Selasa, 03 Mei 2011

Proses Industri Asam Nitrat


Disusun oleh : SEPTI FAJAR RAENI dan PUTRI TISHANA 

Sejarah
Proses pembuatan asam nitrat pertama kali seringkali dihubungkan dengan sumber dari abad ke-8 di Arab yang menjelaskan distilasi dari campuran “Cyprus vitriol, saltpeter and alum” untuk menghasilkan cairan dengan daya pelarut yang tinggi yang disebut aqua fortis. Pada tahun 1798, I. Milner melaporkan keberhasilannya dalam oksidasi uap amonia dengan mangan dioksida untuk menghasilkan nitrogen oksida dan asam. Pada tahun 1824, W. Henry mendemonstrasikan bahwa amonia dapat bereaksi langsung dengan oksigen pada temperatur tinggi dengan kehadiran kasa platina. Pada abad ke-19 dan awal abad ke-20, ratusan katalis diujikan pada reaksi, yang kemudian akan menjadi dasar dari industri asam nitrat modern.
Tahun 1900, asam nitrat pertama kali diproduksi secara komersial dari potasium nitrat. Perkembangan dari proses ini dimulai pada tahun 1903 ketika pabrik yang pertama berhasil memproduksi asam nitrat langsung dari nitrogen dan oksigen dalam electric-arc furnace oleh E. Birkeland dan S. Eyde di Norwegia. Pada tahun 1908, pabrik asam nitrat komersial dibangun di dekat Bochum, Jerman, yang memproduksi 3 ton/hari asam nitrat, tetapi perubahan yang signifikan dari proses ini terjadi pada saat sumber amonia ekonomis tersedia dengan mudah. Pada tahun 1909 Haber, ahli kimia Jerman, berhasil mengembangkan proses pembuatan amonia sintetis. Amonia itu terbuat dari nitrogen dan hitrogen.  Perbandingannya 1:3. Rumus kimianya NH3. Tapi Haber hanya dapat membuat amonia sintetis di dalam laboratorium. Maka ia menyerahkan pembuatan amonia buatan kepada Bosch. Bosch kemudian memproduksi amonia buatan secara besar-besaran.  Hal itu terjadi pada tahun 1911. Empat tahun kemudian (1915) perusahaan Bosch mengoksidasikan amonia dan memproduksikan asam nitrat. Asam nitrat banyak di pakai dalam industri kimia untuk membuat obat-obatan, zat warna, dan bahan peledak. Pabrik asam nitrat pertama di Amerika Serikat dibangun pada 1917. Pada tahun 1923 perusahaan Bosch memproduksi secara besar-besaran metanol buatan. Metanol adalah alkohol cair yang paling sederhana. Metanol juga disebut karbinol, alkohol kayu, alkohol kaca, atau metil alkohol. Metanol sintetis dibuat dengan jalan mereaksikan campuran hidrogen dan gas-gas karbon monoksida dengan tekanan tinggi. Dengan perkembangan sintesis amonia Haber-Bosch, masa depan operasi terjamin, dan pabrik tambahan kemudian dibangun di Jerman. Hingga saat ini, asam nitrat terus diproduksi dengan proses oksidasi amonia.

Penggunaan dan Ekonomi
Kegunaan utama dari asam nitrat digunakan untuk produksi pupuk sintetis. Sekitar 70% dari asam nitrat yang diproduksi digunakan untuk produksi ammonium nitrat, yang kemudian digunakan untuk produksi pupuk. Sisa produksi asam nitrat digunakan untuk pembuatan bahan peledak, senyawa organik, pemisaahan emas dan perak, dan pembuatan asam adipat yang digunakan untuk produksi nilon. Asam nitrat merupakan bahan kimia yang banyak diproduksi di Amerika Serikat. Ukuran plan bervariasi dari 6000 sampai 700000 ton (5500 sampai 635000 ton) tiap tahun.
Saat ini beragam tipe plant produksi asam nitrat di seluruh dunia. Terdapat tiga tipe yang biasa digunakan plant antara lain plant asam nitrat atmosfer, plant tekanan sedang, dan plant tekanan tinggi. Pada proses produksi asam nitrat, beragam produk yang tidak diinginkan juga dihasilkan. Tiga polutan utama yang dilepaskan adalah nitrous oksida (N2O), oksida nitrat (NO), dan nitrogen dioksida (NO2).                                               
           
Bahan Baku
Bahan baku yang terpenting untuk pembuatan asam nitrat adalah amonia, udara, air, dan katalis kasa platina-10% rhodium. Lokasi pabrik biasanya diusahakan agar tidak jauh dari pabrik amonia. Oleh karena 1 kg atom nitrogen terkandung dalam hanya 17 kg amonia, tetapi memerlukan 105 kg asam nitrat 60%, maka biasanya lebih murah bagi para pemakai besar untuk mengangkut amonia daripada asam nitrat. Untuk menangani larutan asam nitrat diperlukan truk dan mobil tahan karat.

Pembuatan Asam Nitrat Komersial
Hampir semua pembuatan asam nitrat secara komersial diperoleh dengan cara oksidasi amonia. Tiga tahap dasar pembuatan asam nitrat adalah:
*      Oksidasi amonia menjadi nitrogen monoksida (NO)

      Reaksi cepat, eksotermik dan menghasilkan reaksi samping
     
*      Oksidasi nitrogen monoksida menjadi nitrogen dioksida (NO2)

Pada temperatur dibawah 150oC, hampir semua nitrogen monoksida akan bereaksi dengan oksigen yang ada. Selain temperatur, perlu diperhatikan juga tekanan. Karena pada temperatur yang rendah, dengan menaikkan tekanan dapat mengakibatkan terjadinya reaksi dimerisasi nitrogen dioksida menjadi dinitrogen tetraoksida dengan persamaan reaksi sebagai berikut:

*      Absorpsi nitrogen oksida menjadi asam nitrat terjadi absorpsi nitrogen oksida dalam air menghasilkan asam nitrat dan melepaskan tambahan nitrogen monoksida. Reaksi keseluruhan absorpsi gas nitrogen dioksida dalam air adalah sebagai berikut:

Reaksi
Reaksi utama dalam pembuatan asam nitrat adalah sebagai berikut:

∆H, kJ/kg.mol

(menyeluruh) NH3 (g) + 2O2 (g) → HNO3 (aq) + H2O (l)
-437
(1)
4NH3 (g) + 5O2 (g) → 4 NO (g) + 6H2O (g)
-227
(2)
2NO2 (g) + O2 (g) → 2NO2 (g)
-57,1
(3)
3NO2 (g) + H2O (l) → 2 HNO3 (l)+ NO (g)
-58,7
(4)
4NH3 (g) + 3O2 (g) → 2N2 (g) + 6H2O (g)
-317
(5)
4NH3 (g) + 6NO (g) → 5N2 (g) + 6H2O (g)
-451
(6)
2NO2 (g) → N2O4 (g)
-28,7
(7)
 Bergantung pada konsentrasi HNO3
Campuran gas oksida nitogen (NO, N2O3, NO2, N2O4) biasanya disebut NOX, tanpa memperhatikan konsentrasinya.
Asam dari pabrik biasanya mengandung sedikit asam nitrit (HNO2) bila konsentrasinya antara 20 sampai 45% HNO3 dan mengandung N2O4 terlarut bila konsentrasinya lebih dari 55%. Potensial oksidasi asam konsentrasi 20% sampai 45% bersifat menstabilkan nitrogen bervalensi tiga (HNO2), tetapi pada konsentrasi di atas 55% nitrogen bervalensi empat (N2O4) yang stabil.
            Reaksi (2) merupakan reaksi yang cepat (bila dibantu katalis) dan selesai dalam waktu kurang dari 1 milisekon. Oleh karena itu, reaksi tersebut harus dilaksanakan sebagai reaksi adiabatik. Konsentrasi amonia di udara yang masuk harus dibatasi agar suhu maksimum yang dicapainya jangan sampai terlalu tinggi dan merusak katalis yang mahal itu.
            Reaksi (3) adalah reaksi yang lambat, berlangsung dalam fase gas, dengan kinetika orde ketiga dan lajunya berkurang bila suhu dinaikkan. Konversi sempurna menjadi NO2 biasanya tidak dapat dilaksanakan secara komersial.
            Reaksi (4) menunjukkan beberapa ciri yang mengkhawatirkan, walaupun kecepatannya lumayan dan ∆H-nya relatif rendah. Keseimbangan dicapai dalam waktu yang cukup singkat, tetapi letak keseimbangan kurang menguntungkan. Jika asam tersebut terlalu pekat atau terlalu panas, akan terjadi reaksi balik.        

Teknologi Proses HNO3
Seluruh proses produksi asam nitrat komersial mempunyai kesamaan dalam proses utama kecuali pada tekanan operasinya. Tekanan operasi ini dibagi menjadi tekanan atmosferik, tekanan sedang (2,5-5 atm), dan tekanan tinggi (7-12 atm). Tekanan operasi ini juga bisa dibagi menjadi sistem tekanan tunggal dan sistem tekanan ganda. Sistem tekanan tunggal menggunakan tekanan yang sama di semua bagian, sedangkan sistem tekanan ganda memanfaatkan sistem kompresi diantara oksidasi amonia dan absorpsi nitrogen monooksida. Kombinasi yang mungkin antara lain sistem tekanan tunggal pada tekanan atmosfer, sedang, atau tinggi. Sistem tekanan ganda pada tekanan atmosfer-sedang, tekanan atmosfer-tinggi, atau tekanan sedang-tinggi.

*            Proses Tekanan Tunggal
Sebuah kompresor putar bertahap banyak, yang mempunyai pendingin di antara tahap-tahapnya, digerakkan oleh turbin uap dan turbin pemulih tenaga yang disebut ‘alat ekspansi gas sisa’ (tail gas expander). Pendingin antara tahap diatur sedemikian rupa agar suhu keluar adalah sekitar 230°C pada 1 MPa.
Diagram alir produksi asam nitrat dapat dijelaskan sebagai berikut:
1)      Udara ditekan hingga 0.86 MP dan dipanaskan hingga 250oC
2)      Amonia (NH3) dicampur dengan udara – campuran adalah 10% amonia (vol)
3)      Campuran mengalir melawati pack of flat gauzes, memghasilkan nitrogen oksida (NO) – efisiensi 95%, 930oC
4)      Gas nitrogen oksida didinginkan tail-gas heater – menuju nitrogen dioksida (NO2)
5)      Gas yang telah didinginkan mengalir melewati kondensor, dimana sebagian dari gas dikondensasi menjadi asam lemah
6)      Gas yang tidaak terkondensasi mengalir dari bawah menara absorpsi
7)      Asam lemah dipompa menuju intermediate bubble-cap tray dalam menara absorpsi
8)      Air dingin disirkulasikan melewati bagian atas menara absorpsi
9)      Gas yang tidak terkondensasi mengalir ke atas melewati menara dan diserap oleh air, menghasilkan asam nitrat
10)  Oksida nitrat bereaksi dengan oksigen berlebih menghasilkan nitrogen dioksida yang kemudian menjadi asam nitrat
11)  Asam nitrat mengalir dari bawah menara absorpsi menuju bleacher, dimana nitrogen oksida tak terlarut
12)  Gas sisa meninggalkan menara absorpsi dipanaskan kembali melalui interaksi dengan proses gas pada tahap (4)
13)  Gas sisa panas digunakan kembali untuk memanaskan air yang masuk pada tahap (1)
14)  Produk akhir, asam nitrat, diperoleh setelah proses bleaching
Secara sederhana skema produksi asam nitrat dapat digambarkan sebagai berikut:





 
Gambar 1. Diagram alir produksi pembuatan asam nitrat secara sederhana
            Proses Tekanan Ganda
Proses dua tekanan, biaya katalisnya lebih rendah karena menggunakan kecepatan yang lebih rendah, diameter unggun katalis lebih besar dan lapisan kasa lebih tipis (hanya empat lapisan), serta beroperasi pada tekanan lebih rendah, yaitu 240 kPa, di dalam konverter. Gas dilewatkan melalui sistem pemulihan kalor dan dikompresi sampai 990 kPa untuk absorpsi dan pemutihan.
Sistem ini dapat banyak menurunkan biaya katalis sampai kira-kira $1,50 per ton metrik HNO3 100% yang dihasilkan. Kebutuhan tenaganya berkurang 2 persen, tetapi pemulihan tenaganya juga berkurang 5 persen, dan uap hasil sampingan yang dihasilkan pun lebih sedikit dibandingkan dengan sistem tekanan tunggal. Bobot katalis per satuan produksi harian untuk kedua proses itu tidak banyak berbeda.
Kedua proses itu menghasilkan produk yang kualitasnya secara efisien dan mengeluarkan gas buangan dalam batas pencemaran yang sama.
Tahap akhir dari proses pembuatan asam nitrat berlangsung dalam kolom absorpsi. Pada setiap tingkat kolom terjadi reaksi oksidasi NO menjadi NO2 dan reaksi absorpsi NO2 oleh air menjadi asam nitrat. Kolom absorpsi mempunyai empat fluks masuk dan dua fluks keluar. Empat fluks masuk yaitu air umpan absorber, udara pemutih, gas proses, dan asam lemah. Dua fluks keluar yaitu asam nitrat produk dan gas buang. Kolom absorpsi dirancang untuk menghasilkan asam nitrat dengan konsentrasi 60 % berat dan kandungan NOx gas buang tidak lebih dari 200 ppm.
Kolom absorbsi adalah suatu kolom atau tabung tempat terjadinya proses pengabsorbsi (penyerapan/penggumpalan) dari zat yang dilewatkan di kolom/tabung tersebut. Proses ini dilakukan dengan melewatkan zat yang terkontaminasi oleh komponen lain dan zat tersebut dilewatkan ke kolom ini dimana terdapat fase cair dari komponen tersebut.



Gambar 2. kolom absorber
Keterangan :
(a) input gas                             (d) hasil absorbsi
(b) gas keluaran                       (e) disperser
(c) pelarut                                (f) packed column

Struktur dalam absorber antara lain:
*      Bagian atas:
Spray untuk megubah gas input menjadi fase cair.
*      Bagian tengah:
Packed tower untuk memperluas permukaan sentuh sehingga mudah untuk diabsorbsi
*      Bagian bawah:
Input gas sebagai tempat masuknya gas ke dalam reaktor.

Aplikasi HNO3
Asam nitrat dalam aplikasinya, selain digunakan dalam pembuatan amonium nitrat ssebagai pupuk, juga digunakan dalam pembuatan nitroselulosa, untuk sintesa organik (dyes dan poliuretan), bahan pembantu dalam industri logam (steel etching, pickling), industri bahan peledak, plastik dan obat dan memisahkan campuran perak dan emas

DAFTAR PUSTAKA
Austin,  G. T., 1996, Indutri Proses Kimia, Erlangga, Jakarta

ENVE 4104 Notes, Carleton University, 2005

Environmental Protection Agency, “8.8 Nitric Acid”, [Online Document], 2005, Available: http://www.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch08/final/c08s08.pdf

Nitric Acid…

Encyclopedia of the Atmospheric Environment, “Nitrous Oxide”, [Online Document], 2005, Available: http://www.ace.mmu.ac.uk/eae/Global_Warming/Older/Nitrous_Oxide.html

Encyclopedia of the Atmospheric Environment, “Nitrogen Dioxide”, [Online Document], 2005, Available: http://www.ace.mmu.ac.uk/eae/Air_Quality/Older/Nitrogen_Dioxide.html

United States Consulate, “Pollutant Nitric Oxide Delays Flowering in Plants, Scientists Say”, [Online Document], 2005, Available: http://mumbai.usconsulate.gov/wwwhwashnews2617.html


Tidak ada komentar:

Poskan Komentar