TUGAS PROSES INDUSTRI KIMIA

AMINASI DALAM PEMBUATAN UREA

Disusun oleh:

Gilang Cahya W. (I0510....)

Ardi Pratama (I0513009)

Chitra Husnabilqis (I0513015)

Fauzia Rahmadita (I0513021)

Fermanditya Petratama (I0513022)

Meylani Tri Hardiyanti (I0513032)

Sarah Tanya Marpaung (I0513045)

JURUSAN S1 REGULER TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA

2014

1

I. PendahuluanUrea adalah suatu senyawa organik yang terdiri dari unsur karbon,

hidrogen, oksigen, dan nitrogen dengan rumus CON2H2 atau (NH2)2CO. Seiring

perkembangan zaman, menyebabkan meningkatnya kebutuhan urea dalam dunia.

Oleh karena itu diproduksi secara komersial dari sintesis amonia dan karbon

dioksida dan dapat diproduksi sebagai cair atau padat. Proses dehidrasi karbamat

amonium dalam kondisi panas tinggi dan tekanan tinggi. Produksi urea pertama

kali digunakan pada tahun 1870 dan masih digunakan sampai sekarang. Tingginya

penggunaan urea sintesis, maka diproduksi banyak. Bahkan satu juta pon urea

yang diproduksi di Amerika Serikat saja setiap tahun, sebagian besar digunakan

dalam pupuk.

Urea merupakan pupuk nitrogen yang paling mudah dipakai. Zat ini

mengandung nitrogen paling tinggi (46%) di antara semua pupuk padat. Urea

mudah dibuat menjadi pelet atau granul (butiran) dan mudah diangkut dalam

bentuk curah maupun dalam kantong dan tidak mengandung bahaya ledakan. Zat

ini mudah larut didalam air dan tidak mempunyai residu garam sesudah dipakai

untuk tanaman. Disamping penggunaannya sebagai pupuk, urea juga digunakan

sebagai tambahan makanan protein untuk hewan pemamah biak, juga dalam

produksi melamin, dalam pembuatan resin, plastik, adhesif, bahan pelapis, bahan

anti ciut, tekstil, dan resin perpindahan ion. Bahan ini merupakan bahan antara

dalam pembuatan amonium sulfat, asam sulfanat, dan ftalosianina. Pada proses

pembuatan Urea, terdapat salah satu tahap yang sangat penting yaitu aminasi.

II. Faktor Fisika dan Kimia yang Mempengaruhi Aminasi pada

Pembuatan Urea

a. Temperatur

Reaksi sintesis urea berjalan pada temperatur optimal adalah 185°C dengan

waktu pemanasan sekitar 30 menit. Jika temperatur turun akan menyebabkan

konversi amonium karbamat menjadi urea akan turun.

b. Tekanan

2

Untuk menghasilkan urea yang optimal, maka diperlukan tekanan tinggi

yaitu 250kg/cm2 karena konversi amonium karbamat menjadi urea hanya

berlangsung pada fasa cair sehingga tekanan harus dipertahankan pada

keadaan tinggi.

c. Perbandingan NH3 dan CO2

Industri urea di Indonesia pada umumnya mensintesis urea dengan

perbandingan NH3 dan CO2 adalah 2-2,5 mol. Hal ini dikarenakan

perbandingan mol dapat mempengaruhi suhu, tekanan operasi dan jumlah

amonia yang terbentuk.

d. Jumlah air

Jumlah air dalam reaktor dapat berpengaruh terhadap reaksi yang kedua

yaitu penguraian amonium karbamat menjadi urea dan air. Jika terdapat air

dalam jumlah yang cukup banyak, maka akan memperkecil konversi

terbentuknya urea dari larutan karbamat.

III. Kinetika Reaksi Aminasi dalam Pembuatan Urea

Reaksi Ammonia dengan senyawa organic termasuk reaksi biomolecular di

alam dan termasuk reaksi 1 molekul ammonia dan 1 molekul reaktan, jadi dalam

kasus ini, reaksi antara ammonia dan senyawa organik termasuk ke dalam orde

reaksi 2.

dCdt = k.C.C”

Dimana :

C dan C” = konsentrasi dari dua reaktan

K = konstanta kecepatan reaksi

Reaksi ammonia dan senyawa organik dapat menjadi fase liquid ataupun

fase uap. Dalam fase liquid termasuk didalamnya ammonia anhydrous cair,

ammonia anhydrous dalam pelarut organik, dan aqueous ammonia.

3

Persamaan pendekatan kecepatan reaksi pembentukan urea adalah :

K = (2,589 x 105) (e110/RT) m3/kmol.det.

Bila ditinjau dari segi kinetika reaksi sesuai dengan rumus Arrhenius :

K = Ae (-Ea/RT) (pers. 1)

Dalam hubungan ini :

K = Konstanta kecepatan reaksi

A = Faktor tumbukan

Ea = Energi Aktivasi

R = Konstanta gas ideal

T = Temperatur

Dari persamaan diatas, harga A, E, dan R tetap. Sehingga harga K hanya

dipengaruhi oleh T (suhu) untuk rumus kanan semakin besar makareaksi akan

berlangsung cepat.

Dari persamaan 1

K = Ae (-Ea/RT)

K = (2,589 x 105) e –(110/1,978 T) m3/kmoldet.

Nilai K yang diperoleh dimasukkan ke dalam persamaan : Xa = 1-e –kt

diasumsikan t (waktu) berlangsung 1 jam (3600s).

IV. Tinjauan Termodinamika Aminasi pada Pembuatan UreaDalam aminasi, hanya reaksi fase gas yang dipertimbangkan dalam

termodinamika dari ammonolisis ini. Amonnolisis dan aminolisis dalam fase gas

umumnya eksotermis di alam kecuali dalam bentuk hidrokarbon.

Ammonolisis senyawa karbonil tak jenuh dengan adanya hidrogen adalah

jenis yang paling eksotermik. Reaksi fenol, alkohol, dan halida dengan ammonia,

hanya sedikit eksotermis. Aminolisis alkohol jauh lebih eksotermis dari

ammonolisis tersebut. Reaksi hidrokarbon dengan amonia untuk membentuk nitril

tampaknya merupakan kasus khusus karena mereka sangat endotermik di alam.

4

Perubahan energi bebas untuk sebagian besar reaksi ammonolisis

menguntungkan pada suhu moderat (300oC), kecuali untuk hidrokarbon aromatik.

Ammonolisis hidrokarbon aromatik membutuhkan suhu lebih dari 400. Pada

umumnya, nilai-nilai dihitung untuk gas pada tekanan 1 atm dan 25oC.

Reaksi pembuatan urea terdiri atas dua tingkat yaitu:

Reaksi pembuatan ammonium karbamat (NH2COONH4)

Reaksi penguraian ammonium karbamat menjadi urea dan air

1. Pembentukan ammonium karbamat (T= 190oC , P= 87,5 Psig)

2NH3(l) + CO2(g) NH2COONH4(l) ΔHf298 = -28,5 kkal/mol

Reaksi ini merupakan reaksi isotermis yang berlangsung cepat (mengeluarkan

panas dan keseimbangan karbamat tercapai)

2. Penggunaan ammonium karbamat (T= 190oC , P= 87,5 Psig)

Fase cair ammonium karbamat akan didehidrasi menjadi urea dan air

NH2COONH4(l) NH2CONH2 + H2O(l) ΔHf298 = 4,5 kkal/mol

Penguraian ammonium karbamat bersifat endotermis (membutuhkan panas

dan berlangsung lebih lambat). Panas reaksi yang dibutuhkan pada penguraian

ini dapat dipenuhi dari sebagian panas yang dihasilkan pada reaksi

pembentukan karbamat.

Selama pembentukan urea, terjadi reaksi samping yaitu pembentukan biuret

dengan reaksi sebagai berikut:

2NH2CONH2(l) NH2CONHCONH2 + NH2(l) ΔHf298 = 4,28 kkal/mol

Reaksi ini berlangsung lambat dan memerlukan panas (endoterm). Dari

persamaan reaksi tersebut jelas bahwa biuret cenderung terjadi pada konsentrasi

urea yang tinggi, konsentrasi NH3 yang rendah, waktu tinggal lama dan suhu

tinggi. Biuret adalah senyawa samping pada pembuatan urea yang tidak

diinginkan, karena merupakan racun bagi tanaman.

Tinjauan termodinamika dengan persamaan van’t hoff sebagai berikut:

d(ΔGo/RT)dT= -ΔHoRT

Dengan

5

ΔGo/RT = - ln K

Sehingga:

d(ΔGo/RT)dT = -ΔHoRT

d ln K dT = ΔHoRT

dengan:

ΔGo = Energi Gibbs standar

R = Tetapan gas umum

T = Temperatur reaksi

K = Konstanta kesetimbangan reaksi

Apabila k ≥1, Maka reaksi tersebut bolak-balik (irreversible)

Apabila k ≤ 1, Maka reaksi tersebut searah (reversible)

Diketahui data-data Go untuk mengetahui masing-masing komponen pada

298,15oK adalah:

ΔGofNH2CONH2 = -16,225 kL/mol

ΔGofH2O = -21,302 kJ/mol

ΔGofNH2COONH4 = -2,450 kJ/mol

ΔGo = ΔGofNH2CONH2 + ΔGo

fH2O - ΔGofNH2COONH4

= -16,225 kL/mol -21,302 kJ/mol + 2,450 kJ/mol

= -35,077 kJ/mol

Dari persamaan ini:

ΔGo = - RT ln K

K298,15 = 1,057

Karena K ˃˃˃ 1 maka reaksi berlangsung irreversible.

6

V. Mekanisme Reaksi Pembuatan UreaPembentukan urea diperoleh dari reaktan NH3 dan CO2. Dengan reaksi

membentuk ammonium karbamat

Ammonium karbamat akan diuraikan menjadi asam karbamic. Selanjutnya

asam karbamik ini diuraikan lagi menjadi asam sianik dan air. Kemudian asam

sianik direaksikan kembali dengan ammonia membentuk larutan urea yang juga

reversible menjadi kristal urea.

Kesetimbangan dapat diperoleh pada temperature tertentu. Dengan

percobaan oleh Krase and Gaddy diketahui bahwa kesetimbangan karbamat-urea-

air dapat diperoleh dari ammonia anhidrat berlebih. Penggunaan ammonia

berlebih sampai ddengan 280%, memberikan konversi ke urea antara 81-85%

ammonia karbamat.

7

VI. Proses Pembuatan Urea

Reaksi:

2 NH3 + CO2 NH2COONH4 NH2CONH2 + H2O

Ammonia + karbon dioksida Ammonium karbamat urea + air

Penjelasan proses:

1. Ammonia dan karbon dioksida dengan rasio mol 3:1 dikompresi (menjadi liquid) dan dipisahkan dalam autoklaf. Reaktan melewati autoklaf kurang lebih 2 jam, dan dijaga pada temperatur 190oC dan tekanan 1500-3000 psi. Selama proses tersebut ammonia dan karbon dioksida bereaksi membentuk ammonium karbamat, yang sebagian besar diubah menjadi urea.

2. Campuran reaktan yang mengandung 35% urea, 8% ammonium karbamat, 10.5% air dan 46.5% ammonia yang tidak bereaksi, keluar dari autoklaf dan didinginkan menjadi 150oC.

3. Lelehannya melewati ammonia still yang beroperasi pada suhu 60oC, di mana 60-65 % dari ammonia yang tidak bereaksidan sedikit karbon dioksida yang tidak bereaksi didestilasi dan dikumpulkan pada absorber. Material yang diabsorbsi dapat digunakan kembali di reaktor atau diubah menjadi pupuk cair.

4. Residu pada ammonia still, yang mengandung banyak urea dan air, dimasukan dalam cristallyzer di mana didinginkan hingga kira-kira 15oC.

8

Cooler

Autoklaf

Ammon

ia still

CentrifugeCrystallizer

Dilution tank

Absorbe

Karbon dioksida

Ammonia

Air

Urea (padat)

Pupuk cair

Kira-kira 70% ammonia bebas yang dihilangkan dengan vacuum dan dimasukan pada recovery system.

5. Slurry yang dihasilkan dilewatkan pada centrifuge untuk memisahkan kristal urea.

6. Cairan induk yang mengandung kira-kira 21% ammonium karbamat, 38% urea, 14% ammonia, dan 27% air dimasukan dalan ammonia-recovery system, di mana akan doleh menjadi pupuk cair.

9