Produksi asam sulfat

Sulfuric acid atau asam sulfat termasuk senyawa kimia yg plg banyak digunakan di kehidupan kita sehari2. Meskipun kita tidak menyadarinya. Asam sulfat digunakan di industri pupuk, plastik, cat dan pigment, deterjen, fiber, pembersih, dll. Ada bbrp metode yg dikenal utk membuat asam sulfat ini, yaitu proses Chamber dan proses Contact. Proses contact ini yg banyak digunakan skrg ini, mungkin disebabkan oleh prosesnya yg jauh lbh sederhana dan efisien drpd proses Chamber. Proses contact dikembangkan lbh lanjut mjd double conversion double absorption process.

Proses ini dimulai dgn membakar batuan sulfur di burner pada temperature sekitar 1000oC utk menghasilkan gas SO2.  Gas hasil keluaran burner bisa digunakan utk menghasilkan steam.

S (s) + O2 (g) → SO2 (g)

Bbrp perusahaan menargetkan konsentrasi SO2 di downstream burner sekitar 11.5%. Gas hasil dr burner ini akan menuju ke reactor (converter) di mana sisa O2 akan bereaksi dgn SO2 mjd SO3, spt reaksi di bawah. Konsentrasi 11.5% ini jg biasa disebut sebagai konsentrasi SO2 di inlet reactor (converter).

2SO2 (g) + O2 (g) ↔ 2SO3 (g); ∆H = -196 kJ/mol

Reaksi ini merupakan reaksi kesetimbangan yg menghasilkan produk secara eksotermik, dilaksanakan pada temperature = 400 – 450 oC, tekanan 1 – 2 atm, dengan katalis vanadium pentoksida (V2O5).

Pada reaksi kesetimbangan ini berlaku:

Jika tekanan dinaikkan, maka supaya terjadi kesetimbangan, reaksi akan bergeser ke arah produk yg jumlah molekulnya sedikit. Dengan begitu, tekanan akan turun. Oleh karena itu, operasi pada tekanan yg tinggi lbh diinginkan pada reaksi spt ini.

Pemilihan tekanan yg relatif rendah utk reaksi ini didasarkan pada kenyataan bahwa konversi reaksi telah mencapai 99.5% pada tekanan 1 – 2 atm tsb. Sehingga operasi pada tekanan yg lbh tinggi lagi tidak menguntungkan secara ekonomis. Peningkatan produksi yg sedikit dibandingkan dgn harga material yg melambung.

Jika temperature dinaikkan, maka supaya terjadi kesetimbangan, reaksi akan bergeser ke arah reaktan di mana reaksi kebalikan ini akan memerlukan energy (∆H > 0). Dengan begitu, temperature akan turun. Oleh karena itu, operasi pada temperature yg rendah lbh diinginkan pada reaksi spt ini.

Tetapi jika temperature reaksi dibuat rendah, maka laju reaksi akan lambat. Pemilihan operasi pada rentang 400 – 450 oC sudah merupakan hasil kompromi eksperimen (spt yg akan ditunjukkan di bawah). Lbh rendah dr 400 oC, produk banyak terbentuk, sementara laju reaksi sgt lambat. Lbh tinggi dr 450 oC, produk sedikit terbentuk, sementara laju reaksi cepat.

Dengan demikian, reaksi kesetimbangan ini sgt tergantung pada temperature operasinya (krn tekanan tidak terlalu berpengaruh secara ekonomis) dan jg excess konsentrasi O2 (krn O2 gak akan bisa habis). Grafik di bawah menunjukkan laju konversi sebagai fungsi dari konsentrasi inlet SO2 ke reactor dan temperature reaksi. Utk temperature yg sama, kita lihat klo semakin rendah konsentrasi inlet SO2, maka laju konversinya (SO3/(SO2+SO3)) akan semakin tinggi. Akan tetapi, equipment mesti didesain cukup besar utk mengakomodir gas2 yg tidak bernilai spt O2 dan terutama N2 (mgkn ada baiknya klo kita membakar S lgsg dgn O2 drpd dgn udara kali ya?). Sebaliknya, jika konsentrasi inletnya cukup tinggi, maka laju konversinya akan lbh rendah.

Jika SO3 yg terbentuk diabsorp, maka konsentrasi SO3 di dlm aliran akan berkurang dan reaksi kesetimbangan akan bergeser ke arah SO3. Dengan kata lain, akan menghasilkan produk yg lbh banyak lagi. Grafik di atas jg menunjukkan klo perbedaan laju konversi antara inlet konsentrasi yg tinggi (12%) dgn yg rendah (6%) tidak terlalu signifikan utk rentang temperature 400 – 450 oC. Oleh karena ini jg lah rentang temperature ini dipilih. Reaksi yg terjadi di absorption towernya adalah sbb:

SO3 (g) + H2SO4 (l) → H2S2O7 (l)

Secara keseluruhan, konversi reaksi SO2 mjd SO3 dpt mencapai 99.8% dgn adanya absorbsi ini. Proses absorpsi ini dilakukan dua kali di dua absorption tower sehingga dinamakan double conversion double absorption process. Dengan kenaikan konversi ini, emisi SO2 mjd jauh berkurang.

Dengan proses ini jg, spt yg udah kita lihat, inlet konsentrasi SO2 dpt dibuat cukup tinggi agar throughput SO3 mjd tinggi atau ukuran equipmentnya mjd lbh kecil. Inlet konsentrasi tertinggi yg pernah dicapai dlm skala komersiil tercatat sebesar 13.4%. Jika kita hitung, maksimum inlet konsentrasi SO2 secara teori yg bisa dimasukkan adalah sebesar 14%. Akan tetapi, reaksi SO2 mjd SO3 akan menghabiskan seluruh O2 yg tersedia. Dan krn ini adalah reaksi kesetimbangan, O2 tidak bisa habis krn akan terbentuk kembali dr SO3. Jd mungkin 13.4% adalah benar2 inlet konsentrasi SO2 tertinggi yg bisa dicapai secara praktis.

Kembali ke reaksi absorpsi di atas, H2S2O7 yg terbentuk biasa disebut sebagai oleum atau fuming H2SO4. Oleum ini kemudian diencerkan dgn air utk menghasilkan 100% H2SO4 spt di bawah ini.

H2S2O7 (l) + H2O (l) → H2SO4 (l)

Berikut adalah diagram alirnya secara sederhana. Biasanya reactor didesain agar terdiri dr bbrp stage, yg umumnya terdiri dr 4 stage. Di akhir masing2 stage, aliran gas yg mengandung reaktan dan produk tsb diturunkan temperaturenya agar reaksi bergeser ke arah produk. Energi yg diambil ini digunakan utk membuat steam. Proses absorpsi nya ini pun seharusnya terdiri dr dua absorption tower. Gas keluaran dr stage 3 kurang lbh sudah mengalami konversi sekitar 98% (lihat grafik di atas), yg kemudian dialirkan ke absorption tower. Gas hasil dr stage 4 (dgn konversi keseluruhan yg sudah mencapai sekitar 99.8%) jg diabsorpsi di tower kedua utk mengurangi emisi SO2. Dengan kata lain, absorption tower yg pertama utk menggeser kesetimbangan ke arah produk agar tercapai konversi keseluruhan yg tinggi, sementara absorption tower yg kedua adalah utk mengabsorp sisa2 SO2 utk mengurangi emisinya.

 

 

 

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: