Sintesa Amonia dengan Katalis Logam Fe

TUGASDiajukan untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Teknik Reaktor yang

diberikan oleh Ir. H. Mukhtar Ghozali, MSc.

Oleh Wynne Raphaela

NIM 131424027

Kelas 3A – Teknik Kimia Produksi Bersih

PROGRAM STUDI D-IV TEKNIK KIMIA PRODUKSI BERSIHDEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG2015

Proses Pembuatan Amonia (NH3) menurut Proses Haber–Bosch dengan Katalis Logam Fe

Produksi Amonia Secara Modern

Proses pembuatan amonia secara modern yang paling terkenal adalah proser Haber-Bosch. Tipe

produksi ini mengkonversi gas alam atau LPG yang mengandung senyawa propana, butan, atau

yang lain menjadi gas hidrogen.  Hidrogen yang diproduksi dari hidrokarbon tersebut kemudian

direaksikan dengan nitrogen untuk menghasilkan amonia. Reaksi keseluruhan adalah, sebagai

berikut:

Fe

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

6,2×105

Berikut tahapan beserta reaksi yang terjadi pada proses Haber-Bosch

1.  Tahapan pertama dalam proses Haber-Bosch menghilangkan senyawa belerang dari bahan

baku ammonia. Belerang perlu dipisahkan karena bersifat antikatalis pada tahpan berikutnya.

Penghapusan belerang dilakukan degan hidrogenasi (menambahkan hidrogen) sehingga

menghasilkan asam sulfida.

H2 + RSH → RH + H2S

2. Asam sulfida yang terjadi kemudian diserap dan dihilangkan dengan mengalirkannya melalui

oksida dari logam seng sehingga terbentuk senyawa Seng Sulfida (ZnS) dan uap air.

H2S + ZnO → ZnS + H2O

3. Setelah dihilangkan kandungan belerangnya senyawa karbon kemudian direaksikan dengan

katalis untuk menghasilkan senyawa karbon dioksidan dan gas hidrogen.

CH4 + H2O → CO + 3H2

4. Langkah berikutnya adalah mengkonversi CO menjadi hidrogen (dihasilkan hidrogen lebih

banyak) dan gas sisa karbondioksida

CO + H2O → CO2 + H2

5. Karbon Dioksida kemudian dipisahkan dengan penyerapan dalam larutan etanolamin atau

dengan penyerapan media absorbsi pada lainnya.

6. Langkah terakhir dalam memproduksi hidrogen adalah menggunakan katalis methanation

untuk menghilangkan residu karbon monoksida dan karbondioksida yang masih tertinggal dalam

hidrogen.

7. Untuk dapat menghasilkan amonia sebagai produk akhir, hidrogen yang sudah dihasilkan

kemudian direaksikan dengan nitrogen yang berasal dari udara bebas menghasilkan amonia cair.

Tahapan ini dikenal dengan loop sintesis amonia yang juga dikenal dengan proses Haber-Bosch.

3H2 + N2 ↔ 2NH3

Gambar 1. Tahapan pembuatan ammonia dengan proses Haber-Bosch

Reaksi di atas bersifat reversibel sehingga berdasarkan prinsip Le Chatelier, kondisi tekan tinggi

dan tempertur rendah diperlukan untuk mengarahkan reaksi agar bergerak ke kanan (arah hasil

amonia). pada temperatur rendah sebenarnya dapat menghasilkan persentase pembentukan NH3

yang tinggi tetapi reaksi tersebut berlangsung sangat lambat untuk dapat mencapai

kesetimbangan. Oleh karena itu dalam proses pemubatan aminia diperlukan adanya katalis. Pada

praktiknya, kondisi yang digunakan dalam proses Haber-Bosch adalah pada tekanan 200 atm dan

temperatur 380 – 460 º C dengan menggunakan katalis ion besi.

Tabel 1 : Kondisi Optimum Pembuatan NH3

No Faktor Reaksi : N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g)

∆H= -924 kJ

Kondisi Optimum

1. Suhu 1. Reaksi bersifat eksoterm

2. Suhu rendah akan menggeser

kesetimbangan kekanan.

3. Kendala:Reaksi berjalan lambat

400-600oC

2. 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.

150-300 atm

3. Konsentrasi Pengambilan NH3 secara terus

menerus akan menggeser

kesetimbangan kearah kanan

_

4. Katalis Katalis tidak menggeser

kesetimbangan kekanan, tetapi

mempercepat laju reaksi secara

Fe dengan

campuran Al2O3

KOH dan garam

keseluruhan 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.

Kegunaan amonia, antara lain:

Membuat pupuk, seperti urea (CO(NH2)2) dan ZA (NH4)2SO4).

Membuat senyawa nitrogen yang lain, seperti asam nitrat, amonium klorida, dan

amonium nitrat.

Sebagai pendingin dalam pabrik es karena amonia cair mudah menguap dan menyerap

banyak panas.

Membuat hidrazin (N2H4), bahan bakar roket.

Digunakan pada industri kertas, karet, dan farmasi.

Sebagai refrigeran pada sistem kompresi dan absorpsi.

Kegunaan katalis pada Sintesis Amonia

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.

Pada sintesis amonia, katalis heterogen yang digunakan adalah logam Fe dengan campuran

campuran Al2O3, KOH dan garam lainnya dengan promotor ganda, yaitu penambahan sekitar 4%

kalium oksida dan 0,8% aluminium oksida. Promotor ini berfungsi untuk meningkatkan aktivitas

katalitik dari besi oksida. Promotor adalah bahan yang menjadikan katalis lebih efektif. Dalam

katalis padat, sejumlah kecil promotor dapat menyebabkan pembentukan kerusakan kisi kristal,

yang menimbulkan bagian aktif pada permukaan katalis.

Sifat Kimia dan Fisika Katalis (Logam Fe)

Sifat Fisika

1. Pada suhu kamar berwujud padat, mengkilap dan berwarna keabuabuan.

2. Merupakan logam feromagnetik karena memiliki empat electron tidak berpasangan pada orbital d.

3. Penghantar panas yang baik.

4. Kation logam besi Fe berwarna hijau (Fe2+) dan jingga (Fe3+). Hal ini disebabkan oleh adanya

elektron tidak berpasangan dan tingkat energi orbital tidak berbeda jauh. Akibatnya, elektron mudah

tereksitasi ke tingkat energi lebih tinggi menimbulkan warna tertentu. Jika senyawa transisi baik

padat maupun larutannya tersinari cahaya maka senyawa transisi akan menyerap cahaya pada

frekuensi tertentu, sedangkan frekuensi lainnya diteruskan. Cahaya yang diserap akan mengeksitasi

elektron ke tingkat energi lebih tinggi dan cahaya yang diteruskan menunjukkan warna senyawa

transisi pada keadaan tereksitasi.

5. Sifat – sifat besi yang lain:

titik didih

titik lebur

massa atom

konfigurasi electron

massa jenis fase padat

massa jenis fase cair pada titik lebur

kalor peleburan

kalor penguapan

Elektronegativitas

jari-jari atom

3134 K

1811 K

55,845(2) g/mol

[Ar] 3d6 4s2

7,86 g/cm³

6,98 g/cm³

13,81 kJ/mol

340 kJ/mol

1,83 (skala Pauling)

140 pm

Besi merupakan unsur transisi yang mempunyai sifat logam sebagaimana semua unsur transisi

lainnya. Sifat logam ini dipengaruhi oleh kemudahan unsur tersebut untuk melepas elektron valensi.

Selain itu, keberadaan electron pada blok d yang belum penuh menyebabkan unsur Fe memiliki

banyak elektron tidak berpasangan. Elektron- elektron tidak berpasangan tersebut akan bergerak

bebas pada kisi kristalnya sehingga membentuk ikatan logam yang lebih kuat dibandingkan dengan

unsur golongan utama. Adanya ikatan logam ini menyebabkan titik leleh dan titik didih serta

densitas unsur Fe cukup besar sehingga bersifat keras dan kuat.

Pergerakan elektron- elektron yang tidak berpasangan pada kisi kristal juga menyebabkan logam

besi bersifat konduktor atau penghantar panas yang baik. Apabila logam besi diberikan kalor atau

panas, energy kinetik elektron akan meningkat. Dengan demikian, elektron memindahkan energinya

ke elektron yang lain sehingga panas merambat ke seluruh bagian logam besi tersebut.

Sifat Kimia

1. Unsur besi  bersifat elektropositif (mudah melepaskan elektron) sehingga bilangan oksidasinya

bertanda positif. 

2. Fe dapat memiliki biloks 2, 3, 4, dan 6. Hal ini disebabkan karena perbedaan energy elektron pada

subkulit 4s dan 3d cukup kecil, sehingga elektron pada subkulit 3d juga terlepas ketika terjadi

ionisasi selain electron pada subkulit 4s.

3. Logam murni besi sangat reaktif secara kimiawi dan mudah terkorosi, khususnya di udara yang

lembab atau ketika terdapat peningkatan suhu.

4. Memiliki bentuk allotroik ferit, yakni alfa, beta, gamma dan omega dengan suhu transisi 700, 928,

dan 1530oC. Bentuk alfa bersifat magnetik, tapi ketika berubah menjadi beta, sifat magnetnya

menghilang meski pola geometris molekul tidak berubah.

5. Mudah bereaksi dengan unsur-unsur non logam seperti halogen, sulfur, pospor, boron, karbon dan

silikon.

6. Larut dalam asam- asam mineral encer.

7. Oksidanya bersifat amfoter.