NITRASI II

(Process Equipment For Technical Nitration, Mixed Acid For Nitration, Typical Industrial

Nitration Process)

Disusun untuk memenuhi Tugas Proses Industri Kimia 2

Dosen Pengampu :

Prof. Dr. Ir. Chandrawati Cahyani, M.S.

Oleh :

Ilham Nururrohim (135061100111004)

Kelas B

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

2015

PengumpulanKamis,

19 Maret 2015

Process Equipment For Technical Nitration

Type of Process Equipment

Proses nitrasi telah berkembang dari yang awalnya hanya menggunakan reaktor batch

stoneware dengan operasi manual hingga dengan reaktor kontinyu dengan operasi otomatis.

Untuk menghilangkan panas dari hasil proses nitrasi, pada mulanya hanya menggunakan

waterbath, tetapi sekarang sudah dikembangkan dengan menggunakan koil atau mantel

pendingin yang berisi brine. Proses kontrol pun sudah berkembang dengan menggunakan

remote controll yang dikendalikan pada lokasi tertentu. Remote controll ini berguna untuk

proses yang berbahaya dan mengandung senyawa peledak yang sering ditemukan dalam

proses nitrasi.

Walaupun dalam perkembangannya proses nitrasi berubah dari proses batch menjadi

kontinyu, tetapi di antara kedua proses tersebut terdapat keunggulannya masing-masing yaitu

sebagai berikut.

Keuntungan dari proses batch

1. Fleksibilitas. Setiap batch bekerja secara terpisah dari yang lain (sebelum dan

sesudahnya) sehingga tidak saling bergantung. Oleh karena itu, kapasitas tidak harus

sama dengan batch sebelum dan sesudahnya. Proses batch dapat dipakai untuk

memulai senyawa baru atau pilot plant.

2. Ketenaga-kerjaan. Proses batch membutuhkan tenaga kerja lebih banyak dari pada

proses kontinyu. Hal ini dapat diatasi dengan pemakaian kapasitas yang besar,

misalnya pada produksi nitrogliserin dan nitrtotoluena.

Keuntungan dari proses kontinyu

1. Biaya produksi yang dikeluarkan lebih sedikit. Hal ini dikarenakan untuk kapasitas

yang sama, proses kontinyu memrlukan peralatan yang lebih kecil daripada proses

batch. Karena ukuran yang lebih kecil maka dapat digunakan perlatan yang lebih baik.

2. Keselamatan. Dengan pemakaian peralatan yang kecil, maka bahan-bahan yang

digunakan pun lebih sedikit dibandingkan pada proses batch. Sehingga kemungkinan

adanya senyawa berbahaya dalam proses nitrasi menjadi lebih kecil.

3. Ketenaga-kerjaan. Tenaga kerja yang dibutuhkan lebih sedikit dibandingkan dengan

proses batch, baik dalam skala yang besar maupun kecil.

Batch Nitration

Nitrasi dengan menggunakan proses batch biasanya dilakukan dalam wadah besi

atau baja tertutup. Dalam perkembangannya digunakan karbon baja ringan. Ketika nitrasi

dilakukan dengan asam (nitrat-sulfat), masa pakai nitrator tersebut baik, dan jika limbah asam

mengandung konsentrasi air yang banyak atau konsentrasi asamnya rendah, maka masa pakai

dari nitrator lebih pendek. Hal ini dikarenakan konsentrasi asam yang rendah pada limbah

asam menandakan bahwa asam dari proses nitrasi dapat mempercepat proses korosi pada

nitrator. Secara umum, nitrator terdiri dari sebuah vessel silinder tegak yang mempunyai

beberapa jenis pendingin, alat agitasi (pengaduk), inlet (umpan), dan outlet (produk).

Nitrators juga dilengkapi dengan dumping line (pembuangan) yang memiliki diameter besar.

Dumping line ini berfungsi untuk penggunaan darurat jika reaksi mengakibatkan

meningkatnya suhu yang tidak bisa terkontrol karena kegagalan agitasi, pendinginan, atau

sebaliknya. Dalam keadaan darurat tersebut, isi nitrator dapat dibuang dengan cepat ke

dalam volume besar air pada drowning tub yang terletak tepat di bawah nitrator. Selain itu,

nitrator juga dilengkapi dengan suction line yang terletak pada vapor space di atas liquid

untuk menghilangkan acid fume dan oksida nitrogen yang mungkin dihasilkan.

Faktor penting yang perlu diperhatikan dalam merancang nitrator adalah derajat

agitasi dan kontrol suhu. Agitasi yang dilakukan harus efisien untuk mendapatkan reaksi

yang halus dan untuk menghindari overheating di posisi tertentu (stagnant) pada nitrator

tersebut. Material masuk ke dalam nitrator secara cepat dan harus langsung mengalami

pengadukan dengan material lainnya di dalam nitrator sehingga konsentrasi reaktan yang

terkumpul pada posisi tertentu di dalam reaktan yang akan mengakibatkan overheating tidak

terjadi.

Pendinginan atau kontrol suhu pada nitrator dilakukan dengan coil tubes. Coil tube

dapat berisi air dingin maupun air garam (brine) untuk pendinginan atau air panas atau uap

untuk pemanasan. Sedangkan jika menggunakan pendinginan dengan jaket pendingin tidak

cukup efisien kecuali jika kapasitas vessel yang digunakan sangat kecil. Kebutuhan akan

permukaan pendinginan yang besar, kecepatan medium pendingin yang tinggi, dan isi nitrator

yang melewati permukaan pendingin akan menentukan penggunaan dari coil tube.

Sistem agitasi yang sering digunakan dalam nitrators terdiri dari poros vertikal

dengan satu atau lebih baling-baling dipasang di atasnya. Poros baling-baling dipasang di

pusat silinder dari satu atau lebih pendingin. Lengan silinder dipasang di tengah kumparan

untuk memastikan sirkulasi isi nitrator sesuai dengan yang diinginkan. Ketika reaktan masuk

ke dalam nitrator dari atas ke tengah lengan pengaduk, sirkulasi oleh baling-baling biasanya

turun melalui pusat dan naik melalui kumparan pendingin. Ketika reaktan berada di bawah

liquid, di bagian bawah lengan, dan asam siklus digunakan, sirkulasi akan naik ke atas

melalui lengan dan turun melalui tepi kumparan. Pencampuran dan efisiensi erpindahan

panas yang baik diperoleh dari susunan lengan dan baling-baling yang bagus. Ketika asam

siklus tidak digunakan, sirkulasi turun melalui lengan sehingga umpan hidrokarbon ke dalam

lengan dekat bagian bawah dengan cepat tersebar dalam asam campuran dan segera melewati

kumparan pendingin.

Pada proses nitrasi batch benzena atau toluena yang menggunakan cycle acid,

hidrokarbon yang masuk akan mengambang di atas cycle acid. Asam penitrasi baru akan

masuk dan bercampur dengan asam siklus yang terletak di bagian bawah cairan dan baling-

baling. Asam ini dinamakan dengan fortified acid. Fortified acid ini akan bereaksi dengan

hidrokarbon di atas nitrator. Dalam perkembangannya, asam siklus sudah tidak digunakan,

teteapi terdapat hidrokarbon yang masuk di bawah permukaan asam penitrasi dan di bawah

baling-baling pengaduk. Proses ini dinamakan direct nitration.

Proses nitrasi secara umum meliputi pemisahan dari asam nitrat dan asam sulfat,

pengolahan asam nitrat dan asam sulfat, dan pemisahan produk nitrasi dan asam yang telah

digunakan.

Continuous Nitration

Reaksi nitrasi pada proses kontinyu sebenarnya dilakukan dalam jenis vesel yang

sama seperti yang digunakan untuk proses nitrasi batch. Namun pada proses kontinyu

dilengkapi dengan pipa overflow sebagai tempat keluarnya produk secara kontinyu serta feed

akan masuk ke dalam nitrator secara terus menerus. Nitrator pada proses kontinyu ditunjukan

oleh gambar sebagai berikut.

(a) (b)

Gambar 1. Nitrator kontinyu (a) Nitrator Schmid, (b) Nitrator Biazzi (Groggins,

1958)

Gambar 1(a) merupakan jenis nitrator yang dirancang untuk sistem Schmid-

Meissner Jerman. Dalam nitrator ini, bahan yang akan dinitrasi masuk dari atas nitrator dan

segera ditarik ke bawah melalui lengan pengaduk dan dicampur dengan sisa asam serta

reaktan lainnya. Di bagian bawah nitrator, mixed acid baru dimasukan dan segera dicampur

dengan reaktan lain dengan laju aliran tinggi yang diinduksi oleh pengaduk dan baffle yang

disediakan. Material yang telah bereaksi kemudian bergerak ke atas dengan kecepatan tinggi

melewati koil pendingin yang berisi air garam (brine). Produk dan asam sisa akan mengalir

melalui pipa overflow dan keluar dari nitrator.

Gambar 1(b) jenis nitrator yang dirancang oleh perusahaan Swiss M. Biazzi. Nitrator

ini menggunakan turbin jenis agitator yang intensif. Sebuah pusaran akan terbentuk di tengah

poros agitator. Reaktan (hidrokarbon dan mixed acid) masuk dari atas nitrator, segera ditarik

ke pusaran ini, dicampur, dan tersebar ke bawah melalui bagian tengah kumparan koil

pendingin dan kembali melalui sekitar kumparan. Kecepatan tinggi diberikan agar

menghasilkan pencampuran dan perpindahan panas yang efisien.

Hal yang harus ditambahkan dalam sistem nitrator baik yang bersifat kontinyu

ataupun batch adalah penambahan control feed. Hal ini umumnya dilakukan untuk

penghentian otomatis dari laju alir bahan yang akan nitrasi sehingga kenaikan temperatur

yang tidak semestinya pada nitrator tersebut, kegagalan sirkulasi pendingin atau kegagalan

agitasi tidak dapat terjadi. Hal ini umum untuk mensyaratkan bahwa pengamatan terus-

menerus akan suhu nitrator harus dipertahankan, laju alir feed dari reaktan kemudian dapat

dengan mudah dikendalikan oleh katup "mati-aman" yang dapat tetap terbuka hanya dengan

tekanan manual. Solenoid-kontrol operasi yang disebut dengan "gagal-aman" juga sering

digunakan. Ungkapan "gagal-aman" pada umumnya berarti bahwa operasi dapat dilakukan

hanya bila semua layanan yang diperlukan seperti listrik, pendingin, atau agitasi berfungsi

dengan baik. Misalnya, dalam peralatan yang dirancang oleh Biazzi untuk nitrasi gliserin,

feed gliserin hanya akan masuk ke dalam nitraror oleh enerized solenoid. Kegagalan daya

listrik kemudian menyebabkan kumparan solenoid akan deenergized, dan ketika hal ini

terjadi, laju alir feed gliserin terputus secara otomatis.

Mixed Acid For Nitration

Untuk memahami operasi dari pabrik nitrasi secara lengkap, perlu untuk memahami

tentang pengolahan asam campuran yang biasanya digunakan, termasuk penyesuaian

persiapan untuk kebutuhan nitrasi, penanganan dalam penggunaan asam, dan pembuangan

limbah olahan dari nitrasi.

Gambar 2. Diagram alir operasi asam (Grogins, 1995)

Gambar di atas menunjukkan aliran asam dalam operasi asam yang khas. Komposisi

yang ditunjukkan adalah asam campuran yang digunakan untuk memproduksi trinitrate

gliseril. Nilai ekonomis dari operasi asam sangat penting yang berhubungan dengan semua

biaya yang digunakan dalam proses nitrasi.

Acid Processing

Bahan yang masuk ke dalam proses asam adalah 65% oleum yang diperoleh dari

proses kontak sulfat, 50-60% HNO3 dari pabrik oksidasi amonia, dan beberapa asam dari

operasi nitrasi. Pengolahan menghasilkan asam campuran nitrogliserin, HNO3 terkonsentrasi

dan 93% H2SO4. Biasanya 93% H2SO4yang dihasilkan dijual ke produsen pupuk, untuk

pengguna asam teknis dengan tujuan seperti asam logam atau, kadang-kadang untuk

produsen asam sulfat yang digunakan dalam sistem penyerapan proses kontak.

Gambar 2 menunjukan diagram alir dari proses asam. Oleum 65% disimpan dalam

sebuah penyimpanan yang dipanaskan pada saat diterima dari tangki pengangkut karena

oleum ini memiliki titik beku sekitar 41oF (5oC) dan mudah membeku selama cuaca dingin.

Untukmenghindari gangguan pembekuan ini, oleum kuat diencerkan dengan anti freeze (38%

H2SO4 dan 68% HNO3) serta asam pelengkap berupa H2SO4 sehingga menghasilkan oleum

yang disebut 40% oleum dan anti freeze, dengan komposisi sekitar 103% H2SO4, 6 persen

HNO3 (dengan analisis volumetrik), dimana larutan tersebut akan tetap cair baik pada 0oF (-

18oC). Oleum 40% ini digunakan pertama untuk campuran dengan 97% HNO3 untuk

membuat semimix acid dan seagai penyesuaian akhir semimix tersebut, setelah analisis, asam

campuran yang diinginkan siap untuk digunakan dalam nitrasi. 97% HNO3 dibuat dalam

konsentrator dengan asam konsentrator campuran yang terbuat dari HNO3 lemah (55-60%),

93% H2SO4, dan asam penitrasi sisa dengan komposisi sekitar 35% H2SO4, 23% HNO3.

Asam campuran kemudian diumpankan ke unit denitrator dan concentrator.

Gambar 3. Sistem untuk produksi asam nitrat terkonsentrasi

Pada gambar di atas, tahap pertama diawali dengan masuknya asam encer dari atas

packed tower. Saat asam menetes turun melalui tower, asam dipanaskan oleh uap yang naik

dari bawah. Terdapat sejumlah H2SO4 yang berfungsi untuk menahan air, dan HNO3 kuat

bersama dengan oksida nitrogen menguap dan mengalir dari atas tower menuju bleaching dan

absorption vessel dimana oksida punya waktu untuk teroksidasi oleh udara sehingga

membentuk HNO3 encer. HNO3 kuat dihasilkan dari kondensasi uap awal dari tower yang

dihilangkan pada proses bleaching. HNO3 encer yang dihasilkan dalam sistem absorption

diumpankan kembali ke denitrating tower. Produk lain dari proses denitrating dan

concetrating adalah asam sulfat encer yang diambil dari bagian bawah denitrating tower

dengan konsentrasi sekitar 70%. H2SO4 encer ini kemudian dipekatkan menjadi 66oBe dalam

drum fuel-oil-fired concentrator.

Mixed Acid Composition

Berdasarkan teknis dalam menggunakan pencampuran asam nitrat dan asam sulfat,

terdapat dua kondisi utama yang harus dipenuhi, yaitu sejumlah 100% HNO3 dalam nitrasi

harus hadir dalam jumlah cukup untuk memenuhi persyaratan stoikiometri dalam reaksi

nitrasi, biasanya dihadirkan berlebih untuk memelihara kecepatan seluruh reaksi berjalan

cepat dan jumlah 100% H2SO4, jika dibutuhkan cukup SO3 (oleum) terlarut untuk

mendukung reaksi yang diinginkan terjadi. Angka yang dapat dihitung dari kedua kondisi

tersebut disebut D.V.S (dehydrating value of sulfuric acid) dan rasio nitrat. D.V.S

merupakan rasio dari H2SO4 menjadi H2O yang terdapat pada akhir reaksi. Rasio nitrat (R)

adalah rasio dari berat 100 persen HNO3 dengan berat material yang dinitrasi. R digunakan

hanya untuk proses yang spesifik. D.V.S digunakan untuk reaksi yang spesifik. Rasio yang

terdapat pada D.V.S dapat dihitung pada tingkatan apapun pada reaksi nitrasi.

D.V.S digunakan untuk menciptakan kondisi operasi yang optimum sehingga

menghasilkan yield yang maksimum. D.V.S lebih dititik beratkan pada pengukuran kadar air

yang dihasilkan oleh medium asam sulfat, dimana air akan mengakibatkan tertahannya

pembentukan ion nitryl sehingga mempengaruhi yield yang dihasilkan pada proses nitrasi.

D.V.S Calculation

Analisis dari mixed acid pada pembuatan nitrogliserin adalah sebagai berikut :

Total H2SO4, total HNO3, dan HNOSO4 ditentukan secara analisis langsung. Faktor

dari asam sulfat adalah 0.722 dan asam nitrat adalah 0.469.

Untuk menghitung D.V.S dari analisis mixed acid ialah:

D.V.S =

Dimana S adalah persen H2SO4 yang sebenarnya, N adalah persen HNO3 yang

sebenarnya, W adalah persen air, E adalah ekuivalen air dari material yang akan dinitrasi dan

R adalah rasio nitrat.

E didefinisikan sebagai bagian dari berat dari air hasil nitrasi dari meterial nitrasi. E

terbuat dari air yang digunakan untuk reaksi ditambah dengan air yang ada pada materi awal.

Jika perhitungan didasarkan pada 100 lb mixed acid, maka akan diketahu presentase dalam

pon dan faktor EN/R dapat dimengerti. Jika massa material per 100 lb disebut X, maka

definisinya

Relation Between D.V.S and Stability of Nitratoe Charge

Pertimbangan yang penting dalam proses nitrasi gliserin adalah stabilitas aliran

masuk pada nitrator atau stabilitas kontak antara produk nitrasi dan sisa asam. seiring dengan

meningkatnya nilai D.V.S, maka stabilitasnya juga akan menigkat. Sedangkan ketika nilai

D.V.S menurun, stabilitas pada nitrator juga menjadi rendah. Jumlah asam sulfat adalah

konstan. Pada proses nitrasi tidak ada air yang ada pada permulaan nitrasi, perbandingan

D.V.S tidak terhitung sampai jumlah air cukup untuk membentuk kesetimbangan kurangnya

jumlah air di awal. Pada nitrasi gliserin, reaksi berakir setelah 18%.

Typical Industrial Nitration Process

Proses nitrasi yang akan dijelaskan pada sub bab berikut ini berupa nitrasi yang

menghasilkan produk nitrobenzene.

Batch Nitration with Mixed Acid

Pada proses nitrasi ini menggunakan cycle acid. Proses dimulai dengan memasukan

cycle acid ke dalam nitrator. Cycle acid ini diperoleh dari asam sisa yang terdapat dalam

produk keluaran nitrator. Jumlah asam yang dibutuhkan tergantung dari jenis nitrator yang

digunakan.

Mixed acid untuk nitrasi dapat masuk dari bagian atas nitrator (di bagian atas

permukaan hidrokarbon) atau dari bawah nitrator (di bagian bawah permukaan hidrokarbon).

Kerika feed mixed acid masuk dari bagian atas nitrator dan mengalir ke bawah agitator,

agitator yang digunakan merupakan agitator propeller. Beberapa uap benzene akan

menghilang karena reaksi mixed acid dengan permukaan hidrokarbon yang menimbulkan

panas. Ketika feed mixed acid dialirkan di bawah permukaan hidrokarbon, agitator yang

digunakan adalah agitator paddle yang akan membuat aliran siklus (loop) ke atas nitrator.

Mixed acid akan mengalami kontak dengan cycle acid di bawah nitrator termasuk mengalami

kontak langsung dengan benzena.

Temperatur nitrasi benzena sangat bervariasi. Ketika cycle acid tidak digunakan,

temperatur reaksi dapat melebihi 50oC. Ketika fortified acid digunakan, temperatur nitrasi

akan terjaga di antara 50-55oC. Untuk meningkatkan efisiensi agitasi perlu adanya kontrol

temperatur dan kontrol laju aliran feed.

Untuk mencapai jumlah mixed acid yang digunakan secara tepat, digunakan

perhitungan yatu berat dari benzene dikalikan dengan faktor asam. Faktor asam didapatkan

dari hasil perhitungan D.V.S. perhitungan ini berfungsi untuk meminimalisasi kelebihan

asam nitrat.

Separation and Neutralization

Separasi nitrobenzene dilakukan dalam conical-bottomed tank yang besar selama 4-

12 jam. Ketika spent acid mulai mengendap, spent acid tersebut dialirkan ke dalam tangki ke

dua untuk mengalami pengendapan lebih lanjut atau ditreatment dengan benzene yang

kemudian akan dinitrasi. Residu dari nitrobenzene kemudian dialirkan menuju neutralizing

house.

Bentuk dari alat nitrasi berupa kerucut terbalik (cone) yang dilengkapi dengan air-

spider. Air-spider berperan dalam pengadukan nitrobenzene yang masuk. Alat netralisasi juga

dapat berupa seperti nitrator yang di dalamnya dilengkapi dengan pengaduk. Tangki

netralisasi diisi dengan air hangat dan nitrobenzene dimasukan ke dalamnya. Pada proses

netralisasi dilakukan pengadukan dan pemanasan oleh steam selama 30 menit. Setelah itu

didiamkan untuk diendapkan kembali agar nitrobenzene terpisah dengan air.

Nitrobenzene kemudian dilakukan pencucian dengan larutan natrium karbonat pada

suhu 40-50oC dan dilanjutkan dengan tahap pencucian akhir oleh air hangat. Nitrobenzene

hasil dari pencucian dialirkan ke dalam tangki penyimpanan yang berfungsi untuk

mengendapkan kembali nitrobenzene agar terpisah dari sisa-sisa air.

Operating Losses in Nitrobenzene

Jumlah nitrobenzene yang dihasilkan dapat berkurang karena beberapa faktor yaitu

saat pemisahan nitrobenzene dengan spent acid dan saat netralisasi nitrobenzene dengan air.

Persentasi nitrobenzene yang terpisah dari spent acid tergantung pada temperatur dan

efisiensi dari separasi. Berkurangnya yield nitrobenzene juga dapat disebabkan karena tidak

selesainya proses separasi nitrobenzene dari spent acid. Dalam netralisasi, nitrobenzene

mengalami tiga kali pencucian. Jumlah nitrobenzene yang hilang tergantung dari kelarutan

nitrobenzene dengan air pencuci.

Continous Nitration with Fortified Spent Acid

Pada proses nitrasi ini digunakan fortified acid. Fortified acid adalah campuran dari

cyle acid dan mixed acid. Gambar berikut ini menunjukan diagram alir dari proses nitrasi

benzene dengan fortified acid.

Gambar 4. Nitrasi benzene dengan fortified acid

Asam sulfat panas bersuhu 90oC dimasukkan dari tangki penyimpan B yang

kemudian masuk ke dalam nitrator A1 hingga A4. Dengan kondisi nitrator yang diaduk,

selanjutnya sebanyak 63% asam nitrat ditambahkan ke dalam nitrator untuk memproduksi

asam campuran dengan kandungan 4% HNO3. Kemudian senyawa benzene dimasukkan ke

dalam nitrator dai storage tank, lama waktu yang digunakan untuk bereaksi adalah selama

kurang lebih 10 menit. Setelah 10 menit, agitasi akan berhenti dan membiarkan produk hasil

nitrasi untuk mengendap. Selama proses pemisahan nitrobenzene dan spent acid berlangsung,

proses nitrasi lainnya dimulai sehingga terjadi proses yang kotinyu.

Seteleh reaksi selesai, nitrobenzene akan dilewatkan keluar nitrator melalui aliran

C dan dilewatkan menuju netralizer. Sedangkan sisa asam campuran dan sedikit

nitrobenzen yang tidak bereaksi akan dikeluarkan dari nitrator melalui arah D1 hingga D4 .

Kemudian sisa asam akan dialirkan menuju pemanas asam (E) yang dipanaskan

menggunakan uap bertekanan rendah. Kemudian uap asam akan dialirkan menuju vapour

separator untuk memisahkan air dari asam sisa. Selanjutnya asam sisa akan digunakan

kembali ke dalam proses.

Pemisahan produk (nitrobenzene) dari sisa asam yang tidak bereaksi dan sedikit

nitrobenzene menggunakan pengendapan, nitrobenzene akan berada didaerah atas

campuran sedangkan sisa asam akan berada di daerah bawah terpisah dengan sendirinya.

Karena menggunakan prinsip pengendapan, bagian bawah nitrator dibuat berbentuk

seperti kerucut terbalik. Nitrobenzene akan langsung dialirkan menuju proses selanjutnya,

sedangkan sisa asam akan dialirkan menuju, waste treatment. Pada waste treatment ini

campuran sisa asam, nitrobenzene, dan air akan dipisahkan menggunakan prisnip

evaporasi (pemisahan berdasarkan titik didih) air yang menguap akan keluar menuju

pembuangan sedangkan sisa asam dan nitrobenzene akan dikembalikan untuk penggunaan

ulang, pada cerobong pembuangan uap air juga diletakkan filter untuk menyaring uap

yang keluar telah bebas dari asam.