Tugas Akhir M3 1u6w8

Tugas Akhir M3 : Modul Kimia 3

Buatlah ringkasan proses produksi bahan kimia yang melibatkan reaksi kesetimbangan termasuk metode optimasi yang dilakukan, antara lain: industri pembuatan asam sulfat, asam nitrat, ammoniak, urea, syn-gas, kapur (CaCO3) dan etanol dari reaksi etena dengan air.

1.

Pembuatan asam sulfat Asam sulfat merupakan salah satu bahan kimia yang banyak di gunakan baik di labolatorium maupun Industri. Penggunaan utama asam sulfat di industry adalah sebagai bahan baku pembuatan pupuk, di antaranya pupuk superfosfat dan ammonium sulfat. Asam sulfat juga di gunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan asam klorida, asam nitrat, garam sulfat, detergen, zat pewarna, bom, dan obat-obatan. Bahan baku utama pembuatan asam sulfat adalah belarang trioksida (SO3). SO3 sendiri di hasilkan dari reaksi antara belerang dioksida dan oksigen. Metode pembuatan asam sulfat dengan cara ini di namakan proses kontak yang terdiri atas 3 tahap, yaitu pembuatan SO2, pembuatan SO3, dan pembuatan H2SO4 (asam sulfat). Untuk mempercepat reaksi, di gunakan katalisator vanadium pentaoksida (V2O5). Tahap 1 : Oksidasi S S (s) + O2 (g) ↔ SO2 (g) ΔH = -297 kJ Tahap 2 : oksidasi SO2 2SO2 (g) + O2 (g) ↔ 2SO3 (g) ΔH = -190 kJ Untuk memperoleh keuntungan optimal, SO3 yang di hasilkan harus optimal juga sehingga perlu di cari kondisi yang optimum agar reaksi berlangsung ke kanan. Bagaimana caranya ? setelah mencapai kesetimbangan, tekanan di perbesar dan suhu reaksi di turunkan.

Tahap 3 : pembentukan H2SO4 Pada tahap terakhir ini, belerang trioksida di reaksikan dengan asam sulfat pekat menghasilkan asam pirosulfat.

SO3 (g) + H2SO4 (aq) ↔ H2S2O7 (l) Asam sulfat di peroleh kembali dengan cara mereaksikan asam pirosulfat dengan air. Kadar asam sulfat yang di hasilkan sekitar 98%. H2S2O7 (l) + H2O (l) ↔ 2H2SO4 (aq)

2.

Pembuatan asam nitrat Asam nitrat di gunakan dalam pembuatan pupuk amonium nitrat, bahan peledak seperti nitrogliserin dan trinitrotoluene (TNT), Industri zat warna, dan metalurgi. Asam Nitrat dapat di buat dengan cara mereaksikan NO2 dan air. Metode yang biasa di gunakan adalah proses Ostwald yang terdiri atas tiga tahap reaksi. Tahap-tahap reaksi ersebut merupakan reaksi kesetimbangan. Tahap 1: oksidasi ammonia Biasanya, proses pembuatan asam nitrat satu paket dengan pembuatan ammonia karena sebagian ammonia yang di hasilkan di oksidasi untuk menghasilkan gas nitrogen monoksida. Pada reaski ini, suhu reaksi sekitar 900oC dan di gunakan katalis platina dan rhenium. 4NH3 (g) + 5O2 (g) ↔ 4NO (g) + 6H2O (l) ΔH = -907 kJ Untuk menghasilkan hasil optimum, suhu reaksi di turunkan dan tekanan di perbesar. Tahap 2: oksidasi gas NO Gas NO yang terbentuk selanjutnya di campukan dengan udara agar dapat bereaksi dengan oksigen.

2NO (g) + O2 (g) ↔ 2NO2 (g) ΔH = -114 kJ Untuk menghasilkan gas NO optimum, duhu reaksi di tutunkan dan tekanan di perbesar. Tahap 3: pembentukan HNO3 Pada tahap akhir ini, gas NO2 di reaksikan dengan air menghasilkan asam nitrat dan gas NO. 3NO2 (g) + H2O (l) ↔ 2HNO3 (aq) + NO (g)

3.

Pembuatan ammoniak Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hydrogen ditemukan oleh Fritz Haber (1908), seorang ahli kimia dari Jerman. Nitrogen sangat di perlukan untuk kelangsungan hidup makhluk hidup. Sebelum perang dunia 1, dunia kekurangan senyawa nitrogen. Setelah itu, sumber nitrogen dapat di produksi secara besar-besaran melalui sintesis amonia. Fritz haber merupakan ilmuwan yang paling berjasa dalam industry ammonia tersebut. Dia menerapkan azas Le Chatelier untuk merancang Industri ammonia yang di kenal dengan proses Haber. Ammonia di buat dengan cara mereaksikan nitrogen dan oksigen. Reaksi tersebut menerapkan prinsip kesetimbangan. Pada proses haber, bahan bakunya berasal dari gas alam, air, dan udara. Gas hirogen di peroleh dari reaksi gas alam (mengandung metana) dengan uap air, sedangkan gas nitrogen di peroleh dari udara. CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 Gas CO yang terbentuk di reaksikan lagi dengan uap air sehingga menghasilkan gas H2 dan gas CO2. CO + H2O ↔ CO2 + H2 Gas H2 di gunakan untuk membuat ammonia, sedangkan gas CO2 yang di hasilkan di gunakan untuk memproduksi urea CO(NH2)2. Reaksi nitrogen dan hydrogen di lakukan pada suhu 450oC di bantu oleh katalis (besi oksida) dengan reaksi kesetimbangan sebagai berikut.

Kondisi Optimum Pembuatan NH3 Reaksi : N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H= -924 kJ 

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 dibanding dengan jumlah mol produk. 2. Memperbesar tekanan akan menggeser kesetimbangan kekanan. 3. Kendala Tekanan sistem dibatasi oleh kemampuan alat dan faktor keselamatan pada 150-300 atm



Konsentrasi Pengambilan NH3 secara terus menerus akan menggeser kesetimbangan kearah kanan



Katalis Katalis tidak menggeser kesetimbangan kekanan, tetapi mempercepat laju reaksi secara keseluruhan Agar hasil produksi optimal, reaksi harus bergeser ke kanan. Oleh karena itu,

tekanan yang di gunakan dalam proses tersebut sangat tinggi sekitar 300-400 atm. Jika tekanan di perbesar, reaksi akan bergeser ke arah jumlah mol yang lebih kecil (NH3 / amonia). Selain itu, suhu reaksi di turunkan sehingga reaksi bergeser ke kanan. Cara lainnya dengan mengambil produk yang terbentuk sehingga konsentrasi NH3 berkurang. Pengurangan konsentrasi NH3 akan menggeser kesetimbangan ke arah kanan. Selin itu, untuk menghasilkan produk yang lebih optimal, pada proses pembuatan ammonia di tambahkan katalis. Katalis tersebut berfungsi untuk mempercepat terjadinya reaksi atau memepercepat laju reaksi. Katalis yang biasa di gunakan adalah Fe dengan campuran Al2O3 dan KOH. Di dunia, 50% ammonia yang di produksi di gunakan untuk pupuk. Sisanya di gunakan untuk meperoduksi granul garam NH4NO3, (NH4)2SO4, dan (NH4)3PO4, asam nitrit, dan senyawa nitrogen lainnya.

4.

Pembuatan urea Proses pembuatan Urea dibuat dengan bahan baku gas CO2 dan liquid NH3 yang disupply dari Pabrik Amonia. Proses pembuatan Urea tersebut dibagi menjadi 6 unit, yaitu :

1. Sintesa Unit Unit ini merupakan bagian terpenting dari pabrik Urea, untuk mensintesa dengan mereaksikan Liquid NH3 dan gas CO2 didalam Urea Reaktor dan kedalam reaktor ini dimasukkan juga larutan Recycle karbamat yang berasal dari bagian Recovery. Tekanan operasi disintesa adalah 175 Kg/Cm2 G. Hasil Sintesa Urea dikirim ke bagian Purifikasi untuk dipisahkan Ammonium Karbamat dan kelebihan amonianya setelah dilakukan Stripping oleh CO2. 2. Purifikasi Unit Amonium Karbamat yang tidak terkonversi dan kelebihan Ammonia di Unit Sintesa diuraikan dan dipisahkan dengan cara penurunan tekanan dan pemanasan dengan 2 step penurunan tekanan, yaitu pada 17 Kg/Cm2 G. dan 22,2 Kg/Cm2 G. Hasil peruraian berupa gas CO2 dan NH3 dikirim kebagian recovery, sedangkan larutan Ureanya dikirim ke bagian Kristaliser. 3. Kristaliser Unit Larutan Urea dari unit Purifikasi dikristalkan di bagian ini secara vacum, kemudian kristal Ureanya dipisahkan di Centrifuge. Panas yang di perlukan untuk menguapkan air diambil dari panas Sensibel Larutan Urea, maupun panas kristalisasi Urea dan panas yang diambil dari sirkulasi Urea Slurry ke HP Absorber dari Recovery. 4. Prilling Unit Kristal Urea keluaran Centrifuge dikeringkan sampai menjadi 99,8 % berat dengan udara panas, kemudian dikirimkan kebagian atas prilling tower untuk dilelehkan dan didistribusikan merata ke distributor, dan dari distributor dijatuhkan kebawah sambil didinginkan oleh udara dari bawah dan menghasilkan produk Urea butiran (prill). Produk Urea dikirim ke Bulk Storage dengan Belt Conveyor. 5. Recovery Unit Gas Ammonia dan Gas CO2 yang dipisahkan dibagian Purifikasi diambil kembali dengan 2 Step absorbasi dengan menggunakan Mother Liquor sebagai absorben, kemudian direcycle kembali ke bagian Sintesa. 6. Proses Kondensat Treatment Unit Uap air yang menguap dan terpisahkan dibagian Kristalliser didinginkan dan dikondensasikan. Sejumlah kecil Urea, NH3 dan CO2 ikut kondensat kemudian diolah dan dipisahkan di Stripper dan Hydroliser. Gas CO2 dan gas NH3 nya dikirim kembali ke bagian purifikasi untuk direcover. Sedang air kondensatnya dikirim ke Utilitas.

5.

Pembuatan syn-gas Gas sintesis (synthetic gas / syngas) merupakan gas yang diperoleh dari suatu proses, misalnya dari proses penyulingan minyak bumi atau dari proses gasifikasi batubara. Gas sintesis yang diperoleh merupakan bahan antara atau intermediate material pada pembuatan ammonia dan karbondioksida merupakan hasil sampingnya yang digunakan dalam proses pembutan pupuk. Gas sintesis terdiri dari beberapa senyawa kimia, yakni Hidrogen (H2) 56,4%, Nitrogen (N2) 33,1%, Metana (CH4) 7,1%, Uap air (H2O) 1,7%, Karbon monoksida (CO) 1,3% dan Karbon dioksida (CO2) 0,4%. Pembuatan gas sintesis dapat juga berasal dari gas alam. Pembuatan gas sintetik Proses pembuatan gas sintesis terdiri dari: proses steam reforming, oksidasi parsial, CO2 reforming, dan autothermal reforming. Yang akan dibahas adalah Proses Steam reforming Gas alam sekarang menjadi bahan baku dominan dengan steam reforming sebagai metode dasar yang digunakan industri dalam pembuatan gas sintesis (dan hidrogen). Steam reforming merupakan reaksi endotermis antara gas alam (metana) dengan steam menghasilkan hidrogen dan karbon monoksida, yang disebut juga gas sintesis (syngas). CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2

H298= +206 kJ.mol-1

Secara tipikal, reaksi ini berlangsung pada suhu antara 700 dan 850C, tekanan antara 3 dan 25 bar, dan menggunakan katalis berbasis Ni. Karena steam reforming gas alam memiliki rasio H2/CO tinggi (stoikhiometri H2/CO = 3), maka reaksi ini bisa dikatakan ideal untuk mendapatkan aliran gas hidrogen dengan kemurnian tinggi dari produk syngas. Steam reforming, yaitu reaksi antara gas alam (metana) dengan steam yang bersifat sangat endotermis (206 kJ/mol), menghasilkan karbon monoksida (CO) dan hydrogen atau sebutan lain water gas (H2). CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2

H298= +206 kJ.mol-1

(2-1)

Selanjutnya, dalam meningkatkan konsentrasi H2 dalam campuran produk, steam ditambahkan sehingga terjadi reaksi water gas shift/WGS (2) (en.wikipedia.org). Dalam industri, penyesuaian rasio H2/CO berdasarkan reaksi WGS. CO + H2O ⇄ CO2+ H2

H298= -41 kJmol-1

(2-2)

Kelemahan reaksi steam reforming ini, ialah adanya penggabungan reaksi WGS sebagai penyesuaian rasio H2/CO akan menambah banyak biaya dan proses keseluruhan menjadi lebih mahal. Selain itu, agar konversi metana lebih besar membutuhkan lebih banyak panas/energi. Panas/energi yang tersedia berasal dari pembakaran feedstock gas alam yang baru masuk ( 25%) atau dari pembakaran gas buang (purge gas) (Barelli et al., 2008; Ogden, 1999)(dalam Fidalgo & Menéndez, 2013). Oleh karena itu, terdapat pengurangan jumlah CO2 yang besar, antara 0,35 hingga 0,42 m3 CO2 per m3 H2 terproduksi, disebabkan oleh baik reaksi maupun kebutuhan panas/energi (Muradov, 1998)(dalam Fidalgo & Menéndez, 2013). Feed yang berupa gas alam akan melalui feed pre-treatment yang berupa penghilangan debu dan partikel berat lainnya, penghilangan sulfur, dan penghilangan merkuri. Lalu masuk ke tahap steam reforming, dimana pada tahap ini dibagi menjadi 2 yaitu primary reforming dan secondary reforming. Setelah mengalami proses reforming, konsentrasi H2 akan ditingkatkan dalam CO- shift conversion namun hasil samping dari CO- shift conversion ini adalah CO2 sehingga harus dihilangkan melalui adsorpsi.

6.

Pembuatan kapur (CaCO3) Tapi apa ya hubungan antara tungku-tungku raksasa tersebut dengan batu kapur? Mungkin sebagian dari kita pernah mendengar bahan kimia dengan nama kalsium karbonat dengan rumus kimia CaCO3. Nah di tungku-tungku itulah terjadi salah satu proses pembuatan kalsium karbonat secara komersil atau skala industri. Batu kapur memang merupakan sumber utama kalsium karbonat. Di pasaran, kalsium karbonat dijual dalam dua jenis yang berbeda.Yang membedakan kedua jenis produk tersebut terletak pada tingkat kemurnian produk kalsium karbonat di dalamnya. Kedua jenis produk kalsium karbonat atau CaCO3 yang dimaksud adalah heavy and light types. Kalsium karbonat heavy type diproduksi dengan cara menghancurkan batu kapur hasil penambangan menjadi powder halus, lalu disaring sampai diperoleh ukuran powder yang diinginkan. Selanjutnya tepung kalsium karbonat hasil penyaringan disimpan dalam silo-silo atau tempat penyimpanan yang berukuran besar sebelum dikemas. Sedangkan kalsium karbonat light type diperoleh setelah melalui proses produksi yang agak rumit, dibandingkan dengan heavy type. Pertama-tama batu kapur dibakar

dalam tungku berukuran raksasa, untuk mengubah CaCO3 menjadi CaO (oksida kalsium) dan gas karbon dioksida atau CO2. CaCO3

CaO + CO2

Proses selanjutnya, CaO yang terbentuk kemudian dicampur dengan air dan diaduk. Maka terbentuklah senyawa kalsium hidroksida atau Ca(OH)2. Kalsium hidroksida yang telah terbentuk kemudian disaring untuk memisahkan senyawa-senyawa pengotor. CaO + H2O

Ca(OH)2

Ca(OH)2 yang telah disaring kemudian direaksikan dengan CO2 untuk membentuk CaCO3 dan air, seperti ditunjukkan oleh persamaan reaksi berikut: Ca(OH)2 + CO2

CaCO3 + H2O

Endapan CaCO3 hasil reaksi di atas kemudian di saring dan dikeringkan. Selanjutnya Kalsium hidroksida dihaluskan menjadi powder CaCO3.

7.

Pembuatan etanol dari reaksi etana dengan air Pada dasarnya ada 2 macam cara pembuatan etanol, yaitu: 1. Secara sintesis, dilakukan dengan menggunakan reaksi elementer ( hidrasi katalitik etana), untuk mengubah bahan baku menjadi etanol. 2. Secara fermentasi, dilakukan dengan bantuan aktifitas mikroorganisme.

Namun yang akan dijelaskan disini adalah pembuatan etanol adalah secara sintesis, dilakukan dengan menggunakan reaksi elementer ( hidrasi katalitik etana), untuk mengubah bahan baku menjadi etanol. Etanol diproduksi oleh hidrasi katalitik langsung etena dengan adanya uap, menggunakan asam fosfat teradsorpsi pada permukaan padat (silika) sebagai katalis dalam fix bed reactor. Reaksi ini reversibel dan eksotermik:

Dari persamaan kesetimbangan, dapat dilihat bahwa konversi bahan baku untuk ethanol disukai oleh suhu rendah, tekanan tinggi dan konsentrasi uap tinggi. Untuk mencapai laju reaksi diterima, suhu 500 K digunakan dengan adanya katalis.

Meningkatkan tekanan mendorong reaksi ke sisi produk, tetapi juga menyebabkan polimerisasi etena. Tekanan yang lebih tinggi juga berarti peningkatan biaya modal dan operasional. Dalam prakteknya, proses ini umumnya dioperasikan di bawah tekanan 60-70 atm.

Gambar 2.Pemurnian etanol dengan destilasi, kotoran yang mudah menguap misalnya etoksi etana dihilangkan dalam kolom 1 dan 2, campuran azeotrop (alkohol 95 %) diproduksi di kolom 3, pengotor dengan titik didih tinggi lainya, misalnya butanol di keluarkan dari destilasi fraksional (Gb.Sasol) Konversi etena lebih tinggi dapat diperoleh dengan menggunakan air berlebih (steam). Tapi pada tekanan tinggi katalis mengambil air, aktivitas turun dan larut. Rasio mol air: etena sekitar 0,6: 1 yang biasa digunakan. Perawatan teratur dilaksanakan untuk meminimalkan emisi etanol dari pabrik, bersama-sama dengan sejumlah kecil oleh-produk yang dihasilkan, terutama etanal (asetaldehida) dan dietil eter. Pekerjaan yang cukup sedang dilakukan untuk meningkatkan katalis sehingga suhu tungku dapat dikurangi. Ini berarti bahwa lebih sedikit bahan bakar akan digunakan untuk memanaskan tungku, dan posisi kesetimbangan akan ‘bergeser’ untuk mendukung produk. Dengan kondisi di atas, konversi sekitar 5% per lulus diperoleh. Untuk mendapatkan hasil 95% tercapai, eten yang tidak bereaksi dipisahkan dari produk cair dan daur ulang. Produk tersebut mengandung proporsi yang tinggi air dan suling untuk menghasilkan 95% (b / b) larutan etanol. Produksi etanol murni Distilasi Distilasi lanjut dari larutan 95% etanol dalam air tidak meningkatkan kemurnian, tetapi akan menghasilkan azeotrop (campuran dengan titik didih konstan). Hal ini dapat diatasi dengan menambahkan senyawa ketiga (misalnya benzena) yang ‘memecah’

azeotrop tetapi cara ini memerlukan distilasi lagi dan lebih banyak membutuhkan energi. Tekanan ayunan adsorpsi Sebuah saringan molekul zeolit sedang semakin digunakan untuk menghilangkan air untuk memproduksi etanol murni dengan proses yang dikenal sebagai tekanan ayunan absorpsi. Campuran etanol dan air dilewatkan melalui kolom yang berisi pelet dari saringan molekul 3 A (yaitu pori-pori memiliki diameter 3 angstrom,3×10-10 m atau 0,3 nm)

Gambar 3 Pemurnian etanol dengan adsorpsi tekanan ayunan menggunakan zeolit. Meskipun kedua etanol dan air bersifat polar, hanya molekul air (diameter 0,28 nm) mampu melewati pori-pori dengan diameter molekul etanol terlalu besar (0,44 nm). Sehingga molekul air masuk melalui pori-pori dan terjebak di kandang zeolit. Etanol melewati kolom dan dikumpulkan. Dalam satu metode, yang biasanya digunakan, campuran etanol-air dilewatkan melalui kolom dalam fase gas pada sekitar 420 K, di bawah tekanan (4 atm) (Gambar 3 dan 4). Uap air melewati pori-pori dan diserap sebagai cairan dan di perangkap.

Gambar 4. Pemurnian etanol dengan menggunakan saringan molekuler. bagian dasar saringan diisi dengan zeolit. Etanol telah dihasilkan dari biomassa (Gandum). (Foto : Ensus) Istilah ‘ayunan’ digunakan karena dua kolom digunakan secara paralel. Pada Gambar 3 kolom tangan kiri sedang digunakan untuk mengeringkan etanol sementara yang lain, tangan kanan satunya sedang digunakan untuk memperbaiki zeolit. Dalam metode kedua, solusi cair dari etanol dan air dilewatkan melalui kolom zeolit dan etanol murni dikumpulkan. Setelah beberapa jam, bed dikeringkan dan dipanaskan sampai lebih dari 500 K menggunakan aliran dipanaskan nitrogen. Air dikeluarkan. Teknik ini disebut thermal (atau suhu) ayunan adsorpsi.