BAB II DESKRIPSI PROSES
Kalsium hidroksida adalah senyawa kimia dengan rumus kimia Ca(OH)2. Dalam bahasa Inggris, kalsium hidroksida juga dinamakan slaked lime, atau hydrated lime (kapur yang di-airkan). Suspensi partikel halus kalsium hidroksida dalam air disebut juga milk of lime (Bahasa Inggris:milk = susu, lime=kapur). Kalsium hidroksida dihasilkan melalui reaksi kalsium oksida (CaO) dengan air. Kalsium hidrokida berupa bubuk putih.
Larutan Ca(OH)2 disebut air kapur dan merupakan basa dengan kekuatan sedang. Larutan tersebut bereaksi hebat dengan berbagai asam, dan bereaksi dengan banyak logam dengan adanya air. Larutan tersebut menjadi keruh bila dilewatkan karbon dioksida, karena mengendapnya kalsium karbonat. (www.bionity.com, 2013).
2.1. Proses Secara Umum Pada dasarnya, pembuatan kalsium hidroksida atau sering disebut hydrated lime, slaked lime umumnya menggunakan proses slaking atau mereaksikan kalsium oksida dengan sejumlah air. Sebelum dilakukan proses slaking, bahan baku kalsium oksida ditambahakan liquid surfactant untuk membantu mereaksikan kalsium oksida dengan air. Liquid surfactant merupakan suatu jenis larutan campuran antara
14
alkohol dan air. Fungsi lain dari liquid surfactant ini adalah mempertahankan campuran hidrasi dibawah titik didih air (sehingga mencegah atau memperkecil tingkat hidrasi fasa gas, yang mana dapat menghambat pembangunan luas area permukaan. Didalam penambahannya, penggunaan alkohol dapat memperkecil tegangan permukaan dan membantu mencegah penggumpalan, yang mana dapat menaikkan luas permukaan produk. Sebelum dimasukkan di dalam hydrator (jenis reaktor menggunakan air sebagai bahan baku), slurry yang telah bercampur dengan liquid surfactant dipanaskan terlebih dahulu di preheater. Slurry yang keluar dari preheater mempunyai suhu keluaran sekitar 60-80 oC tergantung pada titik didih alkohol yang digunakan. Kemudian slurry dimasukkan kedalam hydrator dan secara bersamaan sejumlah air juga ditambahkan. Suhu pada hydrator dipertahankan kurang dari suhu titik didih air. Setelah keluar dari hydrator, campuran Ca(OH)2 dengan air dan alkohol dipisahkan untuk kemudian dikeringkan pada alat pengering dryer untuk menghilangkan sisa air dan alkohol. Kemudian Ca(OH)2 yang dihasilkan digiling untuk mengecilkan ukuran luas permukaan sesuai dengan ukuran pasar ( Paten no. 5,223,239, 1993).
2.2. Tinjauan Termodinamika Tinjauan secara termodinamika bertujuan untuk mengetahui apakah reaksi bersifat endotermis atau eksotermis. Penentuan panas reaksi yang berjalan secara eksotermis atau endotermis dapat dihitung dengan perhitungan panas pembentukan standar (ΔH°f) pada P = 1 atm dan T = 298 K. Reaksi yang terjadi adalah :
CaO(s)
+ H2O(l)
Ca(OH)2(aq)
15
Kalsium oksida
Air
Kalsium hidroksida
Nilai ΔH°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Nilai ΔH°f Masing-Masing Komponen Pada Suhu 298 K ΔHof
ΔGof
So
(J/mol)*
(J/mol)*
(J/mol.K)**
Komponen
Kalsium Oksida
CaO
-635090
-604030
38.1
Air
H2O
-285830
-237129
70
Kalsium Hidroksida
Ca(OH)2
-986090
-898490
83.4
sumber: * Smith’s, 2001 ** Journal of Physical and Chemical Reference Data, M. V. Korobov
Persamaan : 𝑇
ΔH°fT
= ΔH°f298 + ∫298 𝐶°𝑝 𝑑𝑇
ΔH°f 298 K
= ΔH°f produk - ΔH°f reaktan
(smith, 2001)
= [(ΔH°f Ca(OH)2) ] – [(ΔH°f CaO)+ (ΔH°f H2O)] = (-986090) – ((-635090 + (-285830)) = -65170 J/mol Sedangkan untuk persamaan ∫ΔCop dT adalah sebagai berikut. ∫ΔCop dT
= ΔA (T-T0) +
ΔB 2
(T2-T02) +
ΔC 3
(T3-T03) +
ΔD 4
(T4-T04)
(Smith’s, 2001)
16
Dimana masing masing konstanta A, B, C dan D pada masing-masing komponen adalah sebagai berikut :
Tabel 2.2 Konstanta A B C D Setiap Komponen Komponen
A
B
C
D
CaO
6.104
0.000443
-
104700
H2O
8.712
0.00125
-1.8E-07
-
Ca(OH)2
9.597
5.435
-
-
Sumber : Smith’s, 2001
Kondisi
:
To = 298 K
T = 333.15 K
t = T/To =
1.110 Sehingga diperoleh nilai ∫ΔCop dT 𝑇 𝛥𝐶𝑝𝑜 𝑑𝑇
∫𝑇𝑜
𝑅
𝑇
= 224.045 = 181380.876
Maka, 𝑇
ΔH°fT
= ΔH°f298 + ∫298 𝐶°𝑝 𝑑𝑇
ΔH°fT
= -65170 + 181380.876 J/mol
ΔH°fT
= -64945.955 J/mol = -64.945 kJ/mol
Dapat dilihat bahwa nilai ΔH°fT bernilai negatif, maka reaksi bersifat eksotermis atau reaksi menghasilkan panas. Sedangkan untuk energi Gibs dari reaktan dan produk dapat dilihat juga pada Tabel 2.1. Untuk menghitung nilai energi Gibs pada suhu reaksi, dapat menggunakan persamaan dibawah ini.
17
𝑇 ∆𝐶𝑝𝑜
𝑇
𝑜 ∆𝐺333.15𝐾= ∆𝐻𝑓𝑜 − 𝑇𝑜 (∆𝐻𝑓𝑜 − ∆𝐺 𝑜 ) + 𝑅 ∫𝑇𝑜
𝑅
𝑇 ∆𝐶𝑝𝑜 𝑑𝑇
𝑑𝑇 − 𝑅𝑇 ∫𝑇𝑜
𝑅
𝑇
(Smith’s,
2001) ΔGo 298 K
= Σ(ΔGof) produk - Σ(ΔGof) reaktan
ΔGo 298 K
= (-898490)-[( -604030)+( -237129)] J/mol
ΔGo 298 K
= -57331 J/mol
Maka, 𝑜 ∆𝐺333.15𝐾= -65170 – [(1.20185)( -65170 – (-57331)] + 224.045 - 181380.876 J/mol 𝑜 ∆𝐺333.15𝐾= -236906 J/mol= -236.906 kJ/mol
Berdasarkan data yang telah diketahui dan dihitung diperoleh nilai ΔGo 333.15 K sebesar -236.906 kJ/mol. Ini menunjukkan bahwa bahwa reaksi yang terjadi di dalam reaktor dapat berlangsung secara spontan, karena diinginkan nilai ∆Go < 0. Dalam parameter perancangan pabrik kimia berupa parameter termodinamika bahwa nilai ∆Go < 0 dapat terpenuhi.
2.3. Pemilihan Proses Berdasarkan Jenis Liquid Surfactant. Secara produksi, jenis liquid surfactant yang sering digunakan pada produksi kalsium hidrokisida adalah jenis alkohol metanol dan etanol.
Tabel 2.3. Jenis Liquid Surfactant NO Jenis Liquid Surfactant 1.
Metanol*)
Rumus Molekul
Berat Molekul
CH3OH
32 kg/kmol
18
Etanol**)
2.
C2H5OH
46 kg/kmol
Sumber : *)
http://www.sciencelab.com, 2013
**)
www.nafaa.org, 2001
2.4. Kelayakan Ekonomi Dari reaksi hidrasi dengan air, didapatkan mol masing-masing reaktan dan produk yang dapat dilihat pada Tabel 2.4.
Tabel 2.4. Komponen Reaktan & Produk Komponen
Mol (kg/kmol)
Berat Molekul (kg/kmol)
Kalsium Hidroksida
1
74.1
Kalsium oksida
1
56.08
Air
1,2
18
Reaksi : CaO(s)
+
H2O(l)
Ca(OH)2(s)
B
C
A Komp
Awal
Reaksi
Sisa
A
NAo
- NAo.X
NA = NAo- NAo.X
B
NBo
N Ao .X
NB = NBo N Ao .X
C
NCo
N Ao .X
NC = NCo N Ao .X
Total
NTo
0
NT = NTo
19
1 𝑘𝑔
Basis : 1 kg Ca(OH)2 terbentuk = 74.1𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 = 0.0135 kmol Dik : X = 0.95 (Patent Number:5,223,239)
Nc = 0.0135 kmol pada 1 kg Ca(OH)2 Nc = NCo N Ao .X 0.0135 kmol = 0 N Ao .0.95 NAo = 0.0142 kmol NAo = 0.0142 kmol x 56.08 kg/kmol = 0.7963 kg CaO
NBo = N Ao .X .(1.2) Nbo = 0.0142 x 0.95 x 1.2 NBo = 0.0162 kmol NBo = 0.0162 kmol x 18 kg/kmol NBo = 0.2916 kg H2O Harga penjualan produk utama : Ca(OH)2
= 1 kg x $ 1.55 = $ 1.55
Total
= $ 1.55
Biaya pembelian bahan baku : CaO
= 0.7963 kg x $ 0.08 = $ 0.0637
H2O
=
Total
= $ 0.0637
-
Profit Keuntungan = harga penjualan – biaya pembelian bahan baku = $ 1.75 - $ 0.0637 = $ 1.6863
20
Selain profif keuntungan secara umum dari reaksi hidrasi dengan air, akan dihitung juga ekonomi potensial jika menggunakan liquid surfactant metanol dan etanol. 2.4.1. Menggunakan etanol sebagai liquid surfactant. Tabel 2.5. Data Bahan Baku dan Produk Menggunakan Etanol Material
Rumus
Berat Molekul
Harga
Harga
Molekul
(kg/kmol)*
($/kg)** ($/kmol)
Kalsium Hidroksida
Ca(OH)2
74.1
1.55
114.85
Kalsium oksida
CaO
56.08
0.08
4.487
Air
H2O
18
-
-
Etanol
C2H5OH
46.07
2.1
96.747
Sumber : *)
http://www.sciencelab.com, 2013
**)
Icis.com
Reaksi : CaO(s)
+
Kalsium oksida
H2O(l)
Ca(OH)2(s)
Air
Kalsium Hidroksida
Persamaan untuk mendapatkan ekonomi potensial dari proses ini adalah sebagai berikut: EP = (total harga produk) – (total harga bahan baku) EP = (harga Ca(OH)2-(harga CaO + harga C2H5OH) EP = (114.85) - ( 4.487+96.747) $/kmol EP = 13.621 $/kmol
21
2.4.2. Menggunakan metanol sebagai liquid surfactant. Tabel 2.6. Data Bahan Baku & Produk Menggunakan Metanol Rumus
Berat Molekul
Harga
Harga
Molekul
(kg/kmol)*
($/kg)**
($/kmol)
Kalsium Hidroksida
Ca(OH)2
74.1
1.55
114.85
Kalsium oksida
CaO
56.08
0.08
4.487
Air
H2O
18
-
-
Metanol
CH3OH
32
0.96
30.72
Material
Sumber : *)
http://www.sciencelab.com, 2013
**)
Icis.com
Reaksi : CaO(s)
+
Kalsium oksida
H2O(l)
Ca(OH)2(s)
Air
Kalsium Hidroksida
Persamaan untuk mendapatkan ekonomi potensial dari proses ini adalah sebagai berikut: EP = (total harga produk) – (total harga bahan baku) EP = (harga Ca(OH)2)-(harga CaO + harga CH3OH) EP = (114.85) - ( 4.487+30.72) $/kmol EP = 79.26 $/kmol Tabel 2.7. Perbandingan Proses Berdasarkan Jenis Liquid Surfactant NO. 1.
Kondisi Harga ($/kg)*
Etanol 2.1
Metanol 1.7
22
2.
Harga ($/kmol)
96.747
57,6
3.
Ekonomi Potensial ($/kmol)
13.621
79.26
4.
Tekanan operasi (atm)**
1
1
5.
Suhu keluaran Preheater pada slurry
75
60
(oC)** Sumber : *)
Icis.com
**)Paten no. 5,223,239, 1993
Sehingga liquid surfactant yang digunakan untuk memproduksi kalsium hidroksida adalah metanol. Pertimbangannya adalah : Dari segi harga, dapat dilihat pada Tabel 2.7 bahwa harga metanol lebih murah dari pada etanol. Sehingga biaya produksi lebih kecil. Dari ekonomi potensial, dapat dilihat Tabel 2.7 bahwa metanol mempunyai Ekonomi Potensial yang lebih tinggi dari etanol sehingga lebih menguntungkan. Dari kondisi operasi pada saat di preheater, suhu keluaran menggunakan metanol lebih rendah dari pada menggunakan etanol. Semakin rendah suhu keluaran pada saat di preheater, maka panas yang dibutuhkan dalam hal ini menggunakan steam semakin kecil, sehingga mengurangi biaya produksi.
2.5. Uraian Proses Menggunakan Liquid Surfactant Metanol-Air 2.5.1. Tahap persiapan bahan baku Persiapan bahan baku kalsium oksida (CaO).
23
Bahan baku quicklime atau sering disebut dengan kalsium oksida diperoleh dari PT. Tjiwi Kimia Sidoarjo Jawa Timur. CaO disimpan didalam tangki penyimpanan silo. Ukuran butiran CaO yang disarankan untuk memproduksi Kalsium Hidroksida adalah kurang dari 100 mesh. Proses pencampuran (mixing) Kemudian bahan baku CaO diumpan kedalam mixer bersama dengan metanol. Selama proses pencampuran, dilakukan pemanasan hingga suhu proses 600C. 2.5.2. Proses Hidrasi. Slurry keluaran dari mixing tank dimasukkan kedalam hydrator. Secara perlahan juga, sejumlah air ditambahkan kedalam hydrator dimana Rasio perbandingan jumlah metanol : air yang digunakan adalah 3 : 1. Kondisi didalam hydrator adalah tekanan 1 atm, dan suhu keluaran hydrator 60oC. Waktu tinggal didalam hydrator berkisar 14 menit. Keluaran hydrator, berupa slurry yang kemudian akan dipisahkan antara padatan dan cairannya untuk kemudiaan dikeringkan. 2.5.3. Tahap pengeringan dan penggilingan Produk keluaran separator (centrifuge) berupa slurry yang kemudian dikeringkan utnuk mendapatkan Ca(OH)2 kering/padat. Dikeringkan menggunakan dryer dengan suhu 80 oC. Dengan lama pengeringan 4 menit. Kemudian keluaran dari dryer produk Ca(OH)2 masuk ke dalam mesin pengggilingan untuk menghaluskan partikel-partikel yang menggumpal
24
sehingga ukuran partikel Ca(OH)2 padat yang dihasilkan berkisar 300-325 mesh. 2.5.4. Tahap packaging Kemudian produk siap dikemas dan dipack di gudang penyimpanan.
