Amoniak, Sejarah Dan Proses Pembuatan Skala Industri

Amoniak , Sejarah dan Proses Pembuatannya

Amoniak atau dikenal juga dengan rumus kimia NH3 populer akan baunya yang khas menyerupai amis kencing, namun tahukah kau ternyata untuk menjadi senyawa amoniak itu dibutuhkan proses yang sangat rumit lho, proses ini disebut juga dengan istilah "Haber-Bosch" sebab dibentuk skala industi oleh kimiawan berjulukan Haber pada tahun 1904 dengan cara mengulang percobaan kimiawan Inggris tetapi dengan memakai perlakuan yang lebih kompleks lagi (menggunakan katalis). Berikut cuplikan singkat proses pembuatan amoniak skala industri.

1. Definisi Amoniak (NH3)

Amonia ialah senyawa kimia dengan rumus NH3. Biasanya senyawa ini didapati berupa gas dengan amis tajam yang khas (disebut amis amonia). Walaupun amonia mempunyai pertolongan penting bagi keberadaan nutrisi di bumi, amonia sendiri ialah senyawa kaustik dan sanggup merusak kesehatan. Administrasi Keselamatan dan Kesehatan Pekerjaan Amerika Serikatmemberikan batas 15 menit bagi kontak dengan amonia dalam gasberkonsentrasi 35 ppm volum, atau 8 jam untuk 25 ppm volum. Kontak dengan gas amonia berkonsentrasi tinggi sanggup mengakibatkan kerusakan paru-paru dan bahkan kematian. Sekalipun amonia di AS diatur sebagai gas tak gampang terbakar, amonia masih digolongkan sebagai materi beracun kalau terhirup, dan pengangkutan amonia berjumlah lebih besar dari 3.500 galon (13,248 L) harus disertai surat izin.

Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hydrogen ditemukan oleh Fritz Haber (1908), spesialis kimia dari Jerman. Sedangkan proses industri pembuatan amonia untuk produksi secara besar-besaran ditemukan oleh Carl Bosch, seorang insinyur kimia juga dari Jerman. Persamaan termokimia reaksi sintesis amonia ialah :

N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ΔH = -92,4Kj

Pada 25oC : Kp =6,2×105

Amonia yang dipakai secara komersial dinamakan amonia anhidrat. Istilah ini memperlihatkan tidak adanya air pada materi tersebut. Karena amonia mendidih di suhu -33 °C, cairan amonia harus disimpan dalam tekanan tinggi atau temperatur amat rendah. Walaupun begitu, kalor penguapannya amat tinggi sehingga sanggup ditangani dengan tabung reaksi biasa di dalam sungkup asap.

"Amonia rumah" atau amonium hidroksida ialah larutan NH3 dalam air. Konsentrasi larutan tersebut diukur dalam satuan baumé. Produk larutan komersial amonia berkonsentrasi tinggi biasanya mempunyai konsentrasi 26 derajat baumé (sekitar 30 persen berat amonia pada 15.5 °C). Amonia yang berada di rumah biasanya mempunyai konsentrasi 5 sampai 10 persen berat amonia. Amonia umumnya bersifat basa (pKb = 4.75), namun sanggup juga bertindak sebagai asam yang amat lemah (pKa = 9.25).Dipihak lain, sebab reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur dengan Al2O3, MgO, CaO, dan K2O.

Amonia juga dipakai dalam pembuatan majemuk monomer yang mengandung nitrogen untuk industri nilon, polimer-polimer akrilat, dan busa poliutretan. Amonia juga dipakai dalam industri farmasi, macam-macam bahan organik, anorganik, detergen dan larutan pembersih, pupuk, dan materi peledak (TNT atau trinitrotoluena). Titik didih gas NH3 lebih tinggi daripada titik didih nitrogen dan hidrogen.

2. Sejarah Amoniak

Ammonia pertama kali ditemukan oleh Bangsa Romawi dalam bentuk yang kini kita sebut “garam ammonia”. Mereka menemukan senyawa ini di akrab kuil tempat mereka beribadah yang berjulukan “Kuil Jupiter Ammun”. Karena itulah meraka menyebut senyawa itu “sal ammoniacus” atau “hammoniacus sal”.Garam ammonia ini menjadi sangat penting bagi para alkimiawan muslim pada era ke-8. Kimiawan Persia, Jabir ibn Hayyan, yang pertama kali menyebutkannya. Selanjutnya, senyawa ini juga banyak dipakai oleh para Alkimiawan Eropa pada abad ke-13 dan yang pertama kali menyebutkannya ialah Albertus

Magnus. Dan pada era ke-15, Bacilius Valentinus memperlihatkan bahwa ammonia bisa didapatkan dengan memperlihatkan perlakuan alkali pada garam ammonia.

Barulah pada tahun 1774, Joseph Priestly untuk pertama kalinya memisahkan ammonia dari senyawa garamnya. Dan rumus kimianya dipastikan sehabis 11 tahun kemudian, yakni pada tahun 1785, oleh Claude-Louis Berthollet.Kimiawaan Inggris, Sir William Ramsay dan

Sydney Young, pada tahun 1884 mencoba mempelajari penguraian ammonia pada suhu sekitar 800oC. Mereka menemukan bahwa dalam setiap proses penguraian selalu tersisa sejumlah tertentu ammonia yang tidak ikut terurai. Dengan kata lain, reaksi antara ammonia dengan unsur-unsur penyusunnya (hidrogen dan nitrogen) telah mencapai keadaan setimbang.

Selanjutnya, pada tahun 1904 Fritz Haber mencoba mengulangi percobaan Kimiawan Inggris tersebut untuk memilih di titik mana kesetimbangan tercapai bila dilakukan percobaan pada suhu mendekati 1000oC. Ia mencoba beberapa pendekatan, mereaksikan hydrogen murni dengan nitrogen murni, dan memulai dengan ammonia murni serta menggunakan besi sebagai katalis. Setelah memilih titik kesetimbangannya, Haber kemudian mencoba katalis yang berbeda dan menemukan nikel bisa dipakai juga sebagai katalis (dengan efektifitas yang sama dengan besi), bahkan kalsium dan mangan bisa lebih baik lagi.

Akhirnya, pada tahun 1908, sekaitan dengan kebutuhan terhadap nitrat yang semakin meningkat sedangkan pasokan nitrat semakin berkurang, Haber menemukan proses yang murah dan efisien untuk menghasilkan ammonia dan mengubahnya menjadi nitrat. Dan pada tahun 1910, menjelang dimulainya Perang Dunia I, pasokan nitrat dari Chili ke Jerman benar-benar diputus sehingga pabrik-pabrik Jerman berusaha menerapkan teknik-teknik Haber pada skala besar. Oleh sebab itulah, Haber dianggap sangat berjasa bagi kemanusiaan. Karena kegunaannya yang sangat banyak, ammonia sampai kini terus menerus diproduksi untuk berbagai kepentingan, di antaranya pupuk pertanian, industri kain, industri karet, produksi soda abu, metalurgi, dan pembersih rumah tangga. Dan pada tahun 2004, produksi ammonia di seluruh dunia tercatat mencapai 109 juta metrik ton.

3. Proses Pembuatan Amoniak

Pada proses pembuatan Amonia (NH3) memakai proses Haber. Gas natural (metana, CH4) bereaksi dengan uap panas untuk memproduksi karbon dioksida dan gas hidrogen (H2) dalam proses dua langkah. Gas hidrogen dan gas nitrogen lantas direaksikan dalam proses Haber untuk memproduksi amonia.

N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g)

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukan NH3) ialah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC sekalipun. Dipihak lain, sebab reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur dengan Al2O3, MgO, CaO, dan K2O. Reaksi kekanan pada pembuatan amonia ialah reaksi eksoterm. Reaksi eksoterm lebih baik kalau suhu diturunkan, tetapi kalau suhu diturunkan maka reaksi berjalan sangat lambat . Amonia punya berat molekul 17.03. Amonia ditekanan atmosfer fasanya gas. Titik didih Amonia -33.35 oC, titik bekunya -77.7 oC, temperatur & tekanan kritiknya 133 oC & 1657 psi. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi dengan suhu 400-600oC, dengan tekanan 150-300 atm. Konversi reaksi 10-

40 % dengan perbandingan mol ratio N2dan H2 ialah 1:3 dengan fase reaksi gas. Kondisi optimum pembuatan amonia (NH3) sanggup digambarkan pada tabel berikut :

Faktor	Reaksi : N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ΔH= -92.22 kJ	Kondisi Optimum
Suhu	1. Reaksi bersifat eksoterm 2. Suhu rendah akan menggeser kesetimbangan kekanan. 3. Kendala:Reaksi berjalan lambat	400-600ºC
Tekanan	1. Jumlah mol pereaksi lebih besar dibandingdengan jumlah mol produk. 2. Memperbesar tekanan akan menggeser kesetimbangan ke kanan. 3. Kendala Tekanan sistem dibatasi oleh kemampuan alat dan faktor keselamatan.	150-300 atm
Konsentrasi	Pengambilan NH3 secara terus menerus akan menggeser kesetimbangan ke arah kanan	-
Katalis	Katalis tidak menggeser kesetimbangan kekanan, tetapi mempercepat laju reaksi secara keseluruhan	Fe dengan adonan Al2O3KOH dan garam lainnya.

Pengaruh katalis pada sistem kesetimbangan ialah sanggup mempercepat terjadinya reaksi kekanan atau kekiri, keadaan kesetimbangan akan tercapai lebih cepat tetapi katalis tidak mengubah jumlah kesetimbangan dari spesies-spesies yang bereaksi atau dengan kata lain katalis tidak mengubah nilai numeris dalam tetapan kesetimbangan. Peranan katalis ialah mengubah prosedur reaksi kimia semoga cepat tercapai suatu produk.

(1) Feed Treating Unit

Gas Alam yang masih mengandung kotoran (impurities), terutama senyawa belerang sebelum masuk ke Reforming Unit harus dibersihkan dahulu di unit ini, agar tidak menimbulkan keracunan pada katalisator di Reforming Unit. Untuk menghilangkan senyawa sulfur yang terkandung dalam gas alam, maka gas alam tersebut dilewatkan dalam suatu ember yang disebut Desulfurizer. Gas alam yang bebas sulfur ini selanjutnya dikirim ke Reforming Unit.Jalannya proses melalui tahapan berikut :

a. Sejumlah H2S dalam feed gas diserap di Desulfurization Sponge Iron dengan sponge iron sebagai media penyerap. Persamaan Reaksi :

Fe2O3.6H2O + H2S ⇄Fe2S3 6 H2O + 3 H2O

b. CO2 Removal Pretreatment Section

Feed Gas dari Sponge Iron dialirkan ke unit CO2 Removal Pretreatment Section Untuk memisahkan CO2 dengan memakai larutan Benfield sebagai penyerap. Unit ini terdiri atas CO2 absorber tower, stripper tower dan benfield system.

c. ZnO Desulfurizer

Seksi ini bertujuan untuk memisahkan sulfur organik yang terkandung dalam feed gas dengan cara mengubahnya terlebih dahulu mejadi Hydrogen Sulfida dan mereaksikannya dengan ZnO. Persamaan Reaksi :

H2S + ZnO ⇄ ZnS + H2O

(2) Reforming Unit

Di reforming unit gas alam yang sudah higienis dicampur dengan uap air, dipanaskan, kemudian direaksikan di Primary Reformer, hasil reaksi yang berupa gas-gas hydrogen dan carbon dioxide dikirim ke Secondary Reformer dan direaksikan dengan udara sehingga dihasilkan gas-gas sebagai berikut :

- Hidrogen

- Nitrogen

- Karbon Dioksida

Gas gas hasil reaksi ini dikirim ke Unit purifikasi dan Methanasi untuk dipisahkan gas karbon dioksidanya.

Tahap-tahap reforming unit ialah :

a. Primary Reformer

Seksi ini bertujuan untuk mengubah feed gas menjadi gas sintesa secara ekonomis melalui dapur reformer dengan tube-tube berisi katalis nikel sebagai media kontak feed gas dan steam

b. Secondary Reformer

Gas yang keluar dari primary reformer masih mengandung kadar CH4 yang cukup tinggi, yaitu 12 – 13 %, sehingga akan diubah menjadi H2 pada unit ini dengan perantaraan katalis nikel pada temperature 1002,5 oC. Persamaan Reaksi :

CH4 + H2O ⇄3 H2 + CO

Kandungan CH4 yang keluar dari Secondary reformer ini diharapkan sebesar 0.34 % mol dry basis. Karena dibutuhkan N2 untuk reaksi pembentukan Ammonia maka melalui media compressor dimasukkan udara pada unit ini. Persamaan Reaksi :

2H2 + O2 ⇄ 2H2O

CO + O2 ⇄2CO2

(3) Purifikasi & Methanasi

Karbon dioksida yang ada dalam gas hasil reaksi Reforming Unit dipisahkan dahulu di Unit Purification, Karbon Dioksida yang telah dipisahkan dikirim sebagai materi baku Pabrik Urea. Sisa karbon dioksida yang terbawa dalam gas proses, akan menimbulkan racun pada katalisator ammonia converter, oleh karena itu sebelum gas proses ini dikirim ke Unit Synloop & Refrigeration terlebih dahulu masuk ke Methanator.

Tahap-tahap proses Purification dan methanasi ialah sebagai berikut :

a. High Temperature Shift Converter (HTS)

Setelah mengalami reaksi pembentukan H2 di Primary dan Secondary Reformer maka gas proses didinginkan sampai temperature 371 oC untuk merubah CO menjadi CO2 dengan persamaan reaksi sebagai berikut :

CO + H2O ⇄ CO2 + H2

Kadar CO yang keluar dari unit ini ialah 3,5 % mol dry basis dengan temperature gas outlet 432 oC- 437 oC.

b. Low Temperature Shift Converter (LTS)

Tidak semua CO sanggup dikonversi menjadi CO2 di HTS, maka reaksi tersebut disempurnakan di LTS sehabis sebelumnya gas proses didinginkan hingga temperature 210 oC. Diharapkan kadar CO dalam gas proses ialah sebesar 0,3 % mol dry basis.

c. CO2 Removal

CO2 sanggup menjadikan degradasi di Ammonia Converter dan merupakan racun maka senyawa ini harus dipisahkan dari gas synthesa melalui unit CO2removal yang terdiri atas unit absorber, striper serta benfield system sebagai media penyerap. System absorpsi di dalam CO2 absorber ini berlangsung secara counter current, yaitu gas synthesa dari belahan bawah absorber dan larutan benfield dari bagian atasnya. Gas synthesa yang telah dipisahkan CO2-nya akan keluar dari puncak absorber, sedangkan larutan benfield yang kaya CO2 akan diregenerasi di unit CO2 stripper dan dikembalikan ke CO2 absorber. Sedangkan CO2 yang dipisahkan digunakan sebagai materi baku di pabrik urea. Adapun reaksi absorpsi yang terjadi :

K2CO3 + H2O + CO2 ⇄ 2KHCO3

d. Methanasi

Gas synthesa yang keluar dari puncak absorber masih mengandung CO2 dan CO relative kecil, yakni sekitar 0,3 % mol dry basis yang selanjutnya akan diubah menjadi methane di methanator pada temperature sekitar 316 oC.

Persamaan Reaksi :

CO + 3H2 ⇄ CH4 + H2O

CO2 + 4H2 ⇄ CH4 + 2H2O

(4) Compression Synloop & Refrigeration Unit

Gas Proses yang keluar dari Methanator dengan perbandingan gas hidrogen : nitrogen = 3 : 1, ditekan atau dimampatkan untuk mencapai tekanan yang diinginkan oleh Ammonia Converter semoga terjadi reaksi pembentukan, uap ini kemudian masuk ke Unit Refrigerasi sehingga didapatkan amonia dalam fasa cair yang selanjutnya digunakan sebagai materi baku pembuatan Urea.Tahap-tahap poses Synthesa loop dan Amonik Refrigerant ialah :

a. Synthesis Loop

Gas synthesa yang akan masuk ke kawasan ini harus memenuhi persyaratan perbandingan H2/N2 = 2,5 – 3 : 1. Gas synthesa pertama-tama akan dinaikkan tekanannya menjadi sekitar 177.5 kg/cm2 oleh syn gas compressor dan dipisahkan kandungan airnya melalui sejumlah K.O. Drum dan diumpankan ke Ammonia Converter dengan katalis promoted iron. Persamaan Reaksi :

3H2 + N2 ⇄2NH3

Kandungan Ammonia yang keluar dari Ammonia Converter ialah sebesar 12,05-17,2 % mol.

b. Ammonia Refrigerant

Ammonia cair yang dipisahkan dari gas synthesa masih mengandung sejumlah tertentu gas-gas terlarut. Gas-gas inert ini akan dipisahkan di seksi Ammonia Refrigerant yang berfungsi untuk Mem-flash ammonia cair berulang-ulang dengan cara menurunkan tekanan di setiap tingkat flash drum untuk melepaskan gas-gas terlarut, sebagai belahan yang integral dari refrigeration, chiller mengambil panas dari gas synthesa untuk mendapat pemisahan produksi ammonia dari Loop Synthesa dengan memanfaatkan tekanan dan temperature yang berbeda di setiap tingkat refrigeration.

Hasil / produk pada proses di atas ialah amonia cair yang beserta karbon dioksida dipakai sebagai materi baku pembuatan Urea.

Untuk pembuatan pupuk, terutama urea dan ZA (Zwavelzur amonium = amonium sulfat)

NH3(g) + CO2(g) CO(NH2)2(aq) + panas

NH3(g) + H2SO4 (NH4)2SO4(aq)

Pembuatan pupuk dengan cara Haber-Bosch yaitu dengan cara ammonia dibentuk dalam skala besar dari nitrogen yang diperoleh dari udara, ditambah hydrogen (sebagian besar diproduksi dari metana yang terjadi secara alami) yang menjadi adonan nitrogen dan hydgrogen bertekanan tinggi. Kemudian didaur ulang sehingga amoniak terbentuk dan dibiarkan sampai terjadi proses pengembunan sehingga terbentuk amoniak cair (NH3) yang siap dipindahkan untuk diolah menjadi pupuk. Namun sebelum amoniak diproduksi melalui proses Haber-Bosch, sumber utama senyawa nitrogen untuk industry ialah mineral yang harus ditambang dan diangkat sejauh ribuan kilometer.

- Pembuatan Amonium Phospat
- Pembuatan Nitric Acid
- Pembuatan Acrylonitril

(Sumber)