BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Gambaran Umum Nitrometana Nitrometana merupakan senyawa organik yang memiliki rumus molekul CH 3 NO 2. Nitrometana memiliki nama lain Nitrokarbol. Nitrometana ini merupakan senyawa organik nitro yang paling sederhana. Nitrometana pertamakali diproduksi pada tahun 1872 oleh Kolbe dan diproduksi secara komersial dari nitrasi propane dalam fasa uap. Senyawa ini biasanya digunakan sebagai pelarut, seperti pelarut pada proses ekstrkasi. Tetapi kadang-kadang juga digunakan dalam dunia farmasi, indusrti pestisida, bahan baku peledak, serat, dan juga digunakan sebagai bahan bakar mobil balap. Pada umumnya produksi metana diperoleh dari nitrasi gas metana. Reaksi ini terjadi pada suhu 300 0 C-450 0 C. Reaksi antara asam nitrat dan gas metana ini merupakan reaksi eksotermik. (www.wikipedia.com, 2009) 2.2 Sifat-Sifat Bahan 2.2.1 Nitrometana (CH 3 NO 2 ) Berat molekul : 61,041 gr/mol Densitas : 1,138 gr/cm 3, pada fasa cair Titik leleh : -29 0 C Titik didih : 101,2 0 C Kelarutan dalam air pas 20 0 C : 10,5 gr / 100 ml Viskositas : 0,61 mpa pada 25 0 C Specific gravity : 1,136 Flash point : 36 0 C Merupakan cairan tidak berwarna (Kirk, R.E. dan Othmer, D.F. 1981.) 2.2.2 Metana (CH 4 ) Densitas : 0.717 kg/m 3, gas 415 kg/m 3 liquid
Berat molekul : 16,042 gr/mol Titik leleh : -182.5 C Titik didih : -161.6 C Flash point : -188 0 C Spesifik gravity : 0,554 pada suhu 70 0 F Kelarutan dalam air : 3,5 mg/100 ml (17 C) Dalam temperatur kamar merupakan gas yang tidak berwarna (www.wikipedia.com, 2009) 2.2.3 Asam Nitrat (HNO 3 ) Densitas : 1,5129 g/ml Berat molekul : 63 gr/mol Titik leleh : -41,6 0 C Titik didih : 83,4 0 C Viskositas : 0,9 cp Pada suhu ruangan merupakan cairan tidak berwarna (Kirk, R.E. dan Othmer, D.F. 1981.) 2.3.4 Hidrogen klorida (HCl) 37% Berat molekul : 36,5 Titik lebur : 54,5 C Titik didih : 85,1 C Densitas (25 C) : 1,184 kg/l Tekanan uap pada 20 o C : 42,6 bar Tekanan kritik : 82,58 bar Temperatur kritik : 51,4 o C Panas laten uap pada 20 o C : 443,38 kj/kg Larut dalam air (www.wikipedia.com, 2009)
2.3 Pembuatan Nitrometana Nitrasi merupakan proses kimia yang umum yang menggabungkan senyawa nitro dengan suatu senyawa kimia. Contohnya konversi gliserin menjadi nitrogliserin dan juga konversi toluena menjadi trinitrotoluena. Ada dua cara pembuatan nitrometana yaitu: 1. Proses produksi nitrometana dengan reaksi antara natrium kloroasetat dan natrium nitrat. Nitrometana dapat diproduksi dengan mereaksikan natrium kloroasetat dengan natrium nitrat. Reaksinya adalah: ClCH 2 COONa + NaNO 2 + H 2 O CH 3 NO 2 + NaCl + NaHCO 3 2. Proses produksi nitrometana dengan proses nitrasi metana dan nitrasi senyawa hidrokarbon lainnya. Pembuatan Nitrometana dilakukan dengan proses nitrasi pada gas metana. Reaksi antara metana dan asam nitrat ini berlangsung dalam reaktor dengan kondisi operasi pada suhu 300-450 0 C, dan berlangsung secara eksoterrmis. Pembuatan Nitrometana dengan proses ini memiliki tahap-tahap berikut: a. Tahap persiapan bahan baku Asam nitrat yang digunakan dalam proses harus dalam bentuk fasa gas, oleh karena itu perlu dilakukan perlakuan awal untuk mengubah asam nitrat dari fasa cair menjadi fasa gas. Asam nitrat cair diubah menjadi fasa gas dengan menggunakan vaporizer. Keluaran vaporizer dialirkan untuk dipanaskan bersama dengan metana. Metana dialirkan dari tangki penampungan dengan menggunakan blower. Pemanasan dilakukan dengan preheater sampai suhu 400 0 C dan 5 atm. b. Tahap reaksi metana menjadi Nitrometana Campuran antara asam nitrat dan metana dari preheater dialirkan ke dalam reaktor yang beroperasi pada suhu 400 o C dan 5 atm. Pada kondisi reaktor ini, CH 4 dan HNO 3 akan bereaksi menjadi Nitrometana (CH 3 NO 2 ). Reaksi ini merupakan proses nitrasi, yang menggunakan HCl sebagai aktif agentnya. Reaksi berlangsung
secara eksoterm. Selain nitrometana juga akan terdapat produk lain sebagai hasil samping dari reaksi tersebut. Reaksi yang terjadi pada reaktor antara lain: 1. CH 4 + HNO 3 CH 3 NO 2 + H 2 O 2. HNO 3 2NO 2 + H 2 O 3. 4HNO 3 4NO + 3O 2 + 2H 2 O 4. CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O 5. 2CH 4 + O 2 2CO + 4H 2 c. Tahap pendinginan Nitrometana dan hasil samping lainnya keluar dari reaktor pada suhu 400 o C, semuanya dalam fasa gas. Untuk memperoleh produk dilakukan pendinginan dengan menggunakan refrigerant hingga mencapai suhu 48 o C. Adapun yang mengalami kondensasi antara lain nitrometana, HCl, HNO 3, dan H 2 O. Selanjutnya campuran antara gas dan cairan ini dilairkan ke separator untuk memisahkan gas dari cairan. d. Tahap pemisahan Pada tahap ini digunakan separator KO drum, untuk memisahkan fasa cair dengan fasa gas. Fasa gas akan terpisah dan mengalir melalui bagian atas, dan dialirkan ke menara oksidasi. Pada tahap ini akan terjadi reaksi oksidasi untuk mengubah NO menjadi NO 2 dan CO menjadi CO 2. Adapun reaksi yang terjadi pada tahap ini adalah: 2NO + O 2 2NO 2 CO + O 2 2CO 2 Kemudian dari menara oksidasi dialirkan ke menara absorbsi untuk mengambil NO 2 dan mengubahnya menjadi HNO 3 untuk dipakai kembali menjadi umpan nitrasi. Pada absorbsi ini, yang dipakai sebagai absorber adalah air. Rekasi yang terjadi pada absorbsi NO 2 ini adalah: 4NO 2 + O 2 + 2H 2 O 4HNO 3 HNO 3 yang terbentuk adalah dalam fasa cair sehingga akan mengalir melalui bagian bawah dan akan dikembalikan sebagai umpan. Sedangkan sisanya yaitu gas CH 4 serta beberapa gas yang lain akan dipisahkan dengan alat PSA (Pressure Swing
Adsorption), untuk memisahkan gas CH 4 murni, dan gas CH 4 tersebut akan dikembalikan melalui bagian atas ke umpan CH 4. Fasa cair pada separator KO drum yang mengandung nitrometana, asam nitrat, air dan HCl akan dialirkan kebagian bawah untuk dipisahkan, guna memperoleh produk yang diinginkan. Pemisahannya adalah dengan menggunakan 2 tahap destilasi. Destilasi I akan memisahkan nitrometana dari campuran cairan tersebut. Pada bagian bawah destilasi dihasilkan cairan yang kaya nitrometana, sedangkan pada bagian atas terdapat HCl, HNO 3, dan air. Pada bagian atas diasumsikan tidak ada CH 3 NO 2 dan jumlah airnya diatur untuk konsentrasi HNO 3 60% dan HCl 37%. Bagian bawah akan dialirkan ke kolom destilasi II, untuk memisahkan nitrometana dari larutannya sehingga didapat nitrometana 99,5% (Jacquinot, Bernad Dou) 2.4 Alasan Pemilihan Proses Pada pra rancangan pabrik pembuatan nitrometana, proses yang dipilih adalah dengan proses nitrasi metana. Pemilihan proses ini dilakukan dengan pertimbangan bahwa kandungan metana lebih besar dalam gas alam dibanding senyawa alkana dan hidrokarbon lainnya. Sehingga pemakaian alkana sebagai bahan baku pembuatan nitrometana ini akan menghasilkan nitrometana lebih banyak dibandingkan senyawa alkana lainnya. 2.5 Deskripsi Proses Pembuatan Nitrometana Pembuatan Nitrometana dilakukan dengan proses nitrasi pada gas metana. Reaksi antara metana dan asam nitrat ini berlangsung dalam reaktor dengan kondisi operasi pada suhu 300-450 0 C, dan berlangsung secara eksoterrmis. Pembuatan Nitrometana memiliki tahap-tahap berikut: a. Tahap persiapan bahan baku Bahan baku untuk pembuatan nitrometana adalah gas metana dan asam nitrat. Asam nitrat yang digunakan dalam proses harus dalam bentuk fasa gas, oleh karena itu perlu dilakukan perlakuan awal untuk mengubah asam nitrat dari fasa cair
menjadi fasa gas. Dari tangki penampungan (F-101), asam nitrat cair pada suhu 30 0 C dan 1 atm diubah menjadi fasa gas dengan menggunakan vaporizer (E-101) dimana titik didih asam Nitrat adalah 83 0 C, sehingga vaporizer (E-101) dioperasikan pada suhu 100 0 C dan 2,5 atm. Keluaran vaporizer (E-101) dialirkan untuk dipanaskan bersama dengan metana. Metana dialirkan dari PUGN dengan menggunakan blower (B-101) pada suhu 30 0 C dan 1 atm. Pemanasan dilakukan dengan preheater (E-102) sampai suhu 400 0 C dan 5 atm. b. Tahap reaksi metana menjadi Nitrometana Campuran antara asam nitrat dan metana dari preheater (E-102) dialirkan ke dalam reaktor (R-201) yang beroperasi pada suhu 400 o C dan 5 atm. Pada kondisi reaktor ini, CH 4 dan HNO 3 akan bereaksi menjadi Nitrometana (CH 3 NO 2 ). Reaksi berlangsung secara eksoterm. Untuk menjaga reaktor agar tetap stabil, maka digunakan jaket pendingin agar suhu reaktor tetap terjaga pada keadaan 400 o C. Selain nitrometana juga akan terdapat produk lain sebagai hasil samping dari reaksi tersebut. Reaksi yang terjadi pada reaktor (R-201) antara lain: 1. CH 4 + HNO 3 CH 3 NO 2 + H 2 O 2. HNO 3 2NO 2 + H 2 O 3. 4HNO 3 4NO + 3O 2 + 2H 2 O 4. 2CH 4 + O 2 2CO + 4H 2 5. CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O c. Tahap pendinginan Nitrometana dan hasil samping lainnya keluar dari reaktor (R-201) pada suhu 400 o C, semuanya dalam fasa gas. Untuk memperoleh produk dilakukan pendinginan pada cooler (E-201) dengan menggunakan refrigeran hingga mencapai suhu 48 o C, sehingga zat kimia yang mempunyai titik didih diatas 48 o C akan mengalami kondensasi. Adapun yang mengalami kondensasi antara lain nitrometana, HCl, HNO 3, dan H 2 O. Selanjutnya campuran antara gas dan cairan ini dilairkan ke separator (V-301) untuk memisahkan gas dari cairan.
d. Tahap pemisahan Pada tahap ini digunakan separator KO drum, untuk memisahkan fasa cair dengan fasa gas. Pemisahan diasumsikan 100%. Fasa gas akan terpisah dan mengalir melalui bagian atas, dan dialirkan ke menara Oksidasi (T-302). Pada tahap ini akan terjadi reaksi oksidasi untuk mengubah NO menjadi NO 2 dan mengubah NO 2 menjadi HNO 3 sehingga pada tahap ini ada penambahan O 2 dan H 2 O. Adapun reaksi yang terjadi pada tahap ini adalah: 2NO + O 2 2NO 2 2CO + O 2 2CO 2 Kemudian dari menara oksidasi dialirkan ke menara absorbsi untuk mengambil NO 2 dan mengubahnya menjadi HNO 3 untuk dipakai kembali menjadi umpan nitrasi. Pada absorbsi ini, yang dipakai sebagai absorber adalah air. Reaksi yang terjadi pada absorbsi NO 2 ini adalah: 4NO 2 + O 2 + 2H 2 O 4HNO 3 HNO 3 yang terbentuk adalah dalam fasa cair sehingga akan mengalir melalui bagian bawah dan akan dikembalikan sebagai umpan. Sedangkan sisanya yaitu gas CH 4 serta beberapa gas yang lain akan dimasukkan ke PSA (Pressure Swing Adsorption) untuk mengambil CH 4 dari campuran gas. CH 4 dari PSA akan dikembalikan melalui bagian atas ke umpan CH 4 setelah melalui pendinginan. Fasa cair pada separator KO yang mengandung nitrometana, asam nitrat, air, dan HCl akan dialirkan kebagian bawah untuk dipisahkan, guna memperoleh produk yang diinginkan. Pemisahannya adalah dengan menggunakan 2 tahap destilasi. Destilasi I ini akan memisahkan nitrometana dari campuran cairan tersebut. Pada bagian bawah destilasi dihasilkan cairan yang kaya nitrometana, sedangkan pada bagian atas terdapat HCl, HNO 3, dan air. Pada destilasi ini, diasumsikan tidak ada nitrometana yang ikut ke bagian atas.hno 3 dan HCl pada bagian atas akan di set menjadi HNO 3 60% dan HCl 37 % kemudian akan dikirim ke tangki penampungan sementara untuk dipakai kembali sebagai umpan.
Produk bawah akan dialirkan tahap destilaasi II untuk mendapatkan produk yang diinginkan yaitu Nitrometana 99,5% sedangkan produk atas menara destilasi akan dibuang sebagai limbah. (Jacquinot, 1986 )
1 Saturated Steam Air Pendingin Refrigeran PC 35 34 T-305 C-303 B-304 32 C-302 PC 36 33 Air Proses T-304 P-310 B-303 30 T-303 31 HNO3 60% CH4 1 B-101 C-101 2 M-101 B-101 7 E-101 PI B-102 8 12 B -301 P -319 29 Oksigen F-101 3 PI R-201 9 LC B-302 HCl 37% F-102 P-101 P-102 4 TK-101 5 P-103 6 E-102 PI C-101 E-201 PI 10 P-201 11 V-301 13 C-301 E-301 14 P-301 15 PC PI T- 301 E-302 TI 16 LC V- 303 18 17 P-303 P-304 19 21 E-303 20 P-305 22 PC T- PI 302 E-304 23 TI LC V- 304 24 25 P- 307 P-308 27 E-305 26 Limbah P-302 P-306 28 F-301 L I Steam bekas Air Pendingin Bekas Refrigeran Bekas