TEKNOLOGI PEMBUATAN CARBON BLACK 1
Santika (3335150064), (3335150064), 2 Anita Diyanah (3335150060)
1
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
2
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa Jl. Jenderal Jenderal Sudirman Sudirman Km.3 Cilegon Cilegon 42435 *Email : Santika1603@ Santika1603@gmail gmail.com .com
1. Pendahuluan
Carbon Black adalah suatu Klorida yang terbentuk oleh penguraian thermis
(thermal decompotition) dari Hydrocarbon berbentuk cair dan gas. Hampir seluruhnya Carbon Black terdiri dari Carbon dan mengand mengandung ung sediki sedikitt beberapa beberapa material material seperti Hidrogen, Hidrogen, Oksigen dan lainya lainya (Nursiera, (Nursiera, 2011). Carbon Black juga merupakan produk antara jalur gas sintetik yaitu senyawa dengan rumus molekul C dengan berat molekul 12 gr/mol, dan memiliki struktur bangun seperti yang ditunjukan Gambar 1.
Gambar 1. Struktur Bangun Atom Karbon.
Kualitas Carbon Black dipengaruhi oleh ukuran partikel, surface area, dan pH. Penelitian mengungkapkan bahwa lebih kecil partikel Karbon hitam yang memberikan memberikan kualitas kualitas ketahanan ketahanan abrasi yang lebih lebih baik bila dibandingkan dibandingkan dengan partikel yang lebih besar. Apabila dilihat dari segi strukturnya, Carbon Black terdiri atas tiga struktur, yaitu: low structure, moderate structure, dan high structure. Struktur yang rendah memiliki memiliki diameter partikel partikel yang cenderung besar dengan susunan antar partikelnya partikelnya
cukup renggang satu sama lain. Perbedaan struktur inilah yang nantinya membedakan aplikasi dari penggunaan Carbon Black itu sendiri. Carbon Black dapat diproduksi melalui reaksi oksidasi parsial dan dekomposisi
thermal dari Hidrokarbon cair maupun gas. Reaksi yang terjadi pada oksidasi parsial meliputi tiga langkah sebagai berikut.
Gambar 2. Reaksi Oksidasi Parsial dan Dekomposisi Thermal Dari Hidrokarbon
Cair Maupun Gas. Seiring dengan perubahan zaman, proses produksi Carbon Black telah berkembang sehingga menghasilkan Carbon Black dengan berbagai ukuran, sifat, struktur, kemurnian, dan proses pembuatan. Bahan baku Carbon Black itu sendiri adalah Decant Oil Hidrokarbon (primary feedstock) dan Methane (secondary feedstock). Berikut ini merupkan penjelasan proses produksi Carbon Black yang
telah diperkenalkan di pasar: a. Channel Black
Proses ini dirancang pada tahun 1872. Umpan (gas alam) dibakar dengan jumlah udara yang terbatas. Reaksi yang terjadi adalah : CH4 CH4
+ 2O2
CO2
+
2H2O∆ H = -799 kJ
C
+
2H 2 ∆H = 92 kJ
Proses ini menghasilkan Carbon Black tidak lebih dari 5%, sehingga sudah ditinggalkan.
b. Thermal Black
Menggunakan gas alam, terutama terdiri dari Ethane atau minyak aromatik berat, sebagai bahan baku. Proses menggunakan sepasang tungku alternatif yang kira-kira setiap lima menit antara preheating dan produksi karbon hitam. Gas alam disuntikkan ke tungku api tahan panas berjajar, dan dengan tidak adanya udara, panas dari refraktori mengurai gas alam menjadi karbon hitam dan Hidrogen. Aliran dari materi aerosol dipadamkan dengan semprotan air dan disaring di sebuah bag house. Karbon hitam yang keluar dapat diproses lebih lanjut untuk menghilangkan kotoran, pelletized , disaring, dan kemudian dikemas untuk pengiriman. Hidrogen off-gas dibakar di udara untuk panaskan tungku kedua. Reaksi yang terjadi pada suhu 650 oC – 750 oC adalah : Reaksi oksidasi : 5CH4
+ O2
C2H2 + 6H2O + 6H 2 + 3CO
Reaksi pirolisis : C2H2
2C + H2
c. Acetyline Black
Menggunakan asetilena dan mengalami proses yang sama dengan proses termal, kecuali bahwa karbon hitam tidak diubah menjadi pelet. d. Furnace Black Furnace Black menjadi yang paling umum.
Furnace Black process
menggunakan minyak berat berbasis Aromatik dan minyak ringan sebagai umpan. Residual gas, atau tail gas dari reaktor furnace mengandung berbagai jenis gas misalnya Karbon Monoksida dan Hidrogen. Banyak pabrik furnace black menggunakan residual gas ini untuk memproduksi panas, steam atau
sebagai pembangkit listrik (Nursiera, 2011). Sifat–sifat fisis dan kimia yang terpenting dari Carbon Black sehubungan dengan proses pembuatanya ditunjukan pada Tabel 1 dan Tabel 2, dan Tabel 3 menunjukan nama komersial dari Carbon Black .
Tabel 1. Sifat Fisika Carbon Black (Nursiera, 2011).
Dilihat Dari
Sifat Fisika
Diameter partikel
400 Ao - 500 Ao
Surface area
40-50 m /gr N2 adsorption
pH (derajat keasaman)
8 –9
Oil Absorption
0,9 – 1,1 cm /gr
Kekuatan Pewarnaan
150% - 180% (skala FF)
Tabel 2. Sifat Kimia Carbon Black (Nursiera, 2011).
Dilihat Dari
Sifat Kimia
Formula
C
Berat molekul
12 gr/mol
Warna
Hitam
Bentuk
Solid, amorphous ( tidak beraturan)
Specific grafity
1,8 – 2,1 gr/cm
Melting point
> 3500 oC
Boiling point
4200 oC
Solubility, water
tidak larut
Tabel 3. Nama Komersial dari Carbon Black .
Chemical Name Synonyms
Carbon Black Acetylene Black, Channel Black, Furnace Black, Gas Black, Lampblack, Thermal Black
CAS Name
Carbon Black
CAS Registry Number
1333-86-4
Chemical (Moleculer)
C
Formula
Carbon Black memiliki sifat-sifat umum yang dimanfaatkan untuk blending
diantaranya karena berwarna hitam, kuat, dan mempunyai konduktivitas termal cukup tinggi. Sifat-sifat Carbon Black ini dimanfaatkan manusia sebagai bahan blending untuk karet, plastik, kertas, dll. Dibawah ini adalah pemakaian Carbon Black dalam berbagai industri diuraikan sebagai berikut :
a) Karet Pemakainan Carbon Black sebagai suatu pengeras (reinforcement ) yang memperbaiki sifat-sifat karet yang dikehendaki. b) Tinta Lebih kurang separuh dari konsumsi Carbon Black untuk tinta dipakai untuk pembuatan surat kabar. c) Cat dan pigmen Ada tiga grade Carbon Black yang dipakai dalam preparasi cat, pernis, email dan lain-lain, yaitu hight, medium dan standart color . Standart grade umumnya dipakai dalam industri cat, medium grade digunakan dalam industri email. d) Plastik Penambahan Carbon Black dalam industri plastik adalah sebagai pemberi warna dan proteksi dari degradasi matahari. Dalam industri kabel listrik dari Polyethylene Carbon Black berfungsi untuk memperpanjang proses deteorisasi.
e) Kertas Bermacam - macam Black paper diproduksi oleh industri – industri kertas seperti album paper , kulit karton, kertas bungkus, opaque black paper untuk film photographic dan black tape (pita hitam) untuk kabel isolasi (Nursiera, 2011).
2. Pembahasan
Pada paper ini akan dibahas dua teknologi proses terkait proses pembuatan Carbon Black yaitu proses pembuatan dengan oil furnace (furnace black ) dan
dengan thermal black . a. Proses Oil Furnace
Proses oil furnace mencakup 90% dari total produksi Carbon Black di seluruh dunia. Proses oil furnace secara umum adalah minyak panas, bahan bakar gas, dan udara dengan temperatur tinggi diinjeksikan ke dalam reaktor untuk reaksi pembakaran gas dengan temperatur tinggi. Oil umpan diatomisasi dengan cara melakukan pembakaran dengan udara pada temperatur tinggi untuk memproduksi Carbon Black . Selanjutnya, air pendingin diatomisasi untuk mengehentikan reaksi pembentukan Carbon Black .
Gambar 3. Diagram Proses Oil Furnace Pada Pembuatan Carbon Black
Diagram alir dari manufaktur Carbon Black dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 4. Diagram Alir dari Manufaktur Carbon Black .
Proses ini memiliki dua konsep dasar. Pertama, bahan baku karbon dikonversi dari cairan ke gas (asap) oleh panas dan proses pembakaran tidak sempurna. Kedua, gas (asap) dari pembakaran tidak sempurna akan dikonversi menjadi padat (Carbon Black ) dengan proses penyaringan dan proses pengeringan. Teknologi ini menggunakan air sebagai peran kunci untuk memberhentikan reaksi dalam pembakaran parsial dan ekstraksi Carbon Black . Penjelasan mengenai alat, kondisi proses, dan proses yang terjadi akan dijelaskan berikut ini: 1. Reaktor Pembakaran Minyak Feedstock dipompa dari tangki penyimpanan ke dalam tungku reaksi melalui minyak pra-pemanas ( pre-heater ) hingga suhu 400 °C. Pada saat yang sama, udara pembakaran juga dipanaskan dan dipasok ke tungku reaksi. Pemanasan awal bahan baku baik minyak dan udara menjadi energi panas yang tinggi, hal ini bertujuan yield produk yang diperoleh tinggi. Minyak Feedstock kemudian dibakar dalam reaktor bersamaan dengan udara dan gas pada suhu 1400 °C. Pada tahap ini, minyak mengalami proses pembakaran dan Cracking sehingga membentuk Karbon dan Hydrogen : Reaksi pembakaran: C20H42 + 61 O2 → 20 CO 2 + 21 H2O Reaksi perengkahan: C20H42 → 20 C + 21 H 2 Keluaran dari reaktor pembakaran ini adalah partikel Carbon Black dalam bentuk kabut hitam. Reaksi ini menghasilkan konversi 55% dari feed proses menjadi Carbon Black . 2. Reaktor Quench
Air dari jet diinjeksi untuk mendinginkan kabut Carbon Black untuk menurunkan suhu yang berfungsi menghambat pembakaran sempurna di dalam tungku reaksi, sehingga bentuknya berubah menjadi partikel halus Carbon Black . Pada tahap ini, suhu diturunkan menjadi 1000 °C. Carbon
Black dan produk gas sisa, terbentuk dalam langkah ini di zona pendinginan.
Gas buang entraining partikel karbon selanjutnya didinginkan sampai sekitar 230 °C oleh bagian melalui penukar panas dan semprotan air secara langsung. Gas yang telah didinginkan pada tahap ini disebut dengan “Process Gas” yang memiliki kandungan moisture 48%. 3. Heat Exchanger
“Process Gas” harus didinginkan, sehingga Process gas melewati Heat Exchanger untuk mengalami proses pertukaran panas. Heat Exchanger
menerima energy/ panas dari aliran process gas, dimana panas tersebut di recycle dan dialirkan ke reaktor natural gas yang digunakan untuk
pemanasan natural gas pada feedstock . Process gas dialirkan kedalam tube yang memiliki luas permukaan yang besar, Process gas dialirkan keatas dalam tube, dan cairan dialirkan kebawah diluar dari tube mengikuti prinsip gravitasi, sehingga terjadi kontak antara liquid dengan cairan yang mengakibatkan suhu proses gas turun hingga mencapai 500°C. Sedangkan, suhu operasi HE adalah 1800°C, dan air yang meninggalkan HE setelah kontak dengan proses gas keluar Heat Exchanger pada suhu 1500°C. 4. Bag Collector
Pada tahap ini, gas process akan dialirkan ke Bag Collector yang memiliki 300 pipa kecil yang berada di dalam Bag Collector . Pipa-pipa kecil ini bertujuan untuk memperbesar luas permukaan agar partikel kecil yaitu Carbon Black dapat terkumpul. Partikel Carbon Black ini terkumpul pada
permukaan luar pipa-pipa kecil di dalam Bag Collector , dalam waktu yang bersamaan gas akan terus mengalir melewati pipa-pipa kecil tersebut menuju ke atas Bag Collector . 5. Carbon Black disaring kemudian ditransfer ke pelletizers basah untuk
meningkatkan densitas bulk. Jumlah air dan Carbon Black dicampur dengan rasio yang tepat, kemudian pelet basah dikeringkan dalam pengering rotary , yang dipanaskan oleh pembakaran gas sisa. 6. Pelet dikeringkan kemudian disampaikan ke tangki penyimpanan produk
atau di dalam kantung penyimpanan.
Limbah utama dari proses ini akan dihasilkan sebagai gas sisa ( off gas) yang berasal dari filter bags. Gas sisa berisi beberapa produk karbon pakan pembakaran saham seperti karbon monoksida (CO), sulfur dioksida (SO2), nitrogen oksida (NOx), hidrogen (H2), nitrogen (N2), uap dan panas. Proporsi bahan gas off tergantung pada jenis bahan baku karbon, karena gas off mengandung panas tingkat tinggi, maka didaur ulang untuk proses pembuatan steam. Uap opsional akan digunakan untuk pembangkit listrik atau dijual untuk
industri lain. Spesifikasi bahan baku untuk proses ini adalah sebagai berikut: 1. Residual Oil Residual oil adalah sisa pengolahan minyak bumi yang kental dan
tertinggal setelah fraksi-fraksi bernilai tinggi diambil dari minyak itu. Tabel 4. Komponen Residual Oil.
Komponen C
H2
S
O2
N2
Total 100
% Berat
87,75 10,49 0,84
0,64
0,28
Ar
12
32
28
2
32
Sifat Residual oil : a. Molekular Formula : C20H42 b. Warna : hitam atau coklat gelap c. Bentuk : cairan kental atau semi padat d. Specific Grafity : 0,93 – 1 e. Flash Point : 60 oC f. Digunakan untuk : Fuel, carbon black 2. Udara Udara dimana di dalamnya terkandung sejumlah Oksigen, merupakan komponen esensial bagi kehidupan, baik manusia maupun makhluk hidup lainnya. Udara merupakan campuran dari gas, yang terdiri dari sekitar 79 % Nitrogen, 21 % Oksigen.
b. Proses Thermal Black
Proses ini ditemukan pada tahun 1916. Umpan yang dipakai biasanya gas alam dengan komposisi sebagai berikut: Tabel 5. Komposisi Gas Alam.
Jenis operasi yang digunakan berbeda dengan proses produksi Carbon Black lainnya yang dimana beroperasi secara terputus-putus (intermittent ),
dimana produk yang dihasilkan dalam jumlah yang kecil namun dengan jenisnya cukup bervariasi. Selain itu, proses ini juga sangat mudah terhenti, karena apabila terjadi kemacetan disalah satu tingkat proses, maka kemungkinan seluruh proses produksi akan terhenti yang di sebabkan keterhubungan dan urut-urutan antara masing-masing tingkat proses. Oleh karena itu, Carbon Black dari proses Thermal Black memiliki harga termahal dibandingkan proses lain, namun tetap digunakan untuk keperluan tertentu seperti O-rings dan sekat, selang, V-belts, alat-alat mekanik, dan dalam cross-linked polyethylene untuk kabel elektrik karena sifat fisiknya yang unik. Adapun diagram alirnya adalah sebagai berikut:
Gambar 5. Diagram Alir proses Thermal Black .
Gambar 6. Diagram Alir proses Thermal Black .
Tahap pada proses Thermal Black adalah sebagai berikut: 1. Pre-heating : Terdiri dari dua furnace yang berbentuk silinder berlapis batu tahan api (fire brick ) yang disebut generator dan digunakan untuk reaksi Pemanasan dipertahankan hingga 1300˚C-1400˚C. 2. Cracking : Adapun reaksi yang terjadi :
3. Pendinginan dengan Cooling Tower dan Filtrasi: Gas effluent (90% H2, 6% CH4, dan sisanya Hidrokarbon kompleks) dari generator dialirkan menuju cooling tower dimana air disemprotkan untuk mendinginkan Carbon Black agar tersuspensi, sehingga suhunya turun menjadi 125 ˚C , suhu ini dicapai agar gas tersebut dapat tersaring dengan cloth bags dalam collector dan dalam kondisi ini gas tersebut belum
terkondensasi, .Gas kaya H 2 yang tersaring dari cloth bag didinginkan , dihumdifikasi, ditekan dan digunakan sebagai bahan bakar untuk memanaskan generator. Hal ini dikarenakan lebih banyak Hidrogen yang dihasilkan dibanding yang dibutuhkan untuk memanaskan ulang, sisanya
digunakan untuk fire boilers ( meghasilkan uap dan tenaga listrik untuk operasi sistem). Kemudian disingkirkan dengan cyclone-collecktors yang diikuti dengan bag filter untuk pemisahan. Prinsip pemisahan dengan bag filter , yakni mengaliran gas melalui cloth bag atau saringan sehingga akan
menghasilkan gas bersih tanpa kandungan karbon dan partikulat karbon akan dikumpulkan untuk tahap selanjutnya. 4. Pelletyzing dan Packaging Carbon black yang terkumpul dipindahkan dengan screw conveyor
menuju processing area melalui magnetic separator untuk melakukan pemisahan antara material magnetis dan non-magnetis. Rata-rata ukuran diameter partikel Carbon Black 4000–5000 Å. Yield yang dihasilkan pada proses ini yaitu 45 – 60%. c. Pemilihan Proses 1. Berdasarkan Kondisi Opearasi Pemilihan proses dilakukan dengan membandingkan keuntungan dan kerugian semua proses pembuatan Carbon Black yang telah diuraikan di atas sebagai berikut: Tabel 6. Perbandingan Proses Berdasarkan Kondisi Operasi
No
Keterangan
Jenis Proses Oil Furnance
Thermal Black
1
Bahan baku utama
Minyak residu
Gas Alam
2
Kondisi operasi
1200-1400oC
1300oC
3
Yield
65-98%
45-60%
2. Berdasarkan Aspek Ekonomi Adapun dari aspek ekonomi, harga-harga bahan baku dan produk untuk kedua proses diatas dapat dilhat pada tabel berikut:
Tabel 7. Perbandingan Proses Berdasarkan Aspek Ekonomi.
No
Nama Bahan
Harga ($)/kg
Harga (Rp)/kg
1
Carbon Black *
0,875
8.800
2
Metana*
0,535
5.400
3
Minyak Residu* 0,35
3.500
Keterangan: *Alibaba.com dan **PT.PERTAMINA; Kurs 1 $ = Rp. 10.070 (BI) 3. Keseluruhan Aspek Tabel 8. Perbandingan Proses Berdasarkan Aspek Keseluruhan.
No
Keterangan
Furnace Black
Thermal Black
1
Bahan baku
Minyak residu
Gas Alam
2
Biaya bahan baku (/kg produk)
Rp. 3.500
Rp. 5.400
3
Keuntungan (/kg produk)
Rp. 4.689,-
Rp. 1.600
4
H
reaksi
1.313,9
2.254,79
5
G
reaksi
47.984,13
67.321,45
6
Yield
65-98%
45-60%
7
Kebutuhan energi (dalam 10 )
0,93-1,6
2-2,8
8
Kelebihan
Struktur dan
kuat Diameter
diameter partikel besar,
partikel kecil
kandungan karbon 99,4 %
9
Kekurangan
Kandungan karbon
Struktur 97- rendah
99,3%
d. Limbah yang Dihasilkan Sumber polusi dari industri Carbon Black bisa datang dari beberapa proses seperti cracking oil dan proses pemisahan Carbon Black . Polusi udara berasal dari proses Carbon Black . Air limbah berasal dari dua bagian, kantor
dan aktivitas kantin, mencuci dan proses pengolahan air di area pabrik. Limbah padat berasal dari kantor, proses Carbon Black dan pengolahan air limbah. Tabel 9. Karakteristik Polusi dari Proses Carbon Black .
Parameters
Characteristic
Emission Standard for boiler and Furnace using fuel oil
Particulate
250 mg/m
Not exceed 240 mg/m
Sulfur Dioxide
912 ppm
Not exceed 950 ppm
Oxides of Nitrogen
115 ppm
Not exceed 200 ppm
Carbon Monoxide
2.000 ppm
Not exceed 690 ppm
Tabel 10. Karakteristik Wastewater dari Proses Carbon Black .
e. Pengurangan Limbah Industrial Polusi udara seperti uap akan dimanfaatkan kembali untuk pembangkit listrik di dalam pabrik dan beberapa akan dijual.Gas buang dari proses pengeringan akan dikirim ke boiler. Sedangkan Dry Scrubber dipasang untuk menjebak NOx dan SOx dari boiler dan CO pemanas yang dapat mengurangi jumlah generasi limbah udara berlebih dari peralatan wet scrubber . Partikulat dari pneumatik blower , pemanas, pengering pengumpan, tumpahan dan kebocoran akan dikumpulkan oleh sistem vakum pusat dan dibuang di TPA yang aman. Air limbah proses dari wet scrubber , mengandung Carbon Black dan minyak yang akan dikumpulkan dan diolah dengan proses fisika-kimia di pabrik pengolahan air limbah.
3. Kesimpulan
Teknologi proses pembuatan Carbon Black yang lebih baik yaitu menggunakan proses Furnace Black.
Pemilihan proses ini berdasarkan atas beberapa
pertimbangan sebagai berikut: a. Dari hasil perhitungan ekonomi kasar paling menguntungkan. b. Biaya bahan baku paling murah. c. Nilai entalpi reaksi paling kecil sehingga energi yang dibutuhkan paling sedikit. d. Yield yang dihasilkan lebih besar. e. Alat-alat proses yang lebih sederhana. Oleh sebab itu proses yang dipilih adalah proses kedua, yakni proses Furnace Black pada temperatur 1400 oC menggunakan bahan baku Minyak Residu (C 20H42).
4. Daftar Pustaka
http://digilib.unila.ac.id/5469/145/bab%202.pdf (Diakses pada tanggal 23 Desember , pukul 22:11 WIB). https://www.scribd.com/doc/314804503/Carbon-Black (Diakses pada tanggal 23 Desember 2016, pukul 21:16 WIB). https://www.scribd.com/doc/82158180/Carbon-Black-Tya ( Diakses pada tanggal 24 Desember 2016, pukul 16:41 WIB). Nursiera, Sefrian Sukma. 2011. Pra Rencana Pabrik: Pabrik Carbon Black dari Residual Oil dengan Proses Oil . Surabaya: Universitas Pembangunan Nasional
“Veteran”. https://www.coursehero.com/file/17708999/black-carbonpdf / ( Diakses pada tanggal 23 Desember 2016, pukul 23:05 WIB).
