INDUSTRI NITROGEN

I. Pendahuluan

Nitogen yang telah diikat dari udara merupakan bahan baku utama dari proses pembuatan

pupuk. Nitrogen dapat diikat dalam bentuk nitrogen sianamida, tetapi prosesnya terlalu mahal.

Proses lain dalam pengikatan oksigen adalah proses termal dengan mencampurkan oksida

nitrogen, sianida, alumunium nitrida, dekomposisi amonia, dll. Proses ini secara teknik dapat

dilakukan tetapi secara industri bersifat kurang komersial.

Haber dan Nernst melakukan study tentang kesetimbangan hidrogen dan nitrogen pada

tekanan rendah untuk membentuk amonia dan menemukan jenis katalis yang tepat. Haber dan

Bosch kemudian menemukan proses baru untuk mendapatkan hidrogen dan nitrogen yang

tidak mahal. Produksi hidrogen dari proses elektrolisis air dan distilasi udara cair untuk

mendapatkan nitrogen, merupakan proses yang tidak mahal dalam mendapatkan bahan baku

pembuatan amonia.

Amonia merupakan senyawa nitogen yang paling penting dan paling banyak digunakan.

Dalam proses pembuatan amonia, diperlukan bahan-bahan seperti udara, air, hidrokarbon, dan

sumber energi. Amonia paling banyak diperoleh dari proses sintesis, tetapi sebagian lain

diperoleh dari produk lain. Sendawa chili (NaNO3) merupakan senyawa yang paling banyak

ditambang untuk menjadi sumber nitrogen. Urea, hidroksilamin, dan hidrazin merupakan

senyawa-senyawa yang terbuat dari amonia.

Pemakaian amonia adalah terbeasar adalah 80% sebagai pupuk. Penggunaan lain adalah

dalam proses pembuatan pulp kertas, pembuatan asam nitrit dan nitrat, pembuatan ester asam

nitrat dan senyawa nitro, dan sebagai refrigeran (zat pendingin).

II. Sintesis Amonia

Amonia memiliki rumus molekul NH3. Amonia dapat diperoleh dari H2 (hidrogen) dan

N2(nitrogen). H2dapat diperoleh dari pemrosesan gas alam yang mengandung rantai

hidrokarbon (metana). Sedangkan N2diperoleh dari udara yang mengandung 79% N2 dan 21%

O2.

Reaksi umum dari sintesis amonia adalah:

½N2(g) + 1½ H2(g) NH3(g) ∆H12°C = -46,0 kJ , ∆H659°C = -55,6 kJ

Konstanta kesetimbangan dari reaksi di atas, dapat dituliskan:

Kp=P NH3

P N 21/2 x P H 2

3 /2

Karena produk amonia memiliki volume yang lebih kecil daripada molekul reaktan, maka

kesetimbangan akan bergeser ke produk ketika tekanan dinaikkan. Sehingga reaksi pembuatan

amonia ini merupakan reaksi yang berjalan dengan tekanan tinggi. Reaksi sintesis amonia

merupakan reaksi yang eksoterm, sehingga ketika temperatur dinaikkan,kesetimbangan akan

bergeser ke arah reaktan atau berkurangnya konversi produk. Meskipun demikian, kenaikan

temperatur dapat menaikkan laju reaksi. Kenaikan laju reaksi ini dapat mengurangi ukuran

peralatan produksi sehingga mengurangi biaya produksi. Dengan adanya aspek positif dan

negatif dari kenaikan temperatur tersebut, diperlukan adanya suatu kombinasi untuk

mendapatkan kondisi operasi yang baik dan menghasilkan keuntungan yang maksimal.

Reaksi antara hidrogen dan nitrogen merupakan reaksi yang berjalan lambat, sehingga

laju reaksinya perlu dinaikkan. Kenaikan laju reaksi dapat dilakukan dengan pemilihan katalis

yang efisien. Katalis yang paling banyak digunakan dalam proses sintesis amonia adalah besi

yang ditambahkan promoters. Promoters yang ditambahkan adalah oksida alumunium,

zicronium, atau silikon dengan konsentrasi sebesar 3%, dan kalium oksida sekitar 1%.

Promoters digunakan untuk menambah tingkat penyerapan dari katalis. Pada laju tertentu,

reaksi dengan menggunakan katalis besi murni akan menghasilkan konversi 3-5%, katalis besi

dengan menggunakan promoters adalah 8-9%, dan katalis besi yang diberi promoters dengan

jumlah dua kali lipat akan menghasilkan konversi sebesar 13-14%. Katalis besi akan berhenti

bekerja ketika dipanaskan di atas 520°C. Katalis juga akan tidak aktif ketika dikontakkan

dengan dengan tembaga, fosfor, arsenik, sulfur, dan karbon monoksida, karena senyawa-

senyawa tersebut merupakan racun bagi katalis yang menyebabkan komposisi besi akan

berubah.

Diagram proses pembuatan amonia adalah sebagai berikut:

Sumber: Shreve’s Chemical Process Industries, 5th ed

Gambar 1. Diagram proses pembuatan amonia

Secara rinci, tahapan proses pembuatan amonia dari gas alam berdasarkan diagram proses

di atas adalah sebagai berikut:

a) Pembuatan reaktan gas

Amonia berasal dari reaksi antara N2dan H2dengan perbandingan 1:3. Gas

H2didapatkan dari sumber hidrokarbon, seperti kayu, batu bara, gas alam, minyak

mentah, minyak bakar, dll. H2juga dapat didapatkan dari proses elektrolisis air. Tetapi,

yang paling banyak digunakan saat ini adalah dari gas alam.

b) Pemurnian

Gas alam yang digunakan sebagai bahan pembuatan amonia, biasanya masih

mengandung zat pengotor (impurities), terutama senyawa sulfur atau belerang.

Kandungan sulfur ini dapat menyebabkan kerusakan pada katalis reformer. Oleh karena

itu, sebelum dilakukan proses lebih lanjut, gas alam perlu dimurnikan terlebih dahulu dari

senyawa-senyawa sulfur di dalam desulfurizer.

c) Reforming unit

Gas alam yang telah dihilangkan kandungan sulfurnya di dalam desulfurizer, akan

direaksikan dengan uap air di primary reformer yang berisi katalis nikel. Reaksi di

primary reformer ini merupakan reaksi yang endotermis, sehingga membutuhkan panas

dari luar agar reaksi tersebut dapat terjadi. Oleh karena itu, sebelum direaksikan,

campuran gas dan steam harus dipanaskan terlebih dahulu. Reaksi yang terjadi di dalam

primary reformer adalah:

CH4 + H2O CO + 3H2

CO +H2O CO2 + H2

Gas alam yang mengandung metana akan bereaksi dengan uap air membentuk gas

hidrogen dan karbon monoksida. Karbon monoksida yang terbentuk juga akan bereaksi

dengan uap air untuk membentuk karbon dioksida dan hidrogen.

Setelah direaksikan di primary reformer, gas yang dikeluarkan akan menuju ke

secondary reformer yang berisi katalis nikel. Di secondary reformer, terjadi

penyempurnaan reaksi yang telah terjadi sebelumnya. Gas-gas keluaran primary

reformer akan direaksikan dengan udara yang telah dikompresi. Gas H2 yang ada di

dalam gas, akan bereaksi dengan O2 dan menghasilkan H2O. Reaksi ini bersifat

eksotermik, sehingga menghasilkan panas. Panas yang dihasilkan dari reaksi ini dapat

dimanfaatkan untuk memanaskan steam pada boiler. Selain mengandung O2, udara juga

mengandung N2. N2tersebut belum bereaksi di secondary reformer, tetapi akan menjadi

feed atau masukan di amonia converter.

Pada reaksi yang terjadi di reformer, terdapat gas karbon monoksida (CO) yang

terbentuk. Keberadaan gas ini dapat mengganggu reaksi di amonia converter karena akan

meracuni katalis, sehingga perlu terjadinya reaksi konversi gas CO. Gas CO direaksikan

dengan uap air menjadi gas CO2 dan H2., dengan reaksi:

CO + H2O CO2 + H2

Selain bertujuan untuk mengonversi gas karbon monoksida menjadi gas karbon

dioksida yang lebih mudah dihilangkan, reaksi tersebut juga bertujuan untuk

meningkatkan produksi gas hidrogen. Reaksi di atas terjadi melalui dua tahapan dengan

suhu reaksi yang berbeda. Reaksi pertama dilakukan pada suhu tinggi sekitar 371°C

untuk meningkatkan laju pengurangan CO. Reaksi selanjutunya dilangsungkan pada suhu

yang lebih rendah sekitar 203°C, agar konversi H2yang dihasilkan tinggi.

d) CO2absorber dan stripper

Setelah terjadi konversi CO menjadi CO2, CO2yang dihasilkan akan dihilangkan.

Penghilangan CO2 dilakukan dengan cara absorbsi di menara absorber. CO2yang telah

dipisahkan ini dapat digunakan sebagai bahan baku pupuk urea.

Penghilangan CO2 dapat dihilangkan dengan absorbsi di air, tetapi pada kolom

stripper dibutuhkan reagen alkali. Proses yang dapat digunakan adalah dengan

menggunakan absorben inorganik (K2CO3), absorben organik (amina), atau absorben fisik

(Fluor’s propylene carbonate). Pemilihan absorben ini didasarkan atas level CO2 sisa dan

efek zat pengotor.

Salah satu contoh absorben yang digunakan di dalam kolom absorbsi adalah K2CO3.

CO2 akan direduksi dengan mengontakkan gas CO2 dengan larutan karbonat, K2CO3.

Reaksi yang terjadi adalah:

H2O + CO2 + K2CO3 2KHCO3

CO2yang telah terabsorb dalam larutan karbonat, kemudian akan dipisahkan di dalam

kolom stripper. CO2yang telah lepas akan dibuang ke udara, sedangkan larutan karbonat

akan digunakan kembali sebagai absorben di menara absorber.