Aplikasi Kimia : Pembuatan Asam Nitrat Skala Industri dan Kegunaannya

Asam nitrat (HNO3) merupakan bahan kimia yang  dibuat dari amonia dan merupakan bahan kimia yang sangata penting  dalam pembuatan pupuk. Bahan kimia utama yang dihasilkan dari asam nitrat adalah amonium nitrat. Yang sebagian besar ini digunakan dalam pupuk, meskipun sebagian kecil digunakan untuk membuat bahan peledak.

Diagram kegunaan Asam Nitrat

Beberapa asam nitrat digunakan sebagai perantara dalam industri polimer, terutama dalam pembuatan poliamida dan poliuretana

Pembuatan asam nitrat

Produksi asam nitrat melibatkan dua tahap:

1) oksidasi amonia.

Pada bagian ini merupakan proses yang melibatkan oksidasi amonia menjadi nitrogen monoksida (oksida nitrat): 

Kondisi yang menguntungkan pada pembentukan produk pada tingkat reaksi yang cocok untuk reaksi tersebut adalah:

Tekanan tinggi

Udara berlebih

Katalis

Suhu tinggi yang konsisten dengan laju reaksi yang bisa diatur, efisiensi katalis dan tekanan

Kebanyakan pabrik beroperasi dengan:

Tekanan sedang (10-13 atm)

Oksigen (udara)

Paduan platina dan rhodium sebagai katalis

Suhu 1200 K

Keuntungan utama dari tekanan tinggi adalah bahwa secara substansial mengurangi ukuran peralatan dan pipa yang diperlukan,sehingga menghemat biaya operasi

Bila memungkinkan, amonia dibuat di tempat yang sama. Sehingga mudah disaring untuk menghilangkan kotoran dan kemudian dicampur dengan udara tersaring terkompresi untuk memberikan campuran yang mengandung sekitar 10% amonia dan 90% udara. Proporsi yang tepat dari udara berlebih tergantung pada tekanan operasi dan suhu pabrik.

Campuran ini kemudian dilewatkan melalui satu atau lebih konverter secara paralel, masing-masing berisi serangkaian 90% platinum / 10% katalis kain kasa rodium secara paralel pada suhu 975-1225 K - biasanya 1.200 K dalam reaktor unggun tetap. Konversi setidaknya 96% amonia berlangsung.

Sebuah kasa dari paduan platina-rhodium dipasang di konverter  (foto : Johnson Matthey)

Rodium ditambahkan ke platinum untuk memberikan kekuatan kasa dan untuk mengurangi hilangnya platinum, faktor ekonomi yang penting (0,4 g rugi per 1000 kg asam nitrat dibuat). Hal ini disebabkan 'hot spot' yang terjadi pada kain kasa.

Baru-baru ini, telah ditemukan bahwa rajutan kain kasa meningkatkan efisiensi konversi dan memperpanjang umur katalis.

Kawat platina-rhodium yang dijalin untuk menghasilkan kasa rajutan.(foto : Johnson Matthey)

Hasil harus diambil untuk meminimalkan oksidasi amonia menjadi nitrogen dengan reaksi yang lebih eksotermis, lebih disukai  dengan tekanan tinggi dan katalis yang lebih dipanaskan:

Gas panas yang meninggalkan konverter baik digunakan untuk meningkatkan superheated steam atau panas gas buang dari menara absorpsi. Uap dapat digunakan untuk menghasilkan listrik di turbin uap yang kemudian dapat mendorong kompresor udara.

Gas panas meninggalkan penggalangan uap / bagian pertukaran panas di sekitar 425 K.

2) Penyerapan nitrogen oksida

Gas selanjutnya didinginkan, di bawah 315 K.

Air ditambahkan dan gas dikompresi lagi (biasanya 7-12 atm). Suhu naik sampai sekitar 435 K dan memerlukan pendinginan lebih lanjut untuk menjadi sekitar 310 K. Tekanandi perbesar dan reaksi didinginkan, untuk memindahkan kesetimbangan berikut ke kanan:

Gas-gas kemudian melewati satu atau lebih menara untuk memenuhi aliran air, biasanya mengalir ke arah yang berlawanan dari gas. Di sini, oksidasi dari nitrogen monooksida terus menerus sehingga terjadi penyerapan untuk pembentukan asam nitrat:

Sewaktu  reaksi antara amonia dan oksigen (udara) terjadi pada kasa katalitik, terjadi reaksi eksotermik sehingga wadah yang menopang suhu reaksi dan paduan logam bersinar merah(foto : Johnson Matthey)

Dalam proses ini, di mana NOX signifikan tetap dalam limbah gas, limbah yang dilewatkan melalui katalis (platinum atau rhodium pada silicoaluminate, titanium atau senyawa vanadium) dengan bahan bakar, seperti hidrogen atau metana. Oksida nitrogen dikurangi menjadi nitrogen. Sebagai contoh pada reaksi berikut:

Suhu di mana reaksi paling efektif tergantung pada bahan bakar. untuk Hidrogen, suhunya adalah  450 K. Untuk metana, suhunya jauh lebih tinggi, 750 K.

Asam dari menara penyerapan biasanya mengandung 56-60% asam nitrat persen massa tetapi dapat diproduksi hingga kemurnian 68% omassa. Beberapa asam memerlukan kadar 99 %, misalnya pembuatan senyawa organik nitro untuk bahan peledak dan industri pewarna. Asam nitrat dan air membentuk campuran azeotropik, dengan titik didih maksimum 395 K, yang mengandung asam nitrat 68% massa, sehingga asam pekat tidak dapat diperoleh dengan distilasi larutan berair. Asam sulfat pekat digunakan untuk menyerap kadar air dan kemudian pada distilasi campuran ini, asam nitrat terkonsentrasi tersebut diperoleh. Asam nitrat murni mendidih pada 359 K.