PROSES PEMBUATAN ASAM SULFAT
Disusun Oleh : 1.
Agung Nursyawaly
2.
Anindya Misdiantary
3.
Syarah Ulfah Kelas : 3 KI.A/3KI.B
JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA PALEMBANG
BAB I PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG
Asam Sulfat mempunyai rumus kimia H2SO4 , merupakan asam mineral yang kuat. Zat ini larut dalam air pada semua kepekatan. Asam sulfat mempunyai banyak kegunaan, termasuk dalam kebanyakan reaksi kimia dan proses pembuatan. Ia digunakan secara meluas sebagai bahan kimia pengilangan. Kegunaan utama termasuk produksi baja, memproses bijih mineral, sintesis kimia, pemrosesan air limbah dan penapisan minyak. Di atmosfer, zat ini termasuk salah satu bahan kimia yang menyebabkan hujan asam. Memang tidak mudah membayangkan bahwa bahan kimia yang sangat aktif, seperti asam sulfat, juga merupakan bahan kimia yang paling banyak dipakai dan merupakan produk teknik yang amat penting. Zat ini digunakan sebagai bahan untuk pembuatan garam – garam sulfat dan untuk sulfonasi, tetapi lebih sering dipakai terutama karena merupakan asam anorganik yang agak kuat dan agak murah. Bahan ini dipakai dalam berbagai industri, tetapi jarang muncul dalam produk akhir. Asam sulfat dipakai dalam pembuatan pupuk, plat timah, pengolahan minyak, dan dalam pewarna tekstil. Asam sulfat merupakan komoditas kimia yang sangat penting, oleh sebab itu, produksi asam sulfat suatu Negara merupakan indikator yang baik terhadap kekuatan industry Negara tersebut. Kegunaan utama (60% dari total produksi di seluruh dunia) asam sulfat adalah dalam "metode basah" produksi asam fosfat, yang digunakan untuk membuat pupuk fosfat dan juga trinatrium fosfat untuk deterjen. Pada metode ini, batuan fosfat digunakan dan diproses lebih dari 100 juta ton setiap tahunnya. Hal ini tentunya sangat berpengaruh besar, kebutuhan asam sulfat tiap waktunya pun akan sangat meningkat mengingat industry diseluruh dunia semakin berkembang, tidak terkecuali di Indonesia yang makin hari makin berkembang pula. Fenomena tersebut patutnya kita manfaatkan dalam rangka memajukan industry dalam negeri yang nantinya akan sangat berdampak pada kemajuan disektor-sektor yang lainnya
BAB II PEMBAHASAN A. DEFINISI Asam sulfat murni yang tidak diencerkan tidak dapat ditemukan secara alami di bumi oleh karena sifatnya yang higroskopis. Walaupun demikian, asam sulfat merupakan komponen utama hujan asam, yang terjadi karena oksidasi sulfur dioksida di atmosfer dengan keberadaan air (oksidasi asam sulfit). Sulfur dioksida adalah produk sampingan utama dari pembakaran bahan bakar seperti batu bara dan minyak yang mengandung sulfur (belerang). Asam sulfat terbentuk secara alami melalui oksidasi mineral sulfida, misalnya besi sulfida. Air yang dihasilkan dari oksidasi ini sangat asam dan disebut sebagai air asam tambang. Air asam ini mampu melarutkan logamlogam yang ada dalam bijih sulfida, yang akan menghasilkan uap berwarna cerah yang beracun. Reaksi hidrasi asam sulfat adalah reaksi eksoterm yang kuat. Jika air ditambah kepada asam sulfat pekat, ia mampu mendidih. Senantiasa tambah asam kepada air dan bukan sebaliknya. Sebagian dari masalah ini
disebabkan perbedaan densitas kedua cairan. Air kurang padu berbanding asam sulfat dan cenderung untuk terapung di atas asam. Reaksi terhasil boleh dianggap sebagai membentuk ion hidronium, seperti: H2SO4 + H2O → H3O+ + HSO4-. Disebabkan asam sulfat bersifat mengeringkan, asam sulfat merupakan agen pengeringan yang baik, dan digunakan dalam pengolahan kebanyakan buah-buahan kering. Apabila gas SO3 pekat ditambah kepada asam sulfat, ia membentuk H2S2O7. Ini dikenali sebagai asam sulfat fuming atau oleum atau, jarang-jarang sekali, asam Nordhausen. Di atmosfer, zat ini termasuk salah satu bahan kimia yang menyebabkan hujan asam. Memang tidak mudah membayangkan bahwa bahan kimia yang sangat aktif, seperti asam sulfat, juga merupakan bahan kimia yang paling banyak dipakai dan merupakan produk teknik yang amat penting. Zat ini digunakan sebagai bahan untuk pembuatan garam – garam sulfat dan untuk sulfonasi, tetapi lebih sering dipakai terutama karena merupakan asam anorganik yang agak kuat dan agak murah. Bahan ini dipakai dalam berbagai industri, tetapi jarang muncul dalam produk akhir. Asam sulfat dipakai dalam pembuatan pupuk, plat timah, pengolahan minyak, dan dalam pewarna tekstil. Adapun sifat –sifat kimia dan fisika dari asam sulfat sendiri adalah sebagai berikut : Sifat kimia : Dalam air, reaksi kesetimbangan berikut terjadi antara suatu asam (HA) dan air, yang berperan sebagai basa, HA + H2O ↔ A- + H3O+ Tetapan asam adalah tetapan kesetimbangan untuk reaksi HA dengan air: Asam kuat mempunyai nilai Ka yang besar (yaitu, kesetimbangan reaksi berada jauh di kanan, terdapat banyak H3O+; hampir seluruh asam terurai). Misalnya, nilai Ka untuk asam klorida (HCl) adalah 107. Asam lemah mempunyai nilai Ka yang kecil (yaitu, sejumlah cukup banyak HA dan A- terdapat bersama-sama dalam larutan; sejumlah kecil H3O+ ada dalam larutan; asam hanya terurai sebagian). Misalnya, nilai K a untuk asam asetat adalah 1,8 × 10-5. Asam kuat mencakup asam halida - HCl, HBr, dan HI. (Tetapi, asam fluorida, HF, relatif lemah.) Asam-asam okso, yang umumnya mengandung atom pusat ber-bilangan oksidasi tinggi yang dikelilingi oksigen, juga cukup kuat; mencakup HNO3, H2SO4, dan HClO4. Kebanyakan asam organik merupakan asam lemah.Larutan asam lemah dan garam dari basa konjugatnya membentuk larutan penyangga. Sifat fisika : Titik leleh (°C)
: 10
Titik didih (°C)
: 290
Tekanan uap (mmHg)
: 1 (146 °C)
Berat jenis cairan
: 1,84 (100 persen)
Berat jenis uap
: 3,4 (udara = 1)
B. BAHAN BAKU PEMBUATAN ASAM SULFAT Sumber dan bahan baku dari asam sulfat adalagh belerang. Belerang di alam terdapat di kulit bumi meliputi kira-kira 0,1% dari massa kulit bumi. Belerang terdapat dalam keadaan unsur bebas ataupun dalam senyawa
sulfida. Belerang dalam keaadaan unsur bebas terdapatdari dareah gunung berapi dan dalam tanah. Dalam bentuk senyawa, belerang terdapat dalam garam sulfida seperti pirit, sengblende, atau garam-garam sulfat seperti gips, barium sulfat maupun magnesium sulfat. Dalam bentuk senyawa organik, belerang terdapat dalam minyak bumi, batu bara dan gas alam, yaitu gas hidrogen sulfida. Belerang diambil dari dekat gunung berapi dan sumber air panas dan juga bawah tanah. Belerang juga terdapat dalam bijih, seperti galena (PbS), hidrogen sulfida dalam gas alam dan minyak bumi dan sebagai belerang di laut. Penambangan belerang Belerang diambil dari bawah tanah dengan proses Frasch. Tiga pipa konsentris yang dibor ke dalam deposit belerang. Air superpanas (180 ° C, di bawah tekanan) dipompa ke bawah melalui pipa terluar, hal ini mencairkn belerang (titik leleh 1130C). Udara bertekanan dipompa ke bawah melalui pipa di bagian dalam untuk mendorong belerang cair dan uap pipa akan sampai ke permukaan melalui pipa bagian tengah. Belerang juga diperoleh dari sulfida hidrogen dalam gas alam dan minyak bumi. Pembakaran tidak sempurna dari H 2S dalam tungku menghasilkan SO2 dan S. 3H2S (g) + O2 (g) 2H2S (g) + 3S (g) + SO2 (g) Campuran ini didinginkan untuk menghasilkan belerang. Gas-gas kemudian dilewatkan melalui katalis dan dipanaskan. 2H2S (g) + SO2 (g) 2H2O (g) + 3S (g) Pendinginan mengembunkan belerang yang tersisa (titik didih 445 ° C). belerang juga dihasilkan sebagai belerang dioksida ketika logam yang dilebur adalah suatu bijih sulfida. Sebuah persamaan umum untuk reaksi ini, dengan menggunakan M untuk menyatakan logam (seperti tembaga, seng atau besi), dapat ditulis sebagai: MS + O 2 (g) M (s) + SO 2 (g) M logam oksida logam sering membentuk MO. Selain belerang, bahan baku asam sulfat yang lainnya adalah oksigen, air dan katalis vanadium pentaoksida sebagai bahan pembantu. Dimana belerang dan vanadium pentaoksida di impor langsung dari Singapura, sedangkan oksigen di dapat dari udara bebas. Untuk air yang digunakan didapat dari sumur bor yang melalui tahap pengolahan. Adapun sifat fisik dari bahan baku pembuatan asam sulfat yaitu: No.
Komponen
Bentuk
Warna
Bau
Titik
Titik
didih
Leleh
o
(oC) 120
1.
Belerang
Padatan
Kuning
Menyengat
( C) 444,6
2.
Oksigen
Gas
-
-
-183
-218,4
3.
Vanadium Pentaoksida
Padatan
Kuning
-
1750
800
-
100
-
4. Air Cairan Sumber : Perry’s Chemical Engineering’s Hand Book, 1998 Sifat kimia dari bahan baku pembuatan asam sulfat yaitu: BM
No.
Komponen
1.
Belerang
(gr/mol) 32,06
2.
Oksigen
32
Spgr
Kelarutan
2,046
Hygroskopis
1,14
-
3.
Vanadium Pentaoksida
181,9
3,357
4. Air 18 1,004 Sumber : Perry’s Chemical Engineering’s Hand Book, 1998
Larut dalam asam dan alkali Berfungsi sebagai pelarut
C. PROSES PEMBUATAN ASAM SULFAT
Proses produksi asam sulfat di PT. Dunia Kimia Utama, menggunakan proses kontak. Pembuatan Dengan Proses Kontak Sampai tahun 1900, belum ada pabrik dengan proses kontak yang dibangun di Amerika Serikat, walaupun proses ini sudah sangat berperan di Eropa, di mana terdapat kebutuhan terhadap oleum dan asam konsentrasi tinggi untuk digunakan pada sulfonasi, terutama pada industri zat warna . Dalam periode 1900 sampai 1925, banyak pabrik asam kontak yang dibangun dengan menggunakan platina sebagai katalis . pada tahun 1930 , proses kontak ini telah dapat bersaing dengan proses kamar pada segala konsentrasi asam yang di hasilkan. Sejak pertengahan tahun 1920-an , kebanyakan fasilitas yang baru di bangun dengan menggunakan proses kontak dengan katalis vanadium. Proses kontak kemudian mengalami modifikasi secara berangsur – angsur dan menggunakan absorpsi ganda ( juga disebut katalis ganda ) , sehingga hasilnya lebih tinggi dan emisi SO 2 yang belum terkonversi dari cerobong asap berkurang . Baru – baru ini , peraturan pemerintah Amerika Serikat telah menentukan batas emisi SO2 maksimum yang diperbolehkan dari pabrik asam dan mengharuskan semua pabrik menggunakan proses absorbsi ganda , atau kalau tidak dilengkapi dengan system pembasuhan gas cerobong , sehingga tingkat emisinya setingkat dengan hasil cara pertama.
Kalor pembakaran belerang dimanfaatkan di dalam ketel uap kalor limbah atau ketel uap dan ekonomiser guna membangkitkan uap yang dipakai untuk melebur belerang serta untuk keperluan tenaga disekitar pabrik . Uap merupakan salah satu hasil pabrik itu. Pabrik – pabrik yang modern membangkitkan uap pada tekanan 6 MPa , lebih tinggi dari tekanan 2 MPa yang diperoleh beberapa tahun yang lalu. Reaksi SO2 menjadi SO3 adalah suatu reaksi eksotermik yang dapat balik . Tetapan keseimbangan
19
untuk
reaksi ini dihitung dari tekanan bagian sesuai dengan hokum aksi massa dan dapat dinyatakan sebagai : Nilai Kp telah ditentukan dari percobaan dan nilai ini atas dasar P dalam atmosfer.
Proses – proses pembuatan Asam Sulfat dilakukan dengan cara :
a.
Pembakaran
b.
Oksidasi
c.
Menaikan Tekanan
d.
Absorber
e.
Penguapan
Proses yang dilakukan melalui 3 tahapan, yaitu: 1.
Pembakaran Sulfur
Proses produksi asam sulfat di awali dengan peleburan sulfur (S) yang digunakan sebagai bahan baku utama dengan menggunakan steam yang dialirkan pada coil-coil di Sulfur Melter pada tekanan 4 Kg/cm 2. Kemudian sulfur cair dipompakan dari Sulfur Melter melalui pipa-pipa dan disemprotkan ke dalam Furnace. Di dalam Furnace terjadi pembakaran belerang dengan udara. Reaksi : S(g) + O2(g) → SO2(g) Udara yang digunakan disuplai oleh Main Blower yang sudah mengalami proses pengeringan. Proses pengeringan udara dilakukan di Drying Tower dengan menggunakan asam sulfat sirkulasi dengan konsentrasi 93%-98%. Proses pengeringan udara tersebut dimaksudkan untuk mencegah korosi oleh gas pada pembakaran dan untuk menghilangkan kandungan air dalam udara. Proses pembakaran belerang cair menjadi SO 2 dengan temperature pembakaran kurang lebih 750-770oC. Gas hasil pembakaran di Furnace kemudian dialirkan ke Boiler melalui tube-tube untuk diambil panasnya guna menghasilkan steam yang digunakan untuk mencairkan belerang di Sulfur Melter, sebagian gas yang lain dialirkan ke Heat Exchanger bersama dengan gas keluar dari Boiler yang telah diambil panasnya. Di dalam Heat Exchanger gas didinginkan dengan menggunakan udara yang di suplai oleh Blower. Setelah itu aliran gas mengalami proses penyaringan dan penstabilan suhu gas di Hot Gas Filter. 2.
Oksidasi Katalitik SO2 Menjadi SO3 dengan bantuan Katalis
Dari Hot Gas Filter aliran gas masuk ke Converter. Converter ini terdiri dari empat bed katalis V 2O5. Aliran gas masuk ke setiap bed diatur pada temperature 425-440 oC. Dengan bantuan katalis ini aliran gas tersebut (SO 2) diubah menjadi gas SO3. Reaksi ini merupakan reaksi eksoterm sehingga gas tersebut harus didinginkan pada tahap-tahap katalis. Aliran gas keluar bed I dan bed II didinginkan dalam 1 st and 2nd Heat Exchanger. Sedangkan aliran gas dari bed III langsung masuk ke bed IV karena perbedaan temperature gas keluar dan bed III dan bed IV sudah kecil.
Reaksi : SO2(g) + 1/2O2(g) → SO3(g) Dari converter aliran gas SO3 masuk ke dalam SO3 Cooler A untuk didinginkan. Kemudian didinginkan lebih lanjut ke SO3 Cooler B setelah itu aliran gas tersebut masuk ke Absorbing Tower. 3.
Absorbsi Gas SO3
Di Absorbing Tower terjadi proses penyerapan gas SO 3 dengan menggunakan sirkulasi asam sulfat dengan konsentrasi 98-99% yang diatur di AT Pump Tank. Asam resirkulasi tersebut kemudian diencerkan dengan menambahkan air dan setelah itu baru dialirkan kembali ke dalam AT Pump Tank. Asam sulfat yang dihasilkan pada AT Pump Tank setelah mencapai level maksimum yang ditentukan, kemudian ditransfer dan ditampung di Sulphuric Acid Storage Tank. Reaksi yang terjadi di absorbing tower yaitu: SO3(g) + H2SO4(l) → H2SO4.SO3(aq) H2SO4.SO3(aq) + H2O(l) → 2 H2SO4(aq)
D. PERALATAN YANG DIGUNAKAN Peralatan yang digunakan dalam proses pembuatan asam sulfat adalah 1. Sulfur Melter Fungsinya sebagai tempat pencairan atau peleburan belerang dengan bantuan panas steam pada coil. 2. Pompa Sulfur Fungsinya sebagai pengalir sulfur cair ke furnace. Pompa ini mempunyai pipa-pipa penyaluran luar bermantel uap, sehingga belerang tidak menjadi dingin dan membeku, karena titik lebur belerang adalah 115oC. 3. Main Blower Fungsinya sebagai penyuplai udara untuk proses pembakaran ke furnace. Main blower yang digunakan adalah tipe turbo fun dengan kapasitas 117 m3/menit dan tekanan operasi 1800 mmHg. 4. Drying Tower Fungsinya sebagai unit proses tempat terjadinya pengeringan udara oleh sirkulasi asam sulfat (minimal 93%) dari DT Pump Tank. Drying Tower yang dipakai adalah tipe packed column dengan tinggi 8,254 m, diameter dalam 2,62 m dan diameter luar 2,86 m. 5. DT Pump Tank
Fungsinya sebagai tangki penampungan sirkulasi asam sulfat yang dari atau ke Absorbing Tower. DT pump tank yang digunakan mempunyai tinggi 1,8 m, diameter dalam 2,76 m, diameter luar 3 m dan kapasitas 8,8 m3/menit. 6. AT Pump Tank Fungsinya sebagai tangki penampungan sirkulasi asam sulfat yang dari atau ke absorbing tower dan juga sebagai tangki produksi, yaitu pengenceran (hidrasi) dengan air. AT Pump Tank yang digunakan mempunyai tinggi 1,8 m, diameter dalam 2,76 m, diameter luar 3m, dan kapasitas 8,8 m3/menit. 7. Furnace Fungsinya sebagai tempat berlangsungnya proses pembakaran belerang cair dengan udara menjadi gas SO 2. Furnace yang dipakai berbentuk silinder mendatar dengan panjang 7,02 m, diameter luar 2,04 m dan diameter ruang bakar 1,65 m. 8. Boiler Fungsinya sebagai tempat memproduksi steam. Boiler yang digunakan berbentuk silinder mendatar dengan dapur dan pipa-pipa api (fire tube). Boiler ini mempunyai panjang 4,6 m dan tekanan operasi 4 kg/cm2. 9. Absorbing tower Fungsinya sebagai unit proses terjadinya proses penyerapan gas SO 3 oleh sirkulasi asam sulfat (98,3%-99%) Absorbing Tower yang digunakan adalah tipe packed column dengan tinggi 8,875 m, diameter dalam 2,62 m dan diameter luar 2,86 m. 10. AT Pump Fungsinya sebagai alat untuk memompakan sirkulasi asam sulfat dari AT Pump Tank ke Absorbing Tower. AT Pump yang digunakan mempunyai kecepatan putar 1450 Rpm dan kapasitas 1,2 m3/menit. 11. DT Pump Fungsinya sebagai alat untuk memompakan sirkulasi asam sulfat dari DT Pump Tank ke Drying Tower. DT Pump yang digunakan mempunyai kapasitas 1,2 m3/menit. 12. Plug Valve Fungsinya sebagai pengatur aliran gas dari furnace dan boiler. 13. Heat exchanger (on gas filter) Fungsinya sebagai alat untuk mendinginkan aliran gas dari furnace dan boiler yang akan masuk ke converter. Heat exchanger yang digunakan adalah tipe shell and tube dengan jumlah tube 109 buah dan panjang tube 2,47 m. Heat exchanger mempunyai tinggi 3 m dan diameter 1,40 m. 14. Gas filter Fungsinya sebagai alat penyaring untuk aliran gas yang akan masuk ke converter. Gas filter mempunyai tinggi 1,53 m dan diameter 3,448 m. 15. Converter Fungsinya sebagai unit proses berlangsungnya proses perubahan gas SO2 menjadi gas SO3 dengan bantuan katalis vanadium pentaoksida. Converter yang digunakan mempunyai jumlah bed 4 buah, tinggi 8,5 m, diameter dalam 2,76 m dan diameter luar 3,002 m. 16. 1st and 2nd Heat exchanger Fungsinya sebagai tempat mendinginkan aliran gas yang keluar dari converter khususnya dari bed I dan bed II. Tipe yang digunakan adalah tipe shell and tube. 17. SO3 Cooler
Fungsinya sebagai tempat pendingin aliran gas SO 3 yang akan masuk ke Absorbing Tower. Cooler yang dipakai adalah tipe shell and tube dengan tinggi 1,78 m. 18. Distributor Fungsinya sebagai alat untuk menyebarkan aliran asam sulfat di dalam absorbing tower dan drying tower. 19. Cooling tower Fungsinya sebagai tempat pendingin air yang keluar dari acid cooler. 20. Cooling water pump Fungsinya sebagai alat untuk memompakan sirkulasi pendingin dari cooling water pit ke acid cooler. 21. Plate Heat exchanger (acid cooler) Fungsinya sebagai unit mendinginkan sirkulasi asam sulfat dari AT/DT Pump Tank ke AT/DT. Plate heat exchanger (acid cooler) yang digunakan adalah tipe plate dengan tekanan operasi 5 kg/cm2. E. PRODUK YANG DIHASILKAN Produk asam sulfat yang dihasilkan oleh PT. Dunia Kimia Utama memiliki konsentrasi 98,5%. Sifat fisik asam sulfat yang dihasilkan yaitu: No. 1.
Parameter Bentuk
Sifat Fisik Produk Cairan
2.
Warna
Jernih
3.
Bau
Menyengat
4.
Titik Didih
340oC
5.
Titik Leleh
10,49oC
Sedangkan sifat kimia asam sulfat yang dihasilkan yaitu:
F.
No. 1.
Parameter Rumus Molekul
Sifat Kimia Produk H2SO4
2.
BM
98,08 gr/mol
3.
Densitas
1,84 g/cm3
4.
Spgr
1,834
5.
Kelarutan
Larut dalam air dengan semua perbandingan
6.
Viskositas
26,7 cP (20 °C)
NERACA MASSA Reaksi pada furnace S
M: B:
+
O2
1tmol 1 tmol
S:
Komponen S
-
→
SO2
1 tmol
-
1 tmol
1 tmol
1 tmol Input tmol 1
Output Ton 32
tmol -
ton -
O2
1
32
-
-
SO2 ∑
-
64
1
64 64
SO2
tmol 1
Ton 64
tmol -
ton -
O2
0.5
8
-
-
SO3 ∑
-
72
1
80 80
Reaksi pada converter SO2 M:
+
½ O2
1 tmol
B:
1 tmol
S:
-
→
SO3
0.5 tmol
-
0.5 tmol
1 tmol
-
1 tmol
Input
Komponen
Output
Reaksi pada Absorber SO3
+
H2SO4
→
H2SO4.SO3
M:
1 tmol
1 tmol
-
B:
1 tmol
1 tmol
1 tmol
S:
-
-
1 tmol Input
Komponen SO3
Ton 80
tmol -
ton -
H2SO4
1
98
-
-
H2SO4.SO3 ∑
-
178
1
178 178
H2SO4.SO3
tmol 1
ton 178
tmol -
ton -
H2O
1
18
-
-
H2SO4.SO3 M:
1 tmol
B: S:
Output
Tmol 1
1 tmol -
Komponen
+
H2O
→
2H2SO4
1 tmol
-
1 tmol
2 tmol -
2 tmol Input
Output
H2SO4 ∑
-
196
2
196 196
