Asam Sulfat mempunyai rumus kimia H2SO4 , merupakan asam mineral yang kuat. Zat ini larut dalam air pada semua kepekatan. Asam sulfat mempunyai banyak kegunaan, termasuk dalam kebanyakan reaksi kimia dan proses pembuatan. Ia digunakan secara meluas sebagai bahan kimia pengilangan. Kegunaan utama termasuk produksi baja, memproses bijih mineral, sintesis kimia, pemrosesan air limbah dan penapisan minyak.
Di atmosfer, zat ini termasuk salah satu bahan kimia yang menyebabkan hujan asam. Memang tidak mudah membayangkan bahwa bahan kimia yang sangat aktif, seperti asam sulfat, juga merupakan bahan kimia yang paling banyak dipakai dan merupakan produk teknik yang amat penting. Zat ini digunakan sebagai bahan untuk pembuatan garam – garam sulfat dan untuk sulfonasi, tetapi lebih sering dipakai terutama karena merupakan asam anorganik yang agak kuat dan agak murah. Bahan ini dipakai dalam berbagai industri, tetapi jarang muncul dalam produk akhir. Asam sulfat dipakai dalam pembuatan pupuk, plat timah, pengolahan minyak, dan dalam pewarna tekstil.
1.1 Bahan Baku
a. Katalis
Fungsi katalis dalam setiap reaksi katalitik adalah meningkatkan laju reaksi. Katalis konversi sulfur dioksida ini biasanya terdiri dari tanah diatomea , yang disusupi dengan lebih dari 7 % V2O5 katalis komersial mengandung garam kalium ( sulfat , pirosulfat dan sebagainya ) disamping V2O5. Pada suhu operasi pewaris aktif ialah garam lebur yang terdapat pori – pori pelet silika.
Katalisator yang dapat digunakan untuk reaksi pembentukan belerang trioksida antara lain Pt, V2O5, Fe2O3, Cr2O3, Mn2O3 dan Mn3O4.katalisator yang baik adalah Pt dan V2O5, tapi yang paling banyak dipakai adalah Vanadium Pentoksida, karena :
• V2O5 lebih murah harganya
• Pt lebih sensitiv terhadap racun
• V2O5 daya tahan terhadap suhu tinggi lebih baik
• Konversi relatif lebih tinggi`
(Fairlie, Sherve, Kirk Othmer)
b. Belerang (Sulfur)
Belerang merupakan salah satu bahan dasar yang paling penting dalam industri pengolahan kimia . Bahan ini terdapat di alam dalam wujud bebas dan dalam keadaan senyawa pada bijih – bijih seperti pirit ( FeS2 ) , Sfalerit ( ZnS ) dan Kalkopirit ( CuFeS2 ) . Bahan ini juga terdapat di dalam minyak dan gas bumi ( sebagai H2S ). Penggunaannya yang terbesar adalah dalam pembuatan asam sulfat.
Sifat-sifat kimia sulfur :
1. Dengan udara membentuk sulfur dioksida
Reaksi : S + O2 → SO2
2. Dengan asam klorida dan katalis Fe akan menghasilkan hidrogensulfida.
c. Udara
Fase : gas
Komposisi : 20,9% O2 ; 79,1% N2
Kapasitas panas : 7,035 cal/gmol °C (32°C)
Berat molekul : 28,84 g/gmol
Berat jenis : 1,5.10-3 gr/cc (25°C)
d. Air Proses (H2O)
Fase : cair
Berat molekul : 18 g/gmol
Berat jenis : 1 gr/cc (25°C)
Kekentalan : 1 cp (25°C)
e. Sulfur dioksida
Sifat-sifat fisika sulfur dioksida ditunjukkan pada tabel berikut ini
Sifat kimia sulfur dioksida :
1. Dengan klorin dan air membentuk asam klorida dan asam lainnya.
Reaksi : Cl2 + 2H2O + SO2↔ 2HCl + H2SO4
2. Dengan hidrogen sulfida membentuk air dan sulfur
Reaksi : 2H2S + SO2↔ 2H2O + 3S
f. Sulfur Trioksida
Sifat kimia sulfur trioksida :
1. Dengan air membentuk asam kuat
Reaksi : SO3 + H2O → H2SO4
2. Dengan udara lembab sulfur trioksida membentuk uap putih tebal
dengan bau yang menyengat.
1.2 Produk Intermediet
Asam Sulfat
Asam sulfat terdiri dari sulfur atau belerang dan beberapa gabungan dari unsur – unsur lainnya. Sekeping sulfur melebur menjadi cecair merah darah. Apabila terbakar, ia mengeluarkan nyala berwarna biru.Pada suhu bilik, sulfur adalah satu pepejal lembut berwarna kuning terang. Walaupun sulfur adalah terkenal dengan baunya yang tidak menyenangkan - kerap dipadankan dengan telur-telur busuk - bau tersebut adalah sebenarnya ciri bagi hidrogen sulfida (H2S); sulfur keunsuran adalah tidak berbau. Ia terbakar dengan nyalaan biru dan mengeluarkan sulfur dioksida, yang dikenali kerana bau peliknya yang menyesakkan. Sulfur adalah tak larut dalam air tetapi larut dalam karbon disulfida dan pada kadar kelarutan yang kurang sedikit dalam pelarut organik lain seperti benzena. Keadaan pengoksidaan sulfur yang biasa termasuk −2, +2, +4 dan +6. Sulfur membentuk sebatian stabil bersama semua unsur kecuali gas nadir.
Sulfur dalam keadaan pepejal biasanya wujud sebagai siklik berbentuk mahkota yang terdiri daripada molekul-molekul S8. Sulfur mempunyai banyak alotrop selain S8. Dengan membuang satu atom daripada mahkota akan menghasilkan S7, yang yang berperanan dalam warna kuning sulfur yang unik. Terdapat banyak lagi bentuk cincin lain yang disediakan, termasuk S12 dan S18. Secara bandingannya, jirannya oksigen yang lebih ringan hanya wujud dalam dua keadaan yang mempunyai kepentingan kimia: O2 dan O3. Selenium, analog sulfur yang lebih berat boleh membentuk cincin tetapi lebih sering dijumpai sebagai satu rangkaian polimer
Adapun sifat –sifat kimia dan fisika dari asam sulfat sendiri adalah sebagai berikut :
Sifat fisika :
Titik leleh (°C) : 10
Titik didih (°C) : 290
Tekanan uap (mmHg) : 1 (146 °C)
Berat jenis cairan : 1,84 (100 persen)
Berat jenis uap : 3,4 (udara = 1)
Sifat kimia asam sulfat :
1. Dengan basa membentuk garam dan air.
Reaksi : H2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + H2O
2. Dengan alkohol membentuk eter dan air.
Reaksi : 2C2H5OH + H2SO4 C2H5OC2H5 + H2O + H2SO4
1.3 Fungsi Asam Sulfat
Di bidang industri, asam sulfat merupakan produk kimia yang paling banyak dipakai, sehingga memperoleh julukan the lifeblood of industry. Asam sulfat penting sekali terutama dalam produksi:
• Pupuk
• Kilang minyak
• Serabut buatan
• Bahan kimia industri
• Plastik
• Pharmasi
• Baterai
• Bahan ledak
Pada makalah ini asam sulfat lebih ditekankan sebagai produk intermediet maka dipilih fungsi asam sulfat sebagai pembuatan pupuk fosfat (tripel fosfat). Sekarang orang lebih banyak menggunakan pupuk dengan konsentrasi tinggi agar biaya transportasi dan pemakaiannya menjadi lebih rendah. Pabrik tripel superfosfat lebih padat modal dari pada pabrik superfosfat biasa.. Asam yang dihasilkan mempunyai konsentrasi 93,2 % H2SO4 dan dapat disimpan dengan aman didalam tangki baja. Asam ini diencerkan dalam fasilitas produksi fosfat bilamana diperlukan.
Asam sulfat yang dibuat dalam pabrik asam kamar, tersedia dalam beberapa kualitas, masing – masing mempunyai tujuan penggunaan tertentu. Kualitas 53° sampai 56°Be’ digunakan untuk pembuatan superfosfat , asam ini dibuat dalam pabrik asam kamar tanpa memerlukan operasi pemekatan yang mahal. Kualitas 60°Be’ dipakai dalam pembuatan sulfat – sulfat ammonia, tembaga (batu biru , bluestone), alumuniaum (alum), magnesium (garam Epsom), seng, besi (koperas), dan sebagainya serta asam – asam organik, seperti asam sitrat, oksalat, asetat, tartrat.
SYNTHESIS STEPS
• Step 1. Eliminate differences in molecular types
2.1. Beberapa Contoh Proses Pembuatan Asam Sulfat:
1. Proses Kontak
Pembuatan asam Sulfat Menurut Proses Kontak Industri lainnya yang berdasarkan reaksi kesetimbangan yaitu pembuatan asam sulfat yang dikenal dengan proses kontak. Secara garis besar tahapan proses kontak yang terjadi diuraikan sebagai berikut :
1. Pencairan belerang padat di melt tank
2. Pemurnian belerang cair dengan cara filtrasi
3. Pengeringan udara proses
4. Pembakaran belerang cair dengan udara kering untuk menghasilkan sulfur dioksida (SO2)
5. Reaksi oksidasi lanjutan SO2 menjadi SO3 dalam empat lapis bed konverter dengan menggunakan katalis V2O5
6. Pendinginan gas
7. Penyerapan SO3 dengan asam sulfat 93%-98,5%
(Fairlie, 1951) :
Reaksi yang terjadi dapat diringkas sebagai berikut:
Pertama, belerang dibakar menjadi belerang dioksida.
S(s) + O2(g) ----> SO2(g)
Belerang dioksida kemudian dioksidasi lbh lanjut jd belerang trioksida.
2SO2(g) + O2(g) <====> 2SO3(g)....... ∆H= -98 kJ
Reaksi ini berlangsung pd suhu sekitar 500 oC, tekanan 1 atm dgn katalisator V2O5. Kemudian gas SO2 dilarutkan dalam asam sulfat pekat hingga menjadi asam sulfat pekat berasap (dsb oleum, H2SO4.SO3 atau H2S2O7).
SO3(g) + H2SO4(l) -------> H2S2O7(l)
H2S2O7(l) + H2O(l) ------> 2H2SO4(l)
Dari proses kontak ini lalu akan terbentuk asam sulfat pekat dengan kadar 98%
Tahap penting dalam proses ini adalah reaksi (2). Reaksi ini merupakan reaksi kesetimbangan dan eksoterm. Sama seperti pada sintesis amonia, reaksi ini hanya berlangsung baik pada suhu tinggi. Akan tetapi pada suhu tinggi justru kesetimbangan bergeser ke kiri.
Pada proses kontak digunakan suhu sekitar 500oC dengan katalisator V2O5. sebenarnya tekanan besar akan menguntungkan produksi SO3, tetapi penambahan tekanan ternyata tidak diimbangi penambahan hasil yang memadai. Oleh karena itu, pada proses kontak tidak digunakan tekanan besar melainkan tekanan normal, 1 atm.
2. Proses Chamber
Sulfur dioksida dihasilkan dengan membakar unsur belerang atau pemanggangan bijih piritik dalam udara:
S8 + 8 O2 → 8 SO2
3 FeS2 + 8 O2 → Fe3O4 + 6 SO2
Nitrogen oksida dihasilkan oleh dekomposisi niter yang mengandung asam sulfat atau hidrolisis asam nitrosylsulfuric:
2 NaNO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + NO + NO2 + O2
2 NOHSO4 + H2O → 2 H2SO4 + NO + NO2
Dalam ruang reaksi, sulfur dioksida dan nitrogen dioksida larut dalam reaksi liquor. Nitrogen dioksida hidrat untuk menghasilkan asam nitrit yang kemudian mengoksidasi belerang dioksida menjadi asam sulfat dan oksida nitrat. Reaksi ini tidak dikategorikan baik tetapi diketahui bahwa asam nitrosylsulfuric merupakan produk intermediate. Reaksi keseluruhan utama adalah:
2 NO2 + H2O → HNO2 + HNO3
SO2 (aq) + HNO3 → NOHSO4
NOHSO4 + HNO2 → H2SO4 + NO2 + NO
SO2 (aq) + 2 HNO2 → H2SO4 + 2 NO
Nitrat oksida keluar dari reaksi liquor dan kemudian reoxidized oleh oksigen molekuler menjadi nitrogen dioksida. Ini menentukan langkah dalam proses [3]:
2 NO + O2 → 2 NO2
Nitrogen oksida diserap dan regenerasi dalam proses, dan dengan demikian berfungsi sebagai katalis untuk reaksi keseluruhan:
2 SO2 + 2 H2O + O2 → 2 H2SO4
3. Proses Wet Sulfuric Acid (WSA)
Proses WSA merupakan salah satu kunci proses desulfurisasi gas di pasaran saat ini. Sejak Perusahaan Danish catalyst mematenkan teknologi ini pada akhir 1980. Proses ini telah dikenal sebagai proses yang efisien dalam recovery sulfur dari bermacam macam pemrosesan gas dan menghasilkan kualitas asam sulfat yang komersil. Proses ini juga dapat menghasilkan banyak steam tekanan tinggi. WSA proses diterapkan pada banyak industry dimana penghilangan sulfur dibutuhkan.
Proses katalis basah biasanya lebih tepat digunakan untuk memproses satu atau lebih aliran yang mengandung sulfur seperti :
• Gas H2S dari unit pengolahan gas amin (amine gas treating unit)
• Off-gas from Sour Water Stripper (SWS gas)
• Off-gas from Rectisol
• Spent acid from e.g. Alkylation
• Claus process tail gas
• Heavy residue or petcoke-fired utility boiler off-gas
• Boiler flue gases from various processes SNOX flue gas desulfurisation
• Metallurgical process gas
• Production of sulfuric acid
Reaksi Utama pembentukan Asam Sulfat dengan Wet Sulfuric Acid adalah :
• Pembakaran: H2S + 1.5 O2 = H2O + SO2 + 518 kJ/mole
• Oksidasi: SO2 + ½O2 = SO3 + 99 kJ/mole (in the presence of a vanadium (V) oxide catalyst)
• Hidras : SO3 + H2O = H2SO4 (g) + 101 kJ/mole
• Kondensasi: H2SO4 (g) = H2SO4 (l) + 90 kJ/mole
Energi yang diproduksi dari reaksi diatas digunakan untuk produksi steam. Energi nya mendekati 2-3 ton steam tekanan tinggi/ton asam yang di produksi.
Perbandingan Proses Pembuatan Asam Sulfat
Proses Kontak Proses Chamber Proses WSA
1. Tekanan 1 atm
2. Suhu 450-500 oC 400-600°C 420-440 °C
3. Konversi Mencapai 99,5 % (dari sulfur dioksida menjadi sulfur trioksida) Konversi mencapai 78% Lebih dari 99%
4. Cost Rendah , karena dalam satu kali proses
meningkatkan
konsentrasi asam, Tinggi; karena, dengan kondisi yang hampir sama (exothermic)hanya bisa menghasilkan konversi yang rendah Harga Plant murah karena recovery sulfur tinggi dan laju recovery panas tinggi sehingga kebutuhan cooling water rendah
5. Katalis V2O5 Nitrogen oxides V2O5
Kesimpulan:
Proses kontak mempunyai banyak keunggulan di bandingkan dengan proses Lead Chamber dan WSA. Oleah karena itu di makalah kami, kami menekankan pada proses kontak.
• Step 2. Distribute The Chemicals
Sulphur balance: s1 = 1 x 2 + 10 x 1 = 12 kmol/s
Hydrogen balance: 2 s4 = 1 x 2 + 10 x 2 => s4 = 11 kmol/s
Oxygen balance: 2 s2 + s4 = 1 x 7 + 10 x 4 => s2 = (47 - 11) / 2 = 18 kmol/s
Asam sulfat dan oleum (H2S2O7) dibuat dari sulfur dan oksigen. Air juga diperlukan dalam proses ini. Asam dan oleum diasumsikan dalam rasio molar 10:1. Gambaran neraca masa dari proses yang 10 kmol/min H2SO4 adalah :
Oxidiser: from stoichiometry of first reaction:
s6 (SO3) = s6 (S) = 12 kmol/s
Dissolver: from stoichiometry of second reaction there are equimolar flows of all three streams:
s7 = s8 = s6 = 12 kmol/s
Oleum take-off balance:
s8 = 1 + s9 => s9 = 11 kol/s
Dillution: from stoichiometry of third reaction:
s10 = 2 s9 = 22 kmol/s
Finally we can check that:
s10 = s5 + s7
22 = 10 + 12 => OK!
• Step 3. Eliminate Differences in Composition
• Step 4. Eliminate differences in Temperature, Pressure, and Phase
• Step 5. Task Integration
ANALISIS PROSES
Setelah dibandingkan antara proses kontak dengan proses kamar timbal, maka untuk perancangan pabrik asam sulfat ini dipilih Proses Kontak dengan pertimbangan :
a. Konversi yang tinggi dan kualitas produk lebih pekat.
b. Biaya produksi lebih murah.
c. Umur katalis dapat mencapai 10 tahun dalam pemakaian normal.
d. Proses produksi satu kali proses dalam meningkatkan konsentrasi asam.
Pada sintesis proses dapat disimpulkan bahwa proses kontak merupakan proses yang paling potensial dan banyak digunakan di industri. Karena itu analisa proses yang akan dijelaskan adalah dari proses kontak.
Berikut adalah Heuristic yang dipilih dalam proses kontak:
Dalam proses kontak, ada spesies yang sulit untuk diseparasi (absorbsi) maka spesies tersebut di keluarkan dalam fase uap
Dalam proses kontak digunakan T= 5000C dan P= 1 atm yang merupakan kondisi operasi optimal untuk mendapatkan yield yang tinggi.
Dalam flowsheet pembuatan asam sulfat dengan proses kontak digunakan absorbsi sebagai proses separasi
Untuk mengalirkan udara dari filter udara ke menara pengering digunakan blower turbo. Hal ini menunjukkan tekanan gas berkisar antara 10,1 kPa -206 kPa.
Pada plant asam sulfat terdapat tiga pompa cair, pemilihan pompa, disarkan pada heuristic 37, tergantung pada flowrate dan ketinggian.
Asumsi pressure drop pipa aliran cair adalah 2 Psi per 100 ft, dan pada control valve paling rendah 10 Psi. Heuristic ini penting untuk perhitungan yang membutuhkan pressure drop aliran pipa.
Heuristic ini penting untuk memperkirakan Teoritical Horsepower untuk pompa zat cair.
DAFTAR PUSTAKA
Seider. Product and Process Design Principles Second Edition.
Internet aka Google search
Chemical Engineering- Diponegoro University
