Proses industri kimia ammonia melibatkan sintesis dari nitrogen dan hidrogen menjadi ammonia pada tekanan tinggi menggunakan katalis besi. Ammonia merupakan bahan baku utama untuk pupuk dan berbagai industri lainnya. Proses komersial pertama dikembangkan oleh Haber dan Bosch pada tahun 1913.

1. PROSES INDUSTRI KIMIA AMMONIA
Industri Nitrogen
Nitrogen dari udara merupakan komponen utama dalam pembuatan pupuk
dan telah membantu produksi bahan makanan. Selama proses pengembangan
fiksasi nitrogen , proses dengan tekanan tinggi semakin di eksplorasi. Sebelum
penggunaan proses fiksasi nitrogen secara sintetik, bahan limbah, kotoran hewan
dan hasil – hasil dekomposisi serta ammonium sulfat yang didapatkan dari hasil
sampingan pembuatan kokas dari batu bara merupakan sumber utama nitrogen
untuk keperluan pertanian. Bahan – bahan tersebut sulit diolah dan jumlahnya
kurang untuk memenuhi keperluan pertanian. Salpeter Chili, salpeter(garam) dari
air kencing manusia dan hewan, kemudian ammonia hasil dari pembuatan kokas
menjadi penting kemudian digantikan dengan sintesis ammonia dan nitrat.
Ammonia merupakan bahan utama dalam pembuatan hampir semua jenis produk
yang mengandung nitrogen.
Sejarah
Priestley dan Cavendish melewatkan percikan listrik di udara dan
menghasilkan nitrat dengan melarutkan oksida dari nitrogen di dalam alkali.
Dalam perkembangan komersialnya tidaklah mudah karena memerlukan energi
listrik yang banyak dan memiliki efisiensi yang rendah. Awalnya nitrogen pernah
difiksasi sebagai kalsium sianida, tetapi prosesnya terlalu mahal. Proses lainnya,
proses termal untuk mencampur NOX, sianida, aluminium nitrit, kemudian
didekomposisikan menjadi amoniak, meskipun secara teknis mungkin untuk
dilakukan namun secara komersial kurang menjanjikan Haber dan Nersnt
melakukan penelitian keseimbangan antara nitrogen dan hidrogen dengan
menggunakan tekanan tinggi sehingga terbentuk ammonia. Dari penelitian
tersebut, berhasil ditemukan katalis yang cocok. Tetapi peralatan untuk
menghasilkan tekanan tinggi belum ada, sehingga mereka harus menciptakannya
sendiri. Haber dan Bosch juga meneliti proses untuk menghasilkan hydrogen dan
nitrogen murni. Produksi hidrogen dari proses elektrolisis air dan distilasi udara
untuk mendapatkan nitrogen terlalu mahal lalu mereka menciptakan proses lain

2. yang lebih baik. Usaha mereka telah berhasil menciptakan prosees sintesis
ammonia pada tekanan tinggi di tahun 1913. Beberapa tahun kemudian proses ini
mengalami modifikasi , yang menghasilkan harga yang tidak mahal seperti proses
sebelumnya.
Penggunaan dan nilai ekonomis
Ammonia merupakan senyawa nitogen yang paling penting dan paling
banyak
digunakan.Sebagian besar dibuat dengan cara sintesis dan sebagian dari produk .
Saltpeter chili (NaNO3) ditambang untuk dijadikan sebagai sumber nitrogen. Gas
amoniak secara langsung digunakan pada pupuk, treatment panas, bubur kertas,
industri nitrat dan asam nitrat, industri senyawa nitro dan ester asam nitrat, bahan
baku berbagai macam bahan peledak dan sebagai pendingin. Urea, hidroksilamin,
dan hidrazin berbahan baku ammonia.Penggunaan ammonia terbesar yaitu
sebagai pupuk sangat diperlukan untuk memaksimalkan hasil panen. Udara, air,
hidrokarbon, dan sumber energi merupakan bahan yang biasa digunakan. Batu
bara dapat menggantikan hidrokarbon namun prosesnya kompleks dan mahal.
Bahan baku yang digunakan dalam industri amoniak dan pupuk nitrogen,
ditunjukkan oleh gambar 18.1
Sintesis Ammonia

3. Amoniak merupakan bahan baku utama untuk industri dan pertanian seperti
gambar 18.1. Total penggunaan di United State melebihi 19 x 106 t pada tahun
1981. Hasil produksi ammonia 20 persennya untuk memproduksi asam nitrat, 20
persen untuk urea, dan 15 persen untuk amonium fosfat. Digunakan 80 persen
untuk pupuk, 20 persen untuk plastik dan serat, 5 persen untuk bahan peledak
komersial dan militer.
Reaksi dan kesetimbangan
Reaksi umum :
Konstanta kesetimbangan :
Karena produk ammonia memiliki volume yang lebih kecil daripada
reaktan, maka ketika tekanan dinaikkan yield ammonia meningkat. Kenaikan
temperatur menghasilkan pengaruh yang sebaliknya pada kesetimbangan tetapi
dapat meningkatkan laju reaksi, seperti gambar dibawah ini :
Laju reaksi dan katalis
Untuk menjaga ukuran peralatan tetap kecil, laju reaksi harus dinaikkan,
agar hydrogen dan nitrogen dapat bereaksi dengan cepat. Proses sintesis

4. membutuhkan katalis yang efisien untuk meningkatkan laju reaksi. Beberapa
katalis ammonia telah diuji coba, tetapi industry jaman sekarang menggunakan
katalis besi dengan penambahan promoters,promoters yang digunakan adalah
alumunium oksida, zicronium, atau silikon dengan konsentrasi 3%, dan kalium
oksida sekitar 1%. Promoter berfungsi untuk meningkatkan penyerapan dari
katalis. Pada laju tertentu, penggunaan katalis besi murni menghasilkan konversi
3-5%, katalis besi dengan menggunakan promoters menghasilkan 8-9% dan
katalis besi dengan jumlah promoters dua kali lipat akan menghasilkan konversi
13-14%. Katalis besi akan tidak reaktif ketika dipanaskan di atas 520°C. Katalis
juga akan berhenti bekerja saat kontak/bertemu dengan dengan tembaga, fosfor,
arsenik, sulfur, dan karbon monoksida, karena dapat mengubah komposisi besi
dan ini menyebabkan kerusakan dalam pemurnian gas untuk reaksi.Katalis yang
dapat menahan pengotor dan berjalan efektif pada temperature rendah agar
kesetimbangan konversi menjadi lebih besar sangat diperlukan.
Prosedur pembuatan
Pembuatan ammonia terdiri dari 6 tahap : (1) pembuatan gas reaktan, (2)
purifikasi,
(3) kompresi, (4) reaksi katalis, (5) recovery amoniak yang terbentuk, dan (6)
resirkulasi. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Terdapat banyak perbedaan pada sumber hydrogen sebagai bahan baku.
Pada prinsipnya, proses pembuatan hidrogen yaitu dengan mengkombinasikan gas

5. alam, udara, dan uap kemudian direaksikan dengan panas melebihi katalis, untuk
menghasilkan komposisi campuran 3:1 dari hidrogen dan nitrogen bersama
dengan karbon dioksida dan air. Kemudian karbon dioksida dan air akan
dihilangkan. System lainnya digunakan pada beberapa area seperti sintesis gas
menggunakan sistem seperti elektrolisa air, produk samping hidrogen, proses
cracking hidrokarbon, interaksi antara batu coal-water dan hidrokarbon-water,
oksidasi sebagian hidrokarbon.
Reaksi pada sintesis ammonia adalah eksotermis, sehingga desain
konverternya haruslah mampu melindungi unitnya dari overheating. Pengontrolan
suhu optimum untuk konversi dan melindungi kerangka akibat metalurgi yang
buruk pada tekanan dan suhu tinggi.
Sintesis ammonia dibuat dengan katalitik bertekanan tinggi dari
pembentukan hirokarbon. Biasanya gas alam dibebaskan terlebih dahulu dari
sulfur , adanya uap melalui katalis nikel pada proses primer. Kemudian berpindah
pada suhu rendah dengan bantuan udara dalam satu atau lebih proses sekunder.
Tujuan dari perpindahan tersebut untuk : (1) menghasilkan lebih banyak hydrogen
per satuan bahan bakar dan (2) mengoksidasi karbon monoksida untuk dijadikan
karbondioksida. Katalis akan menangkap racun dari sulfur dan klorin dan
memperpanjang umur katalis. Setelah CO2 dihilangkan dengan air terjadi
penyerapan bahan kimia , sisa CO dan CO2 dikonversi menjadi metana pada
methanator. Metana merupakan gas inert yang cocok dengan katalis ammonia.
Selama proses tersebut, konservasi dan penggunaan kembali panas merupakan hal
sangat utama karena pembangkit uap dari pabrik ammonia menghasilkan
ammonia. Uap banding ammonia memiliki komposisi 4:1
Setelah proses katalitik methanation yang membutuhkan 2.75 MPa,
menghasilkan campuran hydrogen – nitrogen (3:1), pembebasan karbon serta
senyawa yang mengandung sedikt metana diproses pada tekanan sekitar 20 MPa
melalui turbin dan didorong oleh kompresor sentrifugal. Bermacam-macam
metode regulasi temperatur digunakan pada converter yaitu dengan memasukkan
kumparan pertukaran panas atau gas pendingin diinjeksikan diantara beds.
Kemudian ammonia diperoleh kembali dengan cara didinginkan atau diabsoprsi
dan diperlakukan sebagai cairan anhidrat dibawah tekanan tertentu.

6. Setelah penghilangan ammonia, gas sisa yang mengandung gas inert
(CH4, Ar, Ne) diumpankan ke system pada konsentrasi yang tinggi. Konsentrasi
inert diatur dengan membersihkan beberapa gas secara bertahap. Ketika harga
bahan bakar sangat murah, gas ini dibakar namun pada saat ini gas tersebut
digunakan kembali.
Gambar di bawah ini menunjukkan alat konverter untuk sintesis amoniak
Pada tahun 1970, terjadi revolusi pada pembuatan amoniak dan
menghasilkan beberapa perubahan penting, seperti dibawah ini :

7. 1. Ketika prosedur operasi diuji ulang secara teliti, akan lebih
memungkinkan untuk mengoperasikan tanpa menggunakan banyak
peralatan (single train) dan menghapus intermediate storage.
2. Kualitas katalis memungkinkan untuk dioperasikan secara hemat pada
tekanan rendah, menggunakan kompresor sentrifugal dan tekanan tinggi
hanya akan digunakan, bila alat reciprocating tersedia.
3. Kompresor berkapasitas besar, katalis yg lebih baik dan konverter yang
lebih baik,
4. Dengan meningkatkan suhu dari primary reformer outlet dan
memanaskan udara lebih dulu ke dalam secondary reformer endotermis,
pabrik tersebut secara langsung akan mengurangi keseluruhan biaya
untuk reforming. Primary reformers dioperasikan pada suhu yang sangat
tinggi, sehingga lebih mahal dibandingkan yang sekunder.
5. Komputer digital untuk mengontrol variabel proses yang memiliki
susunan variasi dan mampu melakukan operasi yang lebih baik secara
konsisten untuk kondisi mendekati maksimum.
6. Banyak karbon dioksida dihilangkan dengan melarutkan dalam air,
tetapi pada pelepasannya membutuhkan reagen alkali. Tiga pilihan proses
yang digunakan adalah: (a) absorben inorganik (biasanya K2CO3), (b)
organik ( amina), (c) physical absorbents (fluor’s propylene carbonate).
Pemilihannya didasarkan pada tingkat residu dari CO2, pengaruh
ketidakmurnian, dan masalah regenerasinya.
7. Gas yang merembes pada loop sintesis,awalnya dibakar, namun
sekarang banyak dikurangi dan menjadi energi yang dibutuhkan.
Pemisahan cryogenic merecover hydrogen dan nitrogen. Untuk
memisahkan inerts dapat menggunakan cara mengscrubbingnya dengan
nitrogen sebelum gas memasuki loop sintesis Braun). Dengan
menggunakan sistem swing pressure, dapat dihasilkan hydrogen murni.
Penghilangan secondary reformer dengan tidak ada udara yang masuk ke
dalam sistem, nitrogen dapat diperoleh dari distilasi udara atau beberapa
proses lainnya.

8. 8. Sekarang konverter sintesis sangat dikembangkan dan desain
sebelumnya telah diperbaiki. Tekanan rendah sangat dibutuhkan untuk
megurangi biaya operasi, selain itu ukuran katalis yang kecil dapat
mengurangi kebutuhan volume besar katalis. Banyak konversi terjadi di
bed pertama, karena ada driving force ke arah kesetimbangan. Pada
desain modern, digunakan tekanan 15-30 MPa dan temperatur 500º C
agar konsentrasi amoniak yang keluar sebesar 16-25 persen.
9. Murahnya biaya recovery amoniak dari gas outlet konverter
memiliki beberapa pilihan. Biasanya menggunakan pendingin multiple-
stage dikombinasikan dengan pengurangan tekanan. Dapat juga dengan
mengondensasi air apabila air pendingin sangat dingin. Pembersih air
juga dibutuhkan untuk membuat aqua ammonia. Uap berlebih dapat
digunakan untuk menjalankan sistem absorbs pendingin untuk
mengkondensasikan ammonia
Cost.
Metode produksi hidrogen dan pemilihan bahan baku merupakan faktor
utama yang dapat mempengaruhi harga akhir dari produksi ammonia. Banyak
cara untuk menekan biaya yaitu dengan mengurangi kebutuhan uap dan bahan
bakar.Pada saat ini untuk operasi industry ammonia menggunakan 40-45 GJ per
metric ton ammonia yang diproduksi. Dengan prosedur proses yang lebih
sederhana, perbaikan katalis dan pengoperasian pada tekanan rendah
menggunakan one-stage kompresor, energi yang digunakan dapat berkurang
hingga 21 GJ per metric ton ammonia yang diproduksi. Desain pabrik untuk
membuat ammoia 27 GJ per metric ton telah tersedia saat ini,
Natrium Nitrat
Natrium nitrat baik digunakan sebagai pupuk dan beberapa industry
digunakan sebagai fluxes, kembang api, zat aditif tembakau. Di chile, sumber
depositnya ada sekitar 8-65km lebarnya , dan tingginya sekitar 0,3-1,2m.
Pencucian sederhana aliran berlawanan dan kristalisasi menghasilkan produk
dengan kualitas baik. Beberapa tahun deposit tersebut mendominasi dari suplai

9. nitrogen dunia. Sebagian besar iodine didapatkan dari produksi NaNO3. Dengan
rendahnya harga ammonia , reaksi antara garam atau soda abu dengan asam nitrat
menghasilkan harga yang ekonomis. Beberapa industri lebih memilih
menggunakan NaNO3 daripada sumber energi nitrogen langsung.

10. Daftar Pustaka
Austin,G.T.1984.Shreve’s Chemical Process Industries 5THed. Singapore.
McGrawHill.