BAB II TINJ AU AUAN AN PROSES
II.1.
TINJ AUA AUAN N 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
0
C. Kesulitan operasi ini adalah mempertahankan
P RA P ERANCA A SA M N ITRAT ERANCA NGAN P ABRIK
T INJAU AN P ROSES
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.
TINJ AUA AUAN N PRO SES PRO DUKSI ASAM ASAM NITRAT
Reaksi pembentukan Asam Nitrat : NH3 + 2O2 Proses
pembuatan
asam
Platinum →
nitrat
HNO3 + H2O
dengan
cara
ini,
pada
tahap
perkembangannya, dapat dibagi dua tipe berdasarkan tekanan operasi yang digunakan yaitu: II.2.1.
Single press p ressure ure 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 b eberapa tipe, yaitu: a. Single m edium (intermediate) pressure 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 NO x, maka ditambahkan
alat SCR Reaktor yaitu 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 NSTITUT T EKNOLOGI NDONESIA I I EKNIK K IMIA ’01 T
RD. Y OGANA D 114.01.0041
P RA P ERANCA A SA M N ITRAT ERANCA NGAN P ABRIK
T INJAU AN P ROSES
II−3
menggunakan proses ini diantaranya SKW Sticktoffwerke piesteritz GmbH di Jerman dan ACE Pressureweld 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 NO xnya < 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. absolut. Pergantian katalis 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 Donaldsonville USA.
NSTITUT T EKNOLOGI NDONESIA I I EKNIK K IMIA ’01 T
RD. Y OGANA D 114.01.0041
P RA P ERANCA A SA M N ITRAT ERANCA NGAN P ABRIK
II.3.
T INJAU AN P ROSES
II−4
SELEKSI PROSES PERBANDINGAN PROSES
Proses Single Medium pressure
Proses Single High Pressure
Proses Dual pressure
< 1000
< 1000
> 1500
4–6
8 – 12
4 – 6 combustion 10 – 12 absorbsi
Kualitas (%HNO3)
60
60 & 67
68
Kadar NOX gas buang (ppm)
500
< 200
< 150
Deskripsi
Kapasitas (Ton/hari) Tekanan (Bar absolut)
Dilihat dari perbandingan di atas maka dipilih single high pressure disebabkan : 1. Kapasitas pabrik yang akan didirikan d idirikan 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 d aripada proses lainnya. lainnya.
NSTITUT T EKNOLOGI NDONESIA I I EKNIK K IMIA ’01 T
RD. Y OGANA D 114.01.0041
P RA P ERANCA A SA M N ITRAT ERANCA NGAN P ABRIK
II.4.
T INJAU AN P ROSES
II−5
DESKRIPSI PROSES
Proses dimulai dengan penguapan amonia pada amonia vaporizer (V-101) o pada 10 atm dan 35 C dengan menggunakan sirkulasi air hangat (warm water
loop). Steam dipakai untuk memanaskan lanjut uap amonia sampai temperatur o
180 C pada unit amonia superheater (H-101). Udara atmosfer yang telah melalui filter dikompresi dalam 2 tahap sampai berte kanan kanan 10 atm dan bertemperatur o 270 C. 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). (BC-101). Udara primer dicampurkan dengan uap amonia amonia dengan perbandingan perbandingan 8%
mol amonia 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 o
dihasilkan dari reaksi menaikkan temperatur gas reaksi menjadi 700 C. 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)
o
menurunkan suhu gas reaksi menjadi 650 C. Kedua, Waste Heat Boiler (WHBo
101) menurunkan suhu gas reaksi menjadi 591 C, sementara itu, boiler feed o
water bersuhu 80 C dipanaskan sampai membentuk saturated steam pada o
260 C. Untuk memperkecil kehilangan atau kerugian katalis, ma ka 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 o
menjadi 245,416 C, sedangkan gas buang mengalami kenaikan temperatur dari o
o
43,356 C menjadi 450 C. Gas reaksi lebih lanjut didinginkan pada kondensor o
o
o
(KD-101) pada suhu 63,087 C. Pendinginan dari 245,416 C menjadi 63,087 C mengakibatkan uap air yang terkandung dalam gas reaksi mengembun dan segera bereaksi dengan NO2 /N2O4 yang ada. Hal ini mengakibatkan terbentuknya HNO3
NSTITUT T EKNOLOGI NDONESIA I I EKNIK K IMIA ’01 T
RD. Y OGANA D 114.01.0041
P RA P ERANCA A SA M N ITRAT ERANCA NGAN P ABRIK
T INJAU AN P ROSES
II−6
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 o
bleaching. Temperatur reaksinya mencapai 63 C. 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 o
absorber (AB-101) bagian bawah pada suhu 62,880 C
Di
dalam
kolom
absorber
bertipe Random Packed Tower , air
demineralisasi (disebut pula sebagai make up water ) ditambahkan pada paling o
atas pada suhu 30
C,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. nitrat. Gas NO yang yang dihasilkan dihasilkan selama absorpsi, dioksidasi kembali menjadi NO2. Semua reaksi oksidasi dan absorpsi menghasilkan panas. Oleh
karenanya,
untuk
menambah
efisiensi
reaksi absorpsi/ reaksi
diperlukan
pendinginan. Pendinginan kolom absorpsi digunakan air pendingin dengan suhu o
30 C. Gas buang yang masih mengandung kadar NOx dalam jumlah yang sangat o
kecil keluar dari puncak kolom pada 40 C 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 o
Produk Acid (RPA) keluar dari absorber pada suhu 40 C.
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 NSTITUT T EKNOLOGI NDONESIA I I EKNIK K IMIA ’01 T
RD. Y OGANA D 114.01.0041
P RA P ERANCA A SA M N ITRAT ERANCA NGAN P ABRIK
II−7
T INJAU AN P ROSES
ke unit oksidasi, sedangkan produk HNO 3 bebas N2O4 terlarut, yang berwarna o
jernih, keluar pada bagian bawah bleaching coloumn pada 55 C. Gas buang yang keluar dari absorber dinaikkan temperaturnya secara bertahap melalui beberapa alat penukar penukar panas. panas. Pertukaran panas yang terjadi berturut-turut dilakukan dengan udara sekunder pada unit Tail Gas Warmer o
(TGW-101) sampai suhu gas buang naik menjadi 43,356 C. Temperatur udara o
o
sekunder sendiri turun dari 270 C menjadi 256,901 C. Gas buang dipanaskan o
lagi dalam Tail Gas Preheater sampai suhunya mencapai 450 C. Sebuah turbin ekspansi (TGE) dipasang untuk merecovery energi yang diperlukan untuk
menggerakkan kompresor. Gas buang hasil ekspansi bersuhu 100
o
C dan
bertekanan 1,5 atm mengalir ke economizer (ECO) dan memberikan sejumlah panas awal kepada air demineralisasi tekanan te kanan tinggi yang akan digunakan sebagai boiler feed water . Gas buang (tail gas) pada akhirnya dibuang ke udara melalui o
stack pada suhu 100 C
NSTITUT T EKNOLOGI NDONESIA I I EKNIK K IMIA ’01 T
RD. Y OGANA D 114.01.0041
