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 (NH4NO3) 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 (CaCO3) 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:

Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.1 Perbedaan Gypsum Sintetik dan Gypsum Alami

Komponen unit Gypsum Alami Gypsum Sintetik

Mineral Present

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

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

Universitas Sumatera Utara

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 : 2097,2 J/(Kg K)

− 100 oC : 2226,2 J/(Kg K)

− 200 oC : 2105,6 J/(Kg K)

• Kelarutan dalam air

− 0 oC : 42,8 wt%

− 20 oC : 33,1 wt%

− 40 oC : 23,4 wt%

− 60 oC : 14,1 wt%

• Spesifik grafity

− -40 oC : 0,69

− 0 oC : 0,639

− 40 oC : 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

Universitas Sumatera Utara

• 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

oC

4 NH3 + 5O2 → 4NO + 6 H2O

2NO + O2 → 2NO2

3 NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

• Amonia cair berperan sebagai precipitate basah dari metalic hydroxide

dari larutan garamnya dan membentuk ion kompleks dalam alur keluaran

amonia

CuSO4 + 2NH3.H2O → Cu(OH)2 + (NH4)2SO4

Cu(OH)2 → Cu2+ + 2OH

2NH3 → Cu(NH3)4│2+

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 : 393,7 kJ/mol

• Kelarutan di air (Perry & Green, 1999)

− 0 oC : 179,7 cc

− 20 oC : 90,1 cc

Universitas Sumatera Utara

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 H2CO3, 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.

Universitas Sumatera Utara

2.2.1.5 Asam Sulfat (H2SO4) (Othmer, 1998 dan Perry & Green, 1999)

• 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

2.2.2 Produk

2.2.2.1 Amonium Sulfat ((NH4)2SO4)

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)2SO4 (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

Universitas Sumatera Utara

− 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

Universitas Sumatera Utara

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) + H2SO4(aq) → (NH4)2SO4(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

Universitas Sumatera Utara

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)

Universitas Sumatera Utara

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 → (NH2OH)2.H2SO4 + 2(NH4)2SO4 + H2SO4

Hydroxylamine Air Hydroxylamine Amonium Asam Sulfat

Disulfonate Sulfonate Sulfat

2C6H11O + (NH2OH)2.H2SO4 + 2NH3 → 2C6H11NO + (NH4)2SO4 + 2H2O

Phenol Hydroxylamine Amonia Cyclohexanone Amonium Air

Sulfonate Oxime 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

Universitas Sumatera Utara

karbonat direaksikan dengan gypsum (CaSO4.2H2O) sehingga diperoleh amonium

sulfat dan kalsium karbonat. Adapun reaksinya sebagai berikut:

NH3 + H2O → NH4OH

2NH4OH + CO2 → (NH4)2CO3 + H2O

CaSO4.2H2O + (NH4)2CO3 → (NH4)2 SO4 + CaCO3 + 2 H2O

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 diatas, maka akan

dirancang pabrik amonium sulfat dengan 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 → (NH4)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.

Universitas Sumatera Utara

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

Universitas Sumatera Utara

(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. (NH4)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 → (NH4)2SO4 + CaCO3 + 2H2O

Reaksi pada reaktor dengan konversi yang dihasilkan sebesar 83%. Temperatur

dijaga sebesar 70oC. (NH4)2CO3 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

Universitas Sumatera Utara

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 ↔ (NH4)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)2CO3. 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)2SO4 + 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

Universitas Sumatera Utara

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.

Universitas Sumatera Utara

JB-101

BE-301

CF-301

CR-301

EV-201

E-201

E-202

D-102

D-101

FB-101

AB-102AB-101

P-102

CO2

Gypsum FGD

G-101

Air Proses, 30oC

Udara

Saturated steam

Kondensat bekas

Air Pendingin, 30oC

Air Pendingin bekas

CaCO3

H2SO4

NH3

TK-101

RD

Pengemasan

TC

FC

FC

FC

FC

TC

TK-102

LI

3

4

8

1

11

12

18

FC

17

19

13

16

22

23

21

24

25

2728

32

26

30

29

34

35

33

36

37

TK-201

E-101

E-102

SC-101

BE-101M-101

C-102

C-101

P-201

E-103

R-201

R-202

FL-201

P-202 P-203 P-204

P-205 P-302

P-301

E-204 E-301

SC-301

RD-301

FB-301

BC-301 G-301

TC

TC

TC

FC FC FC

FC

FC

FC

TC

FC FCTC

TC

FC

TC

PC PC

TC

FC

TCTC

P-102

P-103

JB-201

JB-202

P-101

FC

FC

TC

7

9

E-203

31

52

6

14

TC

TK-101 = Tangki amonia (NH3)TK-102 = Tangki karbon dioksida (CO2)G-101 = Gudang Gypsum FGDAB-101 = AbsorberAB-102 = AbsorberM-101 = Tangki pengenceran Gypsum FGDE-101 = Vaporizer amoniaE-102 = Vaporizer (CO2)D-101 = DrumD-102 = DrumE-103 = Heater amonium karbonatP-101 = Pompa rotaryP-102 = Pompa sentrifugalP-103 = Pompa sentrifugalJB-101 = BlowerC-101 = EkspanderC-102 = EkspanderSC-101 = Screw conveyorBE-101 = Bucket ElevatorFB-101 = Feed BinTK-201 = Tangki asam sulfat (H2SO4)R-201 = ReaktorR-202 = Reaktor netralisasiJB-201 = BlowerJB-202 = BlowerEV-201 = EvaporatorFL-201 = Rotary Vakum FilterE-201 = heaterE-202 = CoolerE-203 = CoolerE-204 = Barometic CondenserP-201 = Pompa sentrifugalP-202 = Pompa sentrifugalP-203 = Pompa sentrifugalP-204 = Pompa sentrifugalP-205 = Pompa sentrifugalCR-301 = CristaliserE-301 = Barometic CondenserCF-301 = SentrifugeRD-301 = Rotary DryerP-301 = Pompa sentrifugalP-302 = Pompa sentrifugalSC-301 = Screw conveyorBE-301 = Bucket ElevatorFB-301 = Feed BinBC-301 = Belt conveyorG-301 = Gudang amonium sulfat

Keterangan Gambar

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 Tanggal Tanda Tangan

Digambar

1. Nama : Dr. Ir. Iriany, MSi NIP : 196406131990032001

Diperiksa /Disetujui

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARAMEDAN

DIAGRAM ALIR PABRIK

2. Nama : Ir. Renita Manurung, MT NIP : 196812141997022002

Nama : Krisma Yessi Sianturi NIM : 070405004

2015

10

PC

LI

PC

PC

TC

PC

TC

PC

Komponen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37NH3 (Amonia) 980.652 1222.119 1222.119 241.467 985.580 29.635 10.126 22.013H2O (Air) 0.928 4.903 15.202 1.856 9.856 1.856 0.928 9.856 4.928 1404.074 5797.527 1404.074 5398.943 107.505 129.487 7568.284 2808.226 518.826 9857.685 10009.704 6074.762 3934.942 48718.379 44783.437 2786.649 45931.730 1148.293 1110.414 37.879CO2 (Karbon dioksida) 926.980 1158.030 1158.030 231.049 927.908 1262.352 25.247 28.487 334.444(NH4)2CO3 (Amonium karbonat) 2816.376 117.238 744.587 14.892 729.695CaSO4.2H2O (FGD Gypsum) 4472.236 4472.236 871.639 871.639(NH4)2SO4 (Amonium sulfat) (s) 3750.000 3750.000 3750.000(NH4)2SO4 (Amonium sulfat) (l) 2763.249 16.579 2746.669 3750.000 3750.000 44169.922 40419.922 40419.922CaCO3 (Kalsium karbonat) 2093.370 2093.370H2SO4 (Asam sulfat) 744.897Total (kg/jam) 4472.236 927.908 985.555 760.099 1159.885 1231.974 1159.885 231.977 1231.974 246.395 927.908 985.580 1404.074 1262.352 5797.527 5876.310 54.882 8215.319 224.743 129.487 10.126 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 3787.879Tekanan (atm) 1.00 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 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 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 1.00Temperatur (K) 303.15 240.15 273.15 303.15 240.15 273.15 319.15 319.15 319.15 319.15 319.15 319.15 303.15 317.15 303.15 343.15 317.15 317.15 317.15 303.15 317.15 343.15 343.15 303.15 334.27 338.15 334.27 338.15 358.15 358.15 348.15 338.15 338.15 338.15 338.15 373.15 373.15

Universitas Sumatera Utara