N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H = -92,4Kj Pada 25oC : Kp = 6,2×105
Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukanNH3)
adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut
berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC
sekalipun. Dipihak lain, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan
suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan
pada suhu sekitar 500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur dengan Al2O3, MgO, CaO, dan K2O.
Reaksi
kekanan pada pembuatan amonia adalah reaksi eksoterm. Reaksi eksoterm
lebih baik jika suhu diturunkan, tetapi jika suhu diturunkan maka reaksi
berjalan sangat lambat . Amonia punya berat molekul 17,03. Amonia
ditekanan atmosfer fasanya gas. Titik didih Amonia -33,35 oC, titik bekunya -77,7 oC, temperatur & tekanan kritiknya 133 oC & 1657 psi. Entalpi pembentukan (∆H), kkal/mol NH3(g) pada 0oC, -9,368; 25 oC, -11,04. Pada proses sintesis pd suhu 700-1000oF, akan dilepaskan panas sebesar 13 kkal/mol. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi dengan suhu 400- 600oC, dengan tekanan 150-300 atm. Kondisi optimum pembuatan amonia (NH3) dapat digambarkan pada tabel berikut :
Tabel : Kondisi Optimum Pembuatan NH3
No
|
Faktor
| Reaksi : N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H= -924 kJ |
Kondisi Optimum
|
1.
|
Suhu
| 1. Reaksi bersifat eksoterm 2. Suhu rendah akan menggeser kesetimbangan kekanan. 3. Kendala:Reaksi berjalan lambat |
400-600oC
|
2.
|
Tekanan
| 1. Jumlah mol pereaksi lebih besar dibanding dengan jumlah mol produk. 2. Memperbesar tekanan akan menggeser kesetimbangan kekanan. 3. Kendala Tekanan sistem dibatasi oleh kemampuan alat dan faktor keselamatan. |
150-300 atm
|
3.
|
Konsentrasi
| Pengambilan NH3 secara terus menerus akan menggeser kesetimbangan kearah kanan |
_
|
4.
|
Katalis
| Katalis tidak menggeser kesetimbangan kekanan, tetapi mempercepat laju reaksi secara keseluruhan | Fe dengan campuran Al2O3 KOH dan garam lainnya |
Pengaruh
katalis pada sistem kesetimbangan adalah dapat mempercepat terjadinya
reaksi kekanan atau kekiri, keadaan kesetimbangan akan tercapai lebih
cepat tetapi katalis tidak mengubah jumlah kesetimbangan dari
spesies-spesies yang bereaksi atau dengan kata lain katalis tidak
mengubah nilai numeris dalam tetapan kesetimbangan. Peranan katalis
adalah mengubah mekanisme reaksi kimia agar cepat tercapai suatu
produk.
Katalis yang dipergunakan untuk mempercepat reaksi
memberikan mekanisme suatu reaksi yang lebih rendah dibandingkan reaksi
yang tanpa katalis. Dengan energi aktivasi lebih rendah menyebabkan maka
lebih banyak partikel yang memiliki energi kinetik yang cukup untuk
mengatasi halangan energi aktivasi sehingga jumlah tumbukan efektif akan
bertambah sehingga laju meningkat. Perbandingan reaksi dengan katalis
dan tanpa katalis dapat dilihat pada gambar dihalaman berikut:
Gambar 1 : Perbandingan mekanisme reaksi menggunakan katalis dan tanpa katalis
Dengan
kemajuan teknologi sekarang digunakan tekanan yang jauh lebih besar,
bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang
terbentuk segera dipisahkan. Mula-mula campuran gas nitrogen dan
hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang
diinginkan. Kemudian campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan yang
bersama katalisator sehingga terbentuk amonia. Diagram alur dari proses
Haber-bosch untuk sintesis amonia
diberikan pada Gambar 1 berikut ini :
The first step in the process is to make lime from limestone:
CaCO3 + heat → CaO + CO2
this is then heated with Coal in an an anoxic environment to make Calcium Carbide:
CaO + 3C + heat → CaC2 + CO
The actual nitrogen fixing comes from reacting Calcium Carbide with pure Nitrogen, thus for this process to be industrially practical it required the Linde process of fractionation of liquid air. The reaction takes place at 2atm or ~0.2MPa, heated by through the Ohmic heating of a Carbon rod:
CaC2 + N2 → CaCN2 + C
Finally in the quest to make Ammonia, the Calcium Cyanamide is mixed with water and NaOH (as a catalyst) for hydrolysis:
CaCN2 + H2O → 2NH3 + CaCO3
CaCO3 + heat → CaO + CO2
this is then heated with Coal in an an anoxic environment to make Calcium Carbide:
CaO + 3C + heat → CaC2 + CO
The actual nitrogen fixing comes from reacting Calcium Carbide with pure Nitrogen, thus for this process to be industrially practical it required the Linde process of fractionation of liquid air. The reaction takes place at 2atm or ~0.2MPa, heated by through the Ohmic heating of a Carbon rod:
CaC2 + N2 → CaCN2 + C
Finally in the quest to make Ammonia, the Calcium Cyanamide is mixed with water and NaOH (as a catalyst) for hydrolysis:
CaCN2 + H2O → 2NH3 + CaCO3
The
Calcium Carbonate can easily be separated as it is a solid, and the
Ammonia can be distilled, allowing the NaOH to be recycled back for more
hydrolysis.
Contrast this with the Haber-Bosch process for
making Ammonia, which at the time required the same costly liquid air
seperator as well as an electrolytic seperator for producing hydrogen
and higher pressure catalytic reactor:
By
simply glaring at it one sees that, as a way of making Ammonia, the
Haber-Bosh process is by far simpler. Since it doesn’t require multiple
furnaces and the intermediary steps of producing Cyanamide its operating
costs should be lower (assuming one has an efficient electrolysis
system for hydrogen). Of course the Ammonia reactor requires an
expensive catalyst and recycle system since a single pass is not
particularly efficient.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar