bab ii (tinjauan proses)

BAB II

TINJAUAN PROSES

II.1. TINJAUAN PUSTAKA

Sebelum abad ke-20 asam nitrat diperoleh dari reaksi antara Chile

Saltpeter (mineral yang mengandung NaNO3) dengan asam sulfat pekat. Sodium

Bisulfat diperoleh sebagai produk samping. Secara sederhana reaksinya dapat

dituliskan sebagai produk samping. Secara sederhana reaksinya dapat dituliskan

sebagai berikut:

NaNO3 + H2SO4 NaHSO4 + HNO3

Beberapa proses lainnya dikembangkan untuk menggantikan nitrogen

yang berasal dari nitrat alam dengan nitrogen dari atmosfer. Pada awal abad 20,

berkembang teknologi pembuatan asam nitrat dengan proses busur listrik yang

ditemukan oleh Birkeland dan Eyde. Proses ini, pada dasarnya merupakan

pembakaran langsung antara oksigen dan nitrogen dalam suatu busur listrik. Hasil

dari busur listrik berupa nitrogen monoksida (NO) yang selanjutnya dilarutkan

dalam air sehingga membentuk asam nitrat. Biaya operasi yang sangat mahal

serta efisiensi energi yang rendah mengakibatkan proses tersebut tidak digunakan

lagi sekarang.

Proses lainnya adalah yang disebut dengan proses “wisconsin” yang

memproduksi asam nitrat dengan bahan utama oksigen dan nitrogen yang berasal

dari udara. Prinsipnya adalah sama dengan proses busur listrik. Hanya saja,

pembakaran dilakukan dalam tungku pembakaran dengan bantuan fuel gas pada

temperatur di atas 2000 0C. Kesulitan operasi ini adalah mempertahankan

PRA PERANCANGAN PABRIK ASAM NITRAT

INSTITUT TEKNOLOGI INDONESIA RD. YOGANA D

TEKNIK KIMIA ’01 114.01.0041

TINJAUANPROSES II−2

temperatur yang sangat tinggi dalam jangka waktu yang lama. Hal ini

mengakibatkan proses ini kurang efisien dan tidak diterima secara umum.

Di samping itu, terdapat satu proses yang sangat penting dalam kemajuan

industri asam nitrat yakni proses oksidasi amonia atau lebih dikenal dengan

proses Ostwald. Oksidasi katalitik dari amonia menjadi satu-satunya proses

pembuatan asam nitrat secara komersial yang masih dilakukan sampai saat ini.

Dari segi teknis dan biaya, proses ini masih jauh lebih baik daripada proses yang

lainnya.

II.2. TINJAUAN PROSES PRODUKSI ASAM NITRAT

Reaksi pembentukan Asam Nitrat :

NH3 + 2O2 →Platinum HNO3 + H2O

Proses pembuatan asam nitrat dengan cara ini, pada tahap

perkembangannya, dapat dibagi dua tipe berdasarkan tekanan operasi yang

digunakan yaitu:

II.2.1. Single pressure process

Ciri khas dari tipe ini adalah penggunaan tekanan operasi yang

rata-rata sama pada tahap oksidasi katalitik amonia maupun pada tahap

absorpsi NO2/N2O4. Proses ini terbagi lagi menjadi beberapa tipe, yaitu:

a. Single medium (intermediate) pressure

Proses ini menggunakan alat utamanya reaktor oksidasi amonia

dan dua alat menara absorber. Kompresor udaranya dikendalikan oleh

tailgas expansion turbin dan steam turbin. Sehingga energi yang ada

dapat direcovery lagi. Asam Nitrat yang dihasilkan adalah 60%

sedangkan kadar NOx ± 500 ppm. Untuk mengurangi kadar NOx, maka

ditambahkan alat SCR Reaktor yaitu Selective Catalytic Reduction

dengan menggunakan katalis non noble metal dan amonia sebagai zat

reducing. Tekanan operasinya berkisar antara 4 - 6 bar absolut. Katalis

yang digunakan adalah platinum rhodium berbentuk gauze (kasa)

dengan masa pergantian katalis 6 bulan. Pabrik-pabrik Asam Nitrat yang



TEKNIK KIMIA ’01 114.01.0041


menggunakan proses ini diantaranya SKW Sticktoffwerke piesteritz

GmbH di Jerman dan ACE Pressureweld di Singapura.

b.Single High Pressure

Tekanan operasi berkisar antara 8 – 12 bar absolut memakai

peralatan dan pemipaan yang berukuran lebih besar dan hanya

mempunyai satu menara absorber. Asam nitrat yang dihasilkan

konsentrasinya lebih besar dari medium pressure process sekitar 67 %.

Sedangkan konsentrasi NOxnya < 200 ppm. Pergantian katalis sekitar 6

bulan sekali. Pabrik-pabrik yang menggunakan proses ini diantaranya

Radici Chimica GmbH di Jerman, Queensland Nitrates Pty Ltd di

Australia, Enaex S.A di Chile, Namhae Chemical Corporation di Korea,

Thai Nitrate Company (TNC) di Tailand.

II.2.2. Dual pressure process

Proses Dual-Pressure merupakan perpaduan dari proses

pembakaran medium-pressure dan efisiensi absorbsi yang paling baik

pada high-presssure, pada tahap oksidasi amonia (proses pembakaran)

pada tekanan rendah sebaliknya pada proses absorbsinya dilakukan pada

tekanan tinggi. Dengan kadar NOxnya < 150 ppm dan kadar NOx dapat

lebih rendah lagi kalau dipasang tailgas reaktor (selective catalytic

reduction). Konsentrasi Asam Nitrat yang dihasilkan 68 %. Tekanan

operasi pada proses pembakaran sekitar 4-6 bar absolut dan tekanan pada

proses absorbsi sekitar 10-12 bar absolut. Pergantian katalis setiap bulan

6 sekali. Adapun pabrik-pabrik yang menggunakan proses ini diantaranya

Namhae Chemical Corporation di Korea, BP Koln GmbH di Jerman, CF

Indusries Inc. di Donaldsonville USA.



TEKNIK KIMIA ’01 114.01.0041


II.3. SELEKSI PROSES

PERBANDINGAN PROSES

Deskripsi Proses Single Medium pressure

Proses Single High Pressure

Proses Dual pressure

Kapasitas (Ton/hari) < 1000 < 1000 > 1500

Tekanan (Bar absolut) 4 – 6 8 – 12 4 – 6 combustion 10 – 12 absorbsi

Kualitas (%HNO3) 60 60 & 67 68

Kadar NOX gas buang (ppm) 500 < 200 < 150

Dilihat dari perbandingan di atas maka dipilih single high pressure

disebabkan :

1. Kapasitas pabrik yang akan didirikan hanya memungkinkan digunakannya

proses ini.

2. Karena tekanan lebih besar daripada proses medium maka recovery energi

lebih besar sehingga kebutuhan utilitas yang digunakan lebih sedikit.

3. Produk yang dihasilkan memiliki kemurnian yang cukup baik.

4. Tidak memerlukan kompresor gas NOx antara tahap oksidasi amonia dan

absorbsi.

5. Ukuran alat lebih kecil daripada proses lainnya.



TEKNIK KIMIA ’01 114.01.0041


II.4. DESKRIPSI PROSES

Proses dimulai dengan penguapan amonia pada amonia vaporizer (V-101)

pada 10 atm dan 35 oC dengan menggunakan sirkulasi air hangat (warm water

loop). Steam dipakai untuk memanaskan lanjut uap amonia sampai temperatur

180 oC pada unit amonia superheater (H-101). Udara atmosfer yang telah melalui

filter dikompresi dalam 2 tahap sampai bertekanan 10 atm dan bertemperatur

270 oC. Tahap kompresi ini dilakukan dengan bantuan kompresor sentrifugal.

Udara bertekanan ini dibagi menjadi dua jalur, jalur udara pertama di sebut udara

primer adalah untuk keperluan oksidasi amonia pada reaktor. Delapan puluh

persen dari berat awal diambil untuk keperluan ini. Jalur udara yang kedua

disebut juga udara sekunder yang berguna untuk men-stripping NOx terlarut pada

produk HNO3 di bleaching column (BC-101). Udara primer dicampurkan dengan

uap amonia dengan perbandingan 8% mol amonia dalam campuran. Gas

campuran kemudian diumpankan kedalam reaktor (R-101) yang berisi katalis Pt

berbentuk gauze (kasa). Amonia teroksidasi secara cepat, dan panas yang

dihasilkan dari reaksi menaikkan temperatur gas reaksi menjadi 700 oC. Konversi

amonia menjadi NO mencapai 95%,sedangkan sisa amonia bereaksi dengan O2

membentuk N2.

Gas reaksi yang keluar reaktor diturunkan temperaturnya melalui

serangkaian alat penukar panas. Pertama, steam superheater (SS-101)

menurunkan suhu gas reaksi menjadi 650 oC. Kedua, Waste Heat Boiler (WHB-

101) menurunkan suhu gas reaksi menjadi 591 oC, sementara itu, boiler feed

water bersuhu 80 oC dipanaskan sampai membentuk saturated steam pada

260 oC. Untuk memperkecil kehilangan atau kerugian katalis, maka setelah Waste

Heat Boiler dipasang Platinum Filter (PF). Setelah itu gas reaksi kembali

didinginkan melalui Tail Gas Preheater (TGP-101), dimana suhu gas reaksi turun

menjadi 245,416 oC, sedangkan gas buang mengalami kenaikan temperatur dari

43,356 oC menjadi 450 oC. Gas reaksi lebih lanjut didinginkan pada kondensor

(KD-101) pada suhu 63,087 oC. Pendinginan dari 245,416 oC menjadi 63,087 oC

mengakibatkan uap air yang terkandung dalam gas reaksi mengembun dan segera

bereaksi dengan NO2/N2O4 yang ada. Hal ini mengakibatkan terbentuknya HNO3



TEKNIK KIMIA ’01 114.01.0041


berkadar 40% (weak acid) pada alat kondensor. Weak acid dialirkan menuju

absorber, sedangkan gas reaksi yang tidak mengembun masuk ke unit oksidasi

(UO-101). Pada kolom oksidasi, gas reaksi bercampur dengan udara sekunder

yang telah dipakai untuk melucuti NOx dari produk HNO3 (udara sekunder yang

keluar dari Bleaching Column dinamakan udara bleaching). Reaksi oksidasi NO

menjadi NO2 meningkat pada kolom oksidasi karna ada tambahan O2 dari udara

bleaching. Temperatur reaksinya mencapai 63 oC. Gas reaksi kemudian masuk

cooler untuk didinginkan lebih lanjut dengan bantuan air yang bersirkulasi antara

unit amonia vaporizer dan unit cooler. Hampir seluruh NO yang ada pada

mulanya teroksidasi menjadi NO2 dan sebagian NO2 membentuk N2O4 selama

perjalanan dari unit reaktor sampai cooler. Gas reaksi selanjutnya masuk kolom

absorber (AB-101) bagian bawah pada suhu 62,880 oC

Di dalam kolom absorber bertipe Random Packed Tower, air

demineralisasi (disebut pula sebagai make up water) ditambahkan pada paling

atas pada suhu 30 oC,sedangkan asam lemah (weak acid) dari kondensor

dimasukkan pada bagian tengah absorber. Gas reaksi yang mengandung

NO2/N2O4 mengalami kontak dengan H2O secara counter-courrent. Sementara

itu,terjadi peristiwa absorpsi NO2/N2O4 kedalam air yang diikuti dengan

pembentukan asam nitrat. Gas NO yang dihasilkan selama absorpsi, dioksidasi

kembali menjadi NO2. Semua reaksi oksidasi dan absorpsi menghasilkan panas.

Oleh karenanya, untuk menambah efisiensi absorpsi/reaksi diperlukan

pendinginan. Pendinginan kolom absorpsi digunakan air pendingin dengan suhu

30 oC. Gas buang yang masih mengandung kadar NOx dalam jumlah yang sangat

kecil keluar dari puncak kolom pada 40 oC dan jenuh dengan uap air. Gas buang

kemudian dialirkan ke arah yang berlawanan dari sistem gas reaksi melalui

serangkaian alat penukar panas. Produk HNO3 pada bagian bawah kolom

absorber bercampur dengan NOx terlarut (disebut sebagai red produk acid),

terutama spesies NO2/N2O4 yang menimbulkan warna merah pada produk. Red

Produk Acid (RPA) keluar dari absorber pada suhu 40 oC.

Spesies N2O4 yang terlarut dalam red product acid di-stripping oleh udara

sekunder dalam bleaching column (BC-101) yang berupa packed tower. Udara

sekunder yang keluar pada kolom atas disebut sebagai udara bleaching, dialirkan



TEKNIK KIMIA ’01 114.01.0041


ke unit oksidasi, sedangkan produk HNO3 bebas N2O4 terlarut, yang berwarna

jernih, keluar pada bagian bawah bleaching coloumn pada 55oC.

Gas buang yang keluar dari absorber dinaikkan temperaturnya secara

bertahap melalui beberapa alat penukar panas. Pertukaran panas yang terjadi

berturut-turut dilakukan dengan udara sekunder pada unit Tail Gas Warmer

(TGW-101) sampai suhu gas buang naik menjadi 43,356 oC. Temperatur udara

sekunder sendiri turun dari 270 oC menjadi 256,901 oC. Gas buang dipanaskan

lagi dalam Tail Gas Preheater sampai suhunya mencapai 450 oC. Sebuah turbin

ekspansi (TGE) dipasang untuk merecovery energi yang diperlukan untuk

menggerakkan kompresor. Gas buang hasil ekspansi bersuhu 100 oC dan

bertekanan 1,5 atm mengalir ke economizer (ECO) dan memberikan sejumlah

panas awal kepada air demineralisasi tekanan tinggi yang akan digunakan sebagai

boiler feed water. Gas buang (tail gas) pada akhirnya dibuang ke udara melalui

stack pada suhu 100 oC

bab ii (tinjauan proses)

Documents