KESETIMBANGAN DALAM INDUSTRI

Pembuatan Amonia dengan Proses Haber Bosch

Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hydrogen ditemukan oleh Fritz Haber (1908), seorang ahli kimia dari Jerman. Sedangkan proses industri pembuatan amonia untuk produksi secara besar-besaran ditemukan oleh Carl Bosch, seorang insinyur kimia juga dari Jerman. Persamaan termokimia reaksi sintesis amonia  adalah sebagai berikut.

 N₂(g) + 3H₂(g) ⇄ 2NH₃(g) ∆H = -92,4Kj Pada 25^oC : Kp = 6,2×105

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukanNH₃) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500^oC sekalipun. Dipihak lain, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500^oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur dengan Al₂O₃, MgO, CaO, dan K₂O.

Reaksi kekanan pada pembuatan amonia adalah reaksi eksoterm. Reaksi eksoterm lebih baik jika suhu diturunkan, tetapi jika suhu diturunkan maka reaksi berjalan sangat lambat . Amonia punya berat molekul 17,03. Amonia ditekanan atmosfer fasanya gas. Titik didih Amonia -33,35 ^oC, titik bekunya -77,7 ^oC, temperatur & tekanan kritiknya 133 ^oC & 1657 psi. Entalpi pembentukan (∆H), kkal/mol NH_3(g) pada 0^oC, -9,368; 25 ^oC, -11,04. Pada proses sintesis pd suhu 700-1000^oF, akan dilepaskan panas sebesar 13 kkal/mol. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi dengan suhu 400- 600^oC, dengan tekanan 150-300 atm. Kondisi optimum pembuatan amonia (NH₃) dapat digambarkan pada tabel berikut :

Tabel : Kondisi Optimum Pembuatan NH₃

No	Faktor	Reaksi : N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H= -924 kJ	Kondisi Optimum
1.	Suhu	1.      Reaksi bersifat eksoterm 2.      Suhu rendah akan menggeser kesetimbangan kekanan. 3.      Kendala:Reaksi berjalan lambat	400-600oC
2.	Tekanan	1.      Jumlah mol pereaksi lebih besar dibanding dengan jumlah mol produk. 2.      Memperbesar tekanan akan menggeser kesetimbangan kekanan. 3.      Kendala Tekanan sistem dibatasi oleh kemampuan alat dan faktor keselamatan.	150-300 atm
3.	Konsentrasi	Pengambilan NH3 secara terus-menerus akan menggeser kesetimbangan kearah kanan
4.	Katalis	Katalis tidak menggeser kesetimbangan kekanan, tetapi mempercepat laju reaksi secara keseluruhan	Fe dengan campuran Al2O3 KOH dan garam lainnya

Pengaruh katalis pada sistem kesetimbangan adalah dapat mempercepat terjadinya reaksi kekanan atau kekiri, keadaan kesetimbangan akan tercapai lebih cepat tetapi katalis tidak mengubah jumlah kesetimbangan dari spesies-spesies yang bereaksi atau dengan kata lain katalis tidak mengubah nilai numeris dalam tetapan kesetimbangan. Peranan katalis adalah mengubah mekanisme reaksi kimia agar cepat tercapai suatu produk.
Katalis yang dipergunakan untuk mempercepat reaksi memberikan mekanisme suatu reaksi yang lebih rendah dibandingkan reaksi yang tanpa katalis. Dengan energi aktivasi lebih rendah menyebabkan maka lebih banyak partikel yang memiliki energi kinetik yang cukup untuk mengatasi halangan energi aktivasi sehingga jumlah tumbukan efektif akan bertambah sehingga laju meningkat. Perbandingan reaksi dengan katalis dan tanpa katalis dapat dilihat pada gambar dihalaman berikut:

 

Gambar 1 : Perbandingan mekanisme reaksi menggunakan katalis dan tanpa katalis

Dengan kemajuan teknologi sekarang digunakan tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan. Mula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang diinginkan. Kemudian campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan yang bersama katalisator sehingga terbentuk amonia. Diagram alur dari proses Haber-bosch untuk sintesis ammonia diberikan pada Gambar 1

berikut ini :

 

Kegunaan Amonia

Larutan amonia bisa digunakan untuk membersihkan, pemutih dan mengurangi bau tidak sedap. Larutan pembersih yang dijual kepada konsumen menggunakan larutan amonia hidroksida cair sebagai bahan pembersih utama. Tetapi, pengguna harus berhati-hati karena penggunaan dalam waktu lama mungkin bisa merangsang.

Amonia sangat cocok digunakan sebagai bahan pendingin udara, karena amonia mudah mengganti bentuk menjadi cairan dalam tekanan. Jadi, amonia digunakan dalam hampir semua pendingin udara sebelum penciptaan pendingin udara yang menggunakan freon. Freon tidak merangsang dan tidak beracun, tetapi ia bisa menyebabkan erosi lapisan ozon. Sekarang, penggunaan amonia sebagai bahan pendingin udara meningkat kembali.

Amonia membentuk baja alami ketika dicampur dengan air, dan bisa digunakan begitu saja tanpa mencampur bahan kimia. Baja ini sesuai untuk penanaman tumbuhan yang tergantung pada nitrogen, seperti jagung, tetapi memperburuk kondisi tanah.

Amonia juga digunakan dalam pembuatan polimer dan bahan peledak.

Poses Pembuatan Asam Sulfat dengan Proses Kontak

Proses kontak adalah salah satu metode untuk memproduksi asam sulfat (H₂SO₄). Pada proses ini ada tiga tahapan penting, yaitu : membuat sulfur dioksida (SO₂), mengkoversinya menjadi SO₃, dan konversi SO₃ menjadi H₂SO_4.

Pembuatan SO2

Ada dua cara untuk membuat sulfur dioksida, membakar sulfur (S) dengan oksigen berlebih

atau memanaskan sulfide ores  seperti FeS₂ dalam udara berlebih.

Keduanya dilakukan dengan oksigen berlebih untuk memastikan semua sulfur terkoversi menjadi SO₂. Oksigen sisa akan digunakan pada proses berikutnya. Pada proses pembakaran sulfur, konsentrasi SO₂ yang diperoleh sekitar 9 – 10 %.

Konversi menjadi SO₃

Konversi SO2 menjadi SO3 dilakukan dalam reaktor berkatalis. Reaksi konversi ini merupakan reaksi eksoterm (menghasilkan panas).

Pada reaksi eksoterm, temperatur adalah parameter yang sangat penting. Pada temperatur tinggi, laju reaksi cepat namun konversi rendah. Untuk memperoleh SO3 sebanyak mungkin diperlukan temperatur reaksi yang rendah. Namun pada temperatur ini laju reaksi kecil, untuk itu diperlukan katalis. Katalis yang biasa digunakan adalah V₂O₅ dan temperatur reaksi 400-450 ^oC.

Tekanan bukan parameter penting yang perlu diperhatikan. Lihat persamaan reaksi diatas, 3 mol reaktan menjadi 2 mol produk. Jumlah mol ini sebanding dengan volume (reaksi fasa gas) atau tekanan pada volume tetap. Walaupun dilakukan pada tekanan tinggi, pada akhirnya tekanan akan turun dengan sendirinya. Reaksi ini dilakukan pda tekanan mendekati atmoferik. Selain itu, pada kondisi ini (temperatur 400-450 ^oC, tekanan atmosferik) konversi reaksi mencapai 99,5 sehingga hanya sedikit sekali peningkatan konversi jika tekanan dinaikkan.

Konversi SO₃ menjadi H₂SO₄

Secara teori SO₃ dapat dikonversi menjadi H₂SO₄ jika direaksikan dengan air, namun hal ini tidak dapat dilakukan karena reaksi SO₃ + H₂O sulit dikontrol dan menimbulkan kabut asam sulfat. SO₃ direaksikan terlebih dahulu dengan H₂SO₄ membentuk H₂S₂O₇ (oleum).

reaksi ini dilakukan dalam kolom absorber.  

Oleum dapat direaksikan dengan air membentuk asam sulfat.

Kegunaan Asam Sulfat

Asam sulfat merupakan komoditas kimia yang sangat penting, dan sebenarnya pula, produksi asam sulfat suatu negara merupakan indikator yang baik terhadap kekuatan industri 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. Bahan-bahan baku yang ditunjukkan pada persamaan di bawah ini merupakan fluorapatit, walaupun komposisinya dapat bervariasi. Bahan baku ini kemudian diberi 93% asam suflat untuk menghasilkan kalsium sulfat, hidrogen fluorida (HF), dan asam fosfat. HF dipisahan sebagai asam fluorida. Proses keseluruhannya dapat ditulis:

Ca₅F(PO₄)₃ + 5 H₂SO₄ + 10 H₂O → 5 CaSO₄•2 H₂O + HF + 3 H₃PO₄

Asam sulfat digunakan dalam jumlah yang besar oleh industri besi dan baja untuk menghilangkan oksidasi, karat, dan kerak air sebelum dijual ke industri otomobil. Asam yang telah digunakan sering kali didaur ulang dalam kilang regenerasi asam bekas (Spent Acid Regeneration (SAR) plant). Kilang ini membakar asam bekas dengan gas alam, gas kilang, bahan bakar minyak, ataupun sumber bahan bakar lainnya. Proses pembakaran ini akan menghasilkan gas sulfur dioksida (SO₂) dan sulfur trioksida (SO₃) yang kemudian digunakan untuk membuat asam sulfat yang "baru".

Amonium sulfat, yang merupakan pupuk nitrogen yang penting, umumnya diproduksi sebagai produk sampingan dari kilang pemroses kokas untuk produksi besi dan baja. Mereaksikan amonia yang dihasilkan pada dekomposisi termal batu bara dengan asam sulfat bekas mengijinkan amonia dikristalkan keluar sebagai garam (sering kali berwarna coklat karena kontaminasi besi) dan dijual kepada industri agrokimia.

Kegunaan asam sulfat lainnya yang penting adalah untuk pembuatan aluminium sulfat. Alumunium sulfat dapat bereaksi dengan sejumlah kecil sabun pada serat pulp kertas untuk menghasilkan aluminium karboksilat yang membantu mengentalkan serat pulp menjadi permukaan kertas yang keras. Aluminium sulfat juga digunakan untuk membuat aluminium hidroksida. Aluminium sulfat dibuat dengan mereaksikan bauksit dengan asam sulfat:

Al₂O₃ + 3 H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3 H₂O

Asam sulfat juga memiliki berbagai kegunaan di industri kimia. Sebagai contoh, asam sulfat merupakan katalis asam yang umumnya digunakan untuk mengubah sikloheksanonoksim menjadi kaprolaktam, yang digunakan untuk membuat nilon. Ia juga digunakan untuk membuat asam klorida dari garam melalui proses Mannheim. Banyak H₂SO₄ digunakan dalam pengilangan minyak bumi, contohnya sebagai katalis untuk reaksi isobutana dengan isobutilena yang menghasilkan isooktana.