Sintesis Proses Dari Vinil Klorida

Sintesis Proses dari Vinil Klorida (Vinyl Chloride / C2H3Cl)

Vinil klorida atau kloroetilena merupakan bentuk monomer intermediet untuk produksi polivinil klorida (polyvinyl chloride / PVC), bentuk plastik kaku yang sering digunakan sebagai bahan pipa, fitting, dan produk sejenis lainnya. Monomer vinil klorida bersifat sangat beracun, oleh karena itu baik proses pembuatan vinil klorida maupun plant industri yang berproduksi harus dirancang secara hati-hati untuk memenuhi ketetapan peraturan kesehatan dan keamanan.

Langkah 1 : Eliminasi Perbedaan Tipe Molekular Cara-cara reaksi pembuatan vinil klorida: 1. Klorinasi Langsung dari Etilena C2 H 4  Cl 2  C2 H 3Cl  HCl

....(1)

Reaksi (1) terjadi pada suhu beberapa ratus derajat Celcius, namun tidak dapat menghasilkan yield vinil klorida yang tinggi tanpa terbentuknya produk samping yang besar secara simultan, yaitu dikloroetilena. Kerugian lain, satu dari dua atom klorin yang mahal terkonsumsi membentuk produk samping hidrogen klorida (HCl), yang tidak boleh dijual dengan mudah.

Tabel 1. Reaktan-reaktan kimia yang dapat bereaksi membentuk vinil klorida Bahan Kimia Berat Molekul Rumus Kimia Struktur Kimia (BM) Asetilena 26,04 C2H2 Klorin 70,91 Cl2 1,2-Dikloroetana 98,96 C2H4Cl2

Etilena

28,05

C2H4

Hidrogen Klorida Vinil Klorida

36,46 62,50

HCl C2H3Cl

2. Hidroklorinasi Asetilena C2 H 2  HCl  C2 H 3Cl

...(2)

Reaksi (2) bersifat eksotermal. Konversi vinil klorida yang dihasilkan bagus (98%) pada suhu 150oC dengan adanya katalis merkuri klorida (HgCl2) yang terkandung dalam karbon aktif pada tekanan atmosfer. Kondisi reaksi cenderung moderat, sehingga diperlukan studi lebih lanjut.

3. Thermal Cracking dari Dikloroetana pada Reaksi Klorinasi Etilena C 2 H 4  Cl 2  C 2 H 4 Cl 2

...(3)

C 2 H 4 Cl 2  C 2 H 3Cl  HCl C 2 H 4  Cl 2  C 2 H 3Cl  HCl

...(4) (overall )

...(1)

Total reaksi (3) dan (4) sama dengan reaksi (1). Cara reaksi 3 berisi dua langkah ini memberi keuntungan, yaitu konversi etilena menjadi 1,2-dikloroetana pada reaksi eksotermik (3) sekitar 98% pada 90oC dan 1 atm, dengan katalis Friedel-Crafts berupa ferri klorida (FeCl3). Kemudian intermediet dikloroetana dikonversi menjadi vinil klorida dengan thermal cracking berdasarkan reaksi endotermik (4), disebut reaksi pirolisis, yang terjadi secara spontan pada suhu 500oC dengan konversi setinggi 65%. Secara reaksi keseluruhan (overall) memperkirakan semua dikloroetana yang tak bereaksi di-recycle. Cara ini secara positif tidak membentuk dikloroetana dalam jumlah signifikan, namun kerugian terdapat pada produksi HCl sesuai cara reaksi 1.

4. Thermal Cracking dari Dikloroetana pada Reaksi Oksiklorinasi Etilena

C 2 H 4  2HCl  C 2 H 4 Cl 2 C 2 H 4  HCl 

1 O 2  C 2 H 4 Cl 2  H 2 O 2  C 2 H 3Cl  HCl 1 O 2  C 2 H 3Cl  H 2 O 2

...(5) ...(4) (overall )

..(6)

Pada reaksi (5), yaitu etilena di-oksiklorinasi membentuk 1,2-dikloroetana, HCl ialah sumber klorin. Reaksi sangat-eksotermis ini dapat mencapai konversi 95% dari etilena mejadi dikloroetana pada 250oC dengan adanya katalis tembaga (II) klorida (CuCl2), dan merupakan pilihan reaksi paling baik apabila harga HCl rendah. Seperti cara reaksi 3, dikloroetana dipecah (cracked) menjadi vinil klorida dengan cara pirolisis.

5. Proses Seimbang untuk Klorinasi Etilena

C 2 H 4  Cl 2 C 2 H 4  2HCl  2C 2 H 4 Cl 2 2C 2 H 4  Cl 2 

 C 2 H 4 Cl 2

...(3)

1 O 2  C 2 H 4 Cl 2  H 2 O 2  2C 2 H 3Cl  2HCl

...(5) ...(4)

1 O 2  2C 2 H 3Cl  H 2 O (overall ) ..(6) 2

Cara reaksi ini mengombinasikan reaksi (3) dan (4). Keuntungan dari cara reaksi 5 ialah dapat mengonversi kedua atom dari molekul klorin menjadi vinil klorida. Semua HCl yang diproduksi pada reaksi pirolisis terkonsumsi pada reaksi oksiklorinasi.

Tabel 2. Perkiraan Biaya Bahan Kimia yang Dibeli atau Dijual dalam Jumlah Besar Bahan Kimia Biaya (sen/lb) Etilena 18 Asetilena 50 Klorin 11 Vinil klorida 22 Hidrogen klorida 18 Air 0 Oksigen (udara) 0 Berdasarkan informasi yang didapat, perkiraan jelas bahwa tim desain akan menolak (reject) cara reaksi 1 pada dasar selektivitas rendah dengan adanya reaksi saingan yang memproduksi produk samping yang tidak diinginkan. Sehingga reaksi-reaksi yang lain dapat menjadi pertimbangan dan diseleksi berdasarkan harga. Walaupun terlalu awal untuk memperkirakan biaya peralatan dan operasinya, sebelum operasi-operasi proses berlanjut, tim desain umumnya menentukan gross profit / laba bruto (misal: keuntungan mengurangi biaya peralatan dan operasi) untuk setiap cara reaksi. Gross profit digunakan sebagai alat untuk menyisihkan cara-cara reaksi yang tidak menguntungkan. Data harga representatif dari bahan-bahan kimia utama dalam pembuatan vinil klorida ditunjukkan pada Tabel 2. Gross profit dihitung sebagai pendapatan turunan dari penjualan produk utama dan produk samping dikurangi dengan biaya bahan baku. Misal dalam cara reaksi 3, mengacu pada Tabel 1 dan Tabel 2: Mol (lbmol) Berat Molekul Berat (lb) lb/lb vinil klorida Harga (sen/lb)

C2H4 + Cl2  1 1 28,05 70,91 28,05 70,91 0,449 1,134 18 11

C2H3Cl 1 62,50 62,50 1 22

+

HCl 1 36,46 36,46 0,583 18

Gross profit-nya adalah: 22(1) + 18(0,583) – 18(0,449) – 11(1,134) = 11,94 sen/lb vinil klorida. Hasil perhitungan gross profit reaksi keseluruhan (overall) pada semua cara reaksi, dengan asumsi konversi sempurna dapat tercapai tanpa adanya reaksi samping, ditampilkan pada Tabel 3. (reaksi samping tidak ditampilkan) Tabel 3. Gross Profit Produksi Vinil Klorida (Berdasarkan Harga Bahan Kimia pada Tabel 2) Cara reaksi Reaksi keseluruhan Gross profit (sen/lb vinil klorida) 2 C2H2 + HCl = C2H3Cl -9,33 3 C2H4 + Cl2 = C2H3Cl + HCl 11,94 4 C2H4 + HCl + ½O2 = C2H3Cl + H2O 3,42 5 2C2H4 + Cl2 + ½O2 = 2C2H3Cl + H2O 7,68 Untuk cara reaksi 2 memiliki gross profit negatif, bahkan belum termasuk biaya kapital (untuk konstruksi plant, pembelian tanah, dan sebagainya). Hal ini disebabkan asetilena berharga lebih mahal daripada etilena. Didukung dengan harga HCl yang relatif mahal, sehingga vinil klorida tidak diproduksi dengan cara reaksi 2 yang merugikan. Perlu dicatat bahwa harga HCl sangat peka terhadap ketersediaannya dalam kompleks petrokimia. Beberapa situasi menyebutkan bahwa HCl didapat dalam jumlah banyak sebagai produk samping dari proses lainnya pada harga rendah. Apabila harga HCl turun cukup banyak, cara reaksi 2 bisa menghasilkan gross profit positif, namun masih kurang menguntungkan daripada ketiga reaksi (etilena). Jadi apabila semua reaksi memiliki gross profit positif, dilihat manakah yang lebih menguntungkan. HCl juga sangat berperan pada gross profit cara reaksi 3, 4, dan 5. Sebelum meneruskan sintesis produk, tim desain akan diminta untuk memeriksa bagaimana gross profit dapat bervariasi dengan adanya harga HCl. Langkah pertama menuju pembuatan flowsheet dari cara reaksi 3 ini ditunjukkan pada Gambar 1. Reagen ‘sumber’ dan ‘penerima’ (sources and sinks) tidak ditunjukkan karena mereka bergantung pada distribusi bahan kimia, langkah berikut dari sintesis proses. Laju sumber dan penerima luar dihitung dengan perkiraan sumber etilena dan klorin terkonversi sempurna menjadi penerima vinil klorida dan hidrogen klorida. Dalam hal ini, laju kapasitas produksi menjadi kunci keputusan yang penting untuk mengatur skala proses. Pada kasus, kapasitas laju alir vinil klorida 100.000 lb/jam (~800 juta lb/tahun, perkiraan operasi tahunan 330 harifaktor operasi sebesar 0,904) dijalankan sesuai pernyataan primitive problem pada Section 1.2. Dengan diketahui laju alir produk (bahan penerima utama dalam proses), laju alir penerima HCl dan sumber bahan baku dapat dihitung dengan asumsi bahan baku terkonversi menjadi produk berdasarkan pada reaksi keseluruhan. Bahan baku yang tidak bereaksi dipisahkan dari produk reaksi dan di-recycle.

Flowsheet yang mirip untuk cara reaksi 4 dan 5 diperlukan untuk melengkapi langkah 1 dari sintesis. Dan langkah-langkah semua cara reaksi dipresentasikan dalam satu pohon sintesa (synthesis tree). (total ada lima langkah)

Gambar 1. Operasi reaksi untuk thermal cracking dikloroetana dari klorinasi etilena (cara reaksi 3). Langkah 2 : Penyebaran zat kimia Pada tahap ini akan membahas pemasukan dan pengeluaran dari setiap zat kimia pada gambar 3.5 yang disesuaikan sehingga laju alir massa (mass flow) keseluruhan yang masuk reaktor sama dengan laju alir massa yang keluar. Pada gambar 3.5, etilen dan klorin masuk ke dalam reaktor klorinasi yang beroperasi pada suhu 90oC dan tekanan 1,5 atm. Diasumsikan bahwa etilen dan klorin masuk ke reactor dengan perbandingan stoikiometri yaitu 1:1 sesuai reaksi 3.3. Karena bahan baku sudah memiliki perbandingan yang sama dan tidak ada perbedaan laju alir antar pemasukan dan pengeluaran maka tidak diperlukan pengaduk/mixer. Sehingga, laju alir total yang masuk ke reaktor klorinasi = laju alir klorin + laju alir etilen = 113.400 lb/hr + 44900 lb/hr = 158300 lb/hr laju alir total yang keluar dari reaktor klorinasi = laju alir dikloroetana = 158300 lb/hr. Selanjutnya, dikloroetana hasil reaktor klorinasi masuk ke reaktor pirolisis yang beroperasi pada suhu 500oC dan tekanan 26 atm. Pada pirolisis ini, hanya 60% dikloroetana yang dikonversi ke vinil klorida dengan hasil samping HCl. Konversi ini tidak lebih dari 65% yang merupakan patent. Berdasarkan perhitungan diatas, diketahui bahwa laju alir keluar reaktor klorinasi yang berarti masuk ke reaktor pirolisis adalah 158300 lb/hr. Untuk memenuhi keseimbangan neraca massa keseluruhan harus dihasilkan 100.000 lb/hr vinil klorida dan 58300 produk samping HCl. Tetapi, dengan konversi 60%, hanya dapat dihasilkan 60.000 lb/hr vinil klorida. Oleh karena itu, diperlukan penambahan bahan baku reaktor pirolisis yaitu dikloroetana.

Penambahan dikloroetana dihitung melalui neraca massa =

1−0,6 0,6

𝑙𝑏

𝑙𝑏

× 158.300 ℎ𝑟 = 105.500 ℎ𝑟.

Laju alir 105.500 lb/hr ini adalah laju alir recycle dikloroetana keluaran reaktor pirolisis yang tidak membentuk vinil klorida. Sehingga, Laju alir total yang masuk ke reaktor pirolisis adalalah = laju alir dikloroetana hasil klorinasi + laju alir dikloroetana recycle =

158300 lb/hr

+ 105.500 lb/hr

= 263.800 lb/hr. Laju alir total yang keluar dari reaktor pirolisis adalah = laju alir vinil klorida + laju alir HCl + laju alir dikloroetana recycle = 100.000 lb/hr

+ 58300 lb/hr + 105.500 lb/hr

= 263.800 lb/hr. Hasil dari operasi pirolis adalah vinil klorida sebagai produk, HCl sebagai produk samping, dan recycle dikloroetana.

Gambar 3.5 Flowheet yang menunjukkan penyebaran zat kimia selama thermal cracking dikloroetana dari klorinasi etilen. Pada gambar 3.5 dapat dilihat bahwa pada operasi klorinasi menghasilkan banyak sumber enerdi yaitu 150 juta BTU/hr tetapi dengan suhu yang rendah yaitu 90oC. Sedangkn operasi pirolisis membutuhkan energy lebih sedikit yaitu 52 juta BTU/hr namun dengan suhu yang tinggi yaitu 500oC. Karena panas yang dihasilkan saat klorinasi tidak mampu digunakan untuk menaikkan suhu suhu saat pirolisis, maka dibutuhkan sumber energi lain. Untuk tekanan pada operasi reaksi, 1,5 atm dipilih untuk tekanan operasi klornasi untuk mencegah adanya udara masuk ke dalam reaktor. Pada tekanan atmosferik, udara dapat masuk kedalam reaktor dan membentuk konsentrasi yang cukup besar hingga melebihi batas flammabilitynya. Untuk operasi pirolisis, tekanan 26 atm direkomendasikan oleh patent B. F. Godrich (1963). Karena reaksinya searah, peningkatan suhu tidak akan berpengaruh terhadap

konversi. Kebanyakan, patent merekomendaikan tekanan 26 atm ini untuk mempercepat laju reaksi dan untuk mengurangi ukuran reaktor pirolisis walaupun konstruksi reaktor pirolisis harus memiliki dinding yang tebal dan dilengkapi dengan alat-alat precautions.

Langkah 3 : Menghilangkan Beda Komposisi (Proses Separasi) Proses separasi merupakan salah satu unit operasi dalam sebuah industri yang memiliki untuk memisahkan produk utama dari bahan kimia lain sampai dicapai produk yang sesuai dengan spesifikasi yang telah ditentukan. Berdasarkan gambar 3.5 terdapat tiga aliran keluaran bahan kimia, yaitu aliran produk vinyl klorida, aliran produk samping HCl, dan aliran umpan recycle 1,2-dichloroethane. Ketiga bahan kimia ini merupakan produk hasil thermal cracking (pirolisis) 1,2-dichloroethane. Proses separasi yang digunakan untuk memisahkan campuran ketiga bahan ini adalah destilasi. Berdasarkan gambar 3.6, rancangan proses separasi dalam diagram alir menggunakan dua menara destilasi yang disusun secara seri.

Gambar 3.6 Flowsheet termasuk operasi pemisahan untuk proses vinil klorida Proses destilasi dipilih karena ketiga bahan kimia memiliki perbedaan volatilitas yang cukup jauh. Hal ini dapat dilihat berdasarkan data titik didih dalam tabel 3.4.

Pada kolom destilasi pertama dilakukan pemisahan HCl sedangkan di kolom kedua dilakukan pemisahan vinyl klorida. Proses pemisahan pada kolom detilasi pertama dilakukan pada tekanan 12 atm mengikuti rekomendasi B.F Goodrich. Pada kondisi ini HCl mendidih pada suhu -26,2oC dan dihasilkan vinyl chloride dan dichloroethane sebagai produk bawah. Pada menara destilasi ke dua proses destilasi dilakukan pada kondisi tekanan sebesar 4,8 atm dengan hasil produk destilat (vinyl chloride hampir murni) mendidih pada suhu 33oC dan dapat terkondensasi dengan air pendingin pada suhu 25oC sedangkan 1,2-dichloroethane sebagai produk bawah yang mendidih pada suhu 146oC akan digunakan sebagai umpan yang dicampur dengan produk diklorinasi. Beberapa pilihan operasi proses pemisahan lainnya, yaitu memisahkan sedikit mungkin senyawa volatil dichloroethane pada kolom pertama dan memisahkan HCl pada kolom kedua, atau dapat digunakan kolom tunggal dengan aliran utama adalah produk vinyl klorida. Proses pemisahan HCl menggunakan absorpsi air pada tekanan 1 atm dan aliran uap vinyl klorida dan dichloroethane dapat dipisahkan menggunakan destilasi.

Langkah 4 : Mengeliminasi perbedaan suhu, tekanan, dan fase.

Gambar 3.7 Flowsheet dengan peubahan suhu, tekanan, dan fasa operasi pada proses pembentukan vinil klorida Langkah 4 merupakan pengembangan dari langkah 3 dengan penambahan keterangan adanya perubahan temperature, tekanan, dan fase selama proses operasi. Terjadinya perubahan temperature, tekanan, dan fase selama proses operasi dimaksudkan untuk

menyesuaikan perancangan alat operasi agar memenuhi spesifikasi kerjanya. Pada dasarnya operasi yang terjadi setelah klorinasi adalah proses pirolisis kemudian diseparasi untuk mendapatkan C2H3Cl murni sehingga terdapat dua alat operasi utama yaitu alat pirolisis dan alat separasi. Operasi dimulai dengan proses klorinasi C2H4 menghasilkan C2H4Cl2 pada suhu 90oC dan tekanan 1,5 atm. Untuk mendapatkan C2H3Cl diperlukan operasi pirolisis, karenanya perlu dilewatkan alat operasi pirolisis dengan spesifikasi : bahan masuk berupa gas, pada suhu 500oC dan tekanan 26 atm karenanya dilakukan beberapa operasi untuk mengubah C2H4Cl2 cair 90oC 1,5 atm menjadi C2H4Cl2 gas 500oC dan tekanan 26 atm. Operasi yang pertama dilakukan adalah menaikkan tekanan dari 1,5 atm menjadi 26 atm. Operasi penaikan tekanan ini berdampak naiknya suhu menjadi 112oC. Dilanjutkan operasi menaikkan suhu menjadi 242oC agar terjadi perubahan fase C2H4Cl2 menjadi gas. Terbentuklah C2H4Cl2 26 atm 242oC sehingga memungkinkan terjadi perubahan fase menjadi gas. Agar C2H4Cl2 gas dapat dipirolisis harus dinaikkan suhunya agar memenuhi spesifikasi alat pirolisis menjadi 500oC karenanya dilakukan proses penambahan panas. Setelah memenuhi spesifikasi yang diinginkan alat, maka C2H4Cl2 gas dipirolisis menghasilkan C2H3Cl sebanyak 100.000 lb/hr, HCl sebanyak 58.300 lb/hr, dan C2H4Cl2 sebanyak 105.500lb/hr. Dalam rangka memenuhi spesifikasi alat separasi, senyawa-senyawa hasil pirolisis akan diubah suhunya hingga mencapai Dew point gas menjadi liquid sehingga tercapai pada buble point yang dapat diterima alat separasi. Operasi separai pertama dilakukan dalam rangka memisahkan HCl kemudian masuk ke alat separasi kedua untuk memisahkan C2H4Cl2 dan produk yang diinginkan yaitu C2H3Cl. C2H4Cl2 hasil pemisahan kemudian direcycle kembali dengan cara menyesuaikan suhu operasinya yang telah berubah. C2H4Cl2 yang telah diubah suhunya dapat kembali digunakan untuk menghasilkan produk dengan proses operasi sebagaimana sebelumnya.

Langkah 5 : Proses Integrasi Langkah 5 merupakan gambaran besar dari seluruh proses, setelah dilakukan langkah 4 yaitu menghilangkan perbedaan suhu, C2H4Cl2 masuk ke dalam kolom disitilasi. Pada kolom distilasi C2H4Cl2 dipisahkan menjadi Cl2 dan C2H4, yang mana nanti pengotornya akan masuk ke dalam Reaktor Klorinasi. C2H4Cl2 cair akan dialirkan ke pompa yang mengubah tekanannya yang dari 1,5 atm menjadi 26 atm. Lalu setelah spesifikasi bahan sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan, C2H4Cl2 masuk ke dalam evaporator untuk diupkan menjadi suhu 242⁰C. Setelah itu masuk ke dalam langkah pirolisis furnish yang mana disini suhu

dinaikan menjadi 500⁰C dan tekanan masih tetap yaitu 26 atm. Hasil dari pirolisis masuk ke dalam tangki Spray Quench, di tangki dilakukan proses pendinginan. Yang mana uap dari C2H4Cl2 akan mengisi ruang kosong uap dan H2O hasil pendinginan akan masuk kedalam Cooling Tower. C2H4Cl2 akan keluar dari Spray Quench Tank pada suhu 170⁰C dan akan masuk ke dalam condenser untuk diubah fasenya. Setelah melalui Kondenser C2H4Cl2 akan diumpankan ke kolom distilasi untuk dipisahkan menjadi HCl yang merupakan produk samping dan C2H3Cl menjadi produk utama.

TUGAS PERANCANGAN PRODUK DAN PROSES KIMIA

LANGKAH-LANGKAH OPERASI PEMBUATAN VINIL KLORIDA

DISUSUN OLEH : APRILIA LAILA FAJRIN

(21030112130049)

BRAMANTYA BRIAN SUWIGNJO (21030112140169) DANUGRA MARTANTYO

(210301121300..)

HARI WISNU MURTI

(210301121300..)

NUGRAHENI DWIANDINI

(21030112130118)

FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2015