INDUSTRI UREA

INDUSTRI UREA

Urea

Urea merupakan senyawa organik yang pertama kali disintesis secara tidak sengaja oleh Friedrich Wohler (1828) dari bahan dasar senyawa anorganik, yaitu dengan mereaksikan potasium sianat dan amonium sulfat.

Sifat-sifat

Pada temperatur ruang (suhu kamar) urea berwarna putih berbentuk padatan yang tidak berbau (Tabel. 1). Ketika terlarut dalam air, urea dapat terhidrolisis menjadi ammonium karbamat tetapi lambat, dan bahkan dapat terdekomposisi menjadi ammonia dan CO₂. Reaksi inilah yang menjadi dasar pembuatan urea sebagai pupuk.

Tabel. 1

IUPAC name	Diaminometanal
Rumus kimia	(NH2)2CO
BM	60,07 g/mol
Moment dipole	4,56 p/D
pH	(100 g.L-1 in water, 20oC) 9
Densitas	1,33.103 kg/m3, solid
Titik leleh	132,7 oC (406 K) dekomposisis
Titik didih	NA
Kelarutan dalam air	108 g/100 mL (20oC) 167 g/100 mL (40oC) 251 g/100 mL (60oC) 400 g/100 mL (80oC) 733 g/100 mL (100oC)
Tekanan uap	<0,1 hPa
Bulk density	0,8 kg.m-3

Urea diproduksi secara komersial dengan cara mendehidrasi ammonium karbamat pada tekanan dan temperatur tinggi. Ammonium karbamat diperoleh dari reaksi langsung antara ammonia dan karbon dioksida. Reaksi keduanya terjadi bersamaan dalam reaktor bertekanan tinggi.

Pada tekanan 1 atm dan suhu titik lelehnya, urea terdekomposisi menjadi ammonia, biuret, asam sianat, ammelida, dan triuret. Padatan urea stabil pada tekanan dan temperatur kamar. Konversi urea menjadi biuret bertambah cepat ketika berada pada tekanan rendah, suhu tinggi, dan pemanasan yang lama.

Manufaktur

Urea diproduksi dari NH₃ cair dan CO₂ gas pada tekanan dan temperatur tinggi; kedua reaktan diperoleh dari pabrik sintesa ammonia. Reaksi pembentukan ammonium karbamat dan dehidrasi urea terjadi bersamaan

CO₂ + 2NH₃ ↔ NH₂COONH₄               H= -155 MJ/kg.mol

Reaksi ini sangat eksotermik dan diikuti dengan dekomposisi ammonium karbamat yang bersifat endotermik

NH₂COONH₄ ↔ NH₂CONH₂ + H₂O     H= +42 MJ/kg.mol

Ammonia

Ammonia merupakan senyawa berbentuk gas yang cukup stabil pada suhu kamar dengan titik didih -33^oC. Gas ammonia lebih ringan daripada udara dan mempunyai bau yang khas dan tajam. Ammonia bereaksi dengan air menghasilkan ion ammonium (NH₄)⁺ dan ion hidroksida (OH)^-.

NH₃ + H₂O ↔ (NH₄)⁺ + OH^-

Ammonia merupakan basa lemah, pada suhu kamar hanya 1 dari 200 molekul ammonia  yang berupa ion (NH₄)⁺ dalam air. Pembentukan ion hidroksida pada reaksi diatas menyebabkan pH air bertambah. Sebagian besar (80%) ammonia yang diproduksi di dunia digunakan sebagai bahan pupuk, sisanya digunakan di berbagai jenis industri antara lain fiber, pakan ternak, dan peledak.

Ammonia anhidrat pada umumnya disimpan dalam keadaan cair di dalam tanki (biasanya menggunakan tangki berdinding ganda yang mempunyai kapasitas 100 – 1000 ton) pada suhu -33^oC, 1 atm. Penyimpanan ammonia dalam jumlah yang kecil biasanya menggunakan penurunan tekanan (pressure storage). Ammonia bersifat korosif terhadap paduan tembaga dan seng, sehingga bahan ini tidak digunakan sebagai alat penyimpan ammonia. Besi dan baja adalah satu-satunya bahan yang cocok digunakan sebagai bahan pembuat tanki penyimpan ammonia. Semua peralatan yang digunakan dalam industri urea merupakan bahan yang tahan terhadap korosi.

Karbon dioksida

Karbon dioksida (CO₂) merupakan senyawaan gas yang tak berbau dan tak berwarna (suhu dan tekanan atmosfer) yang sangat penting bagi kehidupan di bumi. Jumlah CO₂ di atmosfer bumi berkisar 0,03%. Gas CO2 dilepaskan ke udara dari pembakaran kendaraan bermotor, pernafasan mahluk hidup, dan beberapa industry. CO₂ bisa diperoleh dari hasil samping industry ammonia.

Pemilihan Proses

Ada beberapa proses yang dapat digunakan dalam produksi urea. Beberapa diantaranya menggunakan metode konvensional dan sisanya menggunakan teknologi modern untuk mendapatkan efisiensi yang tinggi. Proses-proses ini mempunyai beberapa kelebihan dan kelemahan tersendiri dalam hal modal, perawatan, kebutuhan energy, efisiensi dan kualitas produk. Beberapa proses yang digunakan dalam industry urea, antara lain:

Proses Sekali Lewat (Once through Process)

Pada proses ini, ammonia yang tidak terkonversi (tidak bereaksi dengan CO₂) dinetralkan dengan asam, misalnya asam nitrat, untuk membuata garam ammonium, misal ammonium nitrat, sebagai hasil samping dari produksi urea. Proses ini cukup sederhana. Kelemahan metode ini yaitu terbentuknya produk samping yang sangat besar (garam ammonium) dan konversi CO₂ yang kecil yang dapat dicapai.

Proses Lewat-berulang (Conventional Recycle Process)

Semua ammonia dan  CO₂ yang tidak terkonversi (tidak bereaksi) diumpankan kembali ke dalam reactor. Pada generasi pertama metode ini, pengumpanan ammonia dan CO₂ yang tidak terkonversi ke dalam reactor dilakukan dalam dua tahap. Pengumpanan pertama dilakukan pada tekanan 18 -25 bar; yang kedua dilakukan pada tekanan rendah (2-5 bar).

Proses Pelucutan (Stamicarbon CO₂-stripping process)

Pada proses ini, tekanan optimum pada reactor adalah 140 bar, dan ratio molar NH₃:CO₂ adalah 3:1. Karbamat yang tidak terdekomposisi pada reactor akan didekomposisikan pada stripper, menghasilkan ammonia dan karbon dioksida. Aksi pelucutan (stripping) dipengaruhi oleh adanya kontak antara karbon dioksia dan urea. Proses ini menggunakan kalor pembentukan karbamat untuk menjalankan reaksi dekomposisi yang endotermik, dengan sisa untuk membangkitkan uap. Ammonia cair, karbondioksida gas, dan bahan daur ulang bertemu dalam reactor penukar kalor pada tekanan 14 MPa dan suhu 170^oC sampai 190^oC, sehingga membentuk karbamat. Sebagian besar kalor reaksinya dibawa keluar sebagai uap proses. Reaksi dekomposisi karbamat itu berlangsung lambat dan endotermik. Campuran reagen yang tidak bereaksi dan karbamat itu mengalir ke pengurai. Rasio stoikiometri CO₂/NH₃ untuk terkonversi menjadi urea pada dasarnya adalah 55 persen, tetapi dengan menggunakan CO₂ (atau NH₃) berlebihan, keseimbangan itu dapat didorong sampai memberikan rasio 85%.

Snamprogetti Ammonia dan self stripping process

Pada mulanya, NH₃ digunakan sebagai stripping agent “agen pelucut”. Karena kelarutan ammonia dalam larutan urea yang sangat tinggi, menyebabkan ammonia overload pada bagian down stream. Kemudian versi terbaru pada proses ini tidak lagi menggunakan ammonia sebagai stripping agent, tetapi menggunakan panas. Walaupun begitu, effluent  masih mengandung NH3:CO2 dengan kadar yang cukup tinggi, sehingga diperlukan proses untuk memisahkan ammonia dengan karbamat.

Isobaric double recycle process

Proses ini dikembangkan oleh Montedison, yaitu dengan mengumpankan kembali ammonia dan ammonium karbamat yang tidak terkonversi ke dalam dua decomposer seri (pada tekanan sintesa).  Pada decomposer (suhu dan tekanan tinggi) pertama, ammonia dalam jumlah yang cukup tinggi dipisahkan dari larutan urea. Larutan residu, juga ammonium karbamat, dialihkan ke decomposer tekanan tinggi yang kedua untuk stripping proses dengan panas dan CO₂.

Produksi Urea Metode (ACES Process)

ACES (Advanced Process for Cost and Energy Saving) dikembangkan oleh Toyo Engineering Corporation. Komponennya terdiri atas reactor, stripper, dua karbamat kondensor parallel dan sebuah scrubber (semuanya beroperasi pada tekanan 175 bar).

Reactor beroperasi pada suhu 190^oC dan rasio stoikiometri NH₃:CO₂ adalah 4:1. Ammonia cair langsung diumpankan ke reactor, sedangkan CO₂ dimasukkan setelah dikompresi terlebih dahulu. Campuran hasil dari reactor, yang mengandung urea, ammonium karbamat yang tidak terkonversi, kelebihan ammonia,  dan air, diumpankan ke stripper.

Perbandingan proses

Proses	Keunggulan	Kelemahan
Conventional Process-Once through Process	-          Proses sederhana	-          Garam ammonia terbentuk dalam jumlah besar sebagai produk samping -          Konversi karbon dioksida rendah -          Biaya produksi tinggi -          Kebutuhan energy tinggi -          Polusi lingkungan tinggi
Conventional Process-Conventional recycle process	-          Konversi CO2 tinggi	-          Biaya produksi tinggi -          Kebutuhan energy tinggi -          Polusi lingkungan tinggi
Stamicarbon CO2-stripping process	-          Urea yang dihasilkan cukup tinggi tiap lewatan -          Kemurnian produk tinggi	-          Biaya produksi tinggi -          Biaya energy tinggi
Snamprogetti Ammonia and self stripping process	-          Konsumsi tekanan uap rendah	-          Biaya produksi tinggi -          Biaya energy tinggi
Isobaric double recycle process	-	-          Prosesnya rumit
ACES process	-          Biaya produksi rendah -          Pemulihan energy yang tinggi -          Rendah polusi -          Efisiensi tinggi	-          Modal besar

Deskripsi Proses – ACES proses

Advanced Process for Cost and Energy process terdiri atas reactor, stripper, dua condenser karbamat paralel dan sebuah scrubber.

 

Proses Utama

Reaktor

Reaktor dioperasikan pada suhu 190^oC dan tekanan 175 bar. Rasio stoikiometri NH₃:CO₂ adalah 4:1. Sekali lewatan, konversi CO₂ menjadi urea sekitar 68%. Berikut reaksi yang terjadi di dalam reactor.

 

Laju pada reaksi pertama sangat bergantung pada tekanan dan temperature, karena adanya perubahan volume yang sangat besar. Reaksi ini bisa terjadi jika tekanannya dibawah tekanan pada saat karbamat terdekomposisi, sebaliknya, tekanan reaktor harus lebih tinggi daripada tekanan uap karbamat (170 bar, 180^oC). Dekomposisi karbamat menjadi urea terjadi pada suhu ≥ 100^oC, pada suhu 100^oC dekomposisi karbamat menjadi urea membutuhkan waktu 20-30 jam. Laju dekomposisi karbamat menjadi urea meningkat dengan meningkatnya temperatur, pada suhu 190^oC 50% mol ammonium karbamat berubah menjadi urea dalam 30 menit. Reaktor terbuat dari besi baja yang dilapisi titanium untuk bahan anti korosinya.

Stripper

Campuran hasil dari reactor, yang mengandung urea, ammonium karbamat yang tidak terkonversi, kelebihan ammonia,  dan air, diumpankan ke stripper. Pada stripper ditambahkan uap bertekanan sedang. Stripper mempunyai dua fungsi utama, bagian atas berfungsi untuk memisahkan ammonia lebihan dari larutan yang diumpankan ke stripper dengan adanya kontak dengan gas yang datang dari bagian bawah stripper. Pada bagian bawah, karbamat didekomposisi, NH3 dan CO2 yang dihasilkan diuapkan. Gas-gas pada bagian atas stripper dimasukkan ke dalam karbamat condenser. Berikut reaksi yang terjadi di dalam stripper

 

Karbamat Kondenser

Gas-gas hasil dari bagian atas stripper diumpankan ke dalam karbamat condenser, disini campuran gas dikondensasikan dan diserap oleh larutan karbamat.

 

Scrubber

Disini, ammonia dan karbondioksida yang dating dari reactor diserap ke dalam larutan ammonia dan ammonium karbamat yang selanjutnya masuk ke karbamat condenser.

Medium Pressure Decomposer

Larutan urea dari stripper, yang mengandu ammonia 15% berat, dimurnikan lebih lanjut di medium pressure decomposer pada tekanan 17,5 bar. Tidak ada panas dari luar yang ditambahkan.

 

Low Pressure Decomposer

Pemurnian lebih lanjut dilakukan di dalam low pressure decomposer, beroperasi pada tekanan 2,5 bar. Ada panas ditambahkan dari luar. Ammonia dan ammonium karbamat dipindahkan.

 

Medium Pressure Absorber

Disini ammonia dan karbondioksida dipisahkan dari larutan urea. Panas kondensasi yang dihasilkan ditransfer langsung ke larutan urea pada proses pengkisatan.

Low pressure Absorber

Disini Disini ammonia dan karbondioksida dipisahkan dari larutan urea. Panas yang dilepaskan digunakan untuk membuat uap pada tekanan 2 bar. Uap ini digunakan untuk proses evaporasi pada bagian atas dan bawah separator.

Flash Separator

Unit ini dioperasikan pada tekanan 1 bar dan suhu 110^oC. Disini tekanan diturunkan yang mengakibatkan air menguap dan mengkisatkan larutan urea.

Lower Separator

Dioperasikan pada tekanan vakum 0,55 bar dan suhu 110^oC. Disini larutan urea dikisatkan lebih lanjut, dan panas yang dibutuhkan diperoleh dari low pressure absorber.

Upper Separator

Dioperasikan pada tekanan vakum 0,55 bar dan suhu 112^oC. Disini larutan urea dari lower separator dikisatkan lebih lanjut lagi. Hasil kemurniannya 99,2% dan sisanya air. Kemudian larutan urea dibawa ke tahap pembutiran.

Granulasi (Pembutiran)

Larutan urea dimasukkan granulator untuk memperbesar partikel-partikelnya. Granule dikeringkan dan didinginkan secara simultan. Granulator beroperasi pada suhu 110-115^oC.

 

Padatan urea mudah untuk disimpan, dan didistribusikan daripada bentuk larutannya. Lebih-lebih padatan urea lebih stabil dan bisa mencegah terbentuknya biuret yang sangat merugikan pada aplikasi pupuk pada tanaman.

REFERENSI

1.      Gunasekara, Dr. Maneeshaa, Urea Final Report, University of Moratuwa, 2008

2.      Appl, Dr. Max, 2008, Ammonia: Principles and Industrial Practice, Wiley-VCH

3.      Myers, Richard L., 2007, The 100 Most Important Chemical Compounds, Greenwood Press.

4.      European Fertilizer Manufacturer’s Association, Production of Urea

Share