Kelompok 10-Paper Sintesis Amonia Dengan Katalis Ru Dan Fe

PAPER TEKNIK REAKSI KIMIA SINTESIS AMMONIA

KELOMPOK 10 M. SOFA KHODI MUTIARA KARTINI RIA KUSUMA DEW WIHARDI SETYO

KATA KATA PENGANTAR PENG ANTAR

Puji syukur kami panjatkan panjatkan atas kehadirat Allah Allah SWT karena atas berkat dan rahmat Nyalah makalah Teknik Teknik Reaksi Kimia ini dapat terselesaikan tepat pada waktunya. Makalah Sintesis Ammonia Ammonia ini merupakan salah satu tuas mata kuliah Teknik Teknik Reaksi Kimia semester ! ini. "alam penyelesaian makalah ini# kami mendapatkan banyak bimbinan dari berbaai pihak. $leh karena itu# sepantasnya jika kami menu%apkan terima kasih kepada& '.

(apa (apak k Slam Slamet et yan yan telah telah memberi memberika kan n keper% keper%ay ayaan aan dan dan kesem kesempa patan tan kepa kepada da kami kami untuk menyelesaikan pembuatan pembuatan makalah Teknik Teknik Reaksi Kimia ini serta memberikan penarahan dan bimbinannya bimbinannya kepada kami.

2.

Semua pihak yan telah membantu# baik se%ara lansun maupun tidak lansun# yan tidak dapat disebutkan satu per satu. Kami menyadari bahwa makalah ini masih belum sempurna. $leh karena itu# kami

menharapkan kritik dan saran yan positi) aar makalah ini dapat menjadi lebih baik dan berdaya una di masa yan akan datan. Akhir kata# kami berharap supaya makalah Sintesis Ammonua ini dapat menjadi salah satu sumber re)erensi ilmiah yan berman)aat bai banyak pihak. Terima Terima kasih.

*ormat kami#

Penulis

KELOMP KELOMPOK OK 10 10 | DEP DEPARTEM ARTEMEN EN TEKN TEKNIK IK KIMI KIMIA A

2

KATA KATA PENGANTAR PENG ANTAR

Puji syukur kami panjatkan panjatkan atas kehadirat Allah Allah SWT karena atas berkat dan rahmat Nyalah makalah Teknik Teknik Reaksi Kimia ini dapat terselesaikan tepat pada waktunya. Makalah Sintesis Ammonia Ammonia ini merupakan salah satu tuas mata kuliah Teknik Teknik Reaksi Kimia semester ! ini. "alam penyelesaian makalah ini# kami mendapatkan banyak bimbinan dari berbaai pihak. $leh karena itu# sepantasnya jika kami menu%apkan terima kasih kepada& '.

(apa (apak k Slam Slamet et yan yan telah telah memberi memberika kan n keper% keper%ay ayaan aan dan dan kesem kesempa patan tan kepa kepada da kami kami untuk menyelesaikan pembuatan pembuatan makalah Teknik Teknik Reaksi Kimia ini serta memberikan penarahan dan bimbinannya bimbinannya kepada kami.

2.

Semua pihak yan telah membantu# baik se%ara lansun maupun tidak lansun# yan tidak dapat disebutkan satu per satu. Kami menyadari bahwa makalah ini masih belum sempurna. $leh karena itu# kami

menharapkan kritik dan saran yan positi) aar makalah ini dapat menjadi lebih baik dan berdaya una di masa yan akan datan. Akhir kata# kami berharap supaya makalah Sintesis Ammonua ini dapat menjadi salah satu sumber re)erensi ilmiah yan berman)aat bai banyak pihak. Terima Terima kasih.

*ormat kami#

Penulis


2

DAFTAR ISI

i i

*alaman +udul Kata Penantar i

"a)tar ,si iii

BAB I PENDAHULUAN '

'.'

atar (e (elakan '

'.

Aplik plikas asii dan Keun eunaa aan n Ammonia onia  0 '

'./ Proses Pembuatan Ammonia BAB II SINTESIS AMONIA DENGAN KATALIS RU DAN FE 0

'

.' Sintesis Amonia denan Katalis Ru 0

'

. Sintesis Amonia denan Katalis 1e 2



BAB III MEKANISME REAKSI DAN TAHAP PENENTU LAJU 



/.' Penyelesaian TP Sisntesis ammonia berdasarkan katalis Ru 



/. Penyelesaian TP Sisntesis ammonia berdasarkan katalis 1e 3

BAB

IV

ANALISA

HASIL TAHAP

PENENTU



LAJU 4

SINTESIS AMMONIA DENGAN KATALIS Ru DAN Fe 0.' Analisa TP Sintesis Amonia Amonia denan Katalis Ru

 4 /

0. Analisa TP Sintesis Amonia Amonia denan Katalis 1e 5

/

0./ Perbandinan Analisa TP Sintesis Amonia denan Katalis Ru '

dan 1e BAB

V

TINJAUAN

TERMODINAMIKA

/

SINTESIS /

AMMONIA BAB VI PENUTUP

/ 6 /

DAFTAR PUSTAKA 2


3

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Latar Belaka Belaka! ! Ammoniaatau

N*/meru erupak pakan

as

tak tak

berw erwarn arna

den denan an

bau bau

yan an

taja tajam m

menu menusu suk. k.Ti Titik tik leleh leleh ammo ammoni niaa pada pada suhu suhu -33# -33#3 3 57# dan dan titi titik k didi didihn hny ya pada pada suhu suhu -//#057.8as ammonia memiliki molekul berkutub dan dapat menalami ma%am 9 ma%am reaksi dari dasar.8as ini sanat larut pada air di mana as ammoniadenan perbandinan :olume 355 dapat larut pada air yan besar :olumenya '. ;ntuk men%airkan ammonia anhidr anhidrat at dibutu dibutuhka hkan n ruana ruanan n yan yan bertek bertekana anan n ' atm ammoni ammoniaa yan yan men%air men%air bila bila dilarut dilarutkan kan kedalam kedalam N*/ Na =am> ? e =am>

Ga"#ar 1. Struktur ammonia

(erikut merupakan tabel si)at )isik dan kimia ammonia & Ta#el 1. Si)at )isika ammonia

Karakteristik Berat molekul #ar$a Bau Kea%aa$ )sik Titik lele Titik %i%i-

Nilai/Detail 1!03 "/mol Ti%ak &er'ar$a Ber&au ta(am *as +,a%a su-u kamar. ! o 33!3 o




Titik fash 11 o Titik %ekom,osisi 00 o Massa (e$is %alam asa 0!1 "/L "as Massa (e$is %alam asa 0!5616 "/L 4air Massa (e$is ua, 8u-u kritis Teka$a$ kritis Keasama$ +,Ka. Ke&asaa$ +,K&.

0!57 132! o 111!3 o 7!2 !

Ta#el 2. Si)at kimia ammonia

Karakteristik 8truktur kimia Be$tuk molekul 8u%ut ikata$ Ti,e &asa A:sit; 8iat korosi 8iat oksi%asi Reakti
Nilai/Detail N93 Pirami%a se"iti"a 10! o LemaTi$""i Korosi ter-a%a,

&e&era,a

lo"am Pere%uksi ;a$" kuar uku, reakti Me$i$"kat

seiri$"

&ertam&a-$;a ,9

1.2 A$l%ka&% 'a Ke!uaa A""(%a

Ammonia adalah sumber terbesar dari abunan memiliki banyak man)aat# '..'

(ahan baku pupuk Amonia banyak diunakan untuk bahan baku pembuatan pupuk# tetapi hanya ketika berada dalam bentuk aram atau %ampurannya# yaitu amonia su)at dan amonia nitrat. Amonia nitrat memiliki rumus senyawa N*0 N$/ diunakan dalam pupuk denan kadar nitrat yan tini. Senyawa ini terbentuk denan reaksi asam basa antara amonia dan nitrat *N$/ =aq> ? N*/ = g > @ N*0 N$/(aq)

KELOMPOK 10 | DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

2

Amonia sul)at memiliki rumus senyawa =N* 0>S$0 banyak diunakan dalam pupuk untuk mereduksi p* dari tanah. Senyawa ini terbentuk denan sintetik amonia yan bereaksi denan asam sul)at N*/ ? *S$0 @ =N*0>S$0 '..

Produksi asam nitrit =*N$/> Se%ara lansun ataupun tidak lansun# amonia menjadi sumber dari senyawa yan menandun nitroen.Se%ara :irtual# semua nitroen sintetik diturunkan dari amonia.Salah satu penurunan yan pentin adalah asam nitrit.

'../

Pembersih Amonia rumah atau amonium hidroksida adalah larutan N*/ dalam air yan diunakan sebaai produk pembersih di rumah.Pembersih ini banyak diunakan untuk

membersihkan

ka%a

dan stainless

steel.Pembersih

ini

biasanya

menandun amonia ! hina '5 .Konsentrasi larutan tersebut diukur dalam satuan baumB.Produk larutan komersial amonia berkonsentrasi tini biasanya memiliki konsentrasi 6 derajat baumB =sekitar /5 persen berat amonia pada '!.! C7>. '..0

,ndikator uni:ersal

'..!

Re)rierant Amonia

biasa

diunakan

dalam

industri

pendininan

karena

hasil

penuapannya.Ammonia sanat sesuai diunakan sebaai re)rierant karena ammonia mudah menukar bentuk menjadi %airan dalam tekanan. $leh itu# ammonia diunakan dalam hampir semua penyejuk udara sebelum pen%iptaan penyejuk udara menunakan )reon. '..6

(ahan bakar roket Amonia diunakan dalam pembuatan hidrasin =N*0> yan diunakan sebaai

bahan bakar roket 1.2.7 Lifting gas Pada kondisi standar# amonia lebih rinan dibandin udara dan memiliki sekitar 65 kemampuan menankat dari *idroen dan *elium# amonia telah banyak diunakan untuk menerbankan balon udara-panas. '..2

"esin)ektan

'..4

Dat tambahan pada rokok

'..'5 Pembuatan N* 07l pada baterai


3

1.) Pr(&e& Pe"#uata A""(%a

Proses pembuatan ammonia menunakan teknoloi Kello (rown and Root =K(R> dari Amerika Serikat denan desain operasi '55 MTP". (ahan baku yan diunakan untuk memproduksi ammonia adalah as alam# steam dan udara. Proses Pembuatan Ammonia terdiri dari beberapa unit# yaitu & a. ;nit persiapan as umpan baku. b. ;nit pembuatan as sintesa. %. ;nit pemurnian as sintesa. d. ;nit sintesa ammonia. e. ;nit pendininan ammonia. ). ;nit daur ulan ammonia. . ;nit daur ulan hidroen. h. ;nit pembankit steam

1.3.1

U%t Per&%a$a Ga& U"$a Baku * Ra+ ,ee' !a& Pre$arat%( 8as alam = Natural 8as > dari Kilan dialirkan ke dalam 1uel and 1eed 8as

Kno%k $ut "rum ='5'-1> untuk memisahkan senyawa hidrokarbon berat. "ari K$ "rum sebaian as alam diunakan sebaai bahan bakar dan sebaian lai sebaai bahan baku proses. Sistem persiapan as umpan baku terdiri dari beberapa tahapan proses# yaitu penhilanan sulfur # penhilanan mercury# dan penhilanan CO2. De&ul,ur%er / 8as alam sebaai bahan baku proses dialirkan ke dalam "esul)uri yan berisikan spone iron yaitu potonan-potonan kayu yan telah di imprenasi denan 1e$/. Spone iron ber)unsi menyerap sul)ur yan ada dalam as alam. Masin-masin"esul)uri
1e$/ ? /*S ----F 1eS/ ? /*$

$perasi dilakukan dalam keadaan jenuh dan basa =p* antara 2#5 sampai 2#!>. Keadaan jenuh dimaksud aar *S dapat teradsorbsi oleh air dan kemudian bereaksi




denan 1e$/# sedankan kondisi basa diperlukan karena spone iron bersi)at basa. ;ntuk men%apai keadaan tersebut maka diinjeksikan Na 7$/ sebanyak 0 sampai '5 wt se%ara berkala.

Mer0ur Guar' Ve&&el /

8as dari "esul)uri
O2 Pretreat"et U%t *PU- /

7P; ber)unsi untuk menurunkan kandunan 7$  pada aliran as umpan dari / menjadi 0. 8as 7$  dihilankan denan %ara penyerapan memakai larutan a%ti:ated M"HA =Methyl 9 "iethanol Amine> denan konsentrasi !5 Wt pada temperatur 35 sampai 3457 didalam menara Absorber =''5-H>. Reaksi yan terjadi adalah & 7$ ? *$ -----F *7$/ *7$/ ? aM"HA -----F =aM"HA>?=*7$ />

8as masuk keAbsorber dari baian bawah dan larutan aM"HA dari baian atas sehina terjadi kontak lansun antara keduanya. arutan yan telah menikat 7$ direenerasi diStripper =''5-H> selanjutnya di :ent ke udara. Selain menikat 7$# larutan aM"HA jua mampu menikat hidroen sul)ida sehina produk 7$ hasil reenerasi di 7P; tidak dapat diunakan sebaai produk sampin dikarenakan pada proses berikutnya di pabrik urea memerlukan 7$ murni yan tidak menandun hidroen sul)ida dan impurities lainnya. Proses penyerapan 7$ dilakukan pada tekanan tini dan temperatur rendah sedankan pelepasan dilakukan pada tekanan




rendah dan temperatur tini karena pada kondisi inilah kedua reaksi diatas berlansun optimum.

F%al De&ul,ur%er /

1inal "esul)uri merupakan :essel yan berisi dua unun katalis# bed baian atas berisi katalis Ni%kel Molibdate yan ber)unsi untuk menubah sul)ur oranik yan terdapat di dalam as umpan menjadi sul)ur anoranik =* S> denan mereaksikannya denan hidroen# dan unun baian bawah berisi katalis Dn$ yan ber)unsi untuk menyerap *S yan terbentuk dari unun pertama. Reaksinya adalah & RS* ? * -----F R* ? *S *S ? Dn$ -----F DnS ? * $

Sebelum masuk ke 1inal "esul)uri
1.).2

U%t Pe"#uata Ga& S%te&a * St3e&a Ga& Sistem ini bertujuan untuk menubah as yan berasal dari sistem persiapan

as umpan baku menjadi as 7$# 7$ dan * melalui tahapan proses sebaai berikut&

Pr%"ar Re,(r"er / 8as proses masuk ke Primary Re)ormer bersama denan superheated steam

denan perbandinansteam denan karbon /# & ' untuk menubah hidrokarbon menjadi 7$# 7$  dan *. (ila rasio steam denan karbon lebih ke%il dari /#!


5

menyebabkan terjadinya reaksi karbonasi =%arbon )ormation atau %arbon %ra%kin> yan

menakibatkan

ketidak

akti)an

katalis

karena

pemanasan

setempat.

Ada dua jenis katalis yan di unakan untuk kelansunan reaksi re)ormin pada Primary Re)ormer# yaitu katalis nikel =,7,9!90 > dibaian atas dan nikel =,7,9 !390> pada baian bawah. Reaksi yan terjadi di Primary re)ormer adalah sebaai berikut & 7*0 ? *$ -----F 7$ ? /*  7$ ? *$ -----F 7$ ? *

Reaksi

pada

Primary

Re)ormer

berlansun

se%ara

endotermis

=menyerap

panas>.Sumber panas dihasilkan dari 25bur ner denan tipe penapian ke bawah untuk memanaskan '2 tube katalis.Temperatur as inlet re)ormer 045 57.Temperatur reaksi dijaa 2/57 pada tekanan 0' kE%m . +ika temperatur lebih rendah maka reaksi akan beresar ke arah kiri =reaktan>.

Primary Reformer terdiri dari dua seksi# yaitu seksi radiasi dan seksi kon:eksi.Pada seksi radian merupakan ruan pembakaran dimana terdapat tube katalis dan burner. Tekanan di Primary Re)ormer dijaa -3 mm*$ supaya perpindahan panas lebih e)ekti) dan api tidak keluar dan untuk menjaa ke:akuman dipakai ,ndu%t "ra)t 1an ='5'-(+'T>. Sedankan udara pembakaran untuk burner disuplai oleh 1or%e "ra)t 1ant ='5'-(+T>.

Se0('ar Re,(r"er /

;ntuk menyempurnakan reaksi re)ormin yan terjadi di Primary Re)ormer ='5'-(># as dialirkan ke Se%ondary Re)ormer ='5/-"> yan jua ber)unsi untuk membentuk as * # 7$ dan 7$ . Aliran as ini di%ampurkan denan aliran udara dari Air 7ompressor ='5'-+> yan menandun $  dan N. 8as# steam dan udara menalir ke bawah melalui suatu unun yan berisi katalis nikel tipe 7'0- RR dan 7'0-088 Reaksinya adalah sebaai berikut & * ? $ -----F *$ 7*0 ? *$ -----F 7$ ? /*  7$ ? *$ -----F 7$ ? *




Reaksi utama di Se%ondary Re)ormer jua merupakan reaksi endotermis# denan meman)aatkan sumber panas yan dihasilkan dari pembakaran * oleh $.Se%ondary Re)ormer beroperasi pada temperatur '23 57 dan tekanan /' kE%m .

S3%,t (4erter /

8as 7$ dalam as proses yan keluar dari Se%ondary Re)ormer diubah menjadi 7$ pada shi)t %on:erter yan terdiri atas dua baian yaitu & a.*ih Temperature Shi)t 7on:erter =6'-'50 9"'>. b.ow Temperature Shi)t 7on:erter =6'-'50 9">. *ih Temperature Shi)t 7on:erter =*TS> =6'-'50-"'> beroperasi pada temperatur /!5 sampai 0557 dan terkanan /5 kE%m  berisi katalis besi yan ber)unsi menubah 7$ dalam proses menjadi 7$  denan ke%epatan reaksi berjalan %epat sedankan laju perubahannya =kon:ersi> rendah. Reaksi yan terjadi adalah sebaai berikut & 7$ ? *$ -----F 7$ ? *

8as proses yan keluar dari *ih Temperature Shi)t 7on:erter =*TS> =6'- '50-"'># sebelum masuk ke TS =6'-'50-"> yan berisi katalis 7u diturunkan temperaturnya di dalam alat penukar panas. Proses yan terjadi pada TS =6'-'50- "> sama denan proses yan ada di *ih Temperature Shi)t 7on:erter =*TS>Kondisi operasi pada TS yaitu pada tekanan /4 kE%m  dan temperatur 06 57 denan ke%epatan reaksi berjalan lambat sedankan laju perubahannya tini.

1.).) U%t Pe"ur%a Ga& S%te&a * St3e&a Ga& $ur%,%0at%( -

Pada unit ini 7$ dan 7$  dipisahkan dari as sintesa# karena 7$ dan 7$  dapat mera%uni katalis ammonia kon:erter ='5!-">. Proses pemurnian as sintesa ini terdiri dari dua tahap proses# yaitu &


6

Ma% O2Re"(4al /

Tujuan dari 7$ remo:al adalah untuk menyerap 7$  yan terdapat dalam as sintesa. 7$ merupakan produk sampin =side produ%t> dari pabrik ammonia dan diunakan sebaai bahan baku pabrik urea. Kemurnian produk 7$  pada seksi ini adalah 44#4 :ol. ;nit ini merupakan unit penyerapan 7$  kedua setelah proses aM"HA. 8as umpan dialirkan ke absorber dan dikontakkan lansun denan larutan a%ti:ated M"HA=Methyl 9 "iethanol Amine> denan konsentrasi 05 wt. 7$ dalam as stream di serap se%ara proses )isis dan kimia. Kemudian larutan aM"HA direenerasi pada tekanan rendah dan temperatur tini di stripper.Proses penyerapan 7$ di Main 7$ Remo:al jua dilakukan pada tekanan tini dan temperatur rendah sedankan pelepasan dilakukan pada tekanan rendah dan temperatur tinni.

Met3aat(r /

1unsi dariMethanator =6'-'56-"> adalah untuk merubah as 7$ dan 7$  yan masih lolos dari Main 7$  Remo:al menjadi 7*0.Methanator merupakan suatu bejana yan diisi denan katalis nikel terkalsinasi =penukaran loam kepada oksidanya denan %ara pembakaran>. Reaksi yan terjadi adalah & 7$ ? /* -----F 7*0 ? *$ 7$ ? 0* -----F 7*0 ? *$

1.).5

U%t S%te&a A""(%a * A""(%a St3e&a u%t 8as sintesa murni denan perbandinan :olume * dan N sebesar / & '#

sebelum dialirkan ke ammonia kon:erter ='5!-"> terlebih dahulu tekanannya dinaikkan denan Syn 8as 7ompressor ='5/-+> sampai tekanan '!5 kE%m8. Kompressor ini bekerja denan dua tinkatan kompresi denan penerak turbin uap =steam turbine>.Tinkatan pertama disebut ow Pressure 7ase =P7> dan tinkatan kedua disebut *ih Pressure 7ase =*P7>.Reaksi yan terjadi pada ammonia kon:erter adalah sebaai berikut & N ? /* -----F N*/

Ammonia kon:erter menunakan katalis 1e =Promoted ,ron> dan dioperasikan pada temperatur 025o7 dan tekanan '!5 kE%m 8.


7

1.).6 U%t Pe'%!%a A""(%a * A""(%a Re,er%!rat%( U%t -

;ntuk memberikan pendininan pada ammonia diperlukan suatu system pendininan untuk menkondensasikan ammonia yan ada dalam as sintesa# as buan# serta as padainterstae kompressor as sintesa. Sistem pendininan dilakukan dalam tia tahap yaitu & '. Memberi pendininan untuk menkondensasikan ammonia yan ada dalam sintesa loop. . Memberi pendininan untuk menkondensasikan ammonia yan ada dalam as buan. /. Mendininkan as padainter s tae %ompressor as sintesa.

;ap ammonia didininkan dan dikondensasikan terlebih dahulu pada ammonia uniti. ;ap yan tidak terkondensasi dikembalikan ke sistem dan
7ompressor bertinkat

='5!-+>.Kompressor ini untuk

meman)aatkan

bekerja

berdasarkan

ammonia

sebaai

sistem media

pendinin.Kompressor ini dioperasikan untuk memenuhi kebutuhan tekanan pada Stae 1lush "rum ='5-71>."isampin itu jua dapat menaikkan tekanan dari aliran ammonia yan menalami )lushin# sehina memunkinkan ammonia terkondensasi setelah terlebih dahulu didininkan dalam Re)rierant 7ondenser ='3-7>.Produk ammonia yan dihasilkan terdiri dari dua jenis yaitu produk dinin dan produk panas.Produk dinin yan mempunyai temperatur -// 57 dikirim ke tanki penyimpanan ammonia.Sedankan produk panas denan temperatur /5 57 dikirim ke pabrik urea.

1.).7 U%t Daur Ula! A""(%a * A""(%a Re00le U%t -

;nit ini ber)unsi untuk menyerap N*/ yan terkandun didalam as buan sehina diperoleh e))isiensi produk ammonia yan lebih tini. Penyerapan kandunan ammonia yan ada dalam %ampuran as buan dilakukan dalam dua pa%ked absorber denan sirkulasi yan berlawanan ar ah antara as-as denan air. *P

KELOMPOK 10 | DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA 10

Ammonia S%rubber ='50-H> menyerap ammonia yan terikut dalam pure as tekanan tini dari sintesa loop denan temperatur 2#2o7. 8as-as yan keluar dari menara absorber dikirim ke unit daur ulan hidroen =*R;>. P Ammonia S%rubber ='5/-H> menyerap ammonia yan terikut di dalam pure asdari Ammonia etdown "rum ='53-1> dan Re)rierant Re%ei:er='54-1> yan bertemperatur -'3o7. 8as-as yan keluar dari menara absorber dikirim ke primary re)ormer sebaai bahan bakar.arutan aIua ammonia dari *P ammonia s%rubber dan P ammonia srubber serta kondensat dari *R; dipanaskan sampai '6!o7 di Ammonia Stripper 1eedEH))luent HJ%haner =6'-'0'-7> lalu dialirkan ke Ammonia Stripper ='5!-H>.Pada%olum n ini terjadi pelepasan ammonia dari aIuas ammonia# ammonia yan telah dipisahkan dikirim kembali ke re)rierant system. ;ntuk menjaa temperatur ammonia keluar dari top %olumn dispray ammonia %air dari produk panas melalui inlet sparerdi top %olumn. ;ntuk memberi panas ke %olumn diunakan Ammonia Stripper Reboiler ='05-7> denan menunakan steam.

1.).8 U%t Daur Ula! H%'r(!e * H'r(!e Re00le U%t -

;nit daur ulan hidroen =*ydroen Re%o:ery ;nit> ini menunakan teknoloi membran separation yan diproduksi oleh Air Produ%t ;SA. Tujuan daur ulan hidroen adalah untuk memisahkan as hidroen yan terdapat dalam pure asdari *P Ammonia S%rubber =6'-'50-H> sebelum dikirim ke )uel sistem.

Sedankan hidroen yan diperoleh dikembalikan ke sintesa loop untuk diproses kembali menjadi ammonia. Prism separator merupakan inti dari peralatan pada *R;.Prism separator menunakan prinsip pemilihanpermeation =perembesan> as melalui membran semi permeabel. Molekul as akan berpindah melalui batas membrane jika tekanan parsial dari as lebih rendah dari tekanan di sebelahnya. Membran ini tediri dari hollow )iber yan terdiri dari sebuah bundle hollow )iber yan mempunyai seal pada setiap ujunnya dan melalui tube sheet.(undle ini dipasan dalam bentuk pressure :essel. Setiap separator mempunyai / buah no<
1.).9 U%t Pe"#a!k%t Stea" * Stea" S&te" U%t


Hneri panas yan dihasilkan oleh panas reaksi proses# dimam)aatkan pada beberapa penukar panas untuk memanaskan air umpanboiler yan akan dijadikan steam. Penukar panas yan dilalui air umpan boiler adalah & '. Re)ormer Waste *eat (oiler ='5'-7>. . *ih Pressure Steam Superheater ='5-7>. /. *TS H))luent Steam 8enerator ='5/-7'E7>. 0. Ammonia 7on:erter Steam 8enerator ='/-7'E7>. !. (1W Preheat 7oil ='5'5(7(>. Air umpan boiler dari utilitas masuk ke "eaerator ='5'-;> untuk menhilankan oksien terlarut denan %ara mekanis =steam bubblin dan strippin> dan se%ara kimia =injeksi* ydr a< ine> ke dalam" eaer ator# kemudian dikirim denan (1W Pump ='50-+>

ke

Steam

"rum

='5'-1>

melalui

alat-alat

penukar

panas.

Steam yan keluar dari steam drum dipanaskan di *ih Pressure Stam Superheater ='5-7> hina temperatur /3 57 dan tekanan '5! kE%m 8# kemudian dipanaskan lai di *P Steam Super *eat 7oil ='5'-(7S'E(7S> untuk menhasilkan superheated steam =steam S> denan temperatur !'5 57 dan tekanan '/ kE%m 8.

Ga"#ar 2. "iaram alir proses pembuatan amonia.


Ga"#ar ). "iaram alir proses pembuatan amonia.

BAB II SINTESIS AMMONIA DENGAN KATALIS Ru DAN Fe

2.1 S%te&%& A""(%a 'e!a Katal%& Ru Ber%kut %% a'ala3 :ural a! '%!uaka/


Material Ruthenium

berbasis adalah

katalis

enerasi keduauntuk

sintesis

amonia.Rutenium

bersi)at

kuran

dihambatoleh amonia# kuran peka terhadap ra%un# dan

lebih

akti) daripada katalis berbasis besi. "ibandinkan besi# Ru yan relati) lebih mahal disperse tini dari loam sebaai support. heOcelot !monia Plant di (ritish 7olumbia# menunakandidukun katalis Ru denan karbon sebaai support.Penurunan yan sini)ikandari konsumsi eneri diamati dari katalis baru tersebut# namun# Ru jua dikenal luas diunakan untuk menkatalisisasi)ikasi karbon."enan demikian# masa pakai dari katalis Ru denan karbon sebaai support# dapat menhambat pemakaiannya se%ara luas. $leh karena itu oksida loam non-reduksi karena itu sedan diteliti sebaai support penanti karbon yan potensial untuk katalis Ru. Tanpa adisi promotor dasar# Ru memiliki sanat sedikitakti:itas katalitik untuk sintesis

amonia.;mumnya#

promotor

dasar

seperti

oksida loam

alkali

atau

hidroksidaadalah pilihan terbaik. Salah satu perbedaan yan sini)ikan antara kinetika sintesis amonia denan katalis Ru

terhadap1e adalah keterantunan laju terhadap

tekanan *. (iasanya# katalis Ru sanat terinhibitasi oleh dihidroen# denan order reaksi serin mendekati -'.Sedankan orde reaksi 1e terhadap dihidroen bernilai positi).$rde reaksi neati:e dihidroen untuk katalis Rumenunjukkan bahwa katalis harus

dioperasikan

pada=less

thermodynami%ally

)a:orable

nonstoi%hiometri%

%onditionsL.Maka# katalis Ru yan kuran dihambat oleh *  adalah yan sanat diininkan. Support dan promoter lantanida dan promotor menurunkan inhibitasi oleh * . Sebaai %ontoh# adalah bahwa promosi lantanum Ru pada support
KELOMPOK 10 | DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA 1

hampir menhilankan inhibitasi dihidroen selama sintesis amonia pada tekanan total 5#3 atm. Suatu alkali tanahpromotor seperti (a jua menurani inhibitasi *  selamasintesis amonia pada 7o# paduan 7o-1e# katalis Ru E M$ dan katalis Ru E 7. "ua jenis model telah diunakan untuk menambarkankinetika sintesis amonia denan katalis Ru disupport oleh oksida nonreduksi. Model yan palin sederhana menasumsikan bahwa adsorpsi disosiati) dari dinitroen adalah tahap penentu laju dan intermediet yanada pada permukaan dalam jumlah yan sini)ikan se%ara kinetik adalah atom-atom N dan *. Adsorpsi * dan lankah-lankah hidroenasi berikutnya dianap mendekati setimban. Model ini dijabarkan pada Mekanisme '&

Model kedua yan lebih kompleks diunakan oleh *inri%hsenet al. dan "ahl et al. ;rutan reaksi# sebaaimana ditunjukkan pada Mekanisme # merankum semua reaksi elementerpada permukaan.*al ini memunkinkan bai N# *# N*# N* # danN*/ untuk hadir di permukaan dalam jumlah yan sini)ikan se%ara kinetik.

2.1.1 Rut3e%u"

 Pada '445 KKAP menunakan katalis ruthenium denan support ra)it.  uas permukaan lebih besar# memiliki akti)itas yan lebih tini pada tekanan rendah.

KELOMPOK 10 | DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA 1

 "isiapkan denan menyublim ruthenium-karbonil ke permukaan terlapis karbon#     

yan mana dihasilkan oleh rubidium nitrat. Ru merupakan katalis enerasi kedua untuk sintesis amoniak setelah 1e Kuran sensiti) terhadap ra%un katalis ebih akti) daripada katalis 1e ebih mahal dari katalis 1e karena memiliki dispersi tini terhadap loam support Perbedaan yan sini)ikan denan katalis 1e adalah katalis Ru lebih kuat meninhibisi reaksi adsorpsi hidroen

2.1.2 Katal%& Ru;Ba
 M$ menurunkan alomerasi dari Ru pada temperatur tini# yan meninkatkan  

jumlah Ru yan tersedia. ;kuran Ru meninkat# meninkatkan luas permukaan. Promosi manesium terhadap Ru-(aEA7 meninkatkan se%ara sini)ikan rasio utilisasi dari loam mulia dan per)orman%e-pri%e ratioL. Ta#el 2. H)ek promoter M dalam akti:itas katalis Ru-(aEA7 untuk sintesis

amonia

2.1.) Pe!aru3 Katal%& ter3a'a$ S%te&% A"(%a


15

Ga"#ar 6. +alur reaksi untuk sintesis amonia denan katalis

Katalis material&

Ga"#ar 7. Material katalis untuk sintesis amonia

Katalis yan diunakan dalam pembahasan sintesis amonia pada makalah ini adalah Ruthenium =Ru>.

2.2 S%te&%& A""(%a 'e!a Katal%& Fe Ber%kut %% a'ala3 &u"#er a! ka"% !uaka utuk "e"#a'%!ka atara $e!!uaa katal%& Ru 'a Fe $a'a &%te&%& a"(%a &e#a!a% #er%kut/

KELOMPOK 10 | DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA 1

Reaksi antara as

N 2

dan as

H 2

adalah eksotermik dan dilakukan pada tekanan

dan temperatur tini. ield hasil reaksi akan tini bila katalis besi dipakai. Katalis besi terdiri dari reduced magnetic ore

( Fe3 O 4 ) yan diperkaya =enriched"#romoted > biasanya

oleh oksida Al dan K =atau oksida 7a# M# dan Si>. Kondisi optimal reaksi biasanya pada temperatur sekitar 055 derajat %el%ius dan tekanan '!5 sampai /55 atm. Katalis besi dipakai karena merupakan loam transisi yan memiliki #artially occu#ied d$%ands yan merepresentasikan permukaan yan %o%ok untuk adsorpsi dan disosiasi molekul

N 2

.

Permukaan katalis besi merupakan )aktor yan sanat pentin dari reaksi sintesis amonia# sehina banyak teknik dikembankan untuk mempelajarinya. ,n)ormasi kinetik# struktural# dan kimia bisa didapatkan denan menunakan Auer Hle%tron Spe%tros%opy =AHS># ow-Hnery Hle%tron "i))ra%tion =HH"># Temperature-Prorammed "esorption =TP"># -ray Photoele%tron Spe%tros%opy =PS># HJtended -Ray Absorption 1ine Stru%ture =HA1S># S%annin Hle%tron Mi%ros%opy %oupled with Hnery "ispersi:e -ray Spe%tros%opy =SHMEH"S># Se%ondary ,on Mass Spe%tros%opy =S,MS># dan lain-lain. Model teoritis dari permukaan katalis menyediakan banyak penjelasan dari proses yan belum sepenuhnya dimenerti. Proses katalitik sulit dipelajari terutama karena perbedaan tekanan


dan temperatur antara kondisi sintesis di industri denan kondisi riset# dimana sintesis dilakukan pada tekanan dan temperatur yan tini# sedankan karakterisasi permukaan memerlukan linkunan ;*G. Riset sintesis amonia denan katalis besi memerlukan ruan-ruan =cham%ers>yan didesain se%ara khusus dan serinkali inspeksi dari permukaan dari katalis industrial terjadi. Namun kondisi permukaan katalitik pada riset masih %ukup jauh berbeda dibandin kondisi pada industri.

2.2.1 A'&(r$&% N%tr(!e D%&(&%at%, &e#a!a% Ta3a$ Peetu La:u

Mekanisme dari sintesis amonia denan katalis besi dinyatakan dibawah denan tia lankah reaksi dominan N 2 ( ads ) → 2 N ( ads ) ( 1 ) N ( ads ) + H ( ads ) → NH ( ads ) ( 2)

NH 3 ( ads ) → NH 3 ( g ) ( 3 )

"iper%aya bahwa o:erall rea%tion rate dari sintesis amonia ditentukan oleh disosiasi nitroen yan teradsobsi pada permukaan katalis di reaksi ='>.(anyak studi menkon)irmasi )akta ini# walaupun terdapat bukti di eksperimen yan dilakukan pada tekanan yan lebih tini# bahwa tahap => lebih tepat dianap sebaai tahap penentu laju. Analisis AHS dari residu nitroen pada permukaan di tekanan atmos)erik tini menkon)irmasi co&erage tini dari N ( ads ) # yan berarti tahap => lebih tepat sebaai tahap penentu laju Otahap ='> dapat dianap sebaai tahap penentu laju bila terdapat co&erage tini dari

N 2 ( ads )

selama sintesis. "ata TP" menindikasikan bahwa dua bentuk dari nitroen hadir di permukaan selama sintesis# seperti diamati di pun%ak-pun%ak desorpsi nitroen yan terkait pada

N 2 ( ads )

di '5 K dan

N ( ads ) pada 255 sampai 25 K. ,nspeksi permukaan dari

katalis yan bekerja jua menunjukkan bahwa nitroen hadir palin banyak di bentuk terdisosiasinya#

N ( ads ) . Hrtl melaporkan penjelasan yan munkin dari penikatan

nitroen molekular pada besi# mende)inisikannya sebaai kon)iurasi M-N-N end-onL. "i


17

N 2

sini# stabilisasi

pada besi adalah akibat

σ

$donor cou#ling ke loam dan

¿

%ack%onding dari iron d$electrons denan

Co&erage dari

N 2 (ads )

temperatur yan meninkat

2 π

orbital koson terendah di

mendapatkan

denan menunakan AHS.8radien

sticking

$

.

pada pemukaan 1e dapat dipelajari lebih lanjut pada

merepresentasikan :ariasi di konsentrasi permukaan denan paparan untuk

N 2

π

coefficients

untuk

dissociati&e

pada kur:a-kur:a

N 2

dapat diunakan

chemisor#tion

dari

nitroen.'ticking coefficients dikalkulasi dari persaman Arrhenius s = A exp

(

−∆ E ¿ RT

)

"imana s adalah sticking coefficient # A adalah )aktor preeksponensial# adalah eneri akti:asi =untuk proses

N 2 → 2 N

−∆ E¿

># dan T adalah temperatur. 'ticking

coefficients untuk nitroen atomik pada muka = faces> katalis yan berbeda meninkat denan urutan 1e=''5>Q1e='55>Q1e='''># yan menunjukkan bahwa permukaan 1e='''> adalah katalis yan menyediakan eneri adsorpsi tertini untuk untuk disosiasi

N 2 ( ads ) menjadi N ( ads )

N 2

# dan eneri akti:asi terendah

=ambar '>.


Ga"#ar 8. Ke#er!atu!a 'ar% k(&etra&% $er"ukaa relat%, ter3a'a$ %tr(!e tera'&(r$&% 'e!a $a$ara

N 2

= '%ukur $a'a $er"ukaa Fe*111-= Fe*1>>-= 'a Fe*11>-.

2.2.2 Pe!aru3 'ar% Iron Promoters

Walapun permukaan 1e='''> dan 1e=''> murni memberikan kondisi palin %o%ok untuk adsorpsi dan disosiasi

N 2

sehina memberikan laju tertini untuk sintesis

amonia# unjuk kerja = #erformances> dari kebanyakan bidan permukaan lain kuran memuaskan. Peninkatan akti:itas katalitik dari permukaan ini dapat di%apai denan penambahan promoter. Promoter bisa sebaai electron donorsseperti kalium# yan meninkatkan laju reaksi denan menubah konsentrasi steady-state dari intermediates. Tipe lain dari promoter yan ditambahkan pada katalis besi adalah teture #romoters seperti oksida Al dan oksida 7a# yan menstabilkan ukuran partikel dan meninkatkan luas permukaan dari katalis. ;njuk kerja kalitik dari permukaan 1e='''> hampir tidak berubah setelah penambahan Al x O y

yan diikuti denan ater &a#or #retreatment . Permukaan 1e='55> dan 1e=''5>#

dapat dianap tidak akti) dalam bentuk murni# meninkat akti:itasnya se%ara drastis ketika


21

dipaparkan denan treatment yan sama. Penjelasan dari )enomena ini adalah karena pembentukan dari

C 7

sites pada bidan 1e='55> dan 1e=''5> akibat restrukturisasi

permukaan yan terjadi pada saat

Al x O y

E&a#or #retreatment . *asil TP" menkon)irmasi

)akta bahwa restrukturisasi meman terjadi pada permukaan 1e='55> dan pada permukaan 1e=''5>.

BAB III MEKANISME REAKSI DAN TAHAP PENENTU LAJU ).1. Peele&a%a TPL S%&te&%& a""(%a #er'a&arka katal%& Ru

Pada jurnal *se of +inetic modelsto e#lore the role of %ase #romoters on Ru",gO ammonia synthesis catalysts disebutkan bahwa terdapat dua model yan mekanisme yan diunakan untuk mendeskripsikan kinetika dari reaksi sintesis amoniak. Model yan palin %o%ok denan data kinetika yan ada adalah mekanisme yan kedua. Model kedua yan lebih kompleks diunakan oleh *inri%hsenet al. dan "ahl et al. Model kedua tersebut dapat merankum semua reaksi elementer pada permukaan. *al ini memunkinkan bai N# *# N*# N* # dan N*/ untuk hadir di permukaan dalam jumlah yan sini)ikan se%ara kineti% atau denan kata lain teradsorpsi di permukaan. Adapun mekanisme kedua sebaai berikut dimana terdapat 6 step. Meka%&"e A'&(r$&%


H 2+ 2 S ↔ 2 H . S ( 1)

N 2 + 2 S ↔ 2 N . S ( 2 )

Meka%&"e Reak&% Per"ukaa

H . S + N . S ↔ NH . S + S ( 3 )

NH . S + S ↔ N H 2 . S + S ( 4 )

NH 2 . S + S ↔ N H 3 . S + S ( 5 )

Meka%&"e De&(r$&%

NH 3 . S ↔ N H 3 + S ( 6 )

Kemudian# dari tahapan mekanisme yan diperoleh dari jurnal tersebut# maka dapat dijadikan a%uan untuk memulai men%ari laju reaksi sebaai berikut& Ru"u& la:u reak&% 'ar% "a&%!;"a&%! reak&% A'&(r$&%

r

' HA

r

' NA

= K A 1

(

2 

C ! H −

(

2

2

= K A 2 C  ! N − 2

C H . S

2

K 1

C N . S K 2

2

) )

Reak&% Per"ukaa '

(

r SR= K SR 1 C N . S C H .S −

C NH .S C  K 3

)


23

r

' SR

r

' SR

(

= K SR 2 C NH . S C H .S −

(

C N H . S C 

= K SR C N H .S C H . S− 3

2

K 4

)

C N H . S C  3

K 5

2

)

De&(r$&%

r NH 3. " = K " ( C NH . S− K 3 ! N H C  ) '

3

3

Reak&% A'&(r$&% N%tr(!e- "eru$aka TPL *Ta3a$ Peetu La:uKarena reaksi adsorpsi nitroen merupakan TP =Tahap Penentu aju># maka

reaksi ini yan berlansun palin lambat. Artinya# pada saat reaksi permukaan dan reaksi desorpsi sudah men%apai kondisi setimban =

r HA # 0, r S # 0



r " # 0

># hanya

reaksi adsorpsi nitroenlah yan masih belum men%apai kondisi setimban sehina persamaan laju reaksi adsorpsi nitroen dapat dijadikan sebaai dasar penurunan persamaan laju reaksi mekanisme sintesis Ammonia denan katalis Ru ini.

Peurua Ru"u& /

'

Reak&% A#&(r$&% H%'r(!e Ta3a$ 1 * r HA # 0 -

r

' HA

= K A 1

(

2 

C ! H − 2

C H . S K 1

2

)

=0

C H .S =C  √ K 1 ! H

2

'

Reak&% Per"ukaa Ta3a$ ) * r SR # 0 -


2

(

'

r SR 1= K SR 1 C N . S C H. S−

C NH . S =

C NH . S C  K 3

)=

0

C N . S C H .S K 3 C 

'

Reak&% Per"ukaa Ta3a$ 5 * r SR # 0 -

r

' SR 2

(

= K SR C NH . S C H . S− 2

C N H . S =

C N H .S C  2

K 4

)

=0

C NH . S C H . S K 4 C 

2

'

Reak&% Per"ukaa Ta3a$ 6 * r SR # 0 -

r

' SR

(

= K SR 3 C N H .S C H . S−

C N H .S =

C N H . S C 

2

3

K 5

)

=0

C N H . S C H . S K 5

3

2

C 

'

Reak&% De&(r$&% Ta3a$ 7 * r SR # 0 -

r NH 3. " = K " ( C NH . S− K 3 ! N H C  ) =0 '

3

3

C NH . S= K 3 ! N H C  3

3

K 3 ! N H C  =

C N H .S C  √ K 1 ! H K 5 2

2

C 

3

K 3 ! N H C  C N H . S = √ K 1 ! H K 5 3

2

2


2

K 3 ! N H C  3

√ K 1 ! H K 5

=

C NH . S C  √ K 1 ! H K 4 2

C 

2

C NH . S=

K 3 ! N H C  3

K 4 K 1 ! H

2

K 3 ! N H C  3

K 4 K 1 ! H K 5

=

C N . S C  √ K 1 ! H K 3 2

C 

2

C N . S=

K 3 ! N H C  3

3/2

( K ! ) 1

H 2

K 5 K 3 K 4

 A0t%4e S%te Bala0e C T =C  + C H . S + C N . S + C NH . S + C N H .S + C NH .S 2

3

Maka dapat dihasilkan a%ti:e sebaai berikut& C T =C  + C  √ K 1 ! H + 2

K 3 ! N H C  3

K 1 ! H

3 /2

2

(

K 5 K 3 K 4

+

K 3 ! N H C  K 3 ! N H C  3

K 4 K 1 ! H

2

+

3

√ K 1 ! H K 5

+ K 3 ! N H C  3

2

K 3 ! N H K 3 ! N H K 3 ! N H + + + K 3 ! N H C T =C  1 + √ K 1 ! H + 3 /2 K 1 ! H K 5 K 3 K 4 K 4 K 1 ! H √ K 1 ! H K 5

C  =

3

3

3

2

3

2

2

2

)

C T

(

1 + √ K 1 ! H + 2

K 3 ! N H

3

3/ 2

+

K 3 ! N H

3

( K 1 ! H ) K 5 K 3 K 4 K 4 K 1 ! H

2

2

+

K 3 ! N H

3

√ K 1 ! H K 5 2

+ K 3 ! N H

3

)

Rate l%"%t%! Ste$ A'&(r$&% N%tr(!e

r

' NA

= K A 2

(

2

C  ! N − 2

C N . S K 2

2

) KELOMPOK 10 | DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

25

r

r

' NA

' NA

( (

2

= K A 2 C  ! N −

(

3

3 2

( K ! ) K K K H 2

1

= K A 2 ! N −

K 3 ! N H

r

=

( K ! ) 1

H 2

3 2

K 5 K 3 K 4

K 2

2

(

(

4

)) 2

3

K A 2 ! N − ' NA

3

K 2

2

(

5

(

( K ! ) 1

+

( K ! ) K K K H 2

5

3 2

3

4

)) 2

3

K 5 K 3 K 4

K 2

3

1

H 2

2

3 2

2

2

C 

K 3 ! N H

K 3 ! N H

1+ √ K 1 ! H +

)) 2

K 3 ! N H C 

K 3 ! N H

3

K 4 K 1 ! H

2

+

2

C T

K 3 ! N H

3

√ K 1 ! H K 5 2

)

2

+ K 3 ! N H

3

"enan 2

K A 2 C T

(

= K ' 1

K 3 3 2

K 1 K 5 K 3 K 4 K 2

)

2

2

'

C T = K 2

√ K = K

'

1

3

K 3 3 2

= K ' 4

( K 1 ) K 5 K 3 K 4 K 3 K 4 K 1

= K ' 5


2

K 3

√ K K 1

= K '

6

5

Maka &

(

K A 2 ! N − r

' NA

=

(

1+ √ K 1 ! H + 2

(

K 3 ! N H

( K ! )

3 2

(

' 1

3

' 2

r

=

(

' 3

1+ K

√ ! H + K 2

' 4

2

3

K 4 K 1 ! H

( K ! ) K K K 5

K 3 ! N H

+

3

H 2

2

4

! N H

2

3

! H

2

! N H

3

3

! H

' 5

+ K

2

K 5 K 3 K 4

K 2

2

K ! N − K

' NA

H 2

1

K 3 ! N H 1

3 2

! N H ! H

3

2

+

2

C T

K 3 ! N H

)

2

3

√ K 1 ! H K 5

+ K 3 ! N H

2

3

) ' 6

+ K

2

)) 2

3

! N H

3

√ ! H

2

)

2

+ K 3 ! N H

3

).2. Peele&a%a TPL S%&te&%& a""(%a #er'a&arka katal%& Fe

Mekanismenya adalah Meka%&"e A'&(r$&% H 2+ 2 S → 2 H . S ( 1)

N 2 + 2 S → 2 N . S ( 2 ) Meka%&"e Reak&% Per"ukaa N . S + H . S → N . S + S ( 3 )

NH . S + H . S → N H 2 . S + S ( 4 ) NH 2 . S + H . S → NH 3 . S + S ( 5 )

Meka%&"e De&(r#&%


26

NH 3 . S → N H 3 + S ( 6 )

Kemudian# dari tahapan mekanisme yan diperoleh dari jurnal tersebut# maka dapat dijadikan a%uan untuk memulai men%ari laju reaksi sebaai berikut& Ru"u& la:u reak&% 'ar% "a&%!;"a&%! reak&% A'&(r$&% 2

H 2+ 2 S → 2 H . S $ r Ad 1 = % 1 ! H C & 2

(

2

2 &

N 2 + 2 S → 2 N . S $ r Ad 2=% 2 ! N C − 2

C N . S K 1

)

Reak&% Per"ukaa

(

N . S + H . S → N . S + S $ r s 1=% 4 C N . S C H .S −

C NH .s C & K 2

(

NH . S + H . S → NH 2 . S + S $ r s2 =% 6 C NH . S C H . S−

(

)

C NH 2. s C &

NH 2 . S + H . S → NH 3 . S + S $ r s 3 =% 8 C NH 2. S C H .S −

K 3

)

C NH 3. s C & K 4

)

De&(r$&%

(

NH 3 . S → N H 3 + S $ r "= % 10 C NH 3. S−

! NH 3 C & K 5

)

A&u"&% Reak&% A'&(r$&% H%'r(!e "eru$aka TPL *Ta3a$ Peetu La:uAsumsi yan diunakan adalah reaksi adsorpsi hidroen sebaai reaksi yan

lambat. Artinya# pada saat reaksi permukaan dan reaksi desorpsi sudah men%apai kondisi setimban =

r A" 2 # 0, r S # 0



r " # 0

># hanya reaksi adsorpsi hidroenlah

yan masih belum men%apai kondisi setimban sehina persamaan laju reaksi adsorpsi hidroen dapat dijadikan sebaai dasar penurunan persamaan laju reaksi mekanisme sintesis Ammonia denan katalis 1e ini. "an denan persamaan


27

C T =C & + C H .s + C N . s + C NH . s + C NH 2. s+ C NH 3. s

maka didapat laju reaksi sintesis amonia

adalah

% ! H 2

'

r=

[

1 3 NH 3

!

1+

1 3

1 6 N 2

( √ K K K K K ) ! 1

2

3

4

5

1 2 N 2

+ √ K 1 ! + 1/ 3

2 3

1 3 N 2

( √ K K K K K ) ! 1

2

3

4

5

1 3 NH 3

!

K 3 K 4 K 5 1 /6

1/ 3

+( √ K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 ) ! N 2 ! NH 3 ! NH 3 + K 4 K 5

K 5

]

2

BAB IV ANALISA HASIL TAHAP PENENTU LAJU SINTESIS AMMONIA DENGAN KATALIS Ru DAN Fe

5.1 Aal%&a TPL S%te&%& A""(%a 'e!a Katal%& Ru

(erdasarkan penyelesaian dari tahap penentuan laju ammonia denan katalis Ru# maka dapat dianalisa bahwa tahap penentu yan dipilih yaitu reaksi adsorpsi nitroen karena pada reaksi ini# reaksi berlansun palin lambat. Artinya# pada saat reaksi permukaan dan reaksi desorpsi sudah men%apai kondisi setimban = r HA # 0, r S # 0



r " # 0

># hanya reaksi adsorpsi nitroenlah yan masih belum

men%apai kondisi setimban sehina persamaan laju reaksi adsorpsi nitroen dapat dijadikan sebaai dasar penurunan persamaan laju reaksi mekanisme sintesis Ammonia


30

denan katalis Ru ini. Adapun didapatkan persamaan laju sintesis amonia denan katalis Ru sebaai berikut&

(

' 1

' 2

K ! N − K

r

' NA

=

(

' 3

1+ K

√ ! H + K 2

3

! H

2

! N H

' 4

2

! N H

3

3

! H

' 5

+ K

2

! N H ! H

2

3

2

) ' 6

+ K

! N H

3

√ ! H

)

2

+ K 3 ! N H

2

2

3

"alam industri kimia# terutama industri pupuk# kami menambil %ontoh penolahan sintesis amonia di PT. (adak N8 dimana diperkirakan memiliki kapasitas produksi !5.555 tonE tahun. Katalis yan diunakan dalam reaksi pembuatan amonia ini adalah katalis

= Ruthenium# Dn$#7oMo# Nikel> dan absorbent = ,-!/ 0enfield >.

Katalis yan diunakan berbasis Ruthenium =Ru> denan su##ort Manesium $ksida =M$> yan diteliti oleh Muhler# dkk =550>. Katal%& #er#a&%& Rut3e%u" *Ru'%$%l%3 karea "a"$u "e!k(4er&% 3%!!a $r('uk 2> ? $er pass $a'a &u3u 26>;)>>( 'a tekaa );6 MPa *Larr%03e4= 2>>8-. M$ dipilih sebaai su##ort katalis karena lebih stabil dibandinkan su##ort

karbon kon:ensional yan mudah terhidroenasi =Muhler# 550>. Katalis dibuat denan menkontakkan

Ru

melalui

imprenasi su##ort denan

Ru/=7$>' dalam

tetrahydtofurane# atau melalui chemical &a#our de#osition (C-) Ru/=7$>'. Promotor yan baik =alkali loam# alkali loam bumi# lantanida# dan kombinasinya> kemudian ditambahkan. Katalis diakti:asi denan perlakuan hidroen. Reco&ery katalis dilakukan denan men%u%i s#ent katalis untuk mendapatkan kembali promoter. Katalis sisa %u%ian dipanaskan 35o7 dalam pelarut asam nitrit ' M berlebih. 'u##ort M$ berubah menjadi larutan manesium nitrat# dipisahkan dari sisa loam Ru denan sentri)uasi atau penyarinan.

5.2 Aal%&a TPL S%te&%& A""(%a 'e!a Katal%& Fe

(erdasarkan penyelesaian dari tahap penentuan laju ammonia denan katalis 1e maka dapat dianalisa bahwa tahap penentu yan dipilih sebaai asumsi yaitu reaksi adsorpsi hidroen karena pada reaksi ini# dianap reaksi berlansun lambat. Artinya# pada saat reaksi permukaan dan reaksi desorpsi sudah men%apai kondisi setimban =


r A" 2 # 0, r S # 0

r " # 0



># hanya reaksi adsorpsi hidroenlah yan masih belum

men%apai kondisi setimban sehina persamaan laju reaksi adsorpsi hidroen dapat dijadikan sebaai dasar penurunan persamaan laju reaksi mekanisme sintesis Ammonia denan katalis 1e ini. Adapun didapatkan persamaan laju sintesis amonia denan katalis 1e sebaai berikut&

% ! H 2

'

r=

[

1 3 NH 3

!

1+

1 3

1 6 N 2

( √ K K K K K ) ! 1

2

3

4

5

1 2 N 2

+ √ K 1 ! + 1/ 3

2 3

1 3 N 2

( √ K K K K K ) ! 1

2

3

4

5

1 3 NH 3

!

K 3 K 4 K 5 1 /6

1/ 3

+( √ K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 ) ! N 2 ! NH 3 ! NH 3 + K 4 K 5

K 5

]

2

1aktor-)aktor yan mempenaruhi hasil diantaranya adalah si)atEkondisi katalis# kondisi operasi# dan tahap penentu laju =TP>. Kondisi katalis ini pertama adalah ukuran pori. Kondisi kedua adalah akti:itas yan hilan selama katalis beroperasi. Katalis se%ara perlahan akan terdeakti:asi pada temperatur operasi diatas !/5 derajat %el%ius. Kondisi ketia adalah catalyst #oisons seperti minyak pelumas dan ole)in yan dapat merusak dan menutup pori katalis. Selain itu# senyawa sul)ur# )os)or# dan arsenik harus dihindari karena merupakan #ermanent #oisons. $ksien tidak boleh melebihi '! ppm# karena walaupun merupakan tem#orary #oisons# oksien dapat menyebabkan crystal groth dan attendant area decline. Kondisi keempat adalah promoter dari katalis. Promoter yan dipakai terdiri dari tia senyawa# yaitu . Alumina ber)unsi untuk men%eah sintering/ loss of surface area# dan menikat # sehina tidak hilan selama katalis beroperasi. dan ber)unsi untuk menetralisasi karakter asam dari

dan menurani )unsi kerja elektron dari besi dan meninkatkan

kemampuannya untuk chemisor% nitroen denan charge transfer ke nitroen. (ila promoter aal menjalankan )unsinya karena terdeakti:asi atau karena penyebab lain# maka dapat mempenaruhi hasil. Kondisi operasi yan kontribusinya %ukup besar mempenaruhi hasil adalah temperatur dan tekanan operasi. Tekanan operasi terutama dapat menubah tahap yan


32

merupakan tahap penentu laju. Tahap penentu laju akan mempenaruhi penurunan persamaan laju reaksi# sehina asumsi tahap mana yan merupakan tahap penentu laju seharusnya dibuktikan se%ara eksperimen# misalnya memakai analisis Auer Hle%tron Spe%tros%opy =AHS> dari residu nitroen di permukaan.

5.) Per#a'%!a Ha&%l TPL S%te&%& A""(%a 'e!a Katal%& Ru 'a Fe

(erdasarkan hasil Penurunan laju reaksi antara 1e dan Ru didapat bahwa perbedaan mendasar adalah pada 1e reaksi pembatasnya adalah adsorpsi hydroen sedankan pada Ru reaksi pembatasnya adalah adsorpsi nitroen. Ru &

(

' 1

' 2

K ! N − K

r

' NA

=

(

' 3

1+ K

√ ! H + K

' 4

2

2

! N H

3

! H

2

! N H

3

3

! H

' 5

+ K

2

! N H ! H

3

2

) ' 6

+ K

2

! N H

3

√ ! H

)

2

+ K 3 ! N H

3

2

2

1e & r ' =

% ! H 2

(

1 1

3 NH 3

!

1+

1

(

)

1 6 N 2

√ K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 3 !

+ √ K 1 ! N 2 2 +

2

1

3

3 N 2

(√ K K K K K ) ! 1

2

3

4

5

K 3 K 4 K 5

1 3 ! NH 3

1 /3

+

+( √ K 1 K 2 K 3 K 4 K 5)

Seperti yan terlihat pada hasil penurunan laju reaksi di atas# nilai laju reaksi pada Ru berbandin lurus denan tekanan Nitroen dan pada 1e berbandin lurus denan *idroen. Tetapi# berdasarkan hasil eksperimen kedua katalis# laju reaksi akan semakin %epat denan ditambahnya tekanan dari nitroen# sedankan untuk penambahan tekanan hydroen tidak beitu berpenaruh pada ke%epatan laju reaksi. *al ini berarti# pada dasarnya dalam reaksi katalitik ammonia dalam berbaai katalis tahap penentu laju yan seharusnya diusulkan adalah tahap penentu laju adsorpsi nitroen. Penyebab dari hal ini karena adsorpsi nitroen lebih membutuhkan eneri


K 4 K 5

1/ 6

! N 2

=lebih endotermis> dibandinkan denan adsorpsi hidroen sehina tahap palin lambat dari semua mekanisme adalah reaksi adsoprsi nitroen. Selain ditinjau dari TP sebaaimana telah disebutkan diatas# adapun perbandinan antara akti:itas katalis Ru dan 1e yaitu akti:itas Katalis Ru !-5 kali lebih besar dari katalis besi =Appl# '444# hal 6 dan Muhler# 550>. Katalis Ru dalam sintesis amonia lebih akti) daripada katalis 1e. Tidak hanya itu# Katalis Ru jua lebih mahal dari katalis 1e karena memiliki dispersi tini terhadap loam support. Katalis 1e# kondisi operasi pada suhu /25-!5 o7 dan tekanan '5-5 bar = orni dan Pernicone# 556># sedankan katalis berbasis Ruthenium =Ru> dipilih karena mampu menkon:ersi hina produk 5  per #ass pada suhu !5-/55 o7 dan tekanan /-! MPa =arri%he:# 553># sehina eneri terpakai jauh lebih hemat. Perbedaan yan sini)ikan denan katalis 1e adalah katalis Ru lebih kuat meninhibisi reaksi adsorpsi hydroen# itulah yan mendasari pada sintesis amonia denan katalis Ru# reaksi adsorpsi hidroen bukan sebaai tahap penentu laju reaksi.

BAB V TINJAUAN TERMODINAMIKA SINTESIS AMMONIA 6.1 T%:aua Ter"('%a"%ka

"asar teori pembuatan amonia dari nitroen dan hydroen ditemukan oleh 1rit< *aber ='452># seoran ahli kimia dari +erman. Sedankan proses industri pembuatan amonia

KELOMPOK 10 | DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA 3

untuk produksi se%ara besar-besaran ditemukan oleh 7arl (os%h# seoran insinyur kimia jua dari +erman. Persamaan termokimia reaksi sintesis amonia adalah & N=> ? /*=> > N*/=> *  -4#0 K+ Pada ! o7 Kp  6#U'5! (erdasarkan prinsip kesetimbanan kondisi yan menuntunkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan =pembentukanN*/> adalah suhu rendah dan tekanan tini.Akan tetapi# reaksi tersebut berlansun sanat lambat pada suhu rendah# bahkan pada suhu !55o7 sekalipun. "ipihak lain# karena reaksi ke kanan eksoterm# penambahan suhu akan menurani produk. Proses *aber-(os%h semula dilansunkan pada suhu sekitar !55 o7 dan tekanan sekitar '!5-/!5 atm denan katalisator. Reaksi kekanan pada pembuatan amonia adalah reaksi eksoterm. Reaksi eksoterm lebih baik jika suhu diturunkan# tetapi jika suhu diturunkan maka reaksi berjalan sanat lambat . Amonia punya berat molekul '3#5/ dan pada tekanan atmos)er )asanya adalah as. Titik didih Amonia -//#/! o7# titik bekunya -33#3 o7# temperatur V tekanan kritiknya '// o7 V '6!3 psi. Hntalpi pembentukan =*># kkalEmol N* /=> pada 5o7# -4#/62 ! o7# -''#50. Pada proses sintesis pd suhu 355-'555o1# akan dilepaskan panas sebesar '/ kkalEmol. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi denan suhu 055- 655 o7# denan tekanan '!5-/55 atm. Kondisi optimum pembuatan amonia =N* /> dapat diambarkan pada tabel berikut & Tabel/ & Kondisi $ptimum Pembuatan N* / N(

Fakt(r

Reak&% / N2*!- @ )H2*!- ⇄ 2NH)*!H ;C25 kJ '. Reaksi bersi)at eksoterm

1.

K('%&% O$t%"u"

055-655o7

Suhu . Suhu rendah akan meneser kesetimbanan kekanan. /. Kendala&Reaksi berjalan lambat '. +umlah mol pereaksi lebih besar

2.

Tekanan

dibandin denan jumlah mol

'!5-/55 atm

produk. . Memperbesar tekanan akan

KELOMPOK 10 | DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA 3

meneser kesetimbanan kekanan. /. Kendala Tekanan sistem dibatasi oleh kemampuan alat dan )aktor keselamatan. Penambilan ).

Konsentrasi

menerus

N*/ se%ara akan

terus 

meneser

kesetimbanan kearah kanan Katalis tidak meneser Katalis Ru 5.

Katalis

kesetimbanan memper%epat

kekanan# laju

reaksi

tetapi denan support se%ara M$

keseluruhan

Katalis 1e

(erikut ini adalah kesetimbanan kimia amonia dan temperatur adiabatiknya&

Ga"#ar 9. Kur4a Ke&et%"#a!a A"(%a

6.2 K('%&% O$era&% a. K('%&% O$era&% S%te&%& A"(%a 'e!a "e!!uaka Katal%& Ru

Pada proses chemisor#tion dari *# mula-mula sampel =yakni katalis> dipanaskan pada kondisi :akum pada  KEmenit hina suhunya men%apai 63/ K# kemudian diturunkan suhunya dan dialirkan *  selama /5 menit# kemudian didininkan dalam kondisi :akum. Chemisor#tion isotermal diukur pada suhu /52 K.


Sementara itu# sistem yan diunakan untuk mene:aluasi katalis adalah )iJ bed# sinle-pass# reaktor tubular yan beroperasi denan tekanan total antara ' - 5#3 atm dan suhu antar !42-3/ K. #. K('%&% O$era&% S%te&%& A"(%a 'e!a "e!!uaka Katal%& Fe

Pada sintesis amonnia denan katalis 1e# sistem yan diunakan untuk mene:aluasi katalis

adalah )iJ bed# sinle-pass# yan beroperasi pada kondisi

operasi denan suhu /25-!5o7 dan tekanan '5-5 bar = orni dan Pernicone# 556>.

6.) T%$e Reakt(r a! D%!uaka

Tipe reaktor yan diunakan pada proses sintesis ammonia denan basis promotor pada katalis RuEM$ dan 1e adalah reaktor tubular. Reaktor ini dimodelkan sebaai 2 buah reaktor 7STR yan disusun se%ara seri karena data sebaian besar memiliki kon:ersi menuju kesetimbanan lebih dari 5. Selain itu# 2 buah reaktor 7STR yan disusun seri dianap %ukup masuk akal sebaai model untuk per%obaan ini dikarenakan %ackmiing yan terdapat dalam bed reaktor. Alasan lainnya# perubahan relati) terhadap parameter kinetik dianap %ukup ke%il dibandinkan denan penambahan reaktor 7STR. •

Reaksi antara N ? /* ? N*/  eksotermal +ika P dan T tini dan menunakan katalis 1e =besi> =promoters& Al- dan K- =atau

7a# M# Si>-oksida> dimana )unsi promoter adalah untuk meninkatkan luas permukaan katalis dan menstabilkan partikel.

BAB VI PENUTUP

7.1 Ke&%"$ula

KELOMPOK 10 | DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA 3

(erdasarkan hasil diskusi# tinjauan pustaka# dan lain sebaainya# dapat kami simpulkan bahwa pada proses sintesis amonia denan menunakan katalis Ru dan 1e adalah sebaai berikut& a. (ahan baku yan diunakan untuk memproduksi ammonia adalah as alam# steam dan udara. Proses Sintesis Amonia melalui unit-unit sebaai berikut& a. ;nit persiapan as umpan baku. b. ;nit pembuatan as sintesa. %. ;nit pemurnian as sintesa. d. ;nit sintesa ammonia. e. ;nit pendininan ammonia. ). ;nit daur ulan ammonia. . ;nit daur ulan hidroen. h. ;nit pembankit steam b. (erikut ini mekanisme reaksi pada sintesis amonia & Meka%&"e A'&(r$&% H 2+ 2 S ↔ 2 H . S ( 1)

N 2 + 2 S ↔ 2 N . S ( 2 )

Meka%&"e Reak&% Per"ukaa

H . S + N . S ↔ NH . S + S ( 3 ) NH . S + S ↔ N H 2 . S + S ( 4 )

NH 2 . S + S ↔ N H 3 . S + S ( 5 )

Meka%&"e De&(r$&% NH 3 . S ↔ N H 3 + S ( 6 )

%. Pada sintesis amonia denan menunakan katalis Ru# dan tahap penentu laju adalah adsorpsi nitroen# didapatkan laju reaksi sebaai berikut&

(

' 1

' 2

K ! N − K

r

' NA

=

(

' 3

1+ K

√ ! H + K 2

' 4

2

! N H

3

! H

2

! N H

3

3

! H

2

2

' 5

+ K

! N H ! H

2

3

2

) ' 6

+ K

! N H

3

√ ! H

2

)

2

+ K 3 ! N H

3


d. Pada sintesis amonia denan menunakan katalis 1e# dan tahap penentu laju adalah adsorpsi hidroen# didapatkan laju reaksi sebaai berikut&

r ' =

% ! H 2

(

1 3 NH 3

!

1+

1

(

)

1

√ K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 3 ! N 2 6

1 2 N 2

+ √ K 1 ! +

2

1

3

3 N 2

(√ K K K K K ) ! 1

2

3

4

5

K 3 K 4 K 5

1 3 ! NH 3

1 /3

+

+( √ K 1 K 2 K 3 K 4 K 5) K 4 K 5

e. Perbedaan penunaan katalis Ru dibandinkan denan katalis 1e dalam Sintesis amonia adalah sebaai berikut& Akti:itas Katalis Ru !-5 kali lebih besar dari katalis besi. o Katalis Ru dalam sintesis amonia lebih akti) daripada katalis 1e. o o Katalis Ru jua lebih mahal dari katalis 1e karena memiliki dispersi tini o

terhadap loam support. Katalis 1e# kondisi operasi pada suhu /25-!5 o7 dan tekanan '5-5 bar = orni dan Pernicone# 556># sedankan katalis berbasis Ruthenium =Ru> dipilih karena mampu menkon:ersi hina produk 5  per #ass pada suhu !5-/55 o7 dan tekanan /-! MPa =arri%he:# 553># sehina eneri

o

terpakai jauh lebih hemat. Perbedaan yan sini)ikan denan katalis 1e adalah katalis Ru lebih kuat

meninhibisi reaksi adsorpsi hydroen ). Perbedaan penunaan katalis akan mempenaruhi kondisi operasi reaktor pada sintesis amonia yan ditunjukkan pada kesimpulan baian =e>

DAFTAR PUSTAKA

Putranto# "ody. Pembuatan Amonia denan Proses http&EEkimiadahsyat.blospot.%omE554E56Epembuatan-amonia-denan-proseshaber.html =3 "es 5'/>

*aberL


1/ 6

! N 2

Kelompok 10-Paper Sintesis Amonia Dengan Katalis Ru Dan Fe

Recommend Documents