Faktor yang tidak dapat dilakukan untuk meningkatkan produktivitas pada pembuatan amonia

Nitrogen merupakan salah satu bahan penting kehidupan makhluk hidup, khususnya tumbuhan. Pada tumbuhan, nitrogen banyak dimanfaatkan untuk pertumbuhan dan perkembangan. Namun tahukah anda darimana nitrogen ini berasal. Dari pupuk? Bisa jadi benar, namun bagaimana prosesnya? Pada artikel ini akan dijelaskan tentang proses haber, sejarah, aplikasi pada skala pabrik, dan faktor-faktor yang mempengaruhi proses haber.

Sejarah Proses Haber

Sebelum adanya nitrogen sintesis, manusia banyak menggunakan bahan-bahan alam sebagai sumber nitrogen (dalam hal ini sumber pupuk), seperti kotoran ternak dan sisa-sisa batu bara. Namun, pada awal tahun 2020, sektor pertanian membutuhkan lebih banyak pupuk dari yang disediakan. Alam tidak bisa memberikan pupuk yang melimpah dalam waktu yang singkat, sehingga hal tersebut membuat ilmuwan berlomba-lomba untuk memikirkan cara memproduksi pupuk.

Priestly dan Cavendish adalah salah satu penemu yang berhasil mendapatkan cara memproduksi nitrogen. Cara produksi nitrogen ala Priestly dan Cavendish adalah dengan mengalirkan percikan listrik melalui udara dan menghasilkan nitrat dengan melarutkan oksida nitrogen sehingga terbentuk dalam basa. Namun, pengembangan komersial dari proses ini terbukti sulit dipahami, karena banyak energi listrik yang dikonsumsi dengan efisiensi rendah. Proses lain, seperti pemrosesan termal untuk campuran oksida nitrogen (NOX), pembentukan sianida, pembentukan aluminium nitrida dan dekomposisi menjadi amonia, dll., Menunjukkan sedikit janji komersial meskipun secara teknis memungkinkan.

Joseph Priest

Hingga akhirnya Fritz Haber, dan Carl Bosch, menemukan cara yang efisien untuk menghasilkan nitrogen melalui ammonia. Haber menemukan sintesis katalitik amonia skala besar dari unsur hidrogen dan gas nitrogen, reaktan yang melimpah dan tidak mahal. Dengan menggunakan suhu tinggi (sekitar 500oC), tekanan tinggi (sekitar 150-200 atm), dan katalis besi, Haber dapat memaksa gas nitrogen dan hidrogen yang relatif tidak reaktif untuk bergabung menjadi amonia. Ini melengkapi faktor penting untuk banyak zat penting, terutama pupuk dan bahan peledak yang digunakan dalam pertambangan dan peperangan.

Fritz Haber

Bosch, dengan kecerdikan teknisnya, mengembangkan peralatan bertekanan tinggi dan metode produksi yang sesuai untuk produksi amonia skala besar. Upaya kolaboratif Haber dan Bosch memungkinkan sintesis tekanan tinggi komersial amonia pada tahun 1913. Pabrik komersial pertama dengan kapasitas 30 ton / hari didirikan oleh raksasa kimia Jerman BASF (Badashe Analine und Soda Fabrik) di Oppau , Jerman . Proses intensif energi ini telah mengalami banyak modifikasi dalam beberapa tahun terakhir, mengakibatkan harga-harga tidak meningkat secepat harga energi secara umum.

Reaktor pertama proses haber

Saat ini, amonia sintetis yang dihasilkan dari reaksi antara nitrogen dan hidrogen merupakan basis yang hampir semua produk yang mengandung nitrogen diturunkan. Produksi amonia di seluruh dunia melebihi 130 juta ton dan merupakan bahan kimia terbesar keenam yang diproduksi.

Reaksi Proses Haber

Berikut adalah reaksi dari proses haber :

Dari reaksi ini terlihat bahwa reaksi haber bersifat eksotermis dan dapat balik (reversible)

Tahapan Proses Haber pada Industri

Berikut adalah beberapa tahapan proses haber dalam industri :

1. Nitrogen (diekstraksi dari udara) dan hidrogen (diperoleh dari gas alam) dipompa melalui pipa
2. Tekanan campuran gas dinaikkan menjadi 200 atmosfer
3. Gas bertekanan dipanaskan sampai 450°C dan dilewatkan melalui tangki yang berisi katalis besi
4. Campuran reaksi didinginkan sehingga amonia mencair dan dapat dihilangkan
5. Nitrogen dan hidrogen yang tidak bereaksi didaur ulang.

Lebih jelasnya terkait proses haber dapat di lihat pada video berikut :

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Proses Haber

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi proses haber :

Reaktan dari proses haber adalah gas nitrogen dan gas hidrogen, oleh karena reaksi haber merupakan reaksi yang bersifat dapat balik, reaksi haber mengikuti prinsip Le Chatelier. Dalam prinsip Le Chatelier, apabila reaktan semakin banyak maka reaksi akan bergeser ke arah produk. Hal ini dapat menyebabkan produk proses haber yang dihasilkan menjadi lebih banyak.

Berdasarkan prinsip Le Chatelier, semakin banyak produk yang dihasilkan, maka reaksi akan bergeser menuju arah reaktan. Hal ini dapat menyebabkan produk yang dihasilkan lebih sedikit.

pengaruh tekanan dan suhu terhadap hasil ammonia

Reaksi proses haber merupakan reaksi yang bersifat eksotermis. Reaksi eksotermis adalah reaksi yang menghasilkan panas, dalam hal ini panas merupakan produk. Apabila suhu ditingkatkan, maka panas akan meningkat dan menyebabkan reaksi bergeser ke arah reaktan. Hal ini dapat menurunkan produk dari proses haber.

Namun, suhu yang terlalu rendah juga dapat menyebabkan laju reaksi proses haber menurun. Sehingga suhu ideal diperlukan. Suhu ideal proses haber adalah 400-450oC.

Oleh karena reaksi proses haber terjadi pada fase gas, maka tekanan juga dapat berpengaruh pada proses haber. Dalam prinsip Le Chatelier, pengaruh tekanan bergantung kepada jumlah koefisien dari reaktan atau produk. Dalam proses haber, jumlah koefisien reaktan (3+1 = 4) jauh lebih besar dibandingkan jumlah koefisien produk (2) sehingga peningkatan tekanan dapat menggeser reaksi menuju ke arah produk, dan meningkatkan hasil produksi.

Namun peningkatan tekanan berlebih dapat meningkatkan biaya produksi, sehingga diperlukan tekanan ideal untuk proses haber. Tekanan ideal untuk proses haber adalah sebesar 150-200 atm.

pengaruh ammonia pada reaksi dengan katalis

Oleh karena suhu terlalu rendah dan tekanan terlalu tinggi dapat mempengaruhi reaksi, proses haber memerlukan bantuan berupa katalis. Katalis yang digunakan dalam proses haber adalah katalis besi (Fe).

Katalis mempercepat laju reaksi maju dan mundur secara seimbang. Ini mengurangi waktu yang dibutuhkan sistem untuk mencapai kesetimbangan tetapi tidak mempengaruhi posisi kesetimbangan atau hasil amonia.

Menggunakan katalis dalam proses Haber berarti bahwa suhu yang lebih rendah dapat digunakan sambil menjaga laju reaksi tetap tinggi. Suhu yang lebih rendah membantu menjaga hasil tetap tinggi. Berikut adalah

Kegunaan Ammonia untuk Kehidupan Sehari-hari

Produk proses haber, ammonia, bermanfaat untuk berbagai macam hal, diantaranya:

1. Pupuk ( (NH4)2SO4, (NH4)3PO4, NH­4NO3, (NH2)2CO)
2. Sebagai bahan baku pembuatan bahan kimia, seperti :Pembuatan asam nitrat (HNO3) untuk bahan peledak seperti TNT (2,4,6 -Trinitrotoluena), nitrogliserin untuk vasolidator (pembuka) pembuluh darah dan PETN (pentaerythritol nitrate), Natrium bikarbonat (NaHCO3), Natrium karbonat (Na2CO3), Asam Sianida (HCN), Hidrazine, N2H4 (digunakan dalam sistem propulsi roket)
3. Bahan peledak, seperti ammonium nitrat (NH4­NO3)
4. Serat dan plastik, seperti nilon dan poliamida lainnya
5. Refrigerator, untuk membuat es, pendingin di pabrik
6. Farmasi, seperti : Sulfonamide , menekan pertumbuhan bakteri yang memerlukan p-aminobenzoic acid (PABA) untuk biosintesis asam folat, Antimalaria, Vitamin, seperti vitamin B (nicotinamide (niacinamide)) dan thiamine
7. Perusahaan kertas, seperti ammonium hidrogen sulfit (NH4HSO3) yang membuat kayu keras dapat digunakan
8. Pertambangan dan metalurgi, seperti untuk nitriding (annealing terang (treatment panas) ) baja yang digunakan untuk ekstraksi seng dan nikel.
9. Agen pembersih  (cloudy ammonia)

Kesimpulan

Proses haber adalah proses paling efisien dalam produksi ammonia. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi proses ini, diantaranya reaktan, produk, suhu, tekanan, dan katalis. Hasil produk dari ammonia memiliki banyak manfaat, diantaranya sebagai bahan peledak, pupuk, dan agen pembersih.

Referensi

[1] Austin G. 1984. Shreve’s Chemical Process Industries, 5th ed., McGraw-Hill International Editions, New York.
[2] Appl M., Dr. H L Roy. 1986. Memorial Lecture in Annual Meeting of Indian Institute of Chemical Engineers, Hyderabad.
[3] H Bakemeier and others. 1997. Ammonia, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A2, VCH Verlagsegesellschaft mbH, Weinhein.[4] R F Baddour, P L Brian, B A Logeais and J P Eymery. 1965. Chem. Eng. Sci., 20, 281.

[5] Z Kowalczyk, S Jodiz and J Sentek. 1996. Applied Catalysis A: General, 138, 83.

[6] M Goran. 1967. The Story of Fritz Haber, University of Oklahoma Press.
[7] Modak, JM. 2002. Haber process for ammonia synthesis. Resonance 7(9):69-77