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

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 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 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 INSTITUT TEKNOLOGI I NDONESIA TEKNIK KIMIA ’01

RD. YOGANA D 114.01.0041

PRA PERANCANGAN PABRIK ASAM NITRAT

TINJAUANPROSES

II−3

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.

INSTITUT TEKNOLOGI I NDONESIA TEKNIK KIMIA ’01

RD. YOGANA D 114.01.0041

PRA PERANCANGAN PABRIK ASAM NITRAT

II.3.

TINJAUANPROSES

II−4

SELEKSI PROSES PERBANDINGAN PROSES 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

Deskripsi

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.

INSTITUT TEKNOLOGI I NDONESIA TEKNIK KIMIA ’01

RD. YOGANA D 114.01.0041

PRA PERANCANGAN PABRIK ASAM NITRAT

II.4.

TINJAUANPROSES

II−5

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 (WHB101) 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

INSTITUT TEKNOLOGI I NDONESIA TEKNIK KIMIA ’01

RD. YOGANA D 114.01.0041

PRA PERANCANGAN PABRIK ASAM NITRAT

TINJAUANPROSES

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 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 INSTITUT TEKNOLOGI I NDONESIA TEKNIK KIMIA ’01

RD. YOGANA D 114.01.0041

PRA PERANCANGAN PABRIK ASAM NITRAT

II−7

TINJAUANPROSES

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

o

C 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

INSTITUT TEKNOLOGI I NDONESIA TEKNIK KIMIA ’01

RD. YOGANA D 114.01.0041