SUSTAINABLE CHEMICAL PROCESS EMISI PABRIK ASAM NITRAT
Oleh
Fadhli
23016006
Stephanie Virgana
23016023
Ikhwan Pamuaji
23016027
Putra Z. Nugraha
23016028
(Program Studi Magister Teknik Kimia)
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2017
Proses Pembuatan Asam Nitrat Asam Nitrat adalah salah satu bahan kimia dari sekian banyak bahan kimia yang sering digunakan
dalam proses – proses kimia untuk menghasilkan suatu produk, menguji hasil produksi maupun dalam proses – proses kimia lainnya, baik dalam skala laboratorium ataupun skala industri. Salah satu proses untuk memproduksi atau membuat asam nitrat adalah melalui Proses Ostwald. Tentu saja proses ini menimbulkan limbah yang bervariasi wujudnya. Pabrik pemrosesan asam nitrat biasanya terdiri dari beberapa unit seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Pabrik terdiri dari:
Ammonia evaporation section
Amonia liquid dari penyimpanan biasanya melalui proses penguapan sampai superheated untuk mencegah liquid carry-over (lolosnya cairan dalam fasa gas)
Ammonia filtration section
Gas amonia disaring untuk menghilangkan karat dari peralatan baja karbon. Beberapa pabrik juga menggunakan filter magnetik pada amonia cair.
Air filtration section
Udara dengan kemurnian tinggi diperoleh dengan menggunakan dua atau tiga tahap penyaringan. Dalam beberapa pabrik, biasanya ada filtrasi tambahan untuk campuran udara amonia.
Air compression section
Kompresor dijalankan dengan tail gas expander dan steam condensing turbine .
Mixing section
Pabrik modern menggunakan mixer statis untuk mendapatkan kualitas campuran yang baik dengan katalis.
Catalytic reactor section
Reaktor katalitik dirancang agar terjadi distribusi campuran udara-ammonia yang seragam pada katalis gaus. Pemeliharaan suhu operasi katalis sangat penting untuk mendapatkan NO. Hal ini dapat dicapai dengan menyesuaikan rasio udara-a monia dan memastikan bahwa batas ledak bawah amonia di udara tidak terlampaui.
Heat recovery sections
Reaksi yang terjadi di reactor katalitik sangat eksotermis sehingga diperlukan heat exchanger untuk mendapatkan energy panas yang dapat digunakan untuk proses yang lain.
Cooling section
Kondensor digunakan untuk memastikan suhu akhir pendinginan sampai 50 ° C setelah proses heat recovery agar dapat disalurkan ke absorber.
2
Absorption section
Desain absorber yang modern menggunakan sirkulasi aliran counter-current dengan menggunakan sieve trays atau bubble cap trays yang mempunyai efisiensi yang tinggi. Air ditambahkan dari atas kolom absorber sehingga akan diperoleh larutan asam nitrat dan gas yang dihasilkan (tail gas).
Expander section Tail gas yang dihasilkan menuju proses heat recovery dan ditambahkan reducing agent
sehingga mengurangi emisi NOx sampai konsentrasi rendah dan dapat dibuang ke atmosfer.
Steam turbine section
Expander menghasilkan energi cukup untuk menggerakkan kompresor. Gerakan turbin uap yang disebabkan uap superheated yang dihasilkan di pabrik dapat dikonversi menjadi energi.
Gambar 1. Proses Pabrik Produksi Asam Nitrat 3
Proses Ostwald
Proses Ostwald adalah proses kimia yang digunakan untuk pembuatan asam nitrat (HNO 3) melalui tiga tahap. Proses ini dikembangkan oleh Wilhelm Ost wald dan dipatenkan pada tahun 1902. Proses Ostwald menghasilkan bahan baku utama untuk kebanyakan tipe umum produksi pupuk. Proses Ostwald berkaitan erat dengan proses Haber, yang menghasilkan bahan baku yang diperlukan, yaitu amonia (NH 3). Proses Ostwald secara umum dijelaskan pada Gambar 2.
Gambar 2. Proses Ostwald Amonia diubah menjadi asam nitrat dalam dua tahapan. Awalnya, amonia dan udara berlebih dialirkan ke reactor katalitik yang mengandung katalis Pt – Rh pada suhu 950 °C untuk membentuk oksida nitrat (NO) dan air. Langkah ini sangat eksotermis sehingga digunakan heat exchanger untuk memanfaatkan panas yang dihasilkan. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut. 4 NH3 (g) + 5 O2 (g) → 4 NO (g) + 6 H2O (g)
(ΔH = −905.2 kJ/mol)
Kemudian didinginkan sampai suhu mencapai 150 °C dimana gas dicampur dengan udara di dalam oxidation chamber yang akan menghasilkan NO2.
2 NO (g) + O 2 (g) → 2 NO 2 (g)
(ΔH = −114 kJ/mol)
Gas NO2 dan udara sisa dialirkan ke absorption tower , kemudian disemprotkan air pada temperatur sekitar 80 °C, sehingga akan diperoleh larutan yang mengandung 70% HNO3, reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: 3 NO2 (g) + H2O (l) → 2 HNO3 (aq) + NO (g)
(ΔH = −117 kJ/mol)
NO yang dihasilkan dapat didaur-ulang, dan asam nitrat dapat dipekatkan sesuai yang diperlukan melalui penyulingan. Alternatifnya, jika tahap akhir dilakukan dalam udara maka reaksinya adalah 4 NO2 (g) + O2 (g) + 2 H2O (l) → 4 HNO3 (aq) NO yang dihasilkan dapat dicampurkan dengan NH 3 sehingga dapat menghasilkan gas nitrogen yang dapat dibuang langsung ke atmosfer sesuai dengan reaksi sebagai berikut 4 NH3 (g) + 6 NO (g) → 5 N2 (g) + 6 H2O (l)
4
Reaksi ini merupakan reaksi sekunder yang dapat diminimalkan dengan cara pengurangan waktu kontak antara campuran gas dengan katalis.
Pengurangan Emisi NOx
Produksi asam nitrit melibatkan oksidasi ammonia dengan katalis platina (Proses Ostwald). N2O terbentuk saat oksidasi katalitik ammonia pada platinum, produk utama NO. Diperkirakan 5 gram N2O dihasilkan pada setiap kilogram asam nitrit. Instalasi pengurangan N2O pada pabrik kimia menjadi wajib di uni eropa.
Ada 3 cara pengurangan N 2O yang berbasis katalis. Di Amerika, industri asam nitrit mengontrol emisi N2O dengan Non Selective Catalytic Reduction (NSCR) dan teknologi SCR untuk mengubah N2O menjadi nitrogen molekular. Walau NSCR lebih efektif dari SCR , NSCR jarang digunakan karena penggunaan energi yang tinggi dan membutuhkan temperatur gas yang tinggi.
Metode yang saat ini sedang dikembangkan untuk mengurangi emisi N 2O pada oksidasi amonia dengan menggunakan kondisi oksidasi yang lebih efisien dengan temperatur reaksi yang lebih rendah. Teknologi ini disebut EnviNOx yang mengurangi emisi N 2O dan NOx pada pabrik asam nitrit. Metode ini menggunakan katalis iron zeolit. Katalis ini mendekomposisi N 2O menjadi N2 dan O2, dan juga mengurangi N 2O dengan agen pereduksi seperti hidrokarbon. Iron Zeolit juga terbukti menjadi katalis DeNOx yang baik. Saat ini, ada 4 proses yang sedang dikembangkan, yaitu reduksi NOx, kombinasi dekomposisi katalitik N 2O dan NOx, dekomposisi katalitik N 2O, dan dekomposisi katalitik NOx .
Beberapa pabrik asam nitrit telah menggunakan teknologi ini yang menghasilkan penghilangan N2O sebesar 98-99%, dan emisi Nox berkurang hingga 1ppmv. Berdasarkan data diatas, responsible European Union Body menyatakan proses EnviNOx menjadi teknologi terbaik untuk pengurangan emisi N2O dan NOx.
Secara umum ada dua acara dalam mengurangi emisi NOx 1) Mengurangi pembentukan NOx secara Termal -
Dengan modifikasi atau penggantian boiler
-
Lebih murah dari exhaust treatment
-
Bisa mengurangi efisiensi (tergantung tipe burnernya)
5
2) Exhaust Treatment -
Dengan system SCR ( Selective Catalytic Reduction )
-
Menggunakan ammonia dan katalis untuk menghilangkan NOx dari gas buang
-
Efek terhadap efisiensi lebih sedikit daripada metode dengan mengurangi pembentukan NOx secara termal
-
Lebih mahal daripada modifikasi/penggantian burner
-
Mungkin tidak dapat diaplikasikan pada boiler yang lebih kecil dari 30 MMBtu/hr
Gambar 3. Pengurangan emisi gas NOx
Berdasarkan IPCC IPPU volume 3
Pengurangan emisi N2O dapat dilakukan dengan langkah berikut:
Gambar 4. Bagian kilang yang dapat dilakukan reduksi 6
Berikut metode untuk mengklasifikasikan berdasarkan data pabrik tiap level yang tersedia. Untuk Tier (tingkat) 2 dan Tier 3 berdasarkan data aktivitas tiap pabrik juga.
Metode Tier 1 Persamaan 1. Emisi N 2O dari produksi asam nitrat – Tier 1
2 = . Dimana : E N2O = Emisi N2O EF = Faktor emisi N2O NAP = Produksi asam nitrat
Metode Tier 2 Metode di tingkat ini menggunakan data produksi pabrik dipilah berdasarkan jenis teknologi dan faktor emisi standar yang diklasifikasikan berdasarkan tipe teknologi. Emisi dapat dikalkulasi sebagai berikut. Persamaan 2. Emisi N 2O dari produksi asam nitrat – Tier 2
2 = { .. [1 − ( . )]} Dimana : E N2O = Emisi N2O EFi = Faktor emisi N2O (teknologi i) NAPi = Produksi asam nitrat (teknologi i) DF j = Destruction Factor (teknologi j) ASUF j = Faktor Pemanfaatan abatemen system (teknologi j)
7
Metode Tier 3 (perhitungan langsung) Tingkat ini berdasarkan data perhitungan nyata (contoh: CEMS). Data produksi pabrik dipilah berdasarkan jenis teknologi dan faktor emisi standar yang diklasifikasikan berdasarkan tipe teknologi didapat dari perhitungan emisi langsung. Hal ini bisa dilakukan dari sampling acak dari emisi N2O atau emisi N2O secara periodik yang dapat merefleksikan pola yang biasanya pada rancangan operasi. Emisi dapat dihitung dengan menggunakan perhitungan seperti pada Tier 2. Cara lainnya, metode Tier 3 menggunakan hasil dari continuous emissions monitoring (CEM), walaupun tidak semua pabrik sesuai dengan hasil CEM. CEM dapat mengestimasi berdasarkan perhitungan jumlah emisi N2O berasal dari konsentrasi N2O yang termonitor pada setiap rentang monitoring.
Alur estimasi emisi N2O dari produksi asam nitrat
Gambar 5. Skema perhitungan NO dari pabrik asam nitrat Ketika perhitungan data hanya pada keluaran saja, banyak kemungkinan efisiensi pengurangan harus dilakukan untuk informasi yang diinginkan dan tidak digunakan untuk kalkulasi emisi. Berikut standar nilai emisi faktor per produk yang dihasilkan.
8
Pelaporan dan dokumentasi
Dalam melakukan pelaporan perlu dilakukan hal-hal berikut untuk melengkapi dokumen sesuai dengan standar peraturan yang sudah ditetapkan:
Mendeskripsikan
metode
yang
digunakan
Jumlah pengilangan asam nitrat
Faktor emisi
Data produksi
Kapasitas produksi
Pengilangan
yang
menggunakan
teknologi untuk mengurangi emisi
Tipe teknologi, efisiensi pengurangan, dan utilisasi
Data emisi N2O suatu pabrik
9
Gambar 6. Dekomposisi NxO
Gambar 7. Reduksi NxO
Gambar 8. Perancangan kilang yang dapat mengurangi emisi N 2O dan NxO
10
Gambar 9. Pengurangan emisi NxO menggunakan katalis Fe-Zeo lit
Gambar 10. Pengolahan emisi kombinasi N 2O dan NxO dengan ammonia dan gas alam
Gambar 11. Pengolahan emisi simultan N2O dan NxO dengan ammonia dan gas alam
11
Limbah cair yang terbentuk
Limbah cair yang dihasilkan dari proses adalah 1. Boiler blow-down Air umpan boiler yang mengandung garam terlarut di olah terlebih dulu di steam drum agar tidak mempengaruhi kualitas steam yang dihasilkan. Blowdown berguna untuk mengurangi air yang mengandung impuritis akibat air umpan yang mengandung garam akibat proses pembuatan asam nitrat. 2. Ammonia vaporiser blow-down Build-up air di amonia cair di alat penguap dikendalikan oleh blowdown periodik. 3. Purging and sampling Emisi cair yang berasal dari pembersihan dan sampling larutan asam nitrat yang kadangkadang terbentuk. Air yang mengandung ntric acid tersebut dinetralkan terlebih dahulu agar tidak berbahaya ketika di buang ke lingkungan. 4. Lubricating oil Limbah oli yang digunakan sebagai pelumas alat-alat proses. dipisahkan dan ditampung di drum pengumpulan oli.
Limbah padat yang terbentuk
Limbah padat yang dihasilkan dari proses adalah 1. Katalis oksidasi ammonia Limbah padat ini terbentuk karena pada umumnya setelah digunakan berkali-kali untuk proses
oksidasi
amonia,
terdapat
beberapa
katalis
yang
akan
mengalami
keracunan/kerusakan. Katalis oksidasi ini sepenuhnya diolah kembali oleh produsen kain kasa dan logam mulia hasil recovery digunakan untuk gauzes baru. 2. Catalyst recovery gauzes (catchment/getter) Limbah padat ini terbentuk karena logam mulia yang biasa terdapat pada katalis terlepas dan terperangkap. 3. Katalis reduksi NOx Limbah padat ini disebabkan adanya penggantian periodik katalis karena menurunnya efisiensi. Katalis yang telah digunakan, dikembalikan ke pabrik atau dihancurkan. 4. Filter Cartridges Limbah padat ini berasal dari penggantian berkala at au periodik dari kartrid yang digunakan. Filter kartrid dapat dibersihkan agar bisa digunakan kembali.
12
5. Solid deposit Debu katalis akan menetap di masing-masing peralatan. Solid deposit ini banyak mengandung platinum dapat di- recovery dan dikirim untuk daur ulang. Logam oksida basa, seperti titania / vandia. Material ini bersifat hazardous dan pembuangannya harus diberi penanganan khusus. Biasanya limbah tersebut terbentuk dalam bentuk debu-debu katalis yang tertinggal dalam peralatan. Debu katalis tersebut diambil dan diolah menuju catalyst gauze manufacturer atau menuju precious metal refiner .
Referensi: Website
https://image.slidesharecdn.com/prosespembuatanoksigennitrogendansulfur15121418 2305/95/proses-pembuatan-oksigen-nitrogen-dan-sulfur-9-638.jpg?cb=1450117401
http://tatangsma.com/2015/03/proses-oswald-dalam-produksi-asam-nitrat.html
https://wawasanilmukimia.wordpress.com/2014/03/07/proses-ostwald-dalam-pembuatanasam-nitrat/
https://en.wikipedia.org/wiki/Ostwald_process (Diakses pada 5 Februari 2017 pukul 2.15)
https://books.google.co.id/books?id=gxLjaVwHcPsC&pg=PA203&lpg=PA203&dq=N2O+emi ssion+on+ostwald&source=bl&ots=4Wi_v7s0yh&sig=j8B7QEDfCByGSootvboBkGPh1XQ &hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwjh pG9gfnRAhXKL48KHUz8CNkQ6AEIODAF#v=onepage&q=N 2O%20emission%20on%20ost wald&f=false
http://www.fertilizerseurope.com/fileadmin/user_upload/user_upload_prodstew/documents/B ooklet_nr_ 2 _Production_of_Nitric_Acid.pdf
http://artikel-teknologi.com
http://pengen-tau.weebly.com/nitrogen-oksida.html
Artikel dan buku
ENOVITY ( 2010) Boiler NOx Emissions and Energy Efficiency
Suntoro, dkk. 2013. Potensi Emisi N2O dari Berbagai Jenis Tanah yang Diberi Bahan Organik.
Groves. M, dkk. 2006. Abatement of N2O and NxO Emissions from Nitric Acid Plants with Uhde EnviNOx® Process. Austria: Vienna.
IPCC IPPU volume 3.
13
