon dioksida dan air. Kemudian karbon dioksida dan air akan

dihilangkan. System lainnya digunakan pada beberapa area seperti sintesis gas

menggunakan sistem seperti elektrolisa air, produk samping hidrogen, proses

cracking hidrokarbon, interaksi antara batu coal-water dan hidrokarbon-water,

oksidasi sebagian hidrokarbon.

Reaksi pada sintesis ammonia adalah eksotermis, sehingga desain

konverternya haruslah mampu melindungi unitnya dari overheating. Pengontrolan

suhu optimum untuk konversi dan melindungi kerangka akibat metalurgi yang

buruk pada tekanan dan suhu tinggi.

Sintesis ammonia dibuat dengan katalitik bertekanan tinggi dari

pembentukan hirokarbon. Biasanya gas alam dibebaskan terlebih dahulu dari

sulfur , adanya uap melalui katalis nikel pada proses primer. Kemudian berpindah

pada suhu rendah dengan bantuan udara dalam satu atau lebih proses sekunder.

Tujuan dari perpindahan tersebut untuk : (1) menghasilkan lebih banyak hydrogen

per satuan bahan bakar dan (2) mengoksidasi karbon monoksida untuk dijadikan

karbondioksida. Katalis akan menangkap racun dari sulfur dan klorin dan

memperpanjang umur katalis. Setelah CO2 dihilangkan dengan air terjadi

penyerapan bahan kimia , sisa CO dan CO2 dikonversi menjadi metana pada

methanator. Metana merupakan gas inert yang cocok dengan katalis ammonia.

Selama proses tersebut, konservasi dan penggunaan kembali panas merupakan hal

sangat utama karena pembangkit uap dari pabrik ammonia menghasilkan

ammonia. Uap banding ammonia memiliki komposisi 4:1

Setelah proses katalitik methanation yang membutuhkan 2.75 MPa,

menghasilkan campuran hydrogen – nitrogen (3:1), pembebasan karbon serta

senyawa yang mengandung sedikt metana diproses pada tekanan sekitar 20 MPa

melalui turbin dan didorong oleh kompresor sentrifugal. Bermacam-macam

metode regulasi temperatur digunakan pada converter yaitu dengan memasukkan

kumparan pertukaran panas atau gas pendingin diinjeksikan diantara beds.

Kemudian ammonia diperoleh kembali dengan cara didinginkan atau diabsoprsi

dan diperlakukan sebagai cairan anhidrat dibawah tekanan tertentu.

Setelah penghilangan ammonia, gas sisa yang mengandung gas inert

(CH4, Ar, Ne) diumpankan ke system pada konsentrasi yang tinggi. Konsentrasi

inert diatur dengan membersihkan beberapa gas secara bertahap. Ketika harga

bahan bakar sangat murah, gas ini dibakar namun pada saat ini gas tersebut

digunakan kembali.

Gambar di bawah ini menunjukkan alat konverter untuk sintesis amoniak

Pada tahun 1970, terjadi revolusi pada pembuatan amoniak dan

menghasilkan beberapa perubahan penting, seperti dibawah ini :

1. Ketika prosedur operasi diuji ulang secara teliti, akan lebih

memungkinkan untuk mengoperasikan tanpa menggunakan banyak

peralatan (single train) dan menghapus intermediate storage.

2. Kualitas katalis memungkinkan untuk dioperasikan secara hemat pada

tekanan rendah, menggunakan kompresor sentrifugal dan tekanan tinggi

hanya akan digunakan, bila alat reciprocating tersedia.

3. Kompresor berkapasitas besar, katalis yg lebih baik dan konverter yang

lebih baik,

4. Dengan meningkatkan suhu dari primary reformer outlet dan

memanaskan udara lebih dulu ke dalam secondary reformer endotermis,

pabrik tersebut secara langsung akan mengurangi keseluruhan biaya

untuk reforming. Primary reformers dioperasikan pada suhu yang sangat

tinggi, sehingga lebih mahal dibandingkan yang sekunder.

5. Komputer digital untuk mengontrol variabel proses yang memiliki

susunan variasi dan mampu melakukan operasi yang lebih baik secara

konsisten untuk kondisi mendekati maksimum.

6. Banyak karbon dioksida dihilangkan dengan melarutkan dalam air,

tetapi pada pelepasannya membutuhkan reagen alkali. Tiga pilihan proses

yang digunakan adalah: (a) absorben inorganik (biasanya K2CO3), (b)

organik ( amina), (c) physical absorbents (fluor’s propylene carbonate).

Pemilihannya didasarkan pada tingkat residu dari CO2, pengaruh

ketidakmurnian, dan masalah regenerasinya.

7. Gas yang merembes pada loop sintesis,awalnya dibakar, namun

sekarang banyak dikurangi dan menjadi energi yang dibutuhkan.

Pemisahan cryogenic merecover hydrogen dan nitrogen. Untuk

memisahkan inerts dapat menggunakan cara mengscrubbingnya dengan

nitrogen sebelum gas memasuki loop sintesis Braun). Dengan

menggunakan sistem swing pressure, dapat dihasilkan hydrogen murni.

Penghilangan secondary reformer dengan tidak ada udara yang masuk ke

dalam sistem, nitrogen dapat diperoleh dari distilasi udara atau beberapa

proses lainnya.

8. Sekarang konverter sintesis sangat dikembangkan dan desain

sebelumnya telah diperbaiki. Tekanan rendah sangat dibutuhkan untuk

megurangi biaya operasi, selain itu ukuran katalis yang kecil dapat

mengurangi kebutuhan volume besar katalis. Banyak konversi terjadi di

bed pertama, karena ada driving force ke arah kesetimbangan. Pada

desain modern, digunakan tekanan 15-30 MPa dan temperatur 500º C

agar konsentrasi amoniak yang keluar sebesar 16-25 persen.

9. Murahnya biaya recovery amoniak dari gas outlet konverter

memiliki beberapa pilihan. Biasanya menggunakan pendingin multiple-

stage dikombinasikan dengan pengurangan tekanan. Dapat juga dengan

mengondensasi air apabila air pendingin sangat dingin. Pembersih air

juga dibutuhkan untuk membuat aqua ammonia. Uap berlebih dapat

digunakan untuk menjalankan sistem absorbs pendingin untuk

mengkondensasikan ammonia

Cost.

Metode produksi hidrogen dan pemilihan bahan baku merupakan faktor

utama yang dapat mempengaruhi harga akhir dari produksi ammonia. Banyak cara

untuk menekan biaya yaitu dengan mengurangi kebutuhan uap dan bahan

bakar.Pada saat ini untuk operasi industry ammonia menggunakan 40-45 GJ per

metric ton ammonia yang diproduksi. Dengan prosedur proses yang lebih

sederhana, perbaikan katalis dan pengoperasian pada tekanan rendah

menggunakan one-stage kompresor, energi yang digunakan dapat berkurang

hingga 21 GJ per metric ton ammonia yang diproduksi. Desain pabrik untuk

membuat ammoia 27 GJ per metric ton telah tersedia saat ini,

Natrium Nitrat

Natrium nitrat baik digunakan sebagai pupuk dan beberapa industry

digunakan sebagai fluxes, kembang api, zat aditif tembakau. Di chile, sumber

depositnya ada sekitar 8-65km lebarnya , dan tingginya sekitar 0,3-1,2m.

Pencucian sederhana aliran berlawanan dan kristalisasi menghasilkan produk

dengan kualitas baik. Beberapa tahun deposit tersebut mendominasi dari suplai

nitrogen dunia. Sebagian besar iodine didapatkan dari produksi NaNO3. Dengan

rendahnya harga ammonia , reaksi antara garam atau soda abu dengan asam nitrat

menghasilkan harga yang ekonomis. Beberapa industri lebih memilih

menggunakan NaNO3 daripada sumber energi nitrogen langsung.

Daftar Pustaka

Austin,G.T.1984.Shreve’s Chemical Process Industries 5THed. Singapore. McGrawHill.