Pembuatan Amonia dengan proses Haber Bosch

Pembuatan Amonia dengan Proses Haber Bosch

<sub>Pembuatan Amonia menurut proses Haber-Bosch, Nitrogen terdapat melimpah di udara, yaitu sekitar 78% volume. Walaupun demikian, senyawa nitrogen tidak terdapat banyak di alam. Satu-satunya sumber alam yang penting ialah NaNO3 yang disebut Sendawa Chili. Sementara itu, kebutuhan senyawa nitrogen semakin banyak, misalnya untuk industri pupuk, dan bahan peledak. Oleh karena itu, proses sintesis senyawa nitrogen, fiksasi nitrogen buatan, merupakan proses industri yang sangat penting. Metode yang utama adalah mereaksikan nitrogen dengan hidrogen membentuk amonia. Selanjutnya amonia dapat diubah menjadi senyawa nitrogen lain seperti asam nitrat dan garam nitrat.

Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hidrogen 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 :

        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. Dilain pihak, 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. Seiring dengan kemajuan teknologi, digunakanlah 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 amonia :</sub>

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 = -92,4Kj Pada 25oC : 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 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. Entalpi pembentukan (∆H), kkal/mol NH3(g) pada 0oC, -9,368; 25 oC, -11,04. Pada proses sintesis pd suhu 700-1000oF, akan dilepaskan panas sebesar 13 kkal/mol. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi dengan suhu 400- 600oC, dengan tekanan 150-300 atm. Kondisi optimum pembuatan amonia (NH3) dapat digambarkan pada tabel berikut :
Kondisi Optimum Pembuatan NH3
Reaksi : N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H= -924 kJ
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 pada 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:
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 amonia

Langkah pertama dalam proses ini adalah untuk membuat kapur dari batu kapur:

CaCO3 + panas → CaO + CO2

ini kemudian dipanaskan dengan Batubara dalam lingkungan anoxic untuk membuat Kalsium Carbide:

CaO + 3C + panas → CaC2 + CO

Penetapan nitrogen yang sebenarnya berasal dari reaksi Kalsium Carbide dengan Nitrogen murni, sehingga untuk proses ini menjadi industri praktis diperlukan proses Linde fraksinasi udara cair. Reaksi berlangsung pada 2atm atau ~ 0.2MPa, dipanaskan oleh melalui pemanasan ohmik dari batang karbon:

CaC2 + N2 → CaCN2 + C

Akhirnya dalam upaya untuk membuat Amoniak, Kalsium sianamida dicampur dengan air dan NaOH (sebagai katalis) untuk hidrolisis:

CaCN2 + H2O → 2NH3 + CaCO3

Kalsium Karbonat dapat dengan mudah dipisahkan karena merupakan padat, dan Amoniak dapat disuling, memungkinkan NaOH untuk didaur ulang kembali untuk lebih hidrolisis.

Kontras ini dengan proses Haber-Bosch untuk membuat amonia, yang pada saat itu dibutuhkan mahal seperator udara cair yang sama serta seperator elektrolit untuk menghasilkan hidrogen dan tekanan yang lebih tinggi katalitik reaktor:

Dengan hanya memelototi itu kita melihat bahwa, sebagai cara untuk membuat Amoniak, proses Haber-Bosh adalah jauh lebih sederhana. Karena tidak memerlukan beberapa tungku dan langkah-langkah perantara memproduksi sianamida biaya operasional harus lebih rendah (dengan asumsi satu memiliki sistem elektrolisis yang efisien untuk hidrogen). Tentu saja reaktor amoniak membutuhkan katalis dan daur ulang sistem mahal karena single pass tidak terlalu efisien.