BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DESKRIPSI PROSES 2.1 Bahan Baku 2.1.1 Natrium Klorida (NaCl) Natrium klorida, juga dikenal sebagai garam dan garam dapur, merupakan senyawa ionik dengan rumus NaCl. Natrium klorida pada umumnya merupakan padatan bening dan tak berbau, serta dapat larut dalam gliserol, etilen glikol, dan asam formiat, namun tidak larut dalam HCl. Natrium klorida adalah garam paling berpengaruh terhadap salinitas laut dan cairan ekstraselular pada banyak organisme multiselular. Sebagai bahan utama dalam garam dapur, dan biasanya digunakan sebagai bumbu dan pengawet makanan. Natrium klorida terkadang digunakan sebagai bahan pengering yang murah dan aman karena memiliki sifat higroskopis, membuat penggaraman menjadi salah satu metoda yang efektif untuk pengawetan makanan (Anonima, 2010). Pembuatan natrium klorida pada umumnya dilakukan dengan evaporasi air laut ataupun air payau dari berbagai macam sumber air tersebut, seperti sumur dan danau air asin, dan dengan menambang dari batu-batuan garam yang biasa disebut dengan halite. Selain digunakan dalam memasak, natrium klorida juga digunakan dalam banyak aplikasi, seperti pada pembuatan pulp dan kertas, untuk mengatur kadar warna pada tekstil dan kain, dan untuk menghasilkan sabun, deterjen dan produk lainnya. Natrium klorida merupakan sumber utama dari industri klorin dan natrium hidroksida, dan digunakan pada hampir setiap industri. Natrium klorida juga biasa digunakan sebagai penyerap debu yang aman dan murah dikarenakan sifatnya yang higroskopis, juga pada pembuatan garam sebagai salah satu metode pengawetan yang efektif dikarenakan sifatnya yang menarik air keluar dari bakteri melalui tekanan osmotik sehingga mencegah baktei tersebut bereproduksi dan membuat makanan basi Adapun beberapa sifat fisis Natrium Klorida antara lain (Anonima,2010) : 1.
Rumus molekul
: NaCl
2.
Berat molekul
: 58,45 g/mol
3.
Titik didih
:1413 C pada 1 atm
4.
Titik beku
: 800,4 C pada 1 atm
5.
Bentuk
: kristal kubik padat
6.
Warna
: putih
7.
Densitas
: 2,163 g/ml
0
0
2.1.2 Asam Nitrat (HNO3) Asam Nitrat (HNO3), yang juga dikenal sebagai aqua fortis, hidrogen nitrat, ataupun nitril hidroksida. Dikarenakan sifat asam dan pengoksidasinya yang sangat kuat, asam nitrat umumnya digunakan pada proses pembuatan banyak bahan-bahan kimia, seperti obat-obatan, bahan pewarna, serat sintetik, insektisida dan fungisida, namun umumnya juga banyak digunakan pada pembuatan ammonium nitrat pada industri pupuk. Setelah Era Perang Dunia Kedua, kebutuhan akan asam nitrat bergeser ke arah produksi bahan-bahan peledak, seperti nitrotoleune dan nitrogliserin.
Gambar 2.1 Struktur Molekul Asam Nitrat (Anonimb, 2010) Seperti halnya asam pada kebanyakan, asam nitrat bereaksi dengan basa, oksida basa, dan karbonat untuk membentuk garam. Namun, dikarenakan sifatnya sebagai pengoksidasi, asam nitrat tidak selalu bereaksi seperti asam pada umumnya. Asam nitrat sangat larut dalam air. Adapun sifatsifat fisis asam nitrat antara lain: (Anonimb, 2010) 1. Rumus molekul
: HNO
2. Berat molekul
: 63,02 g/mol
3. Titik didih
: 86 C pada 1 atm
4. Titik beku
: - 42 C pada 1 atm
5. Bentuk
: cair
6. Warna
: putih
7. Densitas
: 1,502 g/ml
3
0
0
2.2 Produk 2.2.1 Natrium Nitrat (NaNO3) Natrium nitrat adalah senyawa kimia dengan rumus NaNO3. Garam ini, juga dikenal sebagai mesiu Chili atau Peru (dikarenakan jumlahnya yang banyak di masing-masing Negara dan untuk membedakannya dari mesiu biasa, nitrat kalium), adalah padatan putih yang sangat larut dalam air dan beberapa senyawa lainnya seperti larutan lainnya seperti etanol, methanol dan senyawa ammoniak. Selain itu, natrium nitrat juga bersifat higroskopis dan tidak mudah terbakar (KirkOthmer, 1995). Natrium nitrat digunakan sebagai bahan dalam pembuatan pupuk, kembang api, sebagai bahan dalam bom asap, sebagai pengawet makanan, dan sebagai propelan roket padat, serta dalam gelas dan tembikar. Senyawa ini telah dipergunakan secara luas untuk hal-hal tersebut (Anonimc, 2010).
Gambar 2.2 Struktur Molekul Natrium Nitrat (Anonimc, 2010) Adapun sifat-sifat fisis dari Natrium Nitrat antara lain (Anonimc, 2010) : 1.
Rumus molekul
: NaNO
2.
Berat molekul
: 85,01 g/mol
3.
Bentuk
: kristal trigonal padat ( padat)
4.
Titik didih
: 380 C pada 1 atm
5.
Titik beku
: 308 C pada 1 atm
6.
Warna
: putih
7.
Densitas
: 2,257 g/ml
8.
Panas laten
: 5355 kal/mol pada 310 C
3
0 0
0
2.2.2 Klorin (Cl2) Klorin merupakan unsur halogen (golongan VIIA) dengan nomor atom 17. Sama halnya dengan ion klorida, klorin banyak terdapat di alam dan juga merupakan zat banyak diperlukan oleh makhluk hidup, terutama manusia. Pada kondisi ruang, klorin berwujud gas dengan bentuk Cl 2. Klorin merupakan salah satu oksidan kuat dan banyak digunakan sebagai pemutih dan desinfektan, yang mana merupakan bahan terpenting pada industry kimia. Sebagai desinfektan yng umum digunakan, klorin umumnya dipergunakan pada kolam renang untuk menjaganya tetap bersih dan hygiene. Pada bagian terluar atmosfer, molekul yang mengandung klorin seperti klorofuorokarbon telah menyebabkan kehancuran pada lapisan ozon. Pada suhu dan tekanan standar, 2 atom klor akan berikatan sehingga membentuk molekul gas Cl2. Gas ini berwarna kuning kehijauan, dan memiliki bau yang sangat menyengat, sama seperti bau pemutih. Ikatan antara 2 atom ini pada umumnya lemah, sehingga membuat molekul klorin sangat reaktif. Sama halnya dengan fluorin, bromine, iodine dan astatine, klorin juga merupakan salah satu unsur golongan VIIA (halogen), yaitu golongan unsur yang paling reaktif. Klorin berikatan dengan hampir semua unsur. Hasil interaksi klorin dengan oksigen, nitrogen, xenon dan kripton telah banyak diketahui, tetapi tidak terbentuk dari proses reaksi secara langsung antara unsur-unsur tersebut. Klorin, meskipun reaktif, tetapi tidak sereaktif fluorin (Anonimd, 2010).
Adapun sifat-sifat fisis dari gas klorin antara lain (Anonimd, 2010) : 1. Rumus molekul
: Cl
2. Berat molekul
: 70,91 g/mol
3. Bentuk
: gas
4. Titik beku
: -101,6 C pada 1 atm
5. Titik didih
: -34,6 C pada 1 atm
6. Warna
: kuning kehijauan
7. Densitas
: 1,56 g/ml pada 0 C ; 1 atm
2
0
0
o
2.2.3 Nitrogen Oksiklorida (NOCl) Nitrogen Oksiklorida, atau pun juga dikenal dengan nama Nitrosil Klorida merupakan senyawa dengan rumus molekul NOCl. NOCl merupakan senyawa berwujud gas pada suhu kamar, berwarna kuning. NOCl juga merupakan salah satu senyawa yang bereaksi dengan air, dan dapat terbilang dalam uap asam sulfat. NOCl merupakan komponen terpenting dalam pembuatan aqua regia. Dalam sintesis organik, NOCl digunakan sebagai zat pengoksidasi. NOCl juga kadang digunakan sebagai sebagai katalis. Dalam penggunaannya, NOCl sering digunakan pada pembuatan produk farmasi sebagai agen pengklorinasi (Patnaik, 2002). Adapun sifat-sifat fisis dari Nitrogen Oksiklorida antara lain (Anonime, 2010) 1. Rumus molekul
: NOCl
2. Berat molekul
: 65,47 g/mol
3. Bentuk
: gas
4. Titik beku
: -64,5 C pada 1 atm
5. Titik didih
: -5,5 C pada 1 atm
6. Warna
: merah kekuningan
7. Densitas
: 1,273 g/ml pada -12 C ; 1 atm
0
0
o
2.3 Jenis Proses Sintesis Natrium Nitrat 2.3.1
Proses Shank Bahan baku berasal dari garam hasil penambangan (garam Chile) yang mengandung NaNO . 3
Proses shank dimulai dengan memasukkan potongan garam chile yang berukuran 10 in, ke dalam stage tunggal menjadi potongan garam yang berukuran 1,5 sampai 2 in. Alat penghancur yang berisi potongan garam dimasukkan ke dalam tabung dari baja yang lebar, masing-masing memuat 75 ton dan alat tersebut dilengkapi dengan koil sebagai pemanas uap air. Sepuluh tabung yang bentuknya sama dipakai
untuk proses leaching. Prosesnya meliputi loading, leaching, washing dan unloading. Hasil pemurnian akan melalui mother liquor dari unit kristalisasi dan diperoleh 450 gram natrium nitrat perliter. Hasil yang terakhir dimana telah melewati lubang-lubang lain diperoleh 700 gram per liter. Pada prinsipnya proses utamanya adalah proses pemurnian dari garam hasil penambangan dimana zat-zat selain NaNO dikurangi kadarnya sehingga diperoleh NaNO dengan kadar ± 60% 3
3
(Othmer, 1968). 2.3.2
Proses Guggenheim Prosesnya ini telah dikenal dimana proses Shank agak tidak efisien dalam ekstraksi dan
pemakaian bahan bakar. Pada awal tahun 1920 Guggenheim brothers mengembangkan proses leaching dengan temperatur rendah, berdasarkan dua prinsip penting yaitu: 0
1. Jika proses leaching dilakukan pada temperatur rendah 40 C hanya natrium nitrat yang terekstraksi, impuritas lainnya sebagai natrium sulfat dan natrium klorida tidak terekstraksi. 2.
Jika proses leaching pada awal berisi garam proteksi maka yang dihasilkan adalah CaSO , 4
MgSO dan K SO , garam NaNO yang terlalu sedikit. Na SO di dalam proses akan pecah dan 4
2
4
3
2
4
natrium nitrat yang dihasilkan atau terekstraksi akan lebih banyak. Pada prinsipnya proses Guggenheim sama dengan proses Shank, hanya alatnya lebih disempurnakan, yaitu melalui proses crushing, leaching, filtering, cristalising dan graining sehingga kadar NaNO lebih besar 3
yaitu ± 85% (Othmer, 1968). 2.3.3
Proses Sintesis Natrium nitrat sintesis diperoleh dengan netralisasi asam nitrat dengan kaustik soda . Macam-
macam proses sintesis antara lain: 1. Mereaksikan Na CO dengan HNO 2
3
3
Na CO + 2 HNO 2
3
2 NaNO + H O + CO
3
3
2. Mereaksikan NaCl dengan HNO 3 NaCl
(s)
2
2
3
+ 4 HNO
3 NaNO
3( l )
3( s )
+ NOCl
(g)
+ Cl
+2H O
2( g )
2
(l)
3. Mereaksikan caustic soda (NaOH) dengan konsentrasi 40% dan asam nitrat (HNO ) dengan 3
konsentrasi 53%. NaOH + HNO
3
NaNO + H O 3
2
Pada proses sintesis, kadar NaNO yang dihasilkan lebih tinggi dari proses Shank dan 3
Guggenheim, yaitu ± 90 – 99 %. Dari 3 macam proses sintesis diatas maka dipilih proses sintesis
dengan mereaksikan NaCl dengan HNO karena bahan bakunya mudah didapat dan harga bahan baku 3
relatif murah (Othmer, 1968).
Tabel 2.1 Perbandingan Ketiga Jenis Proses Sintesis Natrium Nitrat Jenis Proses Keunggulan Kelemahan Proses Shank
Hanya memerlukan proses treatment pada natrium nitrat hasil penambangan
Proses Guggenheim
Kurang lebih sama dengan proses Shank, hanya saja pada proses ini proses ekstraksi dan pemakaian bahan bakar lebih efisien a. Kadar yang dihasilkan dapat mencapai 90-99% b. Bahan baku proses relatif lebih murah dan mudah didapat
Proses Sintesis
a. Kadar yang diperoleh hanya berkisar 60% b. Hanya bisa dilakukan di lokasi dimana natrium nitrat tersedia melimpah Kurang lebih sama dengan Proses Shank, hanya saja kadarnya lebih besar, yaitu berkisar 80-85% Modal pembuatan pabrik dengan menggunakan proses ini biasanya relatif jauh lebih besar daripada kedua proses lainnya.
2.4 Deskripsi Proses Pembuatan Natrium Nitrat Pada Pra Rancangan Pabrik ini, produksi Natrium Nitrat (NaNO 3) dibuat dengan menggunakan proses sintesis dan dilakukan dalam beberapa tahap, yaitu: 1. Tahap Reaksi (Reaction Step) 2. Tahap Pemisahan (Separation Step) 3. Tahap Pemurnian (Purification Step) 2.4.1 Tahap Reaksi Umpan berupa HNO3 60% dialirkan dari tangki penyimpanan (F-110) menggunakan pompa (L-111), kemudian masuk ke dalam Heater (E-112) untuk menaikkan temperaturnya dari 30 0C menjadi 60 0C, sedangkan pure NaCl dipindahkan dari silo (F-120) menggunakan bucket elevator (J-121). Umpan tersebut dimasukkan ke dalam tangki berpengaduk (R-130) dengan perbandingan molar NaCl : HNO3 = 1:1,3 pada kondisi operasi suhu 60 0C dan tekanan 1 atm. Reaksi yang terjadi merupakan reaksi netralisasi eksotermik dengan reaksi : 3 NaCl(s) + 4 HNO3(l)
3 NaNO3(s) + NOCl(g) + Cl2(g) + 2H2O(l) (Austin, 1997)
2.4.2 Tahap Pemisahan Keluaran dari reaktor (R-130) adalah campuran nitrosil klorida dan klorin dalam fase gas yang merupakan produk atas, natrium klorida, dan asam nitrat yang tidak habis bereaksi serta dalam fase cair yang merupakan produk bawah. Campuran nitrosil klorida dan klorin dalam fase gas masuk ke kompressor (G-132) yang bertujuan untuk menaikkan tekanannya dari 1 atm menjadi 10
atm dengan suhu 650C, tujuannya adalah untuk merubah fase gas menjadi fase uap cair. Kemudian campuran tersebut masuk ke dalam flash drum (V-210) dengan tekanan 10 atm dan temperatur operasi 65 0C untuk untuk memisahkan senyawa klorin dengan nitrosil klorida. Pada kondisi operasi tersebut, gas klorin akan tetap berupa gas, sedangkan nitrosil klorida akan berubah menjadi cairan. Produk atas yang berupa gas klorin selanjutnya akan dikondensasi dengan menggunakan kondensor (E-211) hingga suhu kamar sehingga akan diperoleh produk klorin dalam fasa cair. Selanjutnya, produk bawah flash drum yang berupa nitrosil klorida cair akan didinginkan dengan cooler (E-214) hingga diperoleh produk dengan suhu kamar. 2.4.3 Tahap Pemurnian Keluaran dari reaktor (R-130) berupa natrium nitrat, air, dan asam nitrat yang tidak habis bereaksi akan dialirkan ke Evaporator-I (V-340) untuk diuapkan asam nitratnya. Uap asam nitrat kemudian dikondensasi oleh unit kondensor (E-311), hingga nantinya akan dimasukkan ke dalam tangki penyimpanan asam nitrat (F-440), dimana diperoleh asam nitrat dengan kadar 53%. Selanjutnya, campuran yang telah terpisah dari asam nitrat dialirkan ke dalam Crystallizer (K-320) dengan menggunakan pompa (L-331) dengan tujuan untuk didinginkan untuk membantu proses kristalisasi padatan-padatan natrium nitrat dari campuran. Campuran tadi lalu di dialirkan ke centrifuge (H-330) dengan menggunakan pompa (L-331) untuk memisahkan natrium nitrat yang berupa padatan dengan natrium klorida dan air yang belum terpisah. Produk atas berupa natrium klorida dan air dimasukkan ke dalam Evaporator-II (V-340) dengan menggunakan pompa (L-341) untuk memperoleh natrium klorida dengan kadar yang lebih tinggi. Natrium klorida yang diperoleh nantinya akan dikembalikan ke reaktor (R-130). Sedangkan natrium nitrat sebagai produk bawah dibawa ke dalam dryer (B-350) dengan menggunakan screw conveyor (J-341) untuk dikurangi kadar airnya hingga diperoleh natrium nitrat dengan kadar 95%. Kemudian natrium nitrat tersebut dimasukkan ke dalam Silo (F-440) dengan menggunakan bucket elevator (J-351) dan siap untuk dikemas.
STEAM
Keterangan Gambar
AIR PENDINGIN
F-410
LI
16
ASAM NITRAT
KLORIN
18 TC TC
E-112
LI
E-211
FC
15
F-110
LI
LI
F-420
NITROSIL KLORIDA
2
20
TC
L-212
F-430 FC
E-311
13
ASAM NITRAT
10 3
L-341
H2O
L-111 E-214
PC
5
NATRIUM KLORIDA
V-210
G-132
17
12 7
19
14
V-340
H-330
FC
F-440
LI
LI
J-121
F-120
8 LC
11
9
F-110 = Tangki Penyimpanan Asam Nitrat L-111 = Pompa E-112 = Heater F-120 = Silotank Natrium Klorida J-121 = Bucket Elevator-I R-130 = Reaktor L-131 = Pompa G-132 = Kompressor V-210 = Flash Drum E-211 = Kondensor-I L-212 = Pompa L-213 = Pompa E-214 = Cooler V-310 = Evaporator-I E-311 = Kondensor-II K-320 = Crystallizer L-321 = Pompa H-330 = Centrifuse J-331 = Screw Conveyor V-340 = Evaporator-II L-341 = Pompa B-350 = Dryer J-351 = Bucket elevator-II F-410 = Tangki Bertekanan Klorin F-420 = Tangki Bertekanan Nitrosil Klorida F-430 = Tangki Asam Nitrat F-440 = Silotank Natrium Nitrat
J-351
L-321
L-213
NATRIUM NITRAT
V-310
R-130
K-320
1
J-331
6
B-350
4
TC
STEAM BEKAS
L-131
AIR PENDINGIN BEKAS
Laju Alir Massa (Kg/ jam) KOMPONEN
1
Asam Nitrat (HNO3) Natrium Klorida (NaCl)
2
3
4
241,963
241,963
4,8393
172,6284
Natrium Nitrat (NaNO3)
7
8
9 17,4372
10
11
17,4372
12
13
25,1192
25,1192
7,6820
239,89
239,899
239,899
239,899
210,0625
210,0625
64,2415
145,821
17,4372
59,2972
4,9443
128,3838
475,0806
475,0806
311,8224
163,2582
163,2582
59,2972
252,5253
161,308
161,308
214,35
174,3721
403,271
403,271
484,21
128,28
15
16
17
18
19
20
4,8393
4,8393
7,6820 61,5856
61,5856
66,7029
61,5856
61,5856
61,5856
66,70 1,7437
14
239,899
61,585
Klorin (Cl2) Total
6
25,119
Nitrosil Klorida (NOCl) Air (H2O)
5
66,7029
66,7029
66,7029
128,3838
128,2885
66,7029
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN DIAGRAM ALIR PABRIK PEMBUATAN NATRIUM NITRAT DARI ASAM NITRAT DAN NATRIUM NITRAT PRA-RANCANGAN PABRIK PEMBUATAN NATRIUM NITRAT DENGAN KAPASITAS 2.000 TON/TAHUN
4,2914
4,2914
9,1307
9,1307
Tekanan, P (atm)
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
10
10
10
10
10
1
1
Temperatur, T (0C)
30
30
60
60
60
86
40
40
40
100
100
100
100
65
65
30
65
30
86
30
Skala : Tanpa Skala Digambar Nama : Azlansyah NIM : 050405023 Diperiksa / Nama : Prof. Dr.Ir. M Turmuzi, MS NIP : 19640617 199403 2 001 Disetujui Nama : M Hendra S. Ginting, ST, MT NIP : 197000919 199903 1 001
Tanggal
Tanda Tangan
