BAB II DESKRIPSI PROSES
II.1
Spesifikasi Bahan Baku dan Produk
II.1.1. Spesifikasi bahan baku 1.
Epichlorohydrin
Rumus Molekul
: C3H5OCl
Wujud
: Cairan tidak berwarna
Sifat
: Mudah menguap
Kemurnian
: 99,9%
Impuritas
: 0,1% H2O (Qingdao Lasheng Corporation Ltd,Cina)
2. Natrium Hidroksida
Rumus Molekul
: NaOH
Fase
: Padat (flake)
Warna
: Tidak berwarna
Kemurnian
: 98%
Impuritas
:2% H2O (PT Asahimas Chemical, Cilegon)
3. Air
Rumus Molekul
: H2O
Fase
: Cair
Warna
: Bening
15
Impuritas
Maksimal oksigen terlarut 1 ppm
: maksimal silika 0,02 ppm
(PT. Krakatau Tirta Industri, Cilegon) II.1.2 Spesifikasi Bahan Pembantu 1.
Asam Klorida
Rumus Molekul
: HCl
Wujud
: Cairan bening
Sifat
: Mudah menguap
Kemurnian
: 33%
Impuritas
: 67% H2O (PT Asahimas Chemical, Cilegon)
2.
Chloroform
Rumus Molekul
: CHCl3
Wujud
: Cairan bening
Sifat
: Mudah menguap
Kemurnian
: 99,9%
Impuritas
: 0,1% H2O (Qingdao Lasheng Corporation Ltd,Cina)
II.1.Spesifikasi Produk 1.
Gliserol
Rumus Molekul
: C3H8O3
Berat Molekul
: 92 gr/mol
16
Wujud
: Cair
Kemurnian
: 100% (www.alibaba.com)
3.
II.2
Sodium Klorida
Rumus Molekul
: NaCl
Berat Molekul
: 92,09 gr/mol
Wujud
: Padat warna putih
Kelarutan
: 36,3 gr/100 gr air
Konsep Reaksi
II.2.1 Dasar Reaksi Reaksi pembuatan Gliserol dari epichlorohydrin, NaOH dan H2O merupakan reaksi hidrolisa. Reaksi yang terjadi : CH2–OH
O 423K 4,5 bar
CH2–CH–CH2Cl + H2O + NaOH
CH–OH + NaCl...............(II-1) CH2–OH
II.2.2. Mekanisme Reaksi Mekanisme rekasi yang terjadi adalah: CH2–CH–CH2Cl O Epichlorohydrin
CH2–CH–CH2Cl
+ H2O
OH OH α-monochlorohydrin
Air
17
CH2–CH–CH2Cl
+ NaOH
CH2–CH–CH2 + NaCl
OH OH α-monochlorohydrin
OH OH OH Gliserol
Natrium Natrium Hidroksida Klorida Epichlorohydrin direaksikan dengan air ( Proses hidrolisa) membentuk αmonochlorohydrin. α-monochlorohydrin kemudian direaksikan dengan larutan NaOH membentuk gliserol dan natrium klorida sebagai produk sampingnya.
II.2.3 Tinjauan Kinetika Menurut Faith and Keyes,1957, reaksi pembentukan gliserol merupakan reaksi hidrolisis. Konversi mencapai 99% pada 30 menit dan suhu 150 °C dan tekanan 4,56 bar. Reaksi hidrolisis Epichlorohydrin dengan air dan NaOH adalah reaksi orde satu, dimana air dibuat berlebih terhadap Epichlorohydrin dan Natrium Hidroksida. Perbandingan mol (Epichlorohydrin :NaOH) =(1 : 1) Permodelan kecepatan reaksi pembetukan Gliserol secara kinetika hanya melibatkan komponen air dalam keadaan berlebih dan Epichlorohydrin. Kecepatan reaksi pembentukan Gliserol secara kinetika ditulis dalam persamaan: -rA= k.CA.CB, karena CB>>> CA Maka, -rA= k'.CA Dengan -rA
: Kecepatan reaksi, mol/ (Lt.menit)
k'
: Konstanta kecepatan reaksi, 1/detik
CA
: Konsentrasi C3H5OCl
CB
: Konsentrasi H2O
Dengan menggunakan penurunan persamaan kecepatan reaksi pada orde satu didapatkan nilai k’ sebesar 5,5 x 10-2/s.
18
II.2.4. Tinjauan Termodinamika Konsep tinjauan termodinamika reaksi pembuatan gliserol ditinjau dari rekasi kesetimbangan. Adapun reaksi utama pembuatan gliserol : CH2-CH-CH2Cl + H2O + NaOH
CH2-CH-CH2 + NaCl.......(II-3)
O
OH OH OH
Epichlorohydrin
air
Natrium
Gliserol
Hidroksida
Natrium Klorida
Untuk mengetahui reaksi berlangsung secara eksotermis atau endotermis dapat dihitung dengan persamaan : ΔHR(298oK) =
ΣΔHof(produk) – ΣΔHof(reaktan)
Untuk mengetahui apakah reaksinya irreversible atau reversible (harga K) dapat dihitung dengan persamaan konstanta kesetimbangan berikut: ΔGro = - RT ln K ..............................................................................................(II-4) ln K
Gr 0 .....................................................................................................(II-5) - RT
ln K 1 Gr 0 ln K 0 - RT
1 1 T1 T2
..........................................................……..…..(II-6)
Keterangan: ΔGr
= Energi Gibbs (kJ/mol)
K0
= Konstanta kesetimbangan pada suhu referensi ( T= 298 K)
K1
= Konstanta kesetimbangan pada suhu operasi ( T= 423)
T1
= Temperatur operasi ( T= 423 )
T2
= Temperatur referensi ( T=298 K)
R
= Tetapan gas (8,314 J/mol.K)
19
Tabel II.1 Data-data Panas Pembentukan Komponen ΔHof 298,15 (kJ/mol) ΔG o298,15 (kJ/mol) C3H5OCl
-107,80
-36,74
NaOH
- 425,60
-379,50
H2O
-241,80
-228,60
C3H8O3
-582,80
-448,49
NaCl
-411,20
-384,10 (Yaws, 1978)
Maka, ΔHR(298oK) = ΣΔHof(produk) – ΣΔHof(reaktan) = (-582,80 + -411,20) - ( -107,80 + -425,60 + -241,80 ) = -994 + 775,20 = -218,80 kJ/mol Harga ∆H yang negatif menunjukkan bahwa reaksi yang terjadi merupakan reaksi eksotermis yaitu reaksi yang melepas panas atau menghasilkan panas, sehingga untuk menjaga agar reaksi tetap berlangsung pada kondisi proses perlu ditambahkan pendingin. ΔGoR(298oK) = ΣΔGproduk – ΣΔGreaktan = ( -448,49 + -384,10 ) – ( -36,74 + -379,50 + -228,60 ) = -832,59 + 644,84 = -187,75 kJ/mol ∆GºR
= - RT.ln K
-187,75 kJ/mol= -8,314.10-3 kJ/mol.K . 298,15 K . ln K
20
ln K
= 621,8474
K
= 1,16.10270
Pada T = T operasi
K operasi
ln
K 298
ln
ln
K operasi 1,16.10
270
K operasi 1,16.10 270
K operasi 1,16.10
270
0 H R 1 1 RT T2 T1
218,80 1 1 -3 8,314.10 363,15 298,15
= -157,99
= 2,431.10-69
Koperasi = 2,823.10201 Harga Koperasi yang didapat 2,823.10201, karena harga Koperasi besar, maka untuk reaksi pembentukan gliserol bersifat irreversible. II.2.5 Kondisi Operasi Gliserol diperoleh dengan cara reaksi hidrolisis dengan menambahkan H2O dan dalam suasana basa dengan menambahkan NaOH. Reaktornya menggunakan Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB). Kondisi operasi reaktor pada suhu 150 °C, pada tekanan 4,56 bar. Produk keluar reaktor kemudian dinetralkan dengan asam klorida sehingga membentuk garam NaCl. Kemudian kandungan air diuapkan sehingga didapatkan kristal NaCl menggunakan evaporator. Selanjutnya kristal NaCl dipisahkan dari filtrat menggunakan centrifuge. Proses evaporasi dan sentrifugasi dilakukan dua kali agar garam NaCl terpisah sempurna dari filtrat yang terdiri dari gliserol dan epichlorohydrin. Filtrat yang terbentuk kemudian ditambahkan solvent kloroform untuk memisahkan gliserol dengan epichlorohydrin sehingga diperoleh gliserol dengan kemurnian 100% menggunakan mixer dan dekanter. Sedangkan sisa epichlorohydrin dan 21
solvent ditambahkan air kemudian dipisahkan menggunakan dekanter untuk dapat dipakai kembali sebagai reaktan dan solvent.
II.3
Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses
II.3.1 Diagram Alir Proses Diagram alir proses dapat dilihat pada gambar II.1 Diagram alir kualitatif dapat dilihat pada gambar II.2 Diagram alir kuantitatif dapat dilihat pada gambar II.3
22
T-04
T-03 T-01 T-02 6
4
S-01
C3H5OCl H2O
16
C3H5OCl H2O
C3H5OCl H2O
HCl H2O
8
18
CHCl3
23
C3H8O3
C3H5OCl H2O
12
1
NaOH H2O
5a
5
7
3
M-01
H2O
2
Unit Penyediaan Air
11
R-01 NaOH H2O C3H5OCl
NaOH H2O C3H5OCl C3H8O3 NaCl
R-02
NaOH H2O C3H5OCl C3H8O3 NaCl
N-01
H2O C3H5OCl C3H8O3 NaCl
C3H5OCl CHCl3
C3H5OCl C3H8O3
E-01
H2O C3H5OCl C3H8O3 NaCl
15.995,08 kg/jam H2O 21,87% C3H5OCl 0,19% C3H8O3 47,46% NaCl 30,48%
21
CF-02 13
M-02
H2O C3H5OCl C3H8O3 NaCl
D-02
M-03
C3H5OCl C3H8O3 CHCl3
C3H5OCl CHCl3 H2O
C3H5OCl C3H8O3 NaCl
10
22
CHCl3 14
C3H5OCl C3H8O3 NaCl
Unit Pengolahan Limbah
Gambar II.2 Diagram Alir Kualitatif
23
17
D-01
E-02
CF-01 9
18
15
20
H2O
Unit Penyediaan Air
T-04
T-03 T-01 T-02 6
4
S-01
7.639,95 kg/jam C3H5OCl 99,9% H2O 0,1%
1
3.401,78 kg/jam NaOH 98% H2O 2%
1.067,22 kg/jam H2O 100% 2
Unit Penyediaan Air
92,18 kg/jam HCl 33% H2O 67%
5a
5
8
16
29.941,90 kg/jam NaOH 1,11% H2O 58,61% C3H5OCl 2,57% C3H8O3 23,05% NaCl 14,66%
R-02
29.941,95 kg/jam NaOH 0,11% H2O 58,16% C3H5OCl 0,26% C3H8O3 25,35% NaCl 14,66%
N-01
30.034,13 kg/jam H2O 58,24% C3H5OCl 0,26% C3H8O3 25,27% NaCl 16,23%
18
334,88 kg/jam CHCl3 100%
12
23
7575,76 kg/jam C3H8O3 100%
287,70 kg/jam C3H5OCl 6,52% H2O 93,48% 353,64 kg/jam C3H5OCl 5,3% CHCl3 94,7%
7.594,51 kg/jam C3H5OCl 0,25% C3H8O3 99,75% 11
R-01 8.262,95 kg/jam NaOH 40,35% H2O 59,29% C3H5OCl 0,37%
3.506,25 kg/jam C3H5OCl 0,33% H2O 99,67%
7
3
M-01
14.039,05 kg/jam C3H5OCl 0,33% H2O 99,67%
E-01
12.367,68 kg/jam H2O 28,26% C3H5OCl 0,25% C3H8O3 61,32% NaCl 10,18%
15.995,08 kg/jam H2O 21,87% C3H5OCl 0,19% C3H8O3 47,46% NaCl 30,48%
10
3.627,4 H2O C3H5OCl C3H8O3 NaCl
kg/jam 0,001% 0,096% 0,209% 99,690%
Unit Pengolahan Limbah
CF-02 13
8.861,43 C3H5OCl C3H8O3 NaCl
kg/jam 0,21% 85,58% 14,21%
21
1.266,92 C3H5OCl C3H8O3 NaCl
M-02
D-02
M-03
7.929,40 kg/jam C3H5OCl 0,24% C3H8O3 95,54% CHCl3 4,22%
622,58 kg/jam C3H5OCl 3,01% CHCl3 53,79% H2O 43,20% 22
334,88 kg/jam CHCl3 100%
14
kg/jam 0,0015% 0,5896% 99,4%
Gambar II.3 Diagram Alir Kuantitatif
24
17
D-01
E-02
CF-01 9
18
15
20
Unit Penyediaan Air
268,94 kg/jam H2O 100%
II.3.2 Tahapan Proses Proses pembuatan Gliserol dengan bahan baku Epichlorohydrin secara garis besar dapat dibagi menjadi beberapa tahap, yaitu: 1. Tahap persiapan bahan baku Bahan baku epichlorohydrin 99,9% disimpan pada fase cair dalam o
tangki penyimpan (T-01) pada tekanan 1,1 bar dan suhu 35 C. Bahan baku NaOH flake 98,2% diumpankan menuju mixer (M-01) menggunakan conveyor (C-01). Air dari unit utilitas dialirkan menuju mixer (M-01) untuk dilarutkan terlebih dahulu sampai didapatkan larutan NaOH 15%.
Setelah itu produk keluar mixer diumpankan
menuju reaktor (R-01) untuk direaksikan dengan epichlorohydrin. 2. Tahap reaksi Tahap ini bertujuan mereaksikan epichlohydrin, air dan natrium hidroksida membentuk gliserol. Reaksi terjadi dalam fase cair-cair pada suhu 150 oC tekanan 4,56 bar menggunakan reaktor alir tangki berpengaduk (RATB), kondisi operasi isothermal, serta sifat reaksi eksothermis dan irreversible. Reaktor dilengkapi dengan pendingin untuk menjaga suhu di dalam reaktor. Adapun reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : CH2 - CH-CH2Cl + H2O + NaOH O
CH2-CH-CH2 + NaCl OH OH OH
3. Tahap pemurnian produk Dari Reaktor, produk hasil reaksi dialirkan menuju ke Netralizer (N01) untuk direaksikan dengan asam klorida. Produk dari netralizer (N01) dialirkan evaporator 1 (E-01) yang berfungsi menguapkan air dan epichlohydrin. Hasil bawah Evaporator diumpankan ke Centrifuge (CF-01) untuk memisahkan padatan NaCl. Hasil atas Centrifuge
25
diumpankan ke Evaporator 2 (E-02), hasil bawahnya dimasukkan ke Centrifuge 2 (CF-02) untuk memisahkan padatan NaCl. Hasil atas Centrifuge 2 (CF-02) diumpankan menuju Mixer (M-02). Chloroform ditambahkan dalam Mixer (M-02) untuk melarutkan epichlorohydrin. Selanjutnya hasil dari Mixer (M-02) dipisahkan menggunakan Dekanter (D-01). Hasil bawah berupa gliserol, dialirkan menuju tangki produk gliserol (T-04). Hasil atas berupa campuran epichlorohydrin dan chloroform selanjutnya dipisahkan dengan Mixer (M-03)dan Dekanter (D-02) menggunakan solvent berupa air. Dari perhitungan neraca massa, dibutuhkan bahan baku epichlorohydrin sebanyak 7.709,28 kg/jam yang menghasilkan gliserol sebanyak 7.575,76 kg/jam dengan kemurnian 100% (w/w) sehingga produk gliserol dalam satu tahun mencapai 60.000 ton. Neraca massa dapat dilihat pada Tabel II.2. Perhitungan neraca massa dan tabel neraca massa per alat dapat dilihat pada Lampiran B. Tabel neraca panas per alat dapat dilihat pada Lampiran C. Tabel II.2 Neraca Massa Total Input (kg/jam) Komponen
C3H5OCl NaOH H2O C3H8O3 NaCl HCl CHCl3 Sub Total Total
Arus 1
Output (kg/jam)
Arus 2
Arus 4
0,00 0,00 7.632,24 3.333,74 0,00 0,00 68,04 1.067,22 7,72 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Arus
Arus
Arus
6
16
20
0,00 0,00 61,76 0,00 0,00 30,42
0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
0,00
334,88
3.401,78 1.067,22 7.639,95 92,18 12.806,94
334,88
0,00
0,00
0,00
26
Arus 10
Arus 14
Arus 18
0,00 0,03 0,02 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 268,94 3,50 0,00 0,00 0,00 7,59 7,58 7.575,76 0,00 3.616,28 1.259,32 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
0,00
0,00
Arus 22 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
0,00
334,88
268,94 3.627,40 1.266,92 7.575,76 12.806,94
334,88
II.4
Lay Out Peralatan dan Pabrik
II.4.1 Lay Out Peralatan Lay out peralatan pada pabrik gliserol dapat dilihat pada gambar II.4. Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menentukan lay out peralatan proses pada pabrik gliserol, antara lain : 1.
Aliran bahan baku dan produk
2.
Aliran udara
3.
Pencahayaan
4.
Lalu lintas manusia
5.
Pertimbangan ekonomi
6.
Jarak antar alat proses (Vilbrant, 1959)
27
U 11
10
9
12
8 7
5
6
4
2
1
3
Skala 1:1000 Luas Area Proses : 80 m x 80 m Keterangan Gambar : 1. Tangki penyimpan Epichlorohydrin 2. Hopper 3. Mixer 4. Reaktor 1 5. Reaktor 2 6. Tangki penyimpanAsam klorida 7. Netralizer
8. Evaporator 1 9. Evaporator 2 10. Dekanter 11. Flash Drum 12. Tangki penyimpan Gliserol
Gambar II.4 Lay Out Peralatan Proses II.4.2 Lay Out Pabrik Tata letak pabrik merupakan suatu pengaturan yang optimal dari seperangkat fasilitas-fasilitas dalam pabrik. Tata letak yang tepat sangat penting untuk mendapatkan efisiensi, keselamatan, dan kelancaran kerja para pekerja serta keselamatan proses. Tata letak pabrik gliserol dapat dilihat pada gambar II.4. Secara garis besar lay out dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu : a. Daerah administrasi / perkantoran, laboratorium dan ruang kontrol
28
Merupakan pusat kegiatan administrasi pabrik yang mengatur kelancaran operasi. Laboratorium dan ruang kontrol sebagai pusat pengendalian proses, kualitas dan kuantitas bahan yang akan diproses serta produk yang dijual. b. Daerah proses Merupakan daerah dimana alat proses diletakkan dan proses berlangsung. c. Daerah penyimpanan bahan baku dan produk. Merupakan daerah untuk tangki bahan baku dan produk. d. Daerah gudang, bengkel dan garasi. Merupakan daerah untuk menampung bahan-bahan yang diperlukan oleh pabrik dan untuk keperluan perawatan peralatan proses. e. Daerah utilitas Merupakan daerah dimana kegiatan penyediaan bahan pendukung proses berlangsung dipusatkan (Vilbrant, 1959).
29
14
13
5
10
9 4
8
11
12
3
7
1
6 2
1 15
Skala 1 : 1000
Gambar II.5 Lay Out Pabrik Gliserol
30
Keterangan : 1. Pos Keamanan
8. Kantin
2. Taman
9. Perpustakaan
3. Masjid
10. Laboratorium
4. Perkantoran
11. K3 & fire safety
5. Poliklinik
12. Gudang
6. Gudang
13. Utilitas
7. Bengkel
14. Pabrik dan perluasan
Tabel II.3 Perincian Luas Bangunan Pabrik No.
Bangunan
Ukuran
Luas (m2)
1.
Pos keamanan
2(5x5)
50
2.
Gedung kantor
40x40
1600
3.
Poliklinik
10x12
120
4.
Kantin
25x13
325
5.
Tempat ibadah
20x20
400
6.
Bengkel
10x13
130
7.
Laboratorium
30x20
600
8.
Area proses
80x80
6400
9.
K3 dan Fire safety
10x15
150
11.
Perpustakaan
10x12
120
12.
Taman
2 (8x10)
160
13.
Unit pengolahan limbah
20x40
800
14.
Area pengembangan
20x50
1000
15.
Tempat parkir
20x40
800
16.
Lain-lain
345
Total
13000
31