Pembuatan Amonia dengan Proses Haber Bosch

Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hydrogen ditemukan oleh Fritz Haber (1908), seorang ahli 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 adalah :

N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H = -92,4Kj Pada 25oC : Kp = 6,2×105

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukanNH3) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC sekalipun. Dipihak lain, karena 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 adalah reaksi eksoterm. Reaksi eksoterm lebih baik jika suhu diturunkan, tetapi jika 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. Entalpi pembentukan (∆H), kkal/mol NH3(g) pada 0oC, -9,368; 25 oC, -11,04. Pada proses sintesis pd suhu 700-1000oF, akan dilepaskan panas sebesar 13 kkal/mol. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi dengan suhu 400- 600oC, dengan tekanan 150-300 atm. Kondisi optimum pembuatan amonia (NH3) dapat digambarkan pada tabel berikut :

Tabel : Kondisi Optimum Pembuatan NH3

No FaktorReaksi : N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H= -924 kJ Kondisi Optimum

1. Suhu1. Reaksi bersifat eksoterm

2. Suhu rendah akan menggeser kesetimbangan kekanan.

3. Kendala:Reaksi berjalan lambat

400-600oC

2. Tekanan1. Jumlah mol pereaksi lebih besar dibanding dengan jumlah mol produk.

2. Memperbesar tekanan akan menggeser kesetimbangan kekanan.

3. Kendala Tekanan sistem dibatasi

150-300 atm

oleh kemampuan alat dan faktor keselamatan.

3. KonsentrasiPengambilan NH3 secara terus menerus akan menggeser kesetimbangan kearah kanan

_

4. KatalisKatalis tidak menggeser kesetimbangan kekanan, tetapi mempercepat laju reaksi secara keseluruhan

Fe dengan campuran Al2O3 KOH dan garam lainnya

Pengaruh katalis pada sistem kesetimbangan adalah dapat 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 adalah mengubah mekanisme reaksi kimia agar cepat tercapai suatu produk.

Katalis yang dipergunakan untuk mempercepat reaksi memberikan mekanisme suatu reaksi yang lebih rendah dibandingkan reaksi yang tanpa katalis. Dengan energi aktivasi lebih rendah menyebabkan maka lebih banyak partikel yang memiliki energi kinetik yang cukup untuk mengatasi halangan energi aktivasi sehingga jumlah tumbukan efektif akan bertambah sehingga laju meningkat. Perbandingan reaksi dengan katalis dan tanpa katalis dapat dilihat pada gambar dihalaman berikut:

Gambar 1 : Perbandingan mekanisme reaksi menggunakan katalis dan tanpa katalis

Dengan kemajuan teknologi sekarang digunakan tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan. Mula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang diinginkan. Kemudian campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan yang bersama katalisator sehingga terbentuk amonia. Diagram alur dari proses Haber-bosch untuk sintesis amonia

diberikan pada Gambar 1 berikut ini :

A notional flow-sheet for the cyanamide process.

The first step in the process is to make lime from limestone:CaCO3 + heat → CaO + CO2

this is then heated with Coal in an an anoxic environment to make Calcium Carbide:CaO + 3C + heat → CaC2 + COThe actual nitrogen fixing comes from reacting Calcium Carbide with pure Nitrogen, thus for this process to be industrially practical it required the Linde process of fractionation of liquid air. The reaction takes place at 2atm or ~0.2MPa, heated by through the Ohmic heating of a Carbon rod:CaC2 + N2 → CaCN2 + CFinally in the quest to make Ammonia, the Calcium Cyanamide is mixed with water and NaOH (as a catalyst) for hydrolysis:CaCN2 + H2O → 2NH3 + CaCO3

The Calcium Carbonate can easily be separated as it is a solid, and the Ammonia can be distilled, allowing the NaOH to be recycled back for more hydrolysis.

Contrast this with the Haber-Bosch process for making Ammonia, which at the time required the same costly liquid air seperator as well as an electrolytic seperator for producing hydrogen and higher pressure catalytic reactor:

A notional flow-sheet for an early Haber-Bosh process.

By simply glaring at it one sees that, as a way of making Ammonia, the Haber-Bosh process is by far simpler. Since it doesn’t require multiple furnaces and the intermediary steps of producing Cyanamide its operating costs should be lower (assuming one has an efficient electrolysis system for hydrogen). Of course the Ammonia reactor requires an expensive catalyst and recycle system since a single pass is not particularly efficient.