BAB II
TINJAUAN PUSTAKA DAN DESKRIPSI PROSES
2.1 Bahan Baku2.1.1 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 :14130C pada 1 atm
4. Titik beku : 800,40C pada 1 atm
5. Bentuk : kristal kubik padat
6. Warna : putih
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
sifat-sifat fisis asam nitrat antara lain: (Anonimb, 2010)
1. Rumus molekul : HNO3
2. Berat molekul : 63,02 g/mol
3. Titik didih : 860C pada 1 atm
4. Titik beku : - 420C pada 1 atm
5. Bentuk : cair
6. Warna : putih
7. Densitas : 1,502 g/ml
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 (Kirk-Othmer, 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
Gambar 2.2 Struktur Molekul Natrium Nitrat
(Anonimc, 2010)
Adapun sifat-sifat fisis dari Natrium Nitrat antara lain (Anonimc, 2010) :
1. Rumus molekul : NaNO3
2. Berat molekul : 85,01 g/mol
3. Bentuk : kristal trigonal padat ( padat)
4. Titik didih : 3800C pada 1 atm
5. Titik beku : 3080C pada 1 atm
6. Warna : putih
7. Densitas : 2,257 g/ml
8. Panas laten : 5355 kal/mol pada 3100C
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 Cl2.
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
Adapun sifat-sifat fisis dari gas klorin antara lain (Anonimd, 2010) :
1. Rumus molekul : Cl2
2. Berat molekul : 70,91 g/mol
3. Bentuk : gas
4. Titik beku : -101,60C pada 1 atm
5. Titik didih : -34,60C pada 1 atm
6. Warna : kuning kehijauan
7. Densitas : 1,56 g/ml pada 0oC ; 1 atm
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 : -64,50C pada 1 atm
5. Titik didih : -5,50C pada 1 atm
6. Warna : merah kekuningan
7. Densitas : 1,273 g/ml pada -12oC ; 1 atm
2.3 Jenis Proses Sintesis Natrium Nitrat
2.3.1 Proses Shank
Bahan baku berasal dari garam hasil penambangan (garam Chile) yang mengandung NaNO3. 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 NaNO3 dikurangi kadarnya sehingga diperoleh NaNO3 dengan kadar ± 60% (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:
1. Jika proses leaching dilakukan pada temperatur rendah 400C 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 CaSO4,
MgSO4dan K2SO4, garam NaNO3yang terlalu sedikit. Na2SO4di dalam proses akan pecah dan 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 NaNO3lebih besar 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 Na2CO3dengan HNO3
Na2CO3+ 2 HNO3 2 NaNO3+ H2O + CO2
2. Mereaksikan NaCl dengan HNO3
3 NaCl( s )+ 4 HNO3( l ) 3 NaNO3( s )+ NOCl( g )+ Cl2( g )+ 2 H2O( l )
3. Mereaksikan caustic soda (NaOH) dengan konsentrasi 40% dan asam nitrat (HNO3) dengan
konsentrasi 53%.
NaOH + HNO3 NaNO3+ H2O
Pada proses sintesis, kadar NaNO3 yang dihasilkan lebih tinggi dari proses Shank dan Guggenheim, yaitu ± 90 – 99 %. Dari 3 macam proses sintesis diatas maka dipilih proses sintesis
dengan mereaksikan NaCl dengan HNO3karena bahan bakunya mudah didapat dan harga bahan baku 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
a. Kadar yang diperoleh hanya berkisar 60%
b. Hanya bisa dilakukan di lokasi dimana natrium nitrat tersedia melimpah
Proses Guggenheim Kurang lebih sama dengan proses Shank, hanya saja pada proses ini proses ekstraksi dan pemakaian bahan bakar lebih efisien
Kurang lebih sama dengan Proses Shank, hanya saja kadarnya lebih besar, yaitu berkisar 80-85%
Proses Sintesis a. Kadar yang dihasilkan
dapat mencapai 90-99% b. Bahan baku proses relatif lebih murah dan mudah didapat
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 (NaNO3) 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 HNO360% 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 600C 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 650C 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 AIR PENDINGIN LI FC LC TC PC TC TC TC ASAM NITRAT LI NATRIUM KLORIDA FC LI LI LI FC LI H2O KLORIN NITROSIL KLORIDA
AIR PENDINGIN BEKAS ASAM NITRAT NATRIUM NITRAT STEAM BEKAS F-110 R-130 E-112 L-111 J-121 L-131 G-132 L-213 E-214 K-320 H-330 L-321 J-331 V-340 L-341 E-311 B-350 J-351 F-410 F-420 F-430 1 3 14 4 16 15 18 6 7 9 8 13 11 12 Keterangan Gambar 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
PRA-RANCANGAN PABRIK PEMBUATAN NATRIUM NITRAT DENGAN KAPASITAS 2.000 TON/TAHUN
Skala : Tanpa Skala Tanggal Tanda Tangan Digambar Nama : AzlansyahNIM : 050405023
Nama : Prof. Dr.Ir. M Turmuzi, MS NIP :
Diperiksa /
Disetujui Nama : M Hendra S. Ginting, ST, MT NIP : 197000919 199903 1 001
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN DIAGRAM ALIR PABRIK PEMBUATAN NATRIUM NITRAT
DARI ASAM NITRAT DAN NATRIUM NITRAT
19640617 199403 2 001 Laju Alir Massa (Kg/ jam)
Tekanan, P (atm) Temperatur, T (0C) Asam Nitrat (HNO3) Natrium Klorida (NaCl) Natrium Nitrat (NaNO3) Nitrosil Klorida (NOCl) Klorin (Cl2) KOMPONEN 1 30 172,6284 1 1 30 241,963 2 1 60 241,963 3 1 60 4,8393 25,119 239,89 4 1 40 25,1192 239,899 7 1 40 7,6820 239,899 8 1 40 17,4372 9 1 100 17,4372 10 1 100 11 1 100 7,6820 239,899 12 Air (H2O) 1,7437 161,308 161,308 214,35 210,0625 64,2415 145,821 17,4372 59,2972 4,9443 10 30 66,7029 16 10 65 61,5856 17 10 30 61,5856 18 10 2 5 17 F-120 F-440 V-210 19 20 Total 174,3721 403,271 403,271 484,21 475,0806 311,8224 163,2582 163,2582 59,2972 252,5253 66,7029 61,5856 61,5856 1 86 4,8393 19 4,2914 9,1307 1 30 4,8393 20 4,2914 9,1307 1 60 61,585 66,70 5 128,28 10 65 61,5856 66,7029 14 128,2885 1 86 6 475,0806 1 100 13 128,3838 128,3838 10 65 66,7029 15 66,7029 E-211 L-212 V-310 25,1192 239,899 210,0625
