INDUSTRI NITROGENNitrogen diperoleh dari berbagai sumber seperti limbah pupuk, udara, batu bara, gas alam, elektrolisis hidrogen, proses pemurnian gas, nafta dan crude oil. Selain itu, sumber nitrogen lainnya ialah dari hasil penambangan NaNO3. Natrium nitrat lebih dikenal sebagai mesiu Chili yang berbeda dengan mesiu pada umumnya.Dalam industri, nitrogen sering diperoleh dari hasil distilasi udara cair. Udara difiltrasi untuk menghilangkan kotoran yang tidak diinginkan seperti debu. Kemudian udara dikompresi untuk meningkatkan tekanannya. Udara akan masuk dalam heat exchanger untuk didinginkan dan kemudian dikompresi kembali sampai fase udara berubah menjadi cair. Udara cair didistilasi untuk menguapkan nitrogen. Hal ini dikarenakan nitrogen mempunyai titik didih yang lebih rendah dibandingkan unsur lain yang terdapat dalam udara, sehingga nitrogen akan menguap terlebih dahulu. Aplikasi penggunaan nitrogen yang paling banyak digunakan adalah dalam industri pupuk dari amonia. Amonia merupakan salah satu produk yang mengandung nitrogen. Kebanyakan dibuat dari proses sintesis nitrogen. Nitrogen yang dibutuhkan dapat dihasilkan dari proses penambangan NaNO3. Gas amonia dapat digunakan dalam pembuatan pupuk, bubur kayu, asam nitrat, industri ester asam nitrat dan bahan pendingin. Amina, amidadan beberapa macam senyawa organik lainnya merupakan turunan dari ammonia.Sintesis AmmoniaReaksi yang Terjadi dalam Proses Sintesis AmoniaAmonia dapat disintesis dari unsur nitrogen dan hidrogen. Amonia yang dikomersialkan dapat berupa amonia cair murni maupun larutan amonia dengan kadar 28% NH3. Reaksi yang terjadi antara nitrogen dan hidrogen untuk menghasilkan amonia adalah sebagai berikut. N2(g) + H2(g) > NH3(g) H12C = -46,0 kJ H 659C = -55,6 kJReaksi tersebut merupakan reaksi reversible. Berdasarkan prinsip kesetimbangan, kondisi yang diinginkan adalah reaksi yang berjalan ke kanan ke arah pembentukan amonia dengan suhu yang rendah dan tekanan tinggi. Namun, reaksi akan berjalan lambat pada suhu rendah. Jika dilakukan peningkatan suhu, maka akan mengurangi jumlah amonia yang dihasilkan. Peristiwa seperti ini sering terjadi dalam berbagai macam reaksi kesetimbangan lainnya, sehingga perlu ada cara untuk mengatasi hal tersebut dan menjadikan proses produksi menghasilkan keuntungan yang sebesar-besarnya.

Gambar 1. Kurva hubungan antara persen konversi amonia dengan suhu dan tekananDari grafik di atas menunjukan hubungan antara persen konversi amonia yang dihasilkan dengan suhu dan tekanan selama proses reaksi berlangsung. Diketahui bahwa persen konversi amonia yang terbentuk akan lebih besar jika pada keadaan suhu rendah. Begitu juga pada keadaan tekanan yang besar, maka konversi amonia yang dihasilkan pun akan semakin besar.Penambahan katalis diperlukan untuk mempercepat jalannya reaksi walaupun dilakukan pada suhu rendah. Katalis yang digunakan adalah besi yang ditambahkan material pendukung seperti alumunium oksida, zironium, silikon sebesar 3% dan potasium oksida sebesar 1%. Penambahan material pendukung ini berfungsi agar katalis tidak mudah meleleh dan lebih berpori untuk meningkatkan kemampuan adsorpsi reaktan.Kemampuan katalis besi dapat tidak aktif lagi jika terjadi kontak dengan tembaga, fosfor, arsenik, sulfur, dan karbon monoksida karena terjadi peristiwa yang dinamakan peracunan katalis.Peracunan katalis terjadi karena terdapat beberapa unsur tertentu dalam senyawa yang diumpankan ke dalam reaktor yang teradsorpsi dengan mudah secara kimia ke permukaan katalis sehingga menutupi situs aktif katalis dalam melakukan fungsinya. Senyawa racun katalis ini teradsorpsi pada katalis secara lebih kuat dibandingkan dengan reaktan sehingga aktivitas katalis menjadi terganggu.

a. Peracunan pada katalis logamTeori tentang peracunan katalis didasarkan pada sifat struktur elektronik dari racun katalis dalam fasa gas dan katalis logam dalam fasa padat. Konsep ini melihat bahwa racun katalis teradsorpsi pada situs aktif logam membentuk kompleks terkemisorpsi.

Tabel 1 Katalis Logam yang Mudah Teracuni

Golongan VIIIGolongan IB

FeCoNiCu

RuRhPdAg

OsIrPtAu

Katalis yang hanya tersusun dari besi murni saja hanya akan menghasilkan konversi sebesar 3 5%. Sedangkan katalis yang tersusun dari besi dan satu lapis material pendukung akan menghasilkan persen konversi sebesar 8 9% dan katalis yang tersusun dari besi dengan dua lapis material pendukung akan menghasilkan konversi sebesar 13 14% (Lestari, 2011).Katalis tidak akan bekerja pada suhu melebihi 520C. Oleh karena itu, penggunaan katalis sangat efektif untuk mempercepat jalannya laju reaksi pada suhu rendah. Katalis juga tahan terhadap kadar impuritis tinggi yang terdapat pada reaktan.Space velocity adalah laju volume reaktan per satuan volume reaktor. Dalam hal ini, satuan volume reaktor dianggap sebagai volume katalis. Space velocity menyatakan berapa jumlah reaktan yang harus melewati katalis dengan volume tertentu dalam waktu yang cepat dan dengan volume reaktan sebanyak-banyaknya. Untuk meningkatkan space velocity, maka ukuran katalis harus diperkecil dan dibuat dalam beberapa kolom katalis.Proses Sintesis AmoniaDalam proses sintesis amonia terdapat enam tahap yaitu tahap pembuatan gas reaktan, purification, compression, catalytic reaction, recovery of amonia formed dan recirculation. Mekanisme Sintesis AmoniaReaksi antara gas hidrogen dan nitrogen merupakan reaksi eksotermis yang menghasilkan panas dan terjadi pada konverter. Oleh karena itu, konverter harus dirancang sedemikian rupa sehingga dapat tahan terhadap suhu maupun tekanan yang tinggi dan dapat menjaga suhu dan tekanan optimum agar reaksi berjalan dengan sempurna.

Gambar 2. Proses keseluruhan dari pembuatan amoniaGambar tersebut menunjukan keseluruhan proses yang terjadi dalam pembuatan amonia dimulai dengan proses pembuatan gas reaktan hingga amonia terbentuk. Bahan dasar yang digunakan dalam proses pembuatan amonia ini adalah gas sintesis dan udara. Gas sintesis yang digunakan masih mengandung pengotor berupa sulfur yang dapat meracuni katalis reformer, sehingga perlu dilakukan proses desulfurisasi dengan bantuan katalis Co untuk menghilangkan kadar sulfur tersebut. Gas sintesis bebas sulfur kemudian direaksikan dengan steam di dalam primary reformer dengan bantuan katalis nikel. Produk dari reaksi ini berupa CO2, CO dan H2.CH4(g) + H2O(g) > CO(g) + 3H2(g)Reaksi tersebut merupakan reaksi endotermis sehingga perlu adanya panas. Gas keluaran primary reformer direaksikan dengan udara yang juga berisi katalis nikel pada secondary reformer. Gas kemudian direaksikan kembali dengan steam di dalamhigh suhu shift reaktor untuk mengoksidasi kandungan karbon monoksida yang terdapat pada gas dengan bantuan katalis Fe menjadi karbondioksida yang mudah dihilangkan.CO(g) + H2O(g) > CO2(g) + H2(g)Selanjutnya gas dimasukan ke dalam low suhu shift reaktor. Di dalam reaktor ini berlangsung reaksi yang sama pada high suhu shift reaktor, hanya saja suhu yang digunakan rendah. Hal ini dikarenakan untuk menghasilkan konversi yang tinggi, sehingga kadar CO dalam gas dapat berkurang. CO2 hasil reaksi oksidasi CO dihilangkan di dalam CO2 absorber dengan mengontakan gas dan larutan benfiela. CO2 yang terlarut dalam benfiela kemudian diserap oleh steam di dalam kolom stripper, sehingga benfiela yang bebas CO2 dapat digunakan kembali di absorber.Sisa CO2 dan CO yang tidak hilang lewat absorber akan dikonversi menjadi metana di dalam methanator dengan bantuan katalis nikelCO(g) + 3H2(g) > CH4(g) + H2O(g)CO2(g) + 4H2(g) > CH4(g) + 2H2O(g)CO2 dan CO pada gas akan mengakibatkan kerusakan pada katalis dalam konverter sedangkan metan merupakan gas inert yang tidak akan mengganggu kinerja dari katalis. semua panas yang dihasilkan akan digunakan kembali sehingga tidak ada panas yang terbuang percuma.Gas dimasukan ke dalam konverter untuk mereaksikan 3:1 H2/N2 pada tekanan yang tinggi. Metan yang dibiarkan masuk ke dalam konverter berfungsi sebagai penambah volume gas dalam konverter. Penambahan volume ini dapat meningkatkan tekanan sehingga konversi yang dihasilkan semakin besar.Konverter terdiri dari dua kolom yaitu kolom katalis dan kolom heat exchanger. Kolom heat exchanger berada pada kolom bagian bawah. Sebelum masuk ke dalam konverter, tekanan gas dinaikan terlebih dahulu.Konverter didesain dengan membentuk dua kolom yang terdapat katalis pada masing-masing kolom. Gas yang masuk ke dalam konverter memungkinkan masih terdapat gas-gas pengotor yang dapat merusak katalis walaupun dalam jumlah yang sedikit. Untuk mengatasi hal tersebut, maka katalis diletakan pada dua kolom yang terpisah, sehingga zat pengotor hanya akan merusak katalis pada kolom pertama saja. Perlakuan seperti ini dapat mnghemat pengeluaran dalam pembelian katalis yang rusak.

Gambar 3. Proses sintesis amonia pada konverterGas masuk dari atas konverter kemudian dialirkan ke bawah untuk masuk dalam heat exchanger. Gas didinginkan di dalam heat exchanger agar mencapai suhu optimum saat diadsorpsi oleh katalis. Gas keluar dari heat exchanger dan mengalir ke atas kolom konverter, sehingga dapat diadsorpsi oleh lapisan atas katalis. katalis pada kolom atas lebih sedikit dibandingkan dengan katalis pada kolom bawah. Suhu gas pada saat melewati kolom katalis pertama sebesar 370 sampai 425C. Dengan suhu setinggi ini, maka amonia yang terbentuk mustahil diperoleh dalam keadaan cair. Untuk itu gas keluar konverter harus terlebih dahulu menjalani pendinginan. Pendinginan ke suhu ini dilakukan dengan cara pertukaran panas antara gas masuk konverter dengan gas keluar konverter, pendinginan di dalam heat exchanger serta yang utama adalah pendinginan menggunakan refrigerasi.Gas yang telah didinginkan masih mengandung H dan N yang tidak bereaksi, sehingga gas dicampur dengan gas dari metanasi dan dikembalikan ke konverter amonia. Sistem ini merupakan sebuah loop atau siklus amonia. Di dalam loop ini juga ada gas-gas yang benar-benar tidak bereaksi yang disebut inert, yaitu CH4, Ar, Ne dan sebagainya. Adapun gas dari metanasi yang mengandung CO, CO2 dan H2O sebelum masuk ke dalam konverter dipertemukan terlebih dahulu dengan gas keluaran konverter yang sudah didinginkan dan mengandung amoniak cair. Tujuannya adalah agar CO, CO2 dan H2O yang ada dalam gas dari metanasi dapat larut dalam amoniak cair dan terbawa ke refrigerasi, tidak ke konverter amonia.Produk amoniak cair ini selanjutnya dikirim ke refrigerasi untuk dimurnikan dari inert yang terlarut dalam amoniak cair dan didinginkan hingga suhu -31C. Pemurnian dilakukan dengan menurunkan tekanannya. Dengan jalan ini kelarutan gas-gas inert tersebut akan turun dan gas-gas inert akan lepas dari amonia cair. Refrigerasi ini seperti layaknya sebuah lemari es dilengkapi dengan kompresor refrigerant. Kompressor ini berfungsi untuk menaikkan tekanan uap amonia agar mudah dicairkan menggunakan air pendingin. Amoniak cair ini selanjutnya dikirim ke heat exchanger yang ada di konverter yang dipakai untuk mendinginkan gas keluaran konverter amonia dan mencairkan amonia yang terdapat dalam gas keluaran konverter. Amonia dapat didistribusikan dalam bentuk amonia cair dan larutan amonia. Amonia bersifat mudah larut dalam air.Kelarutan amonia sangat besar di dalam air, meskipun kelarutannya menurun tajam dengan kenaikan suhu. Amonia bereaksi dengan air secara reversibel menghasilkan ion amonium (NH4+) dan ion hidroksida (Appl, 1999).Perkembangan Pada Proses Pembuatan AmoniaProses sintesis amonia masih terus dilakukan pengembangan terutama pada biaya produksi yang dikeluarkan. Ada beberapa hal yang dilakukan untuk mengurangi biaya produksi, yaitu1. Kualitas katalis yang dapat bekerja pada tekanan rendah sehingga dapat digunakan kompresor sentrifugal2. Kompresor dengan kapasitas yang besar, katalis yang lebih baik dan konverter yang lebih besar akan menambah jumlah produksi dan lebih ekonomis.3. Pemanfaatan panas yang dihasilkan dari reaksi eksotermis primary reformer untuk memanaskan udara yang bereaksi secara endotermis di dalam secondary reformer.4. Proses kontrol menggunakan komputer digital.5. Pemanfaatan kembali amonia yang masih tersisa dari hasil pemurnian gas keluaran konverter.6. Memperkecil ukuran katalis yang digunakan

UreaUrea merupakan salah satu dari produk turunan amonia. Urea mengandung sekitar 46% nitrogen. Urea diproduksi dalam bentuk padatan kristal dan dikemas dalam karung.Bahan baku utama dari proses pembuatan urea adalah karbon dioksida dan amonia cair. Terjadi dua tahap reaksi yaitu reaksi antara karbon dioksida dan amonia cair membentuk amonium karbamat pada tekanan tinggi.

CO2 + 2NH3 > NH2COONH4H = -155 MJ/ kg molReaksi tersebut merupakan reaksi eksotermis yang menghasilkan panas. Amonium karbamat yang terbentuk kemudian didekomposisi untuk membentuk urea dan air

NH2COONH4> NH2CONH2 + H2OH = +42MJ/ kg mol

Gambar 4. Proses keseluruhan dari pembuatan urea

Amonia cair dan gas karbondioksida masuk ke dalam reaktor. Dalam reaktor ini terjadi proses reaksi antara amonia dengan karbon dioksida membentuk amonium karbamat. Laruan amonium karbamat hasil recovery juga dimasukan ke dalam realtor ini untuk selanjutnya dimasukan ke dalam reaktor dekomposisi. Larutan amonium karbamat dari hasil pembentukan reaksi antara amonium dan karbondioksida maupun dari hasil recovery mengalami dekomposisi menjadi larutan urea.