MAKALAH TEKNIK REAKSI KIMIA 2 PRA – RANCANGAN PABRIK FORMALDEHID DENGAN PROSES HALDOR TOPSOE KAPASITAS 50.000 TON/TAHUN
Fajar iswahyudhi Dhunung Mei Fera
(2010710450031)
Helma Rakanita
(2010710450032)
Yogo Prasetyo Rika Indah Meisari
(2010710450036)
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI JURUSAN TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS JAYABAYA 2013
BAB I PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang Pendirian Pabrik Keberhasilan proses industrialisasi pada era perdagangan bebas sekarang ini sangat ditentukan oleh adanya sumber daya alam dan sumber daya manusia yang berkualitas. Indonesia sebagai salah satu negara yang mempunyai sumber daya alam maupun sumber daya manusia yang berlimpah sangat berpotensi untuk mengembangkan industri dalam negeri terutama industri – industri yang bersifat padat modal maupun padat teknologi dan mempunyai prospek pemasaran yang menguntungkan. Salah satu industri yang mempunyai persyaratan diatas adalah industri pembuatan formaldehid. Formaldehid merupakan senyawa dari gugus aldehid yang penggunaannya sangat luas di dunia industri. Hal ini disebabkan formaldehid dapat bereaksi dengan hampir semua senyawa, baik senyawa organik maupun senyawa anorganik. Formaldehid mempunyai nilai yang sangat strategis dalam perkembangan dunia industri karena banyak sektor industri yang menggunakan formaldehid sebagai bahan bakunya. Kegunaan formaldehid diantaranya pada pembuatan melamin formaldehid, urea formaldehid, fenolformaldehid, tryoxane. Formaldehid juga digunakan dalam pembuatan bahan kimia antara lain sintesa 1,4 butadienol, trimethylol propane dan neophentyl glycol yang digunakan dalam pembuatan produk polyester plastic, synthetic lubricating oil. Selain itu formaldehid digunakan secara langsung, akan tetapi dalam jumlah kecil misalnya sebagai pengawet bahan penelitian dan desinfektan pada ruangan rumah sakit. (Mc. Ketta, vol. 29, hal. 458) Dalam pembuatan formaldehid ini bahan baku yang dipakai adalah metanol dan udara. Bahan baku metanol didatangkan dari PT. Kaltim Methanol Indonesia (KMI) di Bontang Kalimantan Timur dengan kapasitas produksi 660.000 ton/tahun. Dengan mempertimbangkan adanya bahan baku metanol yang cukup untuk memproduksi formaldehid dan kebutuhan formaldehid yang cukup banyak pula, maka sangat memungkinkan untuk mendirikan pabrik formaldehid di Indonesia. Pendirian pabrik ini juga bertujuan untuk diversifikasi produk menjadi bahanbahan yang mempunyai nilai ekonomis tinggi. Formaldehid yang akan diproduksi berkadar 37 % berat karena disesuaikan dengan kebutuhan industri terutama industri perekat kayu. Selain itu
kadar formaldehid yang terdapat dipasaran nasional
maupun internasional berkadar 37 % sampai 55 % sehingga sesuai dengan kebutuhan pasar. 1.2.
Tujuan Pendirian Pabrik Tujuan dari pendirian pabrik Formaldehid ini adalah untuk : 1. Tujuan Umum : a. Mendapatkan keuntungan secara finansial b. Memenuhi kebutuhan dalam negeri akan kebutuhan formaldehida. c. Memenuhi kebutuhan pasar luar negeri dengan cara mengekspor produk agar menambah devisa negara. d. Menimbulkan
dampak
yang
positif
bagi
pertumbuhan
perindustrian,
khususnya industri kimia. e. Membuka lapangan
kerja baru yang secara tidak langsung
dapat
meningkatkan kesejahteraan ekonomi masyarakat. 2. Tujuan khusus : a. Mengetahui lebih dalam tentang pendirian suatu pabrik dilihat dari segala aspek. b. Menerapkan ilmu-ilmu yang telah didapat di bangku kuliah. c. Mengetahui lebih rinci mengenai proses produksi, alat-alat produksi, tata letak pabrik, dan analisa ekonomi dari prarancangan suatu pabrik kimia khususnya pabrik formaldehida.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kegunaan Formaldehid Formaldehid banyak digunakan dalam industri kimia terutama sebagai chemical intermediate, diantaranya adalah dalam pembuatan plastik. Sebagian besar produk formaldehid digunakan dalam pabrik urea formaldehid, resin fenol formaldehid, dan resin melamin formaldehid. Resin – resin ini bereaksi dengan asam dan katalis alkalin dimana material produknya dapat diperlakukan dengan perubahan suhu (thermosetting). Resin ini berfungsi untuk laminating / pelapisan, coating dan protective coating yang digunakan luas untuk pabrik kertas dan tekstil. Resin – resin ini juga berguna sebagai zat adesif untuk plywood dan produk kayu lainnya (Sumber : http://id.wikipedia.org) 2.2. Macam-macam Proses Pembuatan Formaldehid Ada beberapa macam proses yang dapat digunakan untuk membuat formaldehid. Proses-proses tersebut adalah sebagai berikut : 2.2.1. Proses Hidrokarbon Proses hidrokarbon ini adalah proses yang dikembangkan pada awal perkembangan industri formaldehid. Proses ini merupakan proses oksidasi langsung dari hidrokarbon yang lebih tinggi dan hidrokarbon ini bereaksi pada suhu 673 – 773 K. Biasanya yang digunakan adalah etilen dengan katalis asam borat atau asam fosfat atau garamnya dari campuran clay atau tanah diatomik. Proses ini mempunyai kelemahan, yaitu dihasilkan beberapa hasil samping yang terbentuk bersama – sama dengan formaldehid, antara lain asetaldehid, propane, asam – asam organik sehingga tentu saja diperlukan pemurnian untuk mendapatkan formaldehid dengan kemurnian tertentu. Dengan demikian proses menjadi mahal
dan hasilnya kurang memuaskan sehingga proses ini tidak dikembangkan lagi. (Kirk & Othmer, hal. 857). 2.2.2. Proses Silver Catalyst Proses ini menggunakan katalis perak dengan reaktor fixed bed multitube. Katalis ini berbentuk kristal-kristal perak yang ditumpuk pada tube. Katalis ini mempunyai umur sekitar 12 bulan. Katalis ini mudah teracuni oleh sulfur dan beberapa logam dari golongan transisi. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: a. Oksidasi CH 3OH ( g ) +
1 =923 K , P =1, 3 atm O2 T → HCHO( g ) + H 2 O( g ) Kat Ag. 2 (g)
H= -37,3 kal/mol
b. Dehidrogenasi = 973 K , P =1, 3 atm Kat CH 3 OH ( g ) T Ag. → HCHO( g ) + H 2 ( g )
H=20,3 kkal/mol
Secara keseluruhan reaksinya adalah reaksi eksotermis pada suhu yang tinggi yaitu 923 – 973 K dan tekanan sedikit diatas tekanan atmosfer. Pada proses ini udara yang dimurnikan direaksikan dengan metanol dalam reaktor katalitik. Produk didinginkan dengan cepat dengan pendingin dowtherm A, selanjutnya dialirkan ke menara absorber dimana metanol, air dan formaldehid terkondensasi di dasar menara. Untuk memurnikan produk sesuai dengan keinginan dilakukan pemurnian dengan proses destilasi. Konversi yang diperoleh dapat mencapai 65,1 % dengan yield keseluruhan mencapai 89,1 %. (Mc. Ketta, vol. 21, hal. 358) Proses silver catalyst dibagi menjadi dua bagian yaitu: a. Complete conversion of methanol (BASF) b. Incomplete conversion and destillative recovery of methanol (ICDRM) 2.2.3. Proses Oksidasi Metanol Haldor Topsoe Proses ini adalah proses pembuatan formaldehid dengan menggunakan metanol dan katalis oksida besi. Proses ini beroperasi pada suhu 505 – 560 K dan
tekanan 1 – 1,5 atm. Metanol uap dicairkan dengan udara dan gas recycle kemudian direaksikan dengan katalis iron molybdenum oxyde (Fe2O3MoO3Cr2O3) dalam sebuah reaktor fixed bed multitube. Katalis ini dapat berumur sampai dengan 18 bulan. (Prosiding Soehadi Reksowardojo, 1995) Konversi yang diperoleh mencapai 98,4 % dengan yield keseluruhan formaldehid 94,4 %. Gas yang keluar dari reaktor didinginkan melalui waste heat boiler sebelum memasuki absorber. (Mc. Ketta, vol. 21, hal. 364) CH 3 OH ( g ) +
1 T =505−560 K , P =1, 5 atm O2 ( g ) → HCHO( g ) + H 2 O( g ) Kat. Fe2O3MoO3Cr2O3 2
H= -37,3 kal/mol
2.3. Pemilihan Proses Dari ketiga macam proses yang diuraikan diatas dapat dilihat pada tabel perbandingan macam pembuatan proses, sebagai berikut : Tabel 2.1. Proses Pembuatan Formaldehid Macam Proses
Parameter Satuan Pembanding
Silver Hidrocarbon
Haldor Topsoe Catalyst
Suhu o
K
673-773
923-973
505-560
Konversi
%
-
65,1
98,4
Katalis
-
Ag
Fe2O3MoO3Cr2O3
Operasi As. Borat / fosfat Umur Katalis
-
12
12
18
Yield
%
90.5
89.1
94.4
Dari berbagai proses diatas digunakan proses Haldor Topsoe, dengan pertimbangan: a. Konversi maupun yieldnya tinggi
b. Suhu dan tekanan operasi rendah c. Proses yang sederhana Pada prarancangan pabrik formaldehid ini digunakan katalis iron molybdenum oxyde (Fe2O3MoO3Cr2O3) dengan masa aktif 18 bulan, karena proses oksidasi ini membutuhkan katalis metal oxyde (iron, molybdenum / vanadium oxyde). Beberapa keistimewaan dari katalis ini antara lain : 1. Pressure drop rendah dan cukup stabil 2. Uniform packing of the tube 3. Selektifitas tinggi 4. Tidak mudah teracuni Data-data katalis yang dipakai dapat disajikan pada Tabel 3.1. Tabel 3.1. Data – Data katalis Fe2O3MoO3Cr2O3 Dimensi OD ID H Komposisi :
Bentuk pressed rings 4,5 mm 1,7 mm 4 mm
MoO3
81 % berat
Fe2O3
15 % berat
Cr2O3
4 % berat (Subekti, 1995)
BAB III RANCANGAN PABRIK
3.1. Uraian Proses Proses pembuatan formaldehid dari metanol dan udara dengan katalis iron molybdenum oxyde merupakan proses oksidasi fase gas.
3.1.1. Dasar Reaksi Pembentukan formaldehid dari methanol dengan katalis iron molybdenum oxyde (Fe2O3.MoO3.Cr2O3) didasarkan pada reaksi pada reaksi oksidasi berikut : CH 3 OH ( g ) +
1 =543 K , P =1, 4 atm O2 ( g ) T → CH 2 O( g ) + H 2 O( g ) Kat. Fe2O3MoO3Cr2O3 2
ΔH=-36,453 kkal/mol
Secara keseluruhan reaksinya adalah reaksi eksotermis. Untuk oksidasi metanol beroperasi pada suhu 473 – 560 K dan tekanan sedikit di atas tekanan atmosfer, udara berlebih digunakan untuk memastikan konversi mendekati sempurna. (Mc. Ketta, 1984; vol. 23 : 361)
3.1.2. Sifat Reaksi Reaksi oksidasi metanol menjadi formaldehid bersifat eksotermis dan irreversibel, hal ini dapat dilihat dari tinjauan termodinamika dan kinetika. 1. Tinjauan termodinamika Reaksi utama : CH 3 OH ( g ) + ∆Ho298
1 =543 K , P =1, 4 atm O2 ( g ) T → CH 2 O( g ) + H 2 O( g ) Kat. Fe2O3MoO3Cr2O3 2
= ∆H produk – ∆H reaktan = -108570 + (-241818) – (-200660) = -149728 joule/mol = -35,770 kkal/mol
ΔH=-36,453 kkal/mol
Ternyata ∆H menunjukkan harga negatif, maka reaksinya eksotermis. (Smith & Van Ness, 1975 : 133, 659) Dari persamaan Van’t Hoff : d ln K − ∆H = dT RT dimana: K
= Konstanta kesetimbangan
T
= Suhu, K
ΔH
= Panas reaksi (Smith & Van Ness, 1975 : 476)
Terlihat bahwa jika suhu makin tinggi maka tetapan kesetimbangan semakin besar dan konversi semakin besar. Apabila ditinjau dari Energi Gibbs (ΔG*) ∆Go298
= ∆Gf produk – ∆Gf reaktan = -102530 + (-228572) – (-161960) = -169142 joule/mol = -40408,524 kal/mol (Smith & Van Ness, 1975 : 475, 659)
ln Kp =
− 40408,524 kal / mol ∆G = − RT −1,987 kal / ( mol K ) x 298 K
Kp = 4,341 . 10 29
→ K >> 1
Jadi, reaksi adalah irreversibel karena harga K yang didapat lebih besar dari 1. 2. Tinjauan kinetika Apabila ditinjau dari kinetika reaksi, kecepatan reaksi oksidasi metanol menjadi formaldehid adalah reaksi orde satu. Persamaan kinetika reaksinya dapat dituliskan sebagai berikut :
r1 =
Kp1 Ym P 1 + ap1 Ym P + ap 2 Ym
gmole CH 3 OH terkonversi gram katalis. det ik
Sedangkan persamaan kinetika reaksi untuk reaksi samping dapat dituliskan sebagai berikut :
r2 =
Kp 2 Y f P 1 + bp1 Ym P + bp 2 Ym P
gmole CH 2 O terkonversi gram katalis. det ik
dimana : ap1
= 567,606 exp (-1125,96 / T)
ap2
= 8,36863.10-5 exp (7124,14 / T)
bp1
= 6,44588.10-9 exp (12195,4 / T)
bp2
= 2,84446.10-3 exp (4803,08 / T)
Kp1
= 5,37227.10-2 exp (-7055,14 / T)
gmole gram katalis. det ik .atm
Kp2
= 6,41907.10-9 exp (1292,72 / T)
gmole gram katalis. det ik .atm
(Subekti, 1995) 3.1.3. Fase Reaksi Reaksi berlangsung dalam fase gas dengan katalis padat dan bersifat eksotermis. Untuk menjaga kondisi temperatur agar optimum, maka dibutuhkan jenis reaktor yang dapat menghilangkan / menyerap panas yang ditimbulkan selama reaksi berlangsung. Jenis reaktor yang dapat memenuhi kriteria tersebut adalah reaktor jenis fixed bed multitube. Pada reaktor fixed bed multitube reaktan dialirkan di dalam tube yang berisi katalis sedangkan untuk menghilangkan / menyerap panas yang ditimbulkan selama reaksi berlangsung digunakan medium pendingin berupa dowtherm A yang dialirkan melalui shell.
Meskipun biaya perancangan reaktor ini relatif mahal, namun reaktor ini cocok untuk reaksi gas – gas dengan katalis padat yang memerlukan pengontrolan temperatur reaksi. 3.1.4. Kondisi Operasi Kondisi operasi sangat menentukan jalannya proses dan terbentuknya produk hasil reaksi. Proses pembentukan formaldehid berlangsung pada temperatur operasi 473 – 560 K dan tekanan 1 – 1,5 atm. (Mc. Ketta, 1984; vol. 23 : 364) Pada prarancangan pabrik formaldehid dipilih temperatur operasi 543 K dan tekanan 1,4 atm. Pemilihan temperatur ini berdasarkan hal-hal sebagai berikut : 1. Kecepatan reaksi pembentukan formaldehid dari oksidasi metanol semakin meningkat dengan kenaikan suhu, sedangkan konversi reaksi akan semakin besar pada suhu rendah karena merupakan reaksi eksotermis. 2. Katalis iron molybdenum oxyde memiliki temperatur optimal aktif adalah 233 – 287 oC, oleh karena itu dipilih suhu 270 oC dimana kecepatan reaksi cukup besar dan katalis masih dalam keadaan aktif. Pada prarancangan pabrik formaldehid dipilih tekanan 1,4 atm dengan alasan keamanan dan tidak dibutuhkan konstruksi alat yang lebih kuat dibandingkan apabila digunakan tekanan tinggi. 3.1.5. Katalis Reaktor Reaksi kimia dapat berjalan apabila kondisi operasinya telah tercapai. Suatu reaksi kimia yang memiliki suatu barrier energi / energi pengaktifan yang besar baru dapat memulai reaksinya bila barrier energi itu telah terlampaui. Salah satu cara melampaui barrier energi tersebut adalah dengan menaikkan temperatur reaksi. Suatu cara lain untuk menurunkan barrier energi adalah dengan menggunakan katalis. Suatu katalis dapat mempercepat reaksi kimia tanpa dirinya mengalami perubahan kimia yang permanen. Di samping itu keberadaan katalis akan
menyebabkan suatu reaksi dapat berjalan di bawah kondisi temperatur operasinya. Ini terutama sangat penting untuk mengurangi rendemen dari produk – produk yang tidak diinginkan. (Keenan, 1998 : 593) 3.1.6. Mekanisme Reaksi Mekanisme reaksi oksidasi metanol menjadi formaldehid disebut mekanisme hidroksil. Mekanisme ini adalah bagian dari mekanisme oksidasi metanol menjadi CO2 dan H2O, maka setiap langkah mekanisme ini akan terbentuk gugus hidroksil. Berikut mekanisme reaksi oksidasi metanol : O H 2O CH 4 + O2 → CH 3 OH → HO − CH 2 − OH − → H − C − OH
3.1.7. Langkah Proses Proses pembentukan formaldehid dari metanol dan udara dibagi menjadi tiga tahap, yaitu: 3.1.7.1. Tahap Penyiapan Bahan Baku Langkah penyiapan bahan baku dimaksudkan untuk : a. Mengkondisikan tekanan umpan sehingga sesuai kondisi reaktor b. Mengubah fase metanol menjadi gas di dalam alat vaporizer c. Mengkondisikan temperatur umpan metanol dan oksigen sehingga sesuai dengan kondisi reaktor Bahan baku utama pembuatan formaldehid adalah metanol dan oksigen. Bahan baku metanol diambil dari tangki penyimpanan (T-01) pada kondisi cair temperatur 30oC dan tekanan 1 atm. Metanol diumpankan ke dalam vaporizer (V01) menggunakan pompa (P-01) sehingga tekanan umpan metanol naik sampai dengan 1,5 atm. Pada alat vaporizer, metanol diubah fasenya dari bentuk cair ke dalam bentuk gas pada suhu bubble pointnya 75,25oC. Jenis vaporizer yang digunakan adalah ketel (100 % teruapkan). Steam pada vaporizer disuplai dari alat waste
heat boiler 1 dan 2 (WHB-01 dan 02), sedangkan kondisi steam yang digunakan mempunyai tekanan 1,5 atm dan suhu 111,76oC. Bahan baku kedua yaitu oksigen didapat dari udara lingkungan sekitar. Udara ini dilewatkan pada filter (Fl-01) untuk memisahkan debu dan tetes cairan yang ada dalam udara. Bahan baku kedua ini kemudian dicampur dengan gas recycle dan dilewatkan ke dalam blower (B-01) untuk menaikkan tekanannya menjadi 1,5 atm dengan temperatur 75,59oC. Untuk memenuhi kondisi operasi reaktor, maka udara dan methanol dilewatkan ke dalam furnace (F-01) untuk menaikkan temperaturnya hingga mencapai suhu 200oC. 3.1.7.2. Tahap Pembentukan Formaldehid Pada tahap ini umpan metanol dan oksigen yang telah dikondisikan akan bereaksi di dalam reaktor fixed bed multitube (R-01). Reaksi oksidasi metanol menghasilkan formaldehid pada reaktor fxed bed multitube (R-01) berlangsung dalam fase gas pada suhu 270 oC dan tekanan 1,4 atm. Katalis yang digunakan adalah iron molybdenum oxyde (Fe2O3MoO3Cr2O3) yang memliki masa aktif sampai dengan 18 bulan. Reaksi oksidasi metanol berlangsung secara non isotermal dan non adiabatis. Reaksi oksidasi metanol merupakan reaksi eksotermis, sehingga selama reaksi berlangsung akan dilepas sejumlah panas. Kenaikkan temperatur yang terjadi di dalam reaktor sangat tidak diinginkan sehingga dibutuhkan medium pendingin untuk menyerap panas yang terjadi selama reaksi berlangsung. Medium pendingin yang digunakan adalah dowtherm A yang dialirkan melalui shell. Pendingin ini akan mempertahankan kondisi operasi reaktor pada suhu 270 oC dengan tekanan 1,4 atm.
Berikut reaksi yang terjadi didalam reaktor : CH 3 OH ( g ) +
1 =543 K , P =1, 4 atm O2 ( g ) T → CH 2 O( g ) + H 2 O( g ) ΔH= -36,453 kkal/mol Kat. Fe2O3MoO3Cr2O3 2 (Mc. Ketta, 1984;vol. 23 : 361)
Pada temperatur 270 oC dan tekanan 1,4 atm, konversi metanol 98,4 % dapat terpenuhi dengan baik. Temperatur sangat mempengaruhi konversi yang terbentuk. Oleh karena itu medium pendingin sangat berperan penting untuk mencapai konversi yang diinginkan. 3.1.7.3. Tahap Pemurnian Produk Tahap pemurnian produk dimaksudkan untuk : a. Memisahkan O2 dan N2 dari produk reaktor b. Memisahkan larutan formaldehid dari gas untuk diambil sebagai produk. Pada waste heat boiler (WHB-01), panas dari produk reaktor (270 oC) akan dimanfaatkan untuk menghasilkan steam bertekanan 1,5 atm dan suhu 111,76 o
C yang dapat digunakan sebagai media pemanas pada alat vaporizer. Keluaran
waste heat boiler (WHB-01) yang bersuhu 120 oC, didinginkan kembali sebelum masuk ke dalam absorber sampai bersuhu 70 oC lewat cooler (C-01). Produk reaktor dimasukkan ke dalam absorber pada suhu 70 oC dan tekanan 1,2 atm. Formaldehid dipisahkan dari gas produk reaktor pada alat pemisah absorber (A01) dengan pelarut air dengan suhu masuk 30 oC. Air masuk dan disemprotkan dari atas absorber dengan laju alir 3087,07 kg / jam. Absorber bekerja berdasarkan sifat kelarutan dimana formaldehid dan metanol akan larut dalam air, sedangkan O2 dan N2 tidak larut dalam air. Gas yang tidak terserap oleh absorber sebagian direcycle dan sisanya dipurging. Produk cair keluaran absorber dengan suhu 60 oC, harus didinginkan lewat cooler (C-02) sebelum disimpan pada tangki penyimpanan (T-02) pada temperatur 35 oC.
Diagram Blok dan Diagram Alir Proses 3.2.1. Diagram Blok Udara
FL-01
Air
B-01 F-01
T-01
V-01
Methanol
R-01
Katalis
Keterangan : FL-01 = Filter
R-01
= Reaktor
B-01
= Blower
C-01
= Cooler 1
T-01
= Tanki 1
A-01
= Absorber
V-01
= Vaporizer
C-02
= Cooler 2
F-01
= Furnace
T-02
= Tanki 2 Gambar. Blok Diagram
C-01
A-01 C-02
T-02 Formaldehid
Spesifikasi Bahan Baku dan Produk 3.3.1. Spesifikasi Bahan Baku 3.3.1.1. Metanol - Wujud
= Cair
- Warna
= Jernih, tidak bewarna
- Bau
= Seperti etanol
- Kemurnian
= 99,9 % berat (minimal)
- Air= 0,1 % berat (maksimal)
3.3.1.2. Udara - Komposisi a. Oksigen
= 20,95 % volume
b. Nitrogen = 78,09 % volume c. Argon
= 0,93 % volume
d. CO2
= 0,03 % volume (Shreve, 1975 : 111)
3.3.2. Spesifikasi Produk (Formaldehid) - Wujud
= Cairan
- Warna
= Jernih
- Bau
= Bau tidak enak / menyengat, pedas di mata
- Kemurnian :
a. CH2O
= min 37 % berat
b. CH3OH = max 0,5 % berat c. H2O
= max 62,5 % berat
3.3.3. Spesifikasi Bahan Pembantu (Katalis) - Jenis
= Fe2O3MoO3Cr2O3
- Bentuk
= Pressed rings
- Diameter
= 3,5 mm
- Densitas
= 1,8918 g / cm3
- Porositas
= 0,55 (Subekti, 1995)
3.4. Sifat Fisik dan Kimia Bahan Baku dan Produk 3.4.1. Sifat Fisik dan Kimia Bahan Baku 3.4.1.1. Methanol - Sifat Fisika : - Densitas pada 293 K
= 0,7929 g / cm3
- Viskositas (25 oC)
= larutan 0,541 cp gas 0,00968 cp
- Data thermodinamika : ΔGf
= -39,869 kkal / mol
ΔHf
= -57,130 kkal / mol (pada 25 oC fasa gas) (http://kaltimmethanol.com/home.html)
- Sifat kimia : a. Reaksi dehidrogenasi Reaksi dehidrogenasi adalah pelepasan unsur hidrogen. Reaksi ini dapat dilaksanakan dengan bantuan katalis Mo dan Ag. Ag CH 3 OH Mo , →CH 2 O + H 2
b. Reaksi eterifikasi Reaksi eterifikasi adalah pembentukan senyawa eter misalnya MTBE.
CH 3 OH + CH 2 = C ( CH 3 ) 3 → ( CH 3 ) 3 − C − O − CH 3 metanol
isobutylene
MTBE
c. Reaksi esterifikasi Reaksi esterifikasi adalah pembentukan senyawa ester dengan jalan mereaksikan metanol dengan senyawa asam organik. Contohnya pembentukan senyawa metil asetat. CH 3 COOH + CH 3OH ↔ CH 3 COOCH 3 + H 2 O
(Mc.Ketta, 1984; vol. 29 : 420) 3.4.1.2. Udara - Sifat Fisika Tabel 3.2. Sifat Fisika Udara Sifat fisika Berat molekul Wujud Specific gravity Titik lebur, oC, P = 1 atm Titik didih, oC P = 1 atm Suhu kritis, oK Tekanan kritis, bar
N2
O2
28,014
31,999
gas tidak berwarna 12,5 -210 -195,8 126,2 33,9388
gas tidak berwarna 1,71 -218,79 -182,98 154,58 50,7638
- Sifat Kimia Oksigen : a. Bereaksi dengan semua elemen lain kecuali gas helium, neon, dan argon. b. Untuk elemen tertentu seperti alkali logam rubidium, cesium, energi aktivasi pada suhu kamar mencukupi, dan reaksi berjalan secara spontan. c. Bahan yang akan direaksikan dengan oksigen harus dipanaskan terlebih dahulu sampai suhu tertentu untuk pembakaran awal. Jika
direaksikan dengan petroleum, gas alam, atau batu-bara akan dihasilkan panas, CO, H2O. (Kirk and Othmer,1996) 3.4.2. Sifat Fisik dan Kimia Produk (Formaldehid) - Sifat Fisik : - Densitas pada 18 oC
= 1,1 g / cm3
- Boiling point (1 atm)
= 99 oC
- Viskositas
= 2,0 cp
- Data termodinamika : ΔHf
= -27,7 kkal/mol (pada 25 oC)
∆Gf
= -26,3 kkal/mol (pada 25 oC) (http://www.topsoe.com/site.nsf/all/BBNN-5PQHCZ?OpenDocument)
- Sifat kimia : a. Reaksi dengan air Formaldehid dengan adanya air dapat membentuk methylen glikol.
CH 2 = O + H 2 O → HO − CH 2 − OH b. Reaksi dengan asetaldehid Formaldehid
dengan
asetaldehid
dalam
larutah
NaOH
dapat
membentuk pentaerythritol dan sodium format.
CH 2 = O + CH 3 − CHO + NaOH
→ C ( CH 2 OH ) 2 + HCOONa (Mc. Ketta, 1984; vol. 23 : 350)
BAB IV KAPASITAS PRODUKSI PERHITUNGAN KAPASITAS PRODUKSI FORMALDEHID Berikut tabel impor formaldehid di Indonesia yang kian tahun terus meningkat : Tahun
Impor (ton)
2001
9882
2002
11098
2003
13909
2004
15448
2005
18765
2006
20997
2007
21904
2008
23305
2009
25308 (Sumber: Data statistik impor,BPS 2010)
Dari data tersebut dapat diproyeksikan impor formaldehid Indonesia dengan menggunakan analisa regresi linier. Tahun
N
Indeks
Konsumsi
(X) (Ton/Tahun) (Y) 2001 1 -4 9882 2002 2 -3 11098 2003 3 -2 13909 2004 4 -1 15448 2005 5 0 18765 2006 6 1 20997 2007 7 2 21904 2008 8 3 23305 2009 9 4 25308 ∑ 0 160616 Dari data di atas dapat diketahui : ∑X=0 ∑ Y = 160616 ∑ X2 = 60
X2
XY
16 9 4 1 0 1 4 9 16 60
-39528 -33294 -27818 -15448 0 20997 43808 69915 101232 119864
∑ XY = 119864 N=9 Maka persamaannya : a = ∑ Y . ∑ X2 - ∑ X . ∑ Y N. ∑ X2 – (∑ X)2 Karena ∑ X = 0 Maka : a = ∑ Y N = 160616 9 = 17846,22 Dan b
= ∑ XY ∑ X2 = 119864 60 = 1997,733
Dengan : X = Indeks untuk tahun Y = Perkiraan Impor Ton/tahun a = Axist intercept b = Slope of regression Sehingga diperoleh persamaan regresi linier: Y = a + bx = 17846,22+ 1997,733x
Gambar 1.1. Grafik Impor Formaldehid di Indonesia Dari data di atas maka dapat dihitung perkiraan kebutuhan formaldehid dari tahun 2010 – 2021 adalah sebagi berikut : No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Tahun 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021
Indeks Tahun (X) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Kapasitas (Ton/Tahun) (Y) 37824 39821 41819 43817 45814 47812 49810 51808 53805 55803 57801 59799
berdasarkan proyeksi konsumsi formaldehyde di Indonesia pada tahun 2016 di perkirakan jumlahnya terus bertambah sampai 49810 ton
dengan
kapasitas
50000
ton
pertahun,
diharapkan
mengganti kebutuhan impor formaldehyde di Indonesia.
dapat
BAB IV NERACA MASSA DAN NERACA ENERGI PERHITUNGAN NERACA MASSA Pembuatan pabrik formaldehid dengan bahan baku methanol dan udara direncanakan dengan kapasitas 50.000 ton/tahun. Skema perhitungan neraca massa digambarkan dalam blok diagram pada gambar A.1.
SPLITTER
(9)
(8)
(7)
MIXER
(1)
REAKTOR
(3)
ABSORBER
(4)
(2)
(5)
(6)
Gambar A.1. Blok Diagram Neraca Massa
a. Spesifikasi Bahan Baku Udara : Komponen O2
BM 32
% volume 21
N2
28
79 (Shreve, 1975 : 111)
b. Spesifikasi Bahan Baku Methanol : Komponen CH3OH
BM 32
% berat 99,9
H2O
18
0,1 (http://kaltimmethanol.com/home.html)
Penyelesaian Neraca Massa A. Neraca Massa Di Reaktor (3)
(4)
REAKTOR
O2 13,78 Kmol
(2)
O2 18,9 Kmol N2 71,1 Kmol CH3OH 0,03 Kmol
CH3OH 9,97 Kmol
N2 71,1 Kmol
H2O 0,18 Kmol
CH3OH 0,16 Kmol CH2O 9,59 Kmol
CH2O 0,15 Kmol
CO 0,72 Kmol
CO 0,32 Kmol
H2O 10,42 Kmol
Reaksi yang terjadi di reaktor : 1. CH 3 OH +
2. CH 2 O +
1 O2 2
1 O2 2
→
CH 2 O + H 2 O
→
CO + H 2 O
...... (x1)
...... (x2)
Basis : 10 Kmol CH3OH Excess: 90 Kmol Udara (O2, N2,) Komponen O2
BM 32
% volume 21
N2
28
79
Aliran
Jumlah
Komponen
2 3 4 Variabel
Komponen 1 6 6 13
CH3OH Udara (O2, N2), CH2O, CO, CH3OH, H2O CH3OH, H2O, O2, N2, CH2O, CO
Laju Reaksi : x1 dan x2 Neraca Komponen:
1. Nkeluar N2 = Nmasuk N2 2. Nkeluar H2O = 0 + x1 + x2 3.Nkeluar O2 = Nmasuk O2 – ½ x1 – ½ x2 4.Nkeluar CO = 0 + x2 Diketahui : Konversi CH3OH = 98.4% Yield
= 94.4%
Kemurnian CH3OH = 99.9% ( 0.1% H2O) Perbandingan mol CH3OH dan O2 = 0.56 Maka,
1. Nkeluar N2 = Nmasuk N2 = 0.79 x 90 kmol udara = 71.1 kmol = 71.1 x 28 = 1990.8 Kg 2. x1 = Jumlah CH3OH yang bereaksi dengan O2 membentuk CH2O
= x . Nmasuk CH3OH = 0.984 x 10 kmol = 9.84 kmol δ CH3OH
1
3. x2 = Jumlah CH2O yang terlibat pada reaksi samping Yield = CH2O out = 0.944 10 CH2O out = 9.44 kmol 9,44 = x1 – x2 x2 = 9.84 – 9.44 = 0.4 kmol
4. Nkeluar H2O = 0 + x1 + x2 = 0 + 9.84 kmol + 0.4 kmol
= 10.24 kmol = 10.24 x 18 = 184.32 Kg
5. Nkeluar O2 = Nmasuk O2 – ½ x1 – ½ x2 = (0.21 x 90kmol) – (½ x 9.84 kmol) – (½ x 0.4 kmol) = 13.78 kmol = 13.78 x 32 = 440.96 Kg
6. Nkeluar CO = 0 + x2 = 0.4 kmol = 0.4 x 28 = 11.2 Kg
7. Nkeluar CH3OH
= (100 – 98.4) x 10 kmol CH3OH = 0.16 kmol 100 = 0.16 x 32 = 5.12 Kg
8. Nkeluar CH2O = 9.44 kmol = 9.44 x 30 = 283.2 Kg Neraca Komponen Di Reaktor Bobot Molekul
N. Massa masuk
N. Massa Keluar
(BM)
( Kmol x BM)
( Kmol x BM)
CH3OH
32
320
5.12
CH2O H2O CO N2 O2 Total
30 18 28 28 32
1990.8 604.8 2915.6
283.2 184.32 11.2 1990.8 440.96 2915.6
Komponen
Neraca Overall Di Reaktor
KOMPONEN
MASUK FRESH FEED Metanol
DARI MIXER
KELUAR DARI REAKTOR
ALIRAN N2 O2 CO CH2O H2O CH3OH TOTAL
2
3 1990.8 604.8 8.96 4.5312
3.1890 318.9044 1.0956 322.0934 2610.1868 2932.2802
4 1990.8 440.96 20.16 287.7312 187.509 5.12 2932.2802
Didapatkan hasil produk yang dihasilkan adalah 750.0973 Kg/Jam dari basis bahan baku CH3OH 10 Kmol/Jam dan udara ditambahkan excess 90 kmol/jam. Untuk memenuhi kebutuhan sebanyak 50.000 ton/tahun perlu dihitung faktor koreksinya. Basis waktu operasi
= 1 jam operasi
Hari kerja dalam setahun
= 330 hari
Jam kerja dalam sehari
= 24 jam
Kapasitas produksi formaldehid = 50.000 ton/tahun ton
kg
1 tahun
1 hari
= 50000 tahun x1000 ton x 330 hari x 24 jam
Flow massa
= 6313,13 kg/jam Faktor koreksi
= 6313.13 Kg/Jam 750.0973 Kg/Jam
= 8.42 Jadi angka perhitungan di neraca massa over all selanjutnya disajikan dalam tabel setelah dikalikan faktor koreksi 8.42 dan digunakan selanjutnya untuk perhitungan neraca energi dan spesifikasi alat. Berikut hasil perhitungan neraca massa yang sudah dikalikan dengan faktor (8,42)
Neraca massa overall reaktor KOMPONEN
MASUK FRESH FEED DARI
KELUAR DARI REAKTOR
ALIRAN N2 O2 CO CH2O H2O CH3OH TOTAL
Metanol 2
MIXER 3 16762.536 5092.416 75.4432 38.152704
26.85138 2685.175048 9.224952 2712.026428 21977.77286 24689.79928
4 16762.536 3712.8832 169.7472 2422.696704 1578.82578 43.1104 24689.79928
