Reaksi Kesetimbangan dalam Industri
Dalam industri, bahan-bahan kimia ada yang dihasilkan melalui reaksi-reaksi kesetimbangan. Misalnya industri pembuatan ammonia dan pembuatan asam sulfat. Masalah yang dihadapi adalah bagaimana memperoleh hasil yang berkualitas tinggi dalam jumlah banyak dengan menggunakan proses efisien dan efektif. Untuk memecahkan masalah tersebut, pengetahuan tentang kesetimbangan kimia sangat diperlukan.
INDUSTRI AMONIA
A. Latar Belakang Pembuatan Industri Amonia
Amonia, NH3, adalah gas beracun dan tak bewarna dengan bau mengiritasi yang khas. Walaupun gas ini digunakan dalam banyak kasus sebagai larutan amonia dalam air, yakni dengan dilarutkan dalam air, amonia cair juga digunakan sebagai pelarut non-air untuk reaksi khusus. Sejak dikembangkannya proses Harber-Bosch untuk sintesis amonia di tahun 1913, amonia telah menjadi senyawa yang paling penting dalam industri kimia dan digunakan sebagai bahan baku banyak senyawa yang mengandung nitrogen. Amonia juga digunakan sebagai refrigeran (di lemari pendingin), selain itu dalam pembuatan polimer dan bahan letupan.
Gas yang tidak bewarna ini bau yang menyengat dapat dengan mudah dicairkan. Bahkan bentuk cair senyawa ini digunakan sebagai pupuk nitrogen. Amonia juga digunakan untuk memproduksi urea (NH2CONH2), yang juga digunakan sebagai pupuk dalam industri plastik, dan dalam industri peternakan sebagai suplemen makanan ternak. Amonia sering merupakan senyawa pertama untuk banyak senyawa nitrogen.
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 :
N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H = -92,22 Kj Pada 25oC : Kp = 6,2×105
Fritz Haber, ya, dialah ilmuwan terkenal di balik pesatnya industri amonia. Fritz Haber adalah orang pertama yang berhasil memfiksasi amonia di laboratorium. Bersama rekannya Carl Bosch, seorang ahli teknik kimia, mereka mendesain industri amonia yang dapat memproduksi amonia dalam jumlah besar. Atas kontribusi yang besar dalam bidang sintesis amonia, Fritz Haber dianugrahi hadiah Nobel kimia pada tahun 1918.
Pada awal pengembangan industri amonia, Fritz Haber bekerja sama dengan Carl Bosch mendesain suatu pabrik amonia untuk memproduksi amonia dalam skala besar. Carl Bosch menyarankan Fritz Haber agar tidak menggunakan temperatur reaksi yang terlalu rendah. Jika temperatur reaksi terlalu rendah maka reaksi akan berjalan dengan lambat dan tentunya hal ini tidak efisien dalam industri kimia. Bosch juga mengusulkan untuk menggunakan tekanan yang tidak terlalu tinggi. Tekanan yang terlalu tinggi dapat meningkatkan resiko kecelakaan akibat ledakan dan meningkatkan biaya konstruksi pabrik. Karena itu Bosch berusaha merancang pabrik yang dapat memproduksi amonia dengan tekanan 10 sampai 100 Mpa dan suhu 100-500oC. Setelah lima tahun bekerja sama, mereka berhasil membuat desain industri amonia yang diserahkan kepada perusahaan BASF. Sayangnya pembuatan industri amonia itu bertepatan dengan dimulainya Perang Dunia I. Di bawah tekanan dan blokade pihak sekutu, suplai Natrium Nitrat dari Chili terhenti. Akhirnya industri amonia Jerman lebih diarahkan untuk memproduksi bahan peledak daripada pupuk buatan. Tanpa industri amonia Haber-bosch, pasukan Jerman dan Austro-Hungaria pastilah sudah menyerah di awal 1918 karena kehabisan bahan peledak.
Pembuatan Amoniak
Amoniak (NH3) merupakan senyawa nitrogen yang banyak digunakan sebagai bahan dasar pembuatan pupuk (Urea dan ZA), serat sintetik (nilon dan sejenisnya), dan bahan peledak TNT (trinitro toluena). Pembuatan ammoniak yang dikemukakan oleh Fritz Haber (1905), prosesnya disebut Proses Haber-Bocsh. Reaksi yang terjadi adalah kesetimbangan antara gas N2, H2, dan NH3 ditulis sebagai berikut.
N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H = -92,22 Kj
Untuk proses ini, gas N2 diperoleh dari hasil penyulingan udara, sedangkan gas H2 diperoleh dari hasil reaksi antara gas alam dengan air. Pada suhu kamar, reaksi ini berlangsung sangat lambat maka untuk memperoleh hasil yang maksimal, reaksi dilakukan pada suhu tinggi, tekanan tinggi, dan diberi katalis besi. Reaksi pembentukan amoniak merupakan reaksi eksoterm. Menurut Le Chatalier kesetimbangan akan bergeser ke arah NH3 jika suhu rendah. Masalahnya adalah katalis besi hanya berfungsi efektif pada suhu tinggi, akibatnya pembentukan ammoniak berlangsung lama pada suhu rendah.
Berdasarkan pertimbangan ini prosesnya dilakukan pada suhu tinggi ± 450°C (suhu optimum) agar reaksi berlangsung cepat sekalipun dengan risiko kesetimbangan akan bergeser ke arah N2 dan H2. Untuk mengimbangi pergeseran ke arah N2 dan H2 oleh suhu tinggi, maka digunakan tekanan tinggi antara 200-400 atm. Untuk membuat molekul-molekul semakin rapat sehingga tabrakan molekul semakin sering. Dengan kondisi yang dianggap optimum ternyata gas NH3 yang dapat dipisahkan baru dapat mencapai ±15%. Campuran gas kemudian didinginkan sehingga gas NH3 mencair.
B. Sifat Fisis dan Kimia Bahan Baku dan Produk
Sifat Fisis dan Kimia Produk Utama Amonia :
ü Rumus molekul : NH3
ü Berat molekul : 17.03 g/mol
ü Temperatur kritis : 132.40 °C
ü Tekanan kritis : 111.3 atm
ü Titik didih : 33.15 °C
ü Titik leleh : -77.7 °C
ü Spesific gravity pada acuan udara : 0.5971
ü Kelarutan dalam air dingin (0 °C) : 89.9/100
ü Kelarutan dalam air panas (100 °C) : 7.4/100
ü Viskositas (25 °C) : 13.35 Cp
Sifat Kimia :
o Reaksi amonisasi
Missal pada senyawa halogen
NH3 + HX NH4+ + X-
o Amonia mengalami disosiasi mulai pertama kali pada 400-500 C, pada tekanan 1 atm
o Oksidasi pada suhu yang tinggi dari NH3 akan menghasilkan N2 + H2O
2NH3 + 2 KMnO4 2KOH + MnO2 + 2H2O + N2
C. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk
1. Bahan Baku :
a. Gas Alam
i) Bentuk : gas
ii) Komposisi rata-rata gas alam (fraksi mol) :
ü CH4 : 0.8370
ü C2H6 : 0.0495
ü C3H8 : 0.0330
ü C4H10 : 0.0150
ü C5H12 : 0.0580
ü Sulfur : 25 ppmv (maksimum)
ü Hg : 188 ppbw(maksimum)
iii) Tekanan : 40 atm
iv) Temperature : 30 o C
v) HHV : 950-1200 Btu/SCF
vi) MW : 19659
vii) SG : 0.6-0.8
b) Udara
a. Komposisi rata-rata udara (fraksi mol) :
i. N2 : 0.78084
ii. O2 : 0.20946
iii. Ar : 0.00940
iv. CO2 : 0.00030
b. Tekanan : 1 atm
c. Suhu : 30 o C
d. Humidity : 83%
2. Produk : Amonia (NH3)
ü Bentuk : cair
ü Kadar ammonia : 99.5% berat (minimum)
ü Kadar air : 0.5% berat (maksimum)
ü Minyak : 5 ppm (b/b) (maksimum)
ü Tekanan : 1.25 atm
ü Temperature :-33 o C
3. Bahan Pendukung : Katalis
ü Jenis : besi oksida (FeO, Fe2O3) dengan multi promoter
ü Bentuk : granular
ü Ukuran partikel : 6-10 mm
ü Berat jenis (bulk) : 2.80 kg/L
D. Tinjauan Proses secara umum
Pada proses pembuatan Amonia (NH3) menggunakan proses Haber. Gas natural (metana, CH4) bereaksi dengan uap panas untuk memproduksi karbon dioksida dan gas hidrogen (H2) dalam proses dua langkah. Gas hidrogen dan gas nitrogen lantas direaksikan dalam proses Haber untuk memproduksi amonia.
N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g)
Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukan NH3) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC sekalipun. Dipihak lain, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500oC 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. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi dengan suhu 400-600oC, dengan tekanan 150-300 atm. Konversi reaksi 10-40 % dengan perbandingan mol ratio N2 dan H2 adalah 1:3 dengan fase reaksi gas. 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= -92.22 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.
E. Tinjauan Termodinamika
Untuk mengetahui apakah sifat reaksi berjalan eksotermis atau endotermis, maka perlu pembuktian dengan menggunakan panas pembentukan standar, ΔH°f. Pada tekanan 1 atm dengan suhu sebesar 298.15 K.
N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g)
ΔH° = ΔH°f (produk)- ΔH°f (rekatan)
Jika ΔH° reaksi = (-) maka reaksi berjalan secara eksotermis
Jika ΔH° reaksi = (+) maka reaksi berjalan secara endotermis
Diketahui data ΔHf masing-masing komponen pada 298.15 K adalah :
ΔH°f N2 = 0
ΔH°f H2 = 0
ΔH°f NH3 = -46.110 kJ/mol
ΔH° = ΔH°f NH3 - ( ΔH°f N2 + ΔH°f H2 )
= 2x(-46.110 kJ/mol) – (0 + 3(0))
= -92.22 kJ/mol
Panas reaksi bernilai negatif sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa reaksi pembentukan ammonia merupakan reaksi eksotermis.
Sedangkan untuk mengetahui apakah reaksi pembentukan ammonia searah (reversible) atau tidak searah (irreversible) berdasarkan tinjauan termodinamika dengan persamaan van’t Hoff sebagai berikut :
d(∆G°/RT)dT=-∆H°RT
Dengan
∆G°RT=-lnK
Sehingga :
d(∆G°/RT)dT=-∆H°RT
dlnKdT=∆H°RT
Keterangan :
ΔG° = Energi gibbs standar
R = Tetapan gas umum
T = Temperature reaksi
K = Konstanta kesetimbangan reaksi
Apabila K ≥ 1. Maka reaksi tersebut bolak-balik (reversible)
Apabila K ≤ 1, maka reaksi tersebut searah (irreversible)
Diketahui data-data G° untuk mengetahui masing-masing komponen pada 298.15 K adalah
ΔG°f N2 = 0
ΔG°f H2 = 0
ΔG°f NH3 = -16.450 kJ/mol
ΔG° = ΔG°f NH3 - ( ΔG°f N2 + ΔG°f H2)
= 2x(-16.450 kJ/mol) – (0 + 3(0))
= -32.9 kJ/mol
Dari persamaan ini :
∆G°RT=-lnK
K=e-∆G°/RT
K298.15 = exp(-32.9/0,008314.298.15
K298.15 = 5.81 x 105
Jika delta H merupakan perubahan entalpi standar ( panas reaksi ) dan dapat diasumsikan konstan terhadap suhu, maka persamaan ini dapat diintegralkan menjadi :
lnKoperasi/K298.15 =-∆H°R(1/T1-1/T2)
Ln K723.15 = 6.94
K723.15 = 1032.77
Dari perhitungan diatas dapat diketahui bahwa konstanta kesetimbangan reaksi (K) pembentukan ammonia merupakan reaksi bolak-balik (reversible)
F. Tinjauan Kinetika
1. Reaksi bersifat eksoterm, karena nilai delta Ho reaksi bernilai (-)
2. Suhu rendah akan menggeser kesetimbangan kekanan.
3. Kendala, reaksi berjalan lambat
4. Jumlah mol pereaksi lebih besar dibanding dengan jumlah mol produk.
5. Memperbesar tekanan akan menggeser kesetimbangan kekanan.
6. Memperbesar tekanan akan menggeser kesetimbangan kekanan.
7. Pengambilan NH3 secara terus menerus akan menggeser kesetimbangan kearah kanan
8. Konversi pembuatan amonia adalah sebesar 16%.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar