BAB II DESKRIPSI PROSES
A. Macam – macam Proses Kapasitas produksi sodium klorat di dunia pada tahun 1992 ± 2,3 juta ton dengan 1, 61 juta ton diproduksi oleh Amerika Utara. Proses pembuatan sodium klorat dilakukan dengan 2 cara, yaitu: 1. Menggunakan sel elektrolisa Larutan NaCl jenuh dielektrolisa menjadi NaClO3 sesuai reaksi: NaCl (s) + 3H2O(l)
NaClO3(l) + 3H2 (g) ∆Hf 298= 903,2 kJ/mol
.....(1)
Reaksi ini terjadi di dalam sel elektrolisis pada suhu 60-80oC dan pH 6-7 serta tekanan sebesar 1 atm. Sebelum diumpankan ke dalam reaktor, bahan baku terlebih dahulu dimurnikan melalui proses purifikasi NaCl untuk menghilangkan impuritisnya sehingga reaksi elektrolisis bisa berlangsung secara sempurna. Selanjutnya, produk keluaran reaktor yang berupa sodium klorat dimurnikan melalui proses sentrifugasi dan kristalisasi untuk mendapatkan sodium klorat yang murni, dan siap untuk dipasarkan.
2. Klorinasi kaustik soda Larutan NaOH diklorinasi secara tidak langsung melalui reaksi: 3Cl2(g)+6NaOH(l)
NaClO3+5NaCl(l)+3H2O(l) ∆Hf 298= 458,8 kJ/mol....(2)
Proses ini adalah proses pereaksian gas klorin dan sodium hidroksida di dalam suatu reaktor pada suhu kamar tanpa adanya pemanasan dengan pH larutan lebih kecil dari 6. Produk keluaran reaktor dimurnikan dengan menambahkan katalis hydrazine dan penghembusan gas inert yang berupa udara untuk menghilangkan kandungan gas klorin dari produk.
B. Pemilihan Proses Dari persamaan (1) dan (2) dapat dihitung persen keuntungan dari proses elektrolisa jika dibandingkan dengan proses klorinasi kaustik soda berdasarkan bahan baku dan kondisi operasinya.
Tabel 2.1 Perbandingan Proses Elektrolisis dan Klorinasi Kaustik Soda Tinjauan Bahan Baku
*Elektrolisis
**Klorinasi Kaustik Soda
- NaCl(s)
- Cl2 (g) (beracun)
- H2O(l)
- NaOH (l)
Konversi Reaksi (%)
75-87
97
Konsentrasi Produk (g/L)
550-700
100
pH
6,3 – 6
6
Temperatur ( C)
60-80
50-80
Katalis
-
N2H4(aq)
0
Sumber : * Mc Ketta Vol 51 ** Sprague & Augusta, 1974
11
Analisis perbandingan proses berdasarkan bahan baku 1. Proses Elektrolisis Basis
:1
kg NaCLO3
BM NaClO3
: 106,44
g/mol
Jumlah Produk NaClO3 :
1 1000 = 106.44
BM NaCl
: 58,443
g/mol
Konversi
: 87
9,394
mol
%
Reaksi : NaCl (s) + 3H2O(l) Mula-mula
A
Bereaksi
9,394
3A 28,184
NaClO3(l) + 3H2 (g) -
-
9,394
= 0,86A Sisa
A-0,86A 3A-28,184
9,394
Mol mula-mula: 0,86 A = 9,394 A = 10, 798 NaCl = A H2 O
= 10, 798 mol
= 3A = 32, 393 mol
Jumlah Reaktan yang bereaksi NaCl 10,798mol
58,443 gram 1 kg 1 mol 1000 gram
= 0, 632 kg
H2O = 32,393 mol
= 584 gram
= 0,584 L
12
Harga NaCl
= Rp.550 /kg (www.statistikmadiunkota.go.id)
Total cost NaCl
= Rp.348
Harga H2O
= Rp.2000 /L
Total cost H2O
= Rp.1.167 = Rp. 1.200,00
Total Cost Reaktan
= Rp.1.600 /kg NaClO3 yang diproduksi
Harga Jual NaClO3
= Rp. 460.000 / kg
Keuntungan
= Rp. 458.400 /kg NaClO3 terjual
= Rp. 400, 00
Selama 10 tahun terakhir, terdapat 3 Proses Eektrolisis yang terus digunakan yaitu Krebs, Huron dan Chemetics. Perbedaan ketiganya adalah:
Tabel 2.2 Perbandingan Proses Elektrolisis Tinjauan
Krebs
Huron
Chemetics
Tipe Sistem
2 Vessel
1 vessel
4 vessel
4640-5500
5000-5500
4250-4950
Temperatur ( C)
60
80
90
pH Larutan
6,7-6
6,3
4
Konversi (%)
75
86
78
Efisiensi Arus
0,95
0,945
0,95
Konsentrasi Produk (g/l)
550
700
650
Konsumsi energi DC (kWh/ton) o
(B. V. Tilak, 1999)
13
Analisis perbandingan proses berdasarkan kondisi proses 1.1 Krebs Basis : 1 jam operasi Konversi : 75% Reaksi kimia NaCl Mula-mula Bereaksi
+
A 35,57kmol
3 H2O
NaClO3
3A
+ 3H2
-
106,71kmol
-
35,57kmol
106,7kmol
35,57kmol
106,7kmol
= 0,75 A Sisa
(A-35,57)kmol (3A-106,7)kmol
Mol reaktan mula-mula: 0, 75 A = 35, 57 kmol
A = 47, 43 kmol
Reaktan masuk reaktor: NaCl : 47,43 kmol = 2772 kg/jam H2 O
: 142,3 kmol = 2562 kg/jam
1. Menghitung Harga Konsumsi Energi Listrik untuk Elektrolisis Konsumsi energi/ ton NaClO3 terbentuk = 5500 kWh Produksi NaClO3 / jam operasi =
30.000ton = 3,7879 ton/jam (330harix 24 jam)
Konsumsi energi/ jam = 5500 kWh x 3,7879 = 20.833,33 kWh Harga 1 kWh untuk industri = Rp. 1.350,00 Total biaya energi listrik = Rp. 1.350 x 20.833,33 = Rp.28.125.000/jam
14
2. Menghitung Harga Larutan HCl (pH Larutan Elektrolisis) pH = 6 = - log H+ [H+] = 0,000001 mol/L Tersedia di pasaran HCL 37% Air dibutuhkan untuk reaksi = 2.562 kg/jam = 2.562 L Molaritas HCl untuk menciptakan pH = 6 dalam 2.562 L air = 0,000001 x 2.562 L = 0,002562 mol = M2 Jika : V1 = Volume HCl 37% yang dibutuhkan/jam M1 = Molaritas HCl di pasaran = 37 % wt = 10,148 mol/L V2 = Volume HCl 0,002562 mol/L = 2.562 L M2 = Molaritas HCl yang dibutuhkan = 0,002562 mol/L Maka: V1 =
V 2 xM 2 2.562 Lx 0,002562mol / L = = 0,647 L/jam M1 10,148mol / L
Harga HCl 37 % = Rp. 130.800,00/L Total cost HCl
= Rp 130.800 x 0,647 L = Rp. 84.600 /jam
3. Menghitung biaya pemanasan reaktan Treaksi = 600C = 333 K Qumpan = mNaCl x CpNaCl x (333-298) + mair x Cpair x (333-298) = 110.488799 kal = 462.450,9 kJ = 128, 458 kWh Total cost untuk pemanasan umpan = Rp.1.350 x 128, 458 = Rp. 182.547 / jam
Total Biaya Produksi dengan menggunakan Proses Krebs 15
= Rp 28.392.165 /jam operasi
1.2.Huron Basis : 1 jam operasi Konversi : 86% Reaksi kimia NaCl Mula-mula Bereaksi
+
A 35,57kmol
3 H2O
NaClO3
3A
+ 3H2
-
106,71kmol
35,57kmol
106,7kmol
= 0,86A Sisa
(A-35,57)kmol (3A-106,7)kmol
35,57kmol
106,7kmol
Mol reaktan mula-mula: 0, 86A = 35, 57 kmol
A = 41,38 kmol
Reaktan masuk reaktor: NaCl : 41,38 kmol = 2418,4 kg/jam H2 O
: 124,14 kmol = 2234,5 kg/jam
1. Menghitung Harga Konsumsi Energi Listrik untuk Elektrolisis Konsumsi energi/ ton NaClO3 terbentuk = 5500 kWh Produksi NaClO3 / jam operasi =
30.000ton = 3,7879 ton/jam (330harix 24 jam
Konsumsi energi/ jam = 5500 kWh x 3,7879 = 20.833,33 kWh Harga 1 kWh untuk industri = Rp. 1.350,00
16
Total biaya energi listrik = Rp. 1.350 x 20.833,33 = Rp.28.125.000/jam
2. Menghitung Harga Larutan HCl (pH Larutan Elektrolisis) pH = 6,3 = - log H+ [H+] = 0,00000050187 mol/L Tersedia di pasaran HCL 37% Air dibutuhkan untuk reaksi = 2234,5 kg/jam = 2234,5 L Molaritas HCl untuk menciptakan pH = 6,3 dalam 2234,5 L air = 0,00000050187 x 2234,5 L = 0,0011199 mol= M2 Jika : V1 = Volume HCl 37% yang dibutuhkan/jam M1 = Molaritas HCl di pasaran = 37 % wt= 10,148 mol/L V2 = Volume HCl 0,0011199mol/L = 2.234,5L M2 = Molaritas HCl yang dibutuhkan = 0,0011199 mol/L Maka: V1 =
V 2 xM 2 2.234,5 Lx 0,0011199mol / L = = 0,247 L/jam M1 10,148mol / L
Harga HCl 37 % = Rp. 130.800,00 Total cost HCl
= Rp 130.800 x 0,247 = Rp. 32.255 /jam
3. Menghitung biaya pemanasan reaktan Treaksi = 800C = 353 K Qumpan = mNaCl x CpNaCl x (353-298) + mair x Cpair x (353-298) = 151.512,963 kal = 643,157kJ = 0,17614 kWh Total cost untuk pemanasan umpan = Rp.1.350 x 0,17614 17
= Rp. 251.649 jam Total Biaya Produksi dengan menggunakan proses Huron = Rp 28.157.507 /jam operasi 1.3.Chemetics Basis : 1 jam operasi Konversi : 78% Reaksi kimia NaCl Mula-mula Bereaksi
+
A 35,57kmol
3 H2O
NaClO3
3A
+ 3H2
-
106,71kmol
-
35,57kmol
106,7kmol
35,57kmol
106,7kmol
= 0,78 A Sisa
(A-35,57)kmol (3A-106,7)kmol
Mol reaktan mula-mula: 0, 78 A = 35, 57 kmol
A = 45,624 kmol
Reaktan masuk reaktor: NaCl : 45,624 kmol = 2.666,423 kg/jam H2 O
: 136,873 kmol = 2954,95 kg/jam
1. Menghitung Harga Konsumsi Energi Listrik untuk Elektrolisis Konsumsi energi/ ton NaClO3 terbentuk = 4950 kWh Produksi NaClO3 / jam operasi =
30.000ton = 3,7879 ton/jam (330harix 24 jam
Konsumsi energi/ jam = 4950 kWh x 3,7879 = 18.750kWh Harga 1 kWh untuk industri = Rp. 1.350,00 18
Total cost energi listrik = Rp. 1.350 x 18.750 = Rp.25.312.500/jam
2. Menghitung Harga Larutan HCl (pH Larutan Elektrolisis) pH = 4 = - log H+ [H+] = 0,0001 mol/L Tersedia di pasaran HCL 37% Air dibutuhkan untuk reaksi = 2463, 714 kg/jam = 2463,714 L Molaritas HCl untuk menciptakan pH = 2 dalam 2.463,714 air = 0,0001 x 2.463,714 L = 0,2463714mol = M2 Jika : V1 = Volume HCl 37% yang dibutuhkan/jam M1 = Molaritas HCl di pasaran = 37 % wt = 10,148 mol/L V2 = Volume HCl 0,24637 mol/L = 2463,714 L M2 = Molaritas HCl yang dibutuhkan = 0,24637mol/L Maka: V1 =
V 2 xM 2 2463,7 Lx 0,24637mol / L = = 59,813L/jam M1 10,148mol / L
Harga HCl 37 % = Rp. 130.800,00 Total cost HCl
= Rp 130.800 x 59, 813 = Rp7.823.541/jam
3. Menghitung biaya pemanasan reaktan Treaksi = 900C = 363 K Qumpan = mNaCl x CpNaCl x (363-298) + mair x Cpair x (363-298) = 36.115,156 kal = 151.599 kJ = 0,043 kWh Total cost untuk pemanasan umpan = Rp.1.350 x 0,043 = Rp. 59.668 / jam 19
Total Biaya Produksi dengan menggunakan proses Chemetics = Rp 33.136.101/jam operasi
2. Proses Klorinasi Kaustik Soda Basis
:1
kg NaCLO3
BM NaClO3
: 106,44
g/mol
Jumlah Produk NaClO3 : BM NaOH
: 39,99 g/mol
Konversi
: 97
1 1000 = 106.44
9,394
mol
%
3Cl2(g) + 6NaOH(l) NaClO3(l) +5NaCl (l)+ 3 H2O(l) Mula-mula
3A
6A
9,394
Bereaksi
28,182
56,364
= 0,97A Sisa
3A-28,182 6A-56,364
0,97 A = 28,182
A= 29,053 mol
Jumlah Reaktan yang bereaksi Cl2
= 3 A = 87,16 mol
Cl2
87,16mol
70,91 gram 1 kg = 6,2 kg 1 mol 1000 gram
NaOH = 6 A = 174,318 mol NaOH = 174,318mol
39,99 gram 1kg 1mol 1000 gram
= 6,97 kg
20
Harga Cl2
= Rp.3.582,5 /kg (Merck’s Price List, 2008)
Total cost Cl2
= Rp.22.211
Harga NaOH
= Rp.154.200 /kg
Total cost NaOH
= Rp.1.074.774
Total Cost Reaktan
= Rp.365.797,5 /kg NaClO3 yang diproduksi
Harga Jual NaClO3
= Rp. 460.000 / kg
Keuntungan
= Rp. 94.202,5 /kg NaClO3 terjual
Dari analisis di atas antara Proses Elektrolisis (Krebs, Huron dan Chemetics) dan Klorinasi Kaustik Soda maka diputuskan untuk menggunakan Proses Elektrolisis Huron karena: 1. Berdasarkan bahan baku yang digunakan, Proses Elektrolisis menjanjikan keuntungan yang jauh lebih besar dibandingkan dengan Proses Klorinasi Kaustik Soda 2. Proses elektrolisis melibatkan bahan baku dalam fase padat dan cair mudah ditangani 3. Tidak dibutuhkan katalis, sehingga tidak diperlukan unit pemisahan antara katalis dan produk. 4. Lebih aman untuk lingkungan 5. Konstruksi reaktor paling sederhana dengan 1 vessel 6. Biaya untuk memenuhi kondisi operasi jauh lebih murah dibandingkan dengan Chemetics walaupun sedikit lebih mahal daripada Krebs 7. Konsentrasi produk keluaran reaktor tinggi.
21
C. Deskripsi Proses Secara umum proses terbagi menjadi tiga tahap 1. Tahap pengolahan bahan baku. Pada tahap ini, bahan baku berupa air laut di proses secara fisika menggunakan ultrafiltration membrane (UF-101) dan nanofiltration membran (NF-102) sehingga pengotornya berupa natural organic material (NOM) dan ion logam selain NaCl terpisah dari air laut. Hasil dari filtrasi ini berupa air laut dengan konsentrasi NaCl yang tinggi, yaitu 80-120 gpl (B.V. Tilak, 1999) dengan kadar ion sulfat maksimal 25 ppm. NaCl kemudian masuk kedalam mixing tank (MT- 202) dan ditambahkan Na2Cr2O7 yang berfungsi untuk mencegah terjadinya korosi pada katoda.
2. Tahap reaksi utama (elektrolisis) Setelah diproses di tahap pengolahan bahan baku, campuran tersebut masuk ke dalam reaktor elektrolisis (RE-201) dengan suhu operasi 800C, pH 6-7 dan tekanan 1 atm. Konsentrasi NaCl dijaga sebesar 80-120 g/L. Tahap yang terjadi yang terjadi dalam reaktor: a. Tahap Elektrolisis Dalam zona ini reaksi elektrokimia berlangsung : Reaksi pembentukan NaClO3 di tangki Reaktor adalah : Anoda :
2Cl-
Katoda :
2H+ + 2e-
Cl2 + 2e-
……….(1) H2
…….…(2)
b. Tahap Reaksi Kimia Pada tahap ini reaksi Cl2 menjadi NaClO3 berlangsung :
22
Cl2 (g)
Cl2 (s) (k = 5,965e-6 exp(2.765,176/T)
……….(3)
H+ + HOCl + Cl-
Cl2 (g) + H2O
(k = 11,625 exp(3,085,44/T)
….……(4)
Dilanjutkan dengan reaksi pembentukan klorat : HOCl
H+ + OCl- (k = 3,04e-5 exp(-2.000/T) ………(5)
2HOCl + OCl-
ClO3- + 2H+ + 2Cl-
(k = 8,509e5 exp(-4777/T)
..………(6)
c. Tahap Pelepasan Gas Gas H2 yang terbentuk pada katoda harus dilepaskan dari larutan. Gas H2 ini mensirkulasikan larutan pada sel elektrolisis Dari RE-201 produk dialirkan ke dehypoing reaktor (RE-202) untuk mengubah NaClO menjadi NaClO3 pada suhu 80oC selama 1 jam.
3. Tahap pemisahan produk Sodium klorat yang keluar dari reaktor memiliki konsentrasi 450-700 g/l dan suhunya 800C . Kemudian dialirkan menuju evaporator (EV-301) untuk diuapkan airnya sehingga tercapai konsentrasi jenuh sodium klorat, 1900 gpl. Dari evaporator, sodium klorat dialirkan ke dalam crystallizer (CR-301) sehingga diperoleh crystal slurry dari bagian bottom crystallizer. Kristal kemudian dipisahkan dari mother liquor di dalam centrifuge (CF-301) untuk menghilangkan kandungan sodium dikromat yang bersifat karsinogen. Kristal sodium klorat yang terbentuk memiliki moisture content sebesar 1-1,4%. Mother liquor yang telah dipisahkan kemudian dicampurkan dengan air laut yang telah dimurnikan untuk
23
direcycle ke dalam sel elektrolisis. Dari centrifuge, sodium klorat dibawa dengan menggunakan Screw Conveyor (SC-301) ke Rotary Dryer (RD301) untuk menurunkan kadar airnya sampai 0,1 %. Produk sodium klorat yang telah dilewatkan pada rotary dryer kemudian masuk kedalam unit pengantongan dan disimpan dalam gudang (WH-401).
24
