Pembuatan Guanidine Nitrat dari Urea dan NH4NO3

Guanidine nitrate adalah senyawa kimia dengan rumus [C(NH₂)₃]NO₃. Ini adalah garam putih dan larut dalam air dan etanol, sedikit larut dalam aseton. Ini memiliki dekomposisi ledakan pada suhu tinggi. Titik lelehnya adalah antara 214 dan 216° C.. Senyawa ini diproduksi dalam skala besar dan sebagai bahan bakar energi tinggi yang digunakan sebagai generator gas dan aplikasi propelan padat untuk roket. Nama yang lebih resmi adalah guanidinium nitrat, tetapi istilah yang salah guanidine nitrat banyak digunakan.

Guanidine nitrat adalah garam yang dibentuk dengan menetralkan guanidin dengan asam nitrat, guanidin nitrat diproduksi secara industri melalui reaksi dari dicyandiamida (atau garam kalsium) dan amonium nitrat. Senyawa ini telah digunakan sebagai monopropellant di mesin Jetex untuk pesawat model. Ini menarik karena memiliki keluaran gas yang tinggi dan suhu nyala yang rendah. Ia memiliki impuls spesifik monopropellant yang relatif tinggi yaitu 177 detik (1,7 kN./ kg). Senyawa ini merupakan zat berbahaya, bersifat eksplosif dan mengandung oksidan (nitrat). Ini juga berbahaya bagi mata, kulit, dan saluran pernapasan.

Dekomposisi ledakan Guanidine nitrat diberikan oleh persamaan berikut:

            H₆N₄CO_3 (s) → 3 H₂O _(g) + 2 N_2 (g) + C _(s)

Saat guanidine nitrate menabrak atau terkena panas tinggi atau api, ada risiko ledakan pembakaran. Dan ketika dicampur dengan belerang, fosfor dan zat pereduksi lainnya, itu membawa bahaya pembentukan campuran eksplosif. Campuran guanidin nitrat dengan senyawa nitro, klorat atau asam kuat peka terhadap getaran dan gesekan dan cenerung menyebabkan ledakan. Itu harus disimpan di tempat teduh dan sejuk dan bebas dari suhu tinggi. Guanidine nitrate harus diisolasi dari bahan yang mudah terbakar, senyawa organik, senyawa nitro, klorat atau asam. Pemuatan dan pembongkaran guanidine nitrat harus dilakukan dengan hati-hati dan ringan dengan bantalan penguat untuk mencegah ketukan dan gesekan. Dan guanidine nitrate yang tumpah harus segera dibersihkan. Alat pemadam api bisa berupa pasir, busa, karbon dioksida dan air kabut.Menurut PBB No. (UN No.): kelas 1467 / 5041-1,5.1, diklasifikasikan sebagai oksidan.

Guanidine nitrate tidak hanya digunakan sebagai bahan baku imidacloprid (pestisida) untuk menyiapkan zat antara, nitroguanidine, tetapi juga dapat digunakan sebagai perantara dari berbagai herbisida sulfonylurea, seperti bensulfuron-methyl, pyrazosulfuron-ethyl, chlorimuron -ethyl, dll. Selain itu, juga digunakan untuk sintesis obat sulfonamida, bahan peledak, bahan foto dan desinfektan. Selain itu, juga digunakan untuk menguji garam guanidin dalam asam kompleks.

Reaksi dicyandiamide dan ammonium nitrate:

Reaksi kondensasi dicyandiamide dan amonium nitrat dalam perbandingan 1: 2 dilakukan pada 120 ~ 210°C. Produk reaksi dikristalisasi, diiris untuk mendapatkan produk jadi. Ini juga dapat dibuat dengan reaksi antara kalsium sianamida dan asam nitrat.

Produk harus disimpan di depot berventilasi suhu rendah. Bongkar muat guanidine nitrat harus dilakukan dengan hati-hati dan ringan. Selalu jaga agar guanidine nitrate dari bahan organik, zat pereduksi, belerang, fosfor dan mudah terbakar.

( https://en.wikipedia.org/wiki/Guanidine_nitrate )

( https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_EN_CB9150870.htm )

REAKSI KIMIA

Di dalam prarancangan kali ini guanidine nitrate dibuat dari urea dan ammonium nitrat. Reaksi antara urea dengan ammonium nitrat dilakukan di dalam reaktor fixedbed dengan bantuan katalisator porous adsorben jenis silika gel. Fase reaksi adalah fase cair atau lelehan.

Reaksi kimia:

2 (NH₂)₂CO_(l) + NH₄NO_3(l)  ===>  H₂NC(NH)NH₂HNO_3(l) + 2 NH_3(g) + CO_2(g)

               ( Urea )           ( Amm. Nitrat )                   ( Guanidine Nitrat )          

Reaksi penbentukan guanidine nitrate terjadi dalam fase cair dengan kondisi operasi tekanan atmosferis dan suhu sekitar 195-220°C. Dengan adanya katalisator adsorben porous silica gel_, maka akan diperoleh konversi reaksi yang bisa mencapai 90%, meskipun dalam perancangan mungkin hanya diambil 80%. Reaksinya sendiri adalah endotermis (membutuhkan panas) sehingga selama reaksi berlangsung dibutuhkan pemanas untuk menjaga suhu reaksi sekitar 200-an°C.

URAIAN PROSES

Urea yang berasal dari gudang penyimpanan diangkut untuk diumpankan ke dalam tangki pelelehan 01. Dengan menggunakan steam pemanas maka urea akan meleleh pada suhu 133°C. Lelehan urea ini kemudian diumpankan ke dalam Tangki Pencampur (TPc). Dengan cara yang sama bahan baku Ammonium nitrat dari gudang diangkut untuk diumpankan ke dalam tangki pelelehan 02. Dengan menggunakan steam pemanas maka urea akan meleleh pada suhu 170°C.  Lelehan ammonium nitrat ini juga diumpankan ke dalam Tangki Pencampur (TPc).

Di dalam Tangki Pencampur terjadi pencampuran dari 3 arus yaitu umpan segar urea, umpan segar ammonium nitrat dan juga arus recycle yang berasal dari Evaporator yang juga mengandung senyawa urea, ammonium nitrat dan guanidine nitrat. Campuran ini dipanaskan sampai suhu mencapai 195°C, kemudian diumpankan ke dalam Reaktor.

Reaksi kimia bersifat endotermis (membutuhkan panas) maka untuk menjaga suhu reaksi sekitar 200°C diperlukan pendingin yang berupa Dowterm A. Hasil reaksi kemudian diumpankan ke dalam Separator untuk memberikan kesempatan gas-gas yang terbentuk selama reaksi yaitu NH₃ dan CO₂ agar terpisah dari lelehan senyawa yang ada. 

Gas yang keluar separator kemudian diumpankan ke dalam Absorber untuk disreap dengan air sehingga ammonia yang ada akan terserap air dan membentuk larutan ammonia yang terpisah dari gas CO₂.

Cairan yang keluar dari separator kemudian diumpankan ke dalam tangki pelarut (TP) untuk dicampur dengan air sehingga terbentuk larutan dalam air. Larutan ini kemudian diumpankan ke dalam Crystalizer. Di dalam crystallizer larutan urea, ammonium nitrat dan guanidine nitrat kemudian didinginkan sampai 45°C. Pendinginan pada suhu ini seluruh urea dan ammonium nitrat larut dalam air, dan sebagian guanidine nitrat tidak larut yang berarti membentuk kristal. Slurry ini kemudian diumpankan ke dalam Centrifugal Filter sehingga cake yang mengandung guanidine nitrate akan terpisah dari filtrate yang mengandung urea, ammonium nitrat, guanidine nitrat dan air.

Filtrat kemudian diumpankan ke dalam Evaporator untuk menguapkan air sehingga diperoleh cairan (lelehan) dengan sedikit air, yang direcycle ke dalam tangki pencampur (TPc) untuk selanjutnya ke Reaktor. Cake dari CF dikeringkan ke dalam Rotary drier (RD) sehingga diperoleh produk guanidine nitrate dengan kadar air sekitar 2%

DIAGRAM ALIR

Keterangan :
A     = Absorber
CF   = Centrifugal filter
CRY = Crystalizer
EV   = Evaporator
R     = Reaktor
RD  = Rotary drier
TP   = Tangki pelarut


DATA UNTUK REAKTOR

Jenis : Reaktor Fixedbed Multitubular

• Kondisi operasi

                   Suhu                   : 195 - 220°C

                   Tekanan              : 1.2 atm

                   Sifat reaksi          : endotermis

                   Kondisi proses    : non diabatic-non isotermal dengan pemanas Dowterm A

• Katalisator

                   Jenis                    : Silica gel

                   Bentuk                : pellet

                   Ukuran                : 0.131 in x 0.039 in

                   Bulk density,Ρb   : 0.728 gr/cm3

                   Void space          : 0.4

• Kinetika reaksi

      Reaksi  yang terjadi mengikuti persamaan reaksi sebagai berikut: 

2 (NH₂)₂CO_(l)   +  NH₄NO_3(l)     ===>     H₂NC(NH)NH₂HNO_3(l)  +  2 NH_3(s)  +  CO_2(s)

                rA = k.CA .CB
                k = 1.8628 x 10^10 exp(-15310/T)
                        dengan : 

r_A      = kecepatan reaksi,                   kmol/kg cat.j

C_A  = konsentrasi urea,                     kmol/m³

C_B   = konsentrasi ammonium nitrat,  kmol/m³

k     = konstanta kecepatan reaksi,,   m⁶/ kmol.kg cat. j

T     = suhu, K

Harga konstanta kecepatan reaksi di atas diperoleh dengan cara pendekatan kinetika dihitung berdasarkan data yang ada di US Patent No.2.949.484.

Data US Patent untuk proses pembuatan Guanidine nitrat  dari Urea dan Ammonium nitrate salah satunya  adalah United States Patent No 2.949.484,  16 Agustus 1960 dengan label Preparation of Guanidine Compounds.

Download United States Patent 2949484

Rabu, 18 Syaban 1440 H / 24 April 2019 M