BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dari semua macam senyawa nitrogen, amonia adalah senyawa nitrogen yang

paling penting. Amonia merupakan salah satu senyawa dasar nitogen yang dapat

direaksikan dengan berbagai senyawa yang berbeda, selain itu proses pembuatan

amonia terbukti ekonomis dan efisiensi yang sampai sekarang terus ditingkatkan.

Sebagian besar amonia diperoleh dengan cara pembuatan sintetis di pabrik dan

sebagian kecilnya diperoleh dari hasil samping suatu reaksi. Oleh karena itu, kami

mengangkat tema mengenai proses pembuatan amoniak yang digunakan sebagai

bahan dasar pembuatan dalam industri pupuk yang melibatkan proses

termodinamika.

1.2 Tujuan

1. Untuk memenuhi tugas mata kuliah Kimia Fisika

2. Untuk dapat mengetahui proses pembuatan amoniak yang digunakan

sebagai bahan dasar pembuatan dalam industri pupuk yang melibatkan

proses termodinamika.

1

BAB II

URAIAN

Pada umumnya reaksi-reaksi kimia tersebut berlangsung dalam arah bolak-

balik (reversible), dan hanya sebagian kecil saja yang berlangsung satu arah. Pada

awal proses bolak-balik, reaksi berlangsung ke arah pembentukan produk, segera

setelah terbentuk molekul produk maka terjadi reaksi sebaliknya, yaitu pembentukan

molekul reaktan dari molekul produk. Ketika laju reaksi ke kanan dan ke kiri sama

dan konsentrasi reaktan dan produk tidak berubah maka kesetimbangan reaksi

tercapai.

Ketika suatu reaksi kimia berlangsung, laju reaksi dan konsentrasi pereaksipun

berkurang. Beberapa waktu kemudian reaksi dapat berkesudahan, artinya semua

pereaksi habis bereaksi. Namun banyak reaksi tidak berkesudahan dan pada

seperangkat kondisi tertentu, konsentrasi pereaksi dan produk reaksi menjadi tetap.

Reaksi yang demikian disebut reaksi reversibel dan mencapai kesetimbangan.

Padareaksi semacam ini produk reaksi yang terjadi akan bereaksi membentuk

kembali pereaksi. ketika reaksi berlangsung laju reaksi ke depan (ke kanan),

sedangkan laju reaksi sebaliknya kebelakang (ke kiri) bertambah, sebab konsentrasi

pereaksi berkurang dan konsentrasi produk reaksi semakin bertambah.

Pada umumnya suatu reaksi kimia yang berlangsung spontan akan terus

berlangsung sampai dicapai keadaan kesetimbangan dinamis. Berbagai hasil

percobaan menunjukkan bahwa dalam suatu reaks kimia, perubahan reaktan

menjadi produk pada umumnya tidak sempurna, meskipun reaksi dilakukan dalam

waktu yang relatif lama. Umumnya pada permulaan reaksi berlangsung, reaktan

mempunyai laju reaksi tertentu. Kemudian setelah reaksi berlangsung konsentrasi

akan semakin berkurang sampai akhirnya menjadi konstan. Keadaan

kesetimbangan dinamis akan dicapai apabila dua proses yang berlawanan arah

berlangsung dengan laju reaksi yang sama dan konsentrasi tidak lagi mengalami

perubahan atau tidak ada gangguan dari luar. Sebagai contoh reaksi pembuatan

amonia dengan persamaan reaksi kesetimbangan berikut ini :

N2(g) + 3H2(g) 2NH⇄ 3(g) ∆H = -92,4 Kj

2

Pergeseran kesetimbangan dapat terjadi jika pada sistem kesetimbangan

diberikan aksi, maka sistem akan berubah sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi

tadi diupayakan sekecil mungkin. Aksi-aksi yang dapat mempengaruhi terjadinya

pergeseraan kesetimbangan antara lain perubahan konsentrasi, perubahan volume,

perubahan tekanan, perubahan jumlah mol, perubahan temperatur. Untuk

memperjelas tentang terjadinya pergeseran kesetimbangan dapat dilakukan dengan

menggunakan azas Le Chatelier. Dengan menggunakan azas Le Chatelier kita

dapat memperkirakan arah pergeseran kesetimbangan jika ada pengaruh dari luar

sistem. Faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran kesetimbangan dapat

dijelaskan sebagai berikut :

1. Pengaruh temperatur

Sesuai dengan azas Le Chatelier, jika suhu atau temperatur suatu sistem

kesetimbangan dinaikkan, maka reaksi sistem menurunkan temperatur,

kesetimbangan akan bergeser ke pihak reaksi yang menyerap kalor (ke pihak reaksi

endoterm). Sebaliknya jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke

pihak reaksi eksoterm.

2. Pengaruh konsentrasi

Sesuai dengan azas Le Chatelier (Reaksi = aksi) , jika konsentrasi salah satu

komponen tersebut diperbesar, maka reaksi sistem akan mengurangi komponen

tersebut. Sebaliknya, jika konsentrasi salah satu komponen diperkecil, maka reaksi

sistem adalah menambah komponen itu. Oleh karena itu, pengaruh konsentrasi

terhadap kesetimbangan.

3. Pengaruh tekanan dan volume

Penambahan tekanan dengan cara memperkecil volume akan memperbesar

konsentrasi semua komponen. Sesuai dengan azas Le Chatelier, maka sistem akan

bereaksi dengan mengurangi tekanan. Tekanan gas bergantung pada jumlah

molekul dan tidak bergantung pada jenis gas. Oleh karena itu untuk mengurangi

tekanan maka reaksi kesetimbangan akan bergeser ke arah yang jumlah

koefisiennya lebih kecil. Sebaliknya jika tekanan dikurangi dengan cara

memperbesar volume, maka sistem akan bereaksi dengan menambah tekanan

dengan cara menambah jumlah molekul. Reaksi akan bergeser ke arah yang jumlah

koefisiennya lebih besar.

3

BAB III

PEMBAHASAN

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) 2NH⇄ 3(g) ∆H = -92,4Kj Pada 25oC : Kp = 6,2x105

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 :

No Faktor Reaksi : N2(g) + 3H2(g) 2NH⇄ 3(g) ∆H= -924 kJ Kondisi

4

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. KonsentrasiPengambilan NH3 secara terus menerus akan

menggeser kesetimbangan kearah kanan_

4. Katalis

Katalis tidak menggeser kesetimbangan

kekanan, tetapi mempercepat laju reaksi secara

keseluruhan

Fe dengan

campuran

Al2O3 KOH

dan garam

lainnya

Tabel : Kondisi Optimum Pembuatan NH3

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

5

energi kinetik yang cukup untuk mengatasi halangan energi aktivasi sehingga jumlah

tumbukan efektif akan bertambah sehingga laju meningkat.

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.

Amoniak diproduksi dengan mereaksikan gas Hydrogen (H2) dan Nitrogen

(N2) dengan rasio H2 : N2 = 3 : 1 . Pada pembuatan amoniak yang dilaksanakan

pada industry (PT PUSRI) secara garis besar dibagi menjadi 4 Unit dengan urutan

sebagai berikut :

1. Feed Treating Unit dan Desulfurisasi

2. Reforming Unit

3. Purification & Methanasi

4. Synthesa Loop & Amoniak Refrigerant .

Untuk proses tiap unit dapat dijelaskan sebagai berikut :

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 belerang yang terkandung dalam gas alam, maka gas alam

tersebut dilewatkan dalam suatu bejana 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

6

b. CO2 Removal Pretreatment Section

Feed Gas dari Sponge Iron dialirkan ke unit CO2 Removal Pretreatment Section

Untuk memisahkan CO2 dengan menggunakan 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 bersih dicampur dengan uap air,

dipanaskan, kemudian direaksikan di Primary Reformer, hasil reaksi yang berupa

gas-gas Hydrogen dan Carbon Dioksida dikirim ke Secondary Reformer dan

direaksikan dengan udara sehingga dihasilkan gas-gas Hidrogen , Nitrogen dan

Karbon Dioksida Gas-gas hasil reaksi ini dikirim ke Unit Purifikasi dan Methanasi

untuk dipisahkan gas karbon dioksidanya.

Tahap-tahap reforming unit adalah :

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 pada temperature (824 oC)dan tekanan (45 – 46

kg/cm2) tertentu. Adapun kondisi operasi acuan adalah perbandingan steam to

carbon ratio 3,2 : 1. Persamaan Reaksi :

CH4 + H2O → CO + 3 H2 ∆H = - Q

CO + H2O → CO2 + H2 ∆H = + Q

Secara overall reaksi yang terjadi adalah reaksi endothermic sehingga

membutuhkan burner dan gas alam sebagai fuel.

7

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 diperlukan N2 untuk reaksi pembentukan Amoniak maka

melalui media compressor dimasukkan udara pada unit ini. Persamaan Reaksi :

2H2 + O2 → 2H2O

CO + O2 → 2CO2

3. Purification & Methanasi

Karbon dioksida yang ada dalam gas hasil reaksi Reforming Unit dipisahkan

dahulu di Unit Purification, Karbon dioksida yang telah dipisahkan dikirim sebagai

bahan 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 adalah sebagai berikut :

a. High Temperature Shift Converter (HTS)

Setelah mengalami reaksi pembentukan H2 di Primary dan Secondary Reformer

maka gas proses didinginkan hingga temperature 371 oC untuk merubah CO

menjadi CO2 dengan persamaan reaksi sebagai berikut :

CO + H2O → CO2 + H2

Kadar CO yang keluar dari unit ini adalah 3,5 % mol dry basis dengan temperature

gas outlet 432 oC- 437 oC.

8

b. Low Temperature Shift Converter (LTS)

Karena tidak semua CO dapat dikonversikan menjadi CO2 di HTS, maka reaksi

tersebut disempurnakan di LTS setelah sebelumnya gas proses didinginkan hingga

temperature 210oC. Diharapkan kadar CO dalam gas proses adalah sebesar 0,3 %

mol dry basis.

c. CO2 Removal

Karena CO2 dapat mengakibatkan degradasi di Amoniak Converter dan merupakan

racun maka senyawa ini harus dipisahkan dari gas synthesa melalui unit CO2

removal yang terdiri atas unit absorber, striper serta benfield system sebagai media

penyerap. System penyerapan di dalam CO2 absorber ini berlangsung secara

counter current, yaitu gas synthesa dari bagian 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 bahan baku di pabrik urea.

Adapun reaksi penyerapan 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. Synthesa loop dan Amonik Refrigerant

Gas proses yang keluar dari Methanator dengan perbandingan Gas Hidrogen

dan Nitrogen = 3 : 1, ditekan atau dimampatkan untuk mencapai tekanan yang

diinginkan oleh Ammonia Converter agar terjadi reaksi pembentukan, uap ini

9

kemudian masuk ke Unit Refrigerasi sehingga didapatkan amoniak dalam fasa cair

yang selanjutnya digunakan sebagai bahan baku pembuatan urea.

Tahap-tahap poses Synthesa loop dan Amonik Refrigerant adalah :

a. Synthesis Loop

Gas synthesa yang akan masuk ke daerah 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 Amoniak Converter dengan katalis promoted iron.

Persamaan Reaksi :

3H2 + N2 → 2NH3 .

Kandungan Amoniak yang keluar dari Amoniak Converter adalah sebesar 12,05-

17,2 % mol.

b. Amoniak Refrigerant

Amoniak cair yang dipisahkan dari gas synthesa masih mengandung sejumlah

tertentu gas-gas terlarut. Gas-gas inert ini akan dipisahkan di seksi Amoniak

Refrigerant yang berfungsi untuk Mem-flash amoniak cair berulang-ulang dengan

cara menurunkan tekanan di setiap tingkat flash drum untuk melepaskan gas-gas

terlarut, sebagai bagian yang integral dari refrigeration, chiller mengambil panas dari

gas synthesa untuk mendapatkan pemisahan produksi amoniak dari Loop Synthesa

dengan memanfaatkan tekanan dan temperature yang berbeda di setiap tingkat

refrigeration.

5. Produk Amoniak

Produk Amoniak yang dihasilkan terdiri atas dua, yaitu Warm Ammonia Product

(30 oC) yang digunakan sebagai bahan baku untuk pabrik urea, Cold Ammonia

Product (-33 oC) yang disimpan dalam Ammonia Storage Tank.

10

BAB IV

PENUTUP

4.1 Kesimpulan

4.2 Saran

11

DAFTAR PUSTAKA

12