Proses industri nitrogen
KATA PENGANTAR
Puji
Syukur kami ucapkan atas kehadirat dan ridho dari Tuhan YME, karena dengan ridho-Nya kami dapat
menyelesaikan tugas makalah dan presentasi Proses Industri Kimia dengan judul “
Industri Nitrogen”.
Makalah
Industri Nitrogen ini berisi tentang sejarah, pengertian, sifat, kegunaan serta
macam – macam cara mengikat nitrogen dalam proses pembuatannya. Makalah ini
dibuat dengan tujuan agar mahasiswa dapat memahami apa nitrogen dan bagaimana
proses pembuatannya dari bahan baku sampai menjadi gas yang siap untuk diolah
menjadi bahan baku pembuatan bahan lainnya, seperti pupuk, dan lain sebagainya.
Terima
kasih kami ucapkan kepada seluruh pihak yang telah berjasa membantu kami
dalam menyelesaikan makalah ini :
1.
Pak ferdi,
selaku Dosen Pengganti Proses Industri Kimia yang telah mengarahkan dan
memberikan beberapa sub. bagian materi yang akan kami bahas pada saat
presentasi mengenai materi ini ke rekan – rekan mahasiswa teknik kimia lainnya.
2.
Rekan – rekan
kelompok 3 yang turut aktif membantu terselesainya makalah ini dengan baik dan tepat
waktu.
Semoga laporan
praktikum ini dapat berguna dan bermanfaat bagi banyak pihak terutama mahasiswa
Teknik Kimia. Apabila terdapat kesalahan dalam penyusunan makalah ini, baik
penulisan atau yang lainnya, penulis memohon maaf yang sebesar - besarnya.
Penulis
Surabaya,
25 Oktober 2011
PENDAHULUAN
Nitrogen yang berasal dari udara
merupakan komponen utama dalam pembuatan pupuk dan telah banyak membantu
identifikasi produksi bahan makanan di seluruh dunia. Pengembangan proses
fiksasi nitrogen telah berasal memperjelas berbagai asas proses kimia dan
proses tekanan tinggi, serta ikut menyumbang dalam perkembangan dunia teknik.
Sebelum adanya proses fiksasi nitrogen
secara sintetik, sumber utama nitrogen untuk keperluan pertanian
hanyalah bahan limbah dan kotoran hewan, hasil – hasil dekomposisi bahan –
bahan tersebut serta ammonium sulfat yang didapatkan dari hasil sampingan
pembuatan kokas dari batu bara. Bahan – bahan ini tidak mudah ditangani dan
jumlahnya pun tidak cukup banyak untuk dapat memenuhi semua kebutuhan yang
diperlukan. Salpeter Chili, salpeter
dari air kencing hewan dan manusia, dan ammonia yang dikumpulkan dari
pembuatan kokas, menjadi penting belakangan ini tetapi akhirnya disisihkan lagi
oleh ammonia sintetik dan nitrat. Amonia merupakan bahan dasar bagi pembuatan
hampir semua jenis produk yang mengandung nitrogen.
SEJARAH
Awalnya, 2 orang ilmuwan Priestley
dan Cavendish melewatkan percikan bunga api listrik di dalam udara dan
mendapatkan nitrat setelah melarutkan oksida yang terbentuk dari reaksi itudi
dalam alkali. Tetapi pengembangan ini secara komersial ternyata tidak mudah karena
memakan energy listrik banyak sekali dan efisiensinya sangat rendah. Nitrogen
pernah difiksasi ( diikatkan dari udara ) sebagai kalsium sianida, tetapi
proses ini ternyata terlalu mahal, kecuali untuk menghasilkan bahan kimia yang
mengandung konfigurasi sianamida. Proses – proses lain, seperti pengolahan
termal atas campuran oksida nitrogen (NOX), pembentukan sianida, pembentukan
aluminium nitride dan dekomposisi menjadi ammonia, dsb, ternyata tidak
menunjukkan harapan untuk dapat dikembangkan secara positif walaupun proses ini
secara teknis telah terbukti dapat dilaksanakan. Haber dan Nersnt melakukan
pengkajian yang teliti mengenai keseimbangan antara nitrogen dan hydrogen di
bawah tekanan sehingga membentuk ammonia. Dari pengkajian itu, merekan berhasil
menemukan beberapa katalis yang cocok. Tetapi pada masa tersebut peralatan
tekanan tinggi belum ada., sehingga mereka harus menciptakannya sendiri untuk
dapat melakukan penelitian itu. Haber dan Bosch juga mengusahakan proses yang
dapat diterapkan untuk menghasilkan hydrogen dan nitrogen murni. Cara yang
nyata yaitu elektrolisis air untuk membuat hydrogen dan destilasi udara cair
untuk membuat nitrogen ternyata terlalu mahal, sehingga mereka terpaksa
menciptakan proses lai yang lebih murah. Usaha bersama mereka telah berhasil
menciptakan prosees sintesis ammonia pada tekanan tinggi di tahun 1913. Proses
ini sangat banyak menggunakan energy, sehingga banyak mengalami modofikasi
akhir – akhir ini. Dengan demikian, tingkat kenaikan harganya tidak sampai
setinggi setingkat kenaikan harga energy pada umumnya. Perbaikan – perbaikan besar
masih terus berlangsung dengan amat cepatnya.
PENGERTIAN
Nitrogen adalah unsure kimia dalam
table periodic yang memiliki lambang N dan nomer atom 7. Biasanya ditemukan
sebagai gas tanpa warna, tanpa bau, tanpa rasa dan merupakan gas diatomic bukan
logam yang stabil, sangat sulit bereaksi dengan unsur atau senyawa lainnya.
Dinamakan zat lemas karena zat ini bersifat malas, tidak aktif bereaksi dengan
unsur lainnya.
Nitrogen mengisi 78,08 % atmosfir
bumi dan tedapat dalam banyak jaringan hidup. Zat lemas membentuk banyak
senyawa penting seperti asam amino, amoniak, asam nitrat dan sianida.
Sifat – sifat nitrogen
Komponen utama udara adalah nitrogen
yang memiliki sifat – sifat fisik sangat dekat dengan oksigen sehingga
menyulitkan dalam proses pemisahan oksigen dan nitrogen. Nitrogen tidak
mendukung pemakaran, dan karena nitrogen adalah suatu gas yang tergolong asphyxiant,
maka seseorang dalam lingkungan yang kaya akan nitrogen akan sangat cepat
kehilangan kesadaran dan dapat meninggal dunia.
Nitrogen pada tekanan atmosferik
adalah gas yang tidak berwarna, tidak berasa, tidak berbau. Bila tercairkan,
nitrogen 19 % lebih ringan dari air. Titik didih pada tekanan atmosfer adalah
-196ºC (77 K). dan berat molekulnya
28.013.
Liquid nitrogen berbeda dengan
liquid oksigen, karena nitrogen tidak berwarna. Nitrogen tidak memiliki sifat
paragmetik seperti hal nya oksigen.
Manfaat nitrogen
Nitrogen dapat digunakan, antara lain
:
1.
Pembuatan
ammoniak tetapi bukan dari N2 murni tetapi dari udara langsung
2.
Untuk
melindungi bahan makanan dari gangguan bakteri dan jamur
3.
Gas inert dalam
pabrik
4.
Start tip pada
pabrik amoniak
PROSES PEMBUATAN NITROGEN
Uraian
1. Filtrasi
Udara bebas yang menjadi feed atau umpan sebagai bahan baku
pembuatan gas nitrogen terlebih dahulu disaring dengan menggunakan filter
dengan kerapatan (mesh) tertentu sesuai dengan spesifikasi tekanan dan flow compressor.
Contoh gas pengotor / debris (partikel kasar yang tidak
dikehendaki) : uap air, karbondioksida, debu juga bisa menjadi zat pengotor
pada udara bebas. Zat pengotor ini harus dihilangkan karena dapat menyebabkan
penyumbatan pada peralatan, tingkat
bahaya yang dapat ditimbulkan, korosi, dan juga dalam batas – batas tertentu
dilarang terkandung dalam spesifikasi produk akhir.
2. Kompressi
Udara yang telah difilter diumpankan ke inlet kompresor untuk
dinaikkan tekanannya. Efisiensi kompresor sangatlah penting, oleh karena itu
dibutuhkan pemilihan jenis kompresor yang tepat. Umumnya digunakan kompresor
tipe turbo (sentrifugal) multi stage dengan pendingin diantara stagenya.
Energi yang digunakan akan sebanding dengan besar energi output produk ditambah
cold production.
3. Cooling Water
Air umumnya digunakan sebagai pendingin pada industry sebab air
tersedia jumlahya dan mudah ditangani. Air juga mampu menyerap sejumlah besar
enegi per satuan volume dan tidak mengalami ekspansi maupun pengerutan dalam
rentang temperature yang biasanya dialaminya. System penguapan terbuka
merupakan tipe system pendingin yang umumnya digunakan dalam plant pemisahan
udara.
Outlet compressor akan sangat panas, ini akan mengurangi efisiensi
pada proses selanjutnya, maka dibutuhkan pendinginan sampai pada temperature
desain (tergantung dari spesifikasi alat dan bahan yang digunakan pada proses).
Pada sebagian industry menggunakan system direct cooler pada proses
pendinginannya, dimana terjadi kontak langsung antara udara dengan air pada
sepanjang tray direct cooler. Direct cooler mempunyai kelebihan dari pada
proses pendinginan yang menggunakan tube atau shell cooler, dimana temperature
yang bisa dicapai yaitu 2ºC, sedang pada tube atau shell cooler hanya sekitar 8ºC,
efek pengguyuran (scrubbing) dari air juga dapat membantu menurunkan kandungan
partikel dan menyerap pengotor yang terbawa udara. Namun jika direct cooler
tidak terjaga,seperti ∆P tinggi (pada aliran dan udara masuk) dan tinggi cairan
(pada aliran air). Oleh karena tingginya perbedaan temperature yang melalui
tray bawah unit, maka pada tray ini sangat mungkin terjadi pembentukan kerak. Untuk
alasan itu, water treatment harus bekerja efektif dan tray harus dibersihkan
dan diperiksa jika memungkinkan.
4. Purrification (Pemurnian)
Air, CO2, Hidrokarbon adalah unsur pengotor udara yang akan
menggangu proses, air dan CO2 akan membeku lebih awal (titik beku lebih tinggi
dari pada Nitrogen sehingga berpotensi menyumbat di bagian-bagian tertentu
dalam proses). Sedangkan Hidrokarbon berpotensi menyebabkan ledakan di daerah
bagian bawah kolom distilasi (tempat terjadinya penumpukan hidrokarbon).
Di PPU (pre purification unit) terdapat beberapa lapisan, umumnya
terdiri dari molecular shieve (butiran2 ukuran mikro berlubang yang seukuran
dengan dimensi partikel CO2, H2O dan beberapa jenis hidrokarbon), tujuannya
untuk memerangkap CO2, H2O dan hidrokarbon. lapisan lainnya adalah alumina yang
bertujuan untuk memerangkap H2O yang lolos dari lapisan pertama.
5. Heat Exchanger (Pemindah Panas)
Udara yang telah murni dimasukkan ke kolom distilasi melewati heat
exchanger (untuk pendinginan awal, yg disilangkan dengan keluaran expander)
sebagai feed gas (untuk terjadinya distilasi dibutuhkan feed gas dari bawah
kolom dan reflux dari atas kolom dengan rasio 10:7 untuk tipe packed tray).
6. Ekspansi
Sebagian udara diumpankan ke expander untuk memproduksi dingin yang
dibutuhkan proses (reflux dan heat loss recovery) sehingga keluarannya
berbentuk cairan yang di umpankan ke atas kolom melewati heat exchanger sebagai
reflux. Untuk ini, expander membutuhkan penyerap energi sebesar cold production
yang diinginkan, bisa dicouple dengan alat oil brake, generator, kompressor
atau yang lainnya.
7. Distilasi
Pada proses ini final terjadi proses pemisahan antara gas – gas
yang terkandung pada udara bebas sebagai umpan melalui perbedaan titik didih
(relative volatilitas).
Kolom yang telah diumpani oleh feedgas dan reflux dengan
proporsional akan menghasilkan homogenitas di area2 tertentu, bagian atas kolom
akan homogen dengan Nitrogen, bawah kolom dengan oksigen, ini dikarenakan beda
titik cair, pada temperatur kolom sebesar -170 DegC, oksigen lebih cenderung
untuk berubah menjadi cairan (titik cair O2 = -183 DegC pada atm pressure) dan
menuju bawah kolom, sedangkan nitrogen cenderung bertahan pada bentuk gas
(titik cair N2 = -195,8 DegC pada atm pressure) dan menuju bagian atas kolom.
Pada kolom terdapat tray bertingkat yang memungkinkan terjadinya lebih banyak
pergesekan antara feed gas dan reflux sehingga lebih memungkinkan bagi kedua
jenis stream untuk bertukar properti. Feed gas akan diserap sebagian energinya
sehingga menjadi lebih dingin dan membuat O2 melambat dan cenderung mencair,
sedangkan N2 karena masih jauh dari titik cairnya akan tetap berupa gas.