BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Amonium Sulfat Amonium sulfat biasa disebut pupuk ZA (Zwuafel Amonium) banyak

dimanfaatkan sebagai pupuk nitrogen, terutama untuk tanaman industri dan perkebunan diantaranya tebu, tembakau, cengkeh, kopi, lada, kelapa sawit, dan teh. Sebagai pupuk, amonium sulfat merupakan jenis pupuk anorganik tunggal yang terdiri dari unsur sulfur (24% berat) dalam bentuk ion sulfat dan unsur nitrogen (21% berat) dalam bentuk ion amonium (Speight, 2002). Negara Indonesia merupakan negara agraris yang selalu membutuhkan amonium sulfat sebagai pupuk nitrogen. Keuntungan penggunaan amonium sulfat (pupuk ZA) dibandingkan pupuk nitrogen lainnya yaitu (Setyamidjaja, 1986): 1. Mengandung unsur nitrogen dan sulfur sedangkan unsur sulfur ini tidak dimiliki pupuk nitrogen lainnya, misal urea (CO(NH2 )2), amonium nitrat (NH4NO 3 ) dan senyawa chili (NaNO3). Kedua unsur ini merupakan jenis unsur hara yang dibutuhkan tanaman dalam jumlah besar atau disebut makronutrient. 2. NH4+ dapat diserap secara langsung oleh tanaman sehingga tidak membutuhkan mikroorganisme tanah untuk mengurai senyawa NH4 + menjadi unsur nitrogen, seperti pada pupuk urea (CO(NH2 )2). Selain sebagai pupuk, senyawa amonium sulfat juga digunakan dalam bidang industri antara lain: 1. Dalam industri penyamakan digunakan untuk proses deliming ataupun menghilangkan zat kapur dari kulit (ISTT, 2010). 2. Dalam industri makanan digunakan dalam bumbu, penyedap rasa, isolasi protein, makanan ringan, selai, jeli, dan minuman non-alkohol (IFICF, 2009). 3. Dalam industri tekstil digunakan sebagai aditif pada proses pewarnaan (Martin Resources, 2008). 4. Dalam bidang mikrobiologi digunakan sebagai nutrisi pada kultur bakteri dan mikroorganisme penghasil enzim (Martin Resources, 2008).

Universitas Sumatera Utara

2.2

Sifat-Sifat Fisis dan Kimia Bahan Baku dan Produk

2.2.1

Bahan baku

2.2.1.1 Gypsum FGD/ Gypsum Sintetik (CaSO4 .2H2O) Gypsum sintetik diproduksi dari unit Flue Gas Desulfurization (FGD) pada pembakaran batu bara (PLTU). Gypsum sintetik memiliki kemurnian yang lebih tinggi diatas (96 %) dari gypsum alami (80 %) (Euro Gypsum, 2007). Batubara yang dibakar di boiler akan menghasilkan tenaga listrik serta menghasilkan emisi seperti partikel SO2 , NOx, dan CO2. Emisi tersebut dapat dikurangi dengan menggunakan teknologi seperti denitrifikasi, desulfurisasi, electrostratic precipitator (penyaring debu), dan separator CO2. Teknologi FGD digunakan untuk mengurangi emisi SO2 yang dapat mencemari air hujan menjadi hujan asam. Ada dua tipe FGD yaitu FGD basah (Wet Limestone Scrubbing) dan FGD kering (Dry Limestone Scrubbing). Pada FGD basah, campuran air dan gamping (batu kapur) disemprotkan dalam gas buang. Cara ini dapat mengurangi emisi SO2 sampai 70-95 %. Kalsium karbonat (CaCO 3) dalam batu kapur diubah terlebih dahulu menjadi kalsium sulfit (CaSO3). SO2 yang diserap kemudian direaksikan dengan CaSO3 membentuk senyawa baru yaitu kalsium sulfat (CaSO4) atau gypsum. FGD kering menggunakan campuran air dan batu kapur atau gamping yang diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Cara ini dapat mengurangi emisi SO2 sampai 70-97 %. FGD kering menghasilkan produk sampingan gypsum yang bercampur dengan limbah lainnya (Sugiono, 2000). Gypsum alami merupakan mineral yang umumnya ditemukan di lapisan sedimen yang mengendap dan bersatu dengan halite, anhydrite, sulfur, calcite dan dolomite. Gypsum merupakan mineral yang tidak larut dalam air dalam waktu yang lama, sehingga gypsum alami jarang ditemukan dalam bentuk butiran atau pasir. Gypsum yang paling umum ditemukan adalah jenis hidrat kalsium sulfat dengan rumus kimia CaSO4.2H2O. Gypsum terbentuk dalam kondisi berbagai kemurnian dan ketebalan yang bervariasi. Gypsum merupakan garam yang pertama kali mengendap akibat proses evaporasi air laut diikuti oleh anhidrit dan halit, ketika salinitas makin bertambah (Suhada, 2011). Gypsum sintetik dan gypsum alami memiliki rumus kimia yang sama yaitu CaSO4.2H2O. Tetapi keduanya memiliki perbedaan komposisi penyusun. Berikut ini merupakan tabel perbedaan antara gypsum sintetik dan gypsum alami:


Tabel 2.1 Perbedaan Gypsum Sintetik dan Gypsum Alami Komponen

unit

Gypsum Alami

Gypsum Sintetik

Air

%

0,38

5,5

CaSO4.2H2O

%

87

99,6

Insoluble Residue

%

13

0,4

Kalsium

%

24,5

24,3

Sulfur

%

16,1

18,5

Nitrogen

ppm

-

970

Posfor

ppm

30

<1

Kalium

ppm

3600

< 74

Magnesium

ppm

26900

200

Boron

ppm

99

13

Tembaga

ppm

< 0,6

< 0,38

Besi

ppm

3800

150

Mangan

ppm

225

0,62

Molybdenum

ppm

< 0,6

3.2

Nikel

ppm

< 0,6

<3

Zinc

ppm

8,7

1,2

Mineral Present

Sumber: Chen & Warren, 2011

Adapun sifat fisis dan kimia dari gypsum sintetik adalah (MSDS, 2011): Sifat fisis: •

Calsium sulfat dihidrat

: 90-99 % wt

•

Spesifik grafity

: 2,3 g/cm3

•

Titik didih

: > 1000 oC

•

Padatan berwarna putih

• pH di air 5-8 • Tidak larut di air •

Terdekomposisi menjadi calsium oksida dan sulfur dioksida pada suhu 1450 oC


Sifat kimia: •

Gypsum sintetik harus dihindarkan dari senyawa asam, diazometana, posfor, logam aluminium dan agen pengoksidasi kuat.

•

Gypsum sintetik dan air menghasilkan sedikit panas.

2.2.1.2 Amonia (NH3 ) (Othmer, 1998) Sifat fisis : •

Berat molekul

: 17,03 gr/mol

•

Titik didih

: -33,35 oC

•

Titik Beku

: -77,7 oC

•

Temperatur kritis

: 133 oC

•

Tekanan kritis

: 11,425 kPa

•

Panas spesifik −

0 oC

−

100 oC

− •

•

: 2097,2 J/(Kg K) o

200 C

: 2226,2 J/(Kg K) : 2105,6 J/(Kg K)

Kelarutan dalam air −

0 oC

: 42,8 wt%

−

20 oC

: 33,1 wt%

−

40 C

: 23,4 wt%

−

60 oC

: 14,1 wt%

o

Spesifik grafity −

-40 oC

: 0,69

−

0 oC

: 0,639

−

o

40 C

: 0,58

Sifat kimia: •

Amonia sangat dibutuhkan dalam system netralisasi, terutama dalam produksi pupuk seperti amonium sulfat, amonium nitrat dan amonium posfat.

•

Larut dalam air membentuk basa NH4OH

•

Bersifat menyerap air (higroskopis)

•

Bereaksi substitusi dengan asam anorganik dan organik


•

Bereaksi dengan CO2 lembab membentuk amonium karbonat

•

Bereaksi dengan larutan NaOCl membentuk hidrazine

•

Kelarutan amonia dalam air menurun terhadap peningkatan suhu.

•

Reaksi antara amonia dan air bersifat reversibel NH3

•

+

H2O

↔

NH4+ +

OH-

Dengan bantuan katalis oksidasi berupa katalis platinum rhodium, amonia akan membentuk asam nitrit dan air dalam waktu singkat pada suhu 650 o

C

•

4 NH3

+

5O2

→

4NO

2NO

+

O2

→

2NO2

3 NO2

+

H2O

→

2HNO3 + NO

+ 6 H2O

Amonia cair berperan sebagai precipitate basah dari metalic hydroxide dari larutan garamnya dan membentuk ion kompleks dalam alur keluaran amonia 2NH3.H2 O →

CuSO4 + Cu(OH)2

→ Cu2+

2NH3

→ Cu(NH3)4 │2+

+

Cu(OH) 2 + (NH4)2SO 4 2OH

2.2.1.3 Karbon Dioksida (CO2) (Othmer, 1998) Sifat fisis: •

Temperatur kritis

: 31,1 oC

•

Tekanan kritis

: 7383 kPa

•

Densitas gas pada 273 K dan 101,3 kPa

: 1,976 g/l

•

Viskositas pada 298 K dan 101,3 kPa

: 0,015 Cp

•

Panas laten penguapan − triple point

: 353,4 J/g

− 0 oC

: 231,3 J/g

•

Panas pembentukan pada 298 K

•

Kelarutan di air (Perry & Green, 1999)

: 393,7 kJ/mol

− 0 oC

: 179,7 cc

− 20 oC

: 90,1 cc


Sifat kimia: •

Karbon dioksida tidak reaktif pada suhu kamar

•

Karbon dioksida dan air membentuk asam karbonat

•

Karbon dioksida membentuk karbon monoksida pada suhu 1700 oC

•

Larut dalam air membentuk asam lemah H2CO 3, HCO3-

•

Bereaksi dengan air membentuk metana, gas hidrogen, karbon monoksida pada suhu dan tekanan tinggi dengan bantuan katalis

•

Bereaksi dengan basa membentuk karbonat

•

Bereaksi dengan NH3 dalam air membentuk amonium karbonat

•

Bereaksi dengan NH3 kering membentuk karbamat (intermedit ke urea)

2.2.1.4 Air (H2O) (Othmer, 1998) Sifat fisis: •

Titik beku

: 0 oC

•

Titik didih

: 100 oC

•

Viskositas pada 25 oC

: 0,8949 cP

•

Densitas pada 25 oC

: 0,99987 g/cm3

•

Panas spesifik pada 25 oC

: 4,17856 J/g K

•

Konduktivitas termal pada 20 oC

: 0,00598 W/(cm K)

Sifat kimia: •

Bereaksi dengan karbon menghasilkan metana, hidrogen, karbon dioksida, monoksida membentuk gas sintetik (dalam proses gasifikasi batubara)

•

Bereaksi dengan kalsium, magnesium, natrium dan logam-logam reaktif lain membebaskan H2

•

Air bersifat amfoter

•

Bereaksi dengan kalium oksida, sulfur oksida membentuk basa kalium dan asam sulfat.

•

Dengan anhidrid asam karboksilat membentuk asam karboksilat.


2.2.1.5 Asam Sulfat (H2 SO4) (Othmer, 1998 dan Perry & Green, 1999)

2.2.2

•

Titik didih

: 270 oC

•

Terdekomposisi

: 340 oC

•

Titik leleh

: 10,49 oC

•

Berat jenis (30 oC)

: 1,8261 gr/cm3

•

Kerapatan

: 1,84 gr/c

•

Berat molekul

: 98 gr/mol

•

Kelarutan tak terhingga pada air dingin dan air panas

•

Terdekomposisi dalam etil alkohol 95%

•

Bersifat korosif

•

Cairan tidak berwarna pada suhu kamar

Produk

2.2.2.1 Amonium Sulfat ((NH4)2SO 4) Umumnya, amonium sulfat banyak digunakan sebagai pupuk, dengan pemanfaatan kandungan nitrogen dan sulfur didalamnya. Amonium sulfat merupakan pupuk yang cocok untuk tanaman padi, citrus, anggur, tanaman merambat serta khususnya untuk tanah ber-pH tinggi. Selain sebagai pupuk, amonium sulfat juga digunakan untuk makanan, fire control, pakan ternak dan tanning (penyamak), water treatment dan proses fermentasi (Othmer, 1998; Speight, 2002). Sifat-sifat (UNIDO & IFDC, 1979) : •

Wujud berupa kristal putih

•

Berat molekul

: 132,14 gr/mol

•

Kandungan nitrogen

: 21,2 %

•

pH

:5

•

Densitas padatan (20 oC)

: 1,769

•

Panas kristalisasi (42% (NH4)2 SO4 (aq)) : 11,6 kcal/kg

•

Kelarutan dalam 100 gr air

•

− 0 oC

: 70,6 gr

− 100 oC

: 103,8 gr

Spesifik grafitasi larutan jenuh − 20 oC

: 1,2414


− 93oC

: 1,2502

•

Panas spesifik padatan pada 91oC

: 0,345 cal/g.oC

•

Panas spesifik larutan jenuh cal/g.oC − 20 oC

: 0,67

− 100oC

: 0,63

•

Titik lebur

: 512,2 oC

•

Terdekomposisi

: 280 oC

•

Pada sistem terbuka mulai terdekomposisi pada suhu 100 oC menghasilkan NH3 dan amonium bisulfat (NH4HSO4)

•

Diatas 300 oC terdekomposisi membentuk SO2, SO3 , H2O, N2

2.2.2.2 Kalsium karbonat (CaCO3 ) (Othmer, 1998 dan Perry & Green, 1999) Kalsium karbonat merupakan salah satu mineral pengisi serbaguna dan dikonsumsi dalam jumlah besar untuk produksi semen, kertas, cat, plastik, karet, tekstil, kapur, dan tinta printer. Kalsium karbonat dengan kemurnian tinggi biasanya digunakan untuk pangan, farmasi, pasta gigi, dan kosmetik. Sifat-sifat: •

Berat molekul

: 100,09 gr/mol

•

Spesifik grafitasi

: 2,6-2,75

•

Titik lebur pada 102,5 atm

: 1339 oC

•

Terdekomposisi

: 900 oC

•

Kelarutan dalam 100 gr air − 25 oC

: 0,0014 gr

− 100 oC

: 0,002 gr


2.3

Proses Pembuatan Amonium Sulfat

2.3.1

Proses Netralisasi Langsung Amonium sulfat dibuat dalam suatu unit netralizer dan crystalizer dengan

mereaksikan langsung gas amonia dengan asam sulfat yang masuk melalui alur recycle slurry, direaksikan dan dipanaskan di slurry recycle. Slurry kemudian di flash pada upper chamber dibawah tekanan vakum yaitu sekitar 55 - 58 mmHg. Panas reaksi yang terjadi dalam reaktor dikontrol dan dihilangkan dengan penambahan air atau pendinginan dengan udara ke dalam reaktor. Unit netralizer dan crystalizer dibuat terpisah untuk memudahkan sistem operasi dan control proses. Kesetimbangan optimum antara energi udara pendingin dengan yield kristal diperoleh ketika unit crystalizer di- control pada suhu 63 – 66°C. Pengontrolan pH selama operasional sangat penting dilakukan, yaitu berkisar 3-3,5, untuk menghindarkan yield minimum, dan kristal yang tipis. Kelebihan asam akan menyebabkan pertumbuhan kristal berlebih terutama di pipa, sehingga memerlukan pelarutan kembali kristal dengan steam. Sebaliknya, kekurangan asam menyebabkan mutu kristal yang rendah, sehingga akan menyebabkan sistem pencucian dan storage sulit, serta kandungan nitrogen juga rendah (Gowariker,dkk., 2009). Adapun reaksi proses netralisasi adalah sebagai berikut (Othmer, 1998): 2 NH3 (g) + H2 SO4(aq) → (NH4)2 SO4(s) ∆H= -274 KJ/mol (-65,5 Kcal/mol)

2.3.2

Proses Karbonasi Batubara Batubara bituminous digunakan untuk pabrikasi gas dan produksi coke

(arang). Batubara ini mengandung 1-2% nitrogen (N) dan dapat diperoleh 15-20% NH3, yaitu berkisar 2,5-3 kg NH3 / ton batubara. Gas NH3 yang diperoleh akan digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan amonium sulfat. Amonium sulfat dapat diproduksi dari hasil samping pembakaran batubara (coke-oven gas) dengan 3 cara yaitu direct method, indirect method dan semi direct method. 1. Direct Method Dalam direct method, semua gas yang terbentuk didinginkan terlebih dahulu untuk menghilangkan sejumlah tar, kemudian dialirkan ke- bubble saturator spray, dimana kemudian dicuci asam sulfat untuk membentuk slurry amonium sulfat. Kristal amonium sulfat yang terbentuk dalam cairan turun kemudian dipisahkan dan dicuci dalam centrifuge lalu dikeringkan. Kristal kering yang


dihasilkan dikirim lewat conveyor untuk disimpan. Adapun kekurangan dari metode ini adalah bahwa di dalam kristal yang diperoleh didapati sejumlah tar dan pyridin, sehingga memerlukan rekristalisasi kembali sebelum dipasarkan, tingkat korosinya tinggi dan sulit untuk mengatur tingkat optimum asam bebas yang dibutuhkan untuk menekan impurities dan optimum pH untuk menaikkan pertumbuhan kristal. 2. Indirect Method Pada proses ini, gas panas dari oven utama didinginkan dengan resirkulasi cairan pencuci dan water scrubbing. Campuran cairan kemudian dipanaskan dengan steam dalam kolom stripper tipe bubble untuk melepaskan amonia bebas dalam senyawa garam. Steam lewat melalui kolom kedua stripper kemudian amonia dan cairan dicampur dengan uap sehingga diperoleh amonia mentah yang selanjutnya didestilasi ulang atau diubah menjadi amonium sulfat dalam saturator kristaliser. Adapun amonium sulfat yang diperoleh bebas dari impurities, proses fleksibel. Kekurangan dari metode ini adalah masalah limbah buangan dan amonia yang hilang besar karena reaksi dan absorpsi yang tidak sempurna. 3. Semi – Direct Method Metode ini merupakan gabungan dari direct method dan indirect method. Dalam proses ini gas mula – mula didinginkan dan dicuci untuk menghilangkan sejumlah tar dan untuk memproduksi larutan kondensat yang banyak mengandung amonia bentuk gas. Kemudian amonia cair dipanaskan sampai suhu 700C dan diabsorbsi dengan asam sulfat encer 5-6% dan menghasilkan larutan amonium sulfat jenuh dengan suhu 50–70 oC. Semi direct method memproduksi amonium sulfat atau posfat dan amonia dengan yield yang tinggi. (Gowariker,dkk., 2009)


2.3.3

Hasil Samping Industri Caprolactam Banyak amonium sulfat diproduksi dari berbagai hasil samping proses kimia

antara lain caprolactam, acrylonitrile. Berikut ini merupakan reaksi pembentukan amonium sulfat sebagai hasil samping caprolactam (Othmer, 1998): 2HON(SO3NH4)2 + 4H2O → (NH 2OH) 2.H2 SO4 + 2(NH4)2 SO4 + Hydroxylamine

Air

Disulfonate 2C6H11O + Phenol

Hydroxylamine

Amonium

Sulfonate

Sulfonate

Amonia

Asam Sulfat

Sulfat

(NH2OH)2 .H2SO4 + 2NH3 → 2C6H11NO Hydroxylamine

H2 SO4

+ (NH4)2 SO4 + 2H2O

Cyclohexanone Oxime

Amonium

Air

Sulfat

Cyclohexanone Oxime dikonversi menjadi caprolactam dengan penyusunan kembali dengan penambahan oleum. Reaksi ini dilangsungkan dengan suhu tinggi (400 oC). Sedangkan amonium sulfat dari reaksi pembentukan caprolaktam dari oksidasi toluena dengan udara menjadi asam benzoic dan dilanjutkan dengan proses hidrogenasi dilangsungkan pada tekanan 10 atm dan suhu 160-170 oC (Speight, 2002). Amonium sulfat yang dihasilkan dipanaskan secara kontinu dan 40% mother liquour disirkulasi melalui draft tube-buffle crystallizer pada temperatur 77-82 oC dan tekanan 660 mmHg (12,8 psia). Uap air dilepas dari crystallizer dan dikondensasi melalui satu atau lebih heat exchanger. Amonium sulfat dikeluarkan dari crystallizer menuju settling tank, disentrifuse, dikeringkan sebelum disimpan. Kelemahan dari proses ini adalah terdapat sisa caprolactam cair dalam produk kristal amonium sulfat, sehingga perlu ditambahkan senyawa anti caking amonium sulfat (EPA, 1985). Selain itu proses ini tidak ekonomis karena konsentrasi amonium sulfatnya rendah, diperoleh 1,8- 4,0 ton amonium sulfat per ton caprolactam (Gowariker, dkk., 2009). 2.3.4

Reaksi antara Amonium Karbonat dengan Gypsum Reaksi antara amonium karbonat dengan Gypsum dikenal dengan proses

Merseburg. Metode ini didasarkan pada penggabungan amonia dan karbon dioksida untuk menghasilkan larutan amonium karbonat. Kemudian larutan amonium


karbonat direaksikan dengan gypsum (CaSO4 .2H2O) sehingga diperoleh amonium sulfat dan kalsium karbonat. Adapun reaksinya sebagai berikut: NH3 + H2O → NH 4OH 2NH4OH + CO2 → (NH4)2CO 3 + H2 O CaSO4.2H2O + (NH4 )2CO3

→ (NH4) 2 SO4 + CaCO3 + 2 H 2O

Reaksi-reaksi di atas bersifat eksotermik. Proses ini memiliki banyak keuntungan seperti kalsium karbonat sebagai hasil samping yang dapat digunakan untuk produksi semen, pupuk, proses ini juga tidak membutuhkan supply sulfur (Gowariker,dkk., 2009). Larutan amonium sulfat dievaporasi dalam kondisi vakum, kemudian dikristalisasi, disentrifuge dan dikeringkan (Cheremisinoff, 1995). Proses pembuatan amonium sulfat dari gypsum sintetik (hasil unit FGD) menghasilkan konversi 83% dan kemurnian hingga 99% (Chou, 1995). 2.4

Pemilihan Proses Dari beberapa uraian proses pembuatan amonium sulfat

dirancang pabrik amonium sulfat dengan

diatas, maka akan

proses Merseburg. Adapun pertimbangannya

adalah: 1. Proses menggunakan bahan baku gypsum (Gypsum FGD) dari buangan PLTU batu bara yang berharga murah. 2. Proses reaksi pada suhu dan tekanan rendah. 3. Proses ini sangat cocok untuk negara yang tidak memiliki supply sulfur alam, sehingga gypsum baik dari alam yang ditambang langsung atau gypsum byproduct FGD dapat digunakan sebagai bahan baku tanpa harus mengimpor dari luar.

2.5

Deskripsi Proses Proses pembuatan amonium sulfat dari gypsum dan amonium karbonat

dilakukan dalam reaktor CSTR dengan volume besar dengan pertimbangan karena reaksi ammonium sulphate memerlukan waktu reaksi yang lama. Salah satu metode dalam memproduksi amonium sulfat adalah dengan mereaksikan amonium karbonat dengan gypsum dengan reaksi sebagai berikut: (NH4)2CO3 + CaSO4.2H2O

→

(NH 4) 2SO4 + CaCO3 + 2H2O

Reaksi ini dijalankan pada fase cair – padat dan merupakan reaksi yang irreversibel. Gypsum yang digunakan adalah gypsum hasil samping dari unit FGD.


Konversi yang dicapai dari reaksi tersebut sebesar 83 % pada akhir reaksi dan kemurnian amonium sulfat yang dihasilkan 99% (Chou, 1995). Selain terdapat reaksi utama, juga terdapat reaksi samping yaitu : (NH4)2CO3

↔ NH3 + CO2 + H2O

Reaksi samping dapat terjadi karena dalam pembentukan (NH4)2CO3 sendiri bersifat reversibel dan reaksi berlangsung eksotermis. Karena terjadi kenaikan suhu maka reaksi dapat bergeser ke arah pereaktan. Gas – gas hasil reaksi samping ditangkap oleh fan dan selanjutnya dimasukkan ke scrubber. Pada perancangan ini yang digunakan adalah proses gypsum (Merseburg Process). Kondisi operasi adalah 65 – 700C dan tekanan 1 atm. Proses pengolahan sampai produk akhir, melewati beberapa tahap utama yaitu : 1. Tahap Penyiapan Bahan Baku 2. Tahap Karbonasi 3. Tahap Reaksi 4. Tahap Scrubbing 5. Tahap Filtrasi 6. Tahap Netralisasi 7. Tahap Evaporasi 8. Tahap Kristalisasi 9. Tahap Drying

1

Tahap Penyiapan Bahan Baku Bahan baku utama dalam proses ini adalah ammonia, karbondioksida dan

gypsum. Amonia yang digunakan merupakan amonia anhidrous, yang disimpan dalam tangki pada kondisi cair tekanan 5,5 atm dan suhu 273,15 K. Bahan baku karbon dioksida disimpan pada kondisi suhu 240,15 K dan tekanan 20,5 atm, dengan kemurnian 99,9 % v/v. Amonia anhidrous dan karbon dioksida diperoleh dari pabrik amonia. Sedangkan gypsum diambil dari unit FGD PLTU disimpan dalam gudang penyimpanan.

2

Tahap karbonasi Proses karbonasi dilakukan dengan mengalirkan karbon dioksida (CO2), amonia

(NH3) dalam air. Perbandingan amonia (NH3) dan karbon dioksida (CO2) adalah 2:1


(mol/mol) dalam 1 liter air (H2O). Reaksi karbonasi ini bersifat eksotermik dan reversibel. Suhu reaksi 44oC, waktu reaksi 1 jam, dan pH 9,1. Adapun reaksi karbonasi ditunjukkan sebagai berikut: 2NH3 + CO2 + H2O

↔

(NH4)2CO3

Reaksi di atas merupakan reaksi gas-cair yang terjadi dalam Carbonation Tower yang berisi packing – packing. Reaksi tersebut dilangsungkan pada suhu 44oC dan tekanan 1 atm. Oleh karena kelarutan amonia (NH3) pada suhu tersebut kecil maka NH3 dibuat exess. Reaksi dilangsungkan selama 1 jam dgn pH

berkisar 9,1.

Pengaturan pH sangat penting dilakukan untuk mengetahui batas reaksi selesai. CO2 dan NH3 berada pada fase cair sebelum masuk ke Carbonation Tower dikondisikan terlebih dahulu. Dari tangki penyimpanan dialirkan ke vaporizer sampai semua komponen menguap lalu tekanannya diturunkan dengan ekspander. Suhu masuk ke Carbonation Tower 44 oC. Gas – gas sisa yang tidak bereaksi dalam Carbonation Tower, ditangkap oleh fan untuk selanjutnya diumpankan ke scrubber dan direaksikan dengan “make up” air dan membentuk amonium karbonat encer.

3

Tahap reaksi Reaksi dijalankan dalam reaktor CSTR dengan tekanan 1 atm dan suhu 70oC

untuk reaktor 1. (NH 4)2CO3 pekat dari Carbonation Tower dipompakan menuju reaktor dan dicampurkan dengan slurry gypsum yang diangkut dari gudang dengan belt conveyor dan diumpankan melalui feeder. Reaksi : (NH4)2CO3 + CaSO4.2H2O

→

(NH 4)2 SO4 + CaCO3 + 2H2O

Reaksi pada reaktor dengan konversi yang dihasilkan sebesar 83%. Temperatur dijaga sebesar 70oC. (NH4)2CO 3 akan dibuat excess ke dalam reaktor (120%) (Abbas, 2011). Gas – gas hasil peruraian yang berupa ammonia, karbondioksida dan uap air pada reaktor ditangkap oleh fan dan diumpankan ke scrubber. Berikut ini merupakan reaksi samping yang terjadi pada pembentukan amonium sulfat yaitu : (NH4)2CO3

↔ 2NH3 + CO2 + H2O


4

Tahap scrubbing Pada tahap ini terjadi penyerapan gas – gas sisa yang tidak bereaksi dari unit

karbonasi dan unit reaksi yang berupa ammonia, karbondioksida dan uap air. Gas – gas sisa ini ditangkap oleh fan dan selanjutnya dimasukkan ke scrubber yang berisi packing – packing tempat terjadinya reaksi cair-gas. Air yang digunakan berasal dari “make-up” water. Reaksinya adalah sebagai berikut : 2NH3 + CO2 + H2O ↔

(NH 4)2CO3

Gas – gas sisa dari reaktor masuk pada suhu 44oC dan gas sisa dari Carbonation tower masuk pada suhu 440C. Air yang digunakan untuk “make up” masuk pada suhu 300C. Reaksi berlangsung pada suhu 44oC dan tekanan 1 atm. Amonium karbonat yang dihasilkan berupa amonium karbonat encer yang kemudian dipompakan menuju carbonation tower sebagai umpan.

5

Tahap filtrasi Pada tahap ini terjadi penyaringan slurry yang terbentuk pada seksi reaksi

dengan menggunakan “ Rotary Drum Vacum Filter”. Slurry yang terbentuk di reaktor dipompakan menuju filter. Hasil filtrasi berupa filtrat yang terdiri dari larutan (NH4)2SO4 dan sisa (NH4)2 CO3. Sedangkan cake berupa CaCO3 dan sisa gypsum. Suhu keluar filtrasi sebesar 70°C.

6

Tahap netralisasi Pada tahap ini terjadi reaksi netralisasi antara amonium karbonat yang tidak

bereaksi pada reaktor dengan asam sulfat sehingga membentuk amonium sulfat tambahan. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : (NH4)2CO3 + H2SO4

→

(NH4)2SO 4 + H2O + CO2

Asam sulfat yang digunakan dengan kadar 98 % masuk pada suhu 65oC. Reaksi terjadi pada tekanan 1 atm dan suhu 65oC. Hasil reaksi yang berupa karbondioksida dibuang langsung ke udara.

7

Tahap evaporasi Pada tahap evaporasi terjadi pemekatan larutan amonium sulfat. Evaporator

bekerja pada kondisi vakum tekanan 0,57 bar dan suhu 85oC. Sebagai tenaga


pemanas digunakan steam. Air yang menguap ditangkap oleh barometric condensor. Alasan digunakannya sistem vakum yaitu karena pada suhu tinggi senyawa sulfat pada amonium sulfat akan terdekomposisi menjadi sulfit. Larutan pekat keluar pada suhu 85oC.

8

Tahap kristalisasi Crystalizer beroperasi pada suhu 65 oC dan tekanan 0,57 bar. Larutan jenuh

yang berasal dari evaporator didinginkan secara tiba-tiba dengan air pendingin. Uap air dialirkan menuju barometric condenser. Suspensi kristal masuk ke centrifuge dimana kristal dipisahkan dari mother liquor. Kristal basah masuk ke dryer dan mother liquor dialirkan kembali ke netralizer pada suhu 65oC.

9

Tahap Pengeringan Kristal basah dari centrifuge dengan kandungan air 5% diangkut oleh screw

conveyor untuk dimasukkan ke dryer. Dryer yang digunakan adalah jenis rotary dryer. Proses pengeringan dilangsungkan pada suhu 100oC (Gowariker, dkk., 2009). Sebagai tenaga pemanas adalah udara panas dan kering yang dipanaskan dengan menggunakan saturated steam dari unit utilitas. Kristal kering dengan kadar air tidak lebih dari 1 % (BSN, 2012) dan bebas dari asam bebas keluar dari rotary drier kemudian dimasukkan ke feed bin dengan menggunakan belt elevator. Produk selanjutnya siap dikirim ke bagian penyimpanan atau didistribusikan.


Saturated steam

TK-101 TK-102 G-101 AB-101 AB-102 M-101 E-101 E-102 D-101 D-102 E-103 P-101 P-102 P-103 JB-101 C-101 C-102 SC-101 BE-101 FB-101 TK-201 R-201 R-202 JB-201 JB-202 EV-201 FL-201 E-201 E-202 E-203 E-204 P-201 P-202 P-203 P-204 P-205 CR-301 E-301 CF-301 RD-301 P-301 P-302 SC-301 BE-301 FB-301 BC-301 G-301

o

Air Pendingin, 30 C

Air Proses, 30oC

Udara 13

24 1

Gypsum FGD

FB-101 15

G-101

20

TC 21 LI

SC-101 BE-101

7

D-102

TC

P-101

M-101

TC

16

FC

PC

FC

11

17

CO2

FC TC

FC

FC

FC

5

TC

JB-101

E-202

29 E-204

E-301 35

TC

TC 8

BE-301

TC EV-201

FL-201

19 TC

D-101

9

12

27

FC

FC

6

14

37

FC

31

FC

23

34

Pengemasan BC-301

P-301

AB-102

AB-101

RD-301

28

FC

FC

10

E-101

R D

CR-301

R-202

R-201 C-101

3

TC

FB-301

CF-301 SC-301

P-102 NH3

TC

36

TC

TK-102

PC

33

PC

JB-201

E-102

TC

PC

JB-202 PC

TC C-102 2

PC

PC

E-203

22

26

P-202

FC

P-204

P-203

FC 30

TK-101

G-301

FC

32

TC

H2SO4 18

FC

P-102

25

P-205

P-302

TC FC

4

LI

E-103

P-103

E-201 TK-201

P-201

= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =

Keterangan Gambar Tangki amonia (NH3) Tangki karbon dioksida (CO2) Gudang Gypsum FGD Absorber Absorber Tangki pengenceran Gypsum FGD Vaporizer amonia Vaporizer (CO2) Drum Drum Heater amonium karbonat Pompa rotary Pompa sentrifugal Pompa sentrifugal Blower Ekspander Ekspander Screw conveyor Bucket Elevator Feed Bin Tangki asam sulfat (H2SO4) Reaktor Reaktor netralisasi Blower Blower Evaporator Rotary Vakum Filter heater Cooler Cooler Barometic Condenser Pompa sentrifugal Pompa sentrifugal Pompa sentrifugal Pompa sentrifugal Pompa sentrifugal Cristaliser Barometic Condenser Sentrifuge Rotary Dryer Pompa sentrifugal Pompa sentrifugal Screw conveyor Bucket Elevator Feed Bin Belt conveyor Gudang amonium sulfat

CaCO3

Kondensat bekas

Air Pendingin bekas

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN DIAGRAM ALIR PABRIK PRA RANCANGAN PABRIK PEMBUATAN PUPUK AMONIUM SULFAT DARI GYPSUM SINTETIK HASIL PENGOLAHAN UNIT FLUE GAS DESULFURIZATION PLTU DENGAN KAPASITAS 30000 TON/TAHUN

Skala : Tanpa Skala Digambar Diperiksa / Disetujui

Komponen NH3 (Amonia) H2O (Air) CO2 (Karbon dioksida) (NH4)2CO3 (Amonium karbonat) CaSO4.2H2O (FGD Gypsum) (NH4)2SO4 (Amonium sulfat) (s) (NH4)2SO4 (Amonium sulfat) (l) CaCO3 (Kalsium karbonat) H2SO4 (Asam sulfat) Total (kg/jam) Tekanan (atm) Temperatur (K)

1

2

3 980.652 0.928 4.903 926.980

4

5

6 7 8 9 10 11 12 13 14 1222.119 1222.119 241.467 985.580 15.202 1.856 9.856 1.856 0.928 9.856 4.928 1404.074 1158.030 1158.030 231.049 927.908 1262.352

15

16

17 29.635

5797.527 1404.074

18

19

20

21 10.126

5398.943 107.505 129.487 25.247

4472.236 1.00 303.15

4472.236

744.897 927.908 985.555 760.099 1159.885 1231.974 1159.885 231.977 1231.974 246.395 927.908 985.580 1404.074 1262.352 20.50 5.50 1.00 20.50 5.50 20.50 20.50 5.50 5.50 5.50 5.50 1.00 1.00 240.15 273.15 303.15 240.15 273.15 319.15 319.15 319.15 319.15 319.15 319.15 303.15 317.15

5797.527 5876.310 1.00 1.00 303.15 343.15

23

24

7568.284 2808.226

25

54.882 8215.319 224.743 129.487 10.126 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 317.15 317.15 317.15 303.15 317.15

26

518.826

28.487 2816.376 117.238

4472.236

22 22.013

27

28

29

30

Nama NIM

Tanggal

Tanda Tangan

: Krisma Yessi Sianturi : 070405004

1. Nama : Dr. Ir. Iriany, MSi NIP : 196406131990032001 2. Nama : Ir. Renita Manurung, MT NIP : 196812141997022002

31

32

33

34

35

36

9857.685 10009.704 6074.762 3934.942 48718.379 44783.437 2786.649 45931.730 1148.293 1110.414

37 37.879

334.444 744.587 871.639

14.892 871.639

729.695

2763.249 2093.370

16.579 2093.370

2746.669

3750.000

3750.000 44169.922 40419.922

3750.000 3750.000 40419.922

3750.000

50.500 14041.129 2808.226 3515.306 334.444 13334.049 13759.704 6074.762 7684.942 92888.301 85203.359 2786.649 90101.652 4898.293 1110.414 3787.879 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.56 0.56 1.00 1.00 0.56 0.56 1.00 1.00 1.00 343.15 343.15 303.15 334.27 338.15 334.27 338.15 358.15 358.15 348.15 338.15 338.15 338.15 338.15 373.15 373.15


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents