BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DESKRIPSI PROSES 2.1 Butinediol 1,4-butinediol merupakan suatu senyawa organik dengan rumus molekul HOCH2C≡CCH2OH dengan berat molekul 86,09 g/mol. Butinediol tidak berwarna dalam cairan dan bewarna kuning dalam bentuk kristal. Densitas butinediol 1,2 g/cm3, titik lebur butinediol 52-550C, dan titik didih butinediol 2380C. Temperatur kritis butinediol pada fase cair 57,840C, dan volume kritis 4,100707 ft3/lbmol. Butinediol dalam fase cair memiliki kemurnian 55% C4H6O2 (butinediol), 40% H2O (air) dan 5% CH3OH (metanol). Daya larut butinediol dalam 100 gr air adalah 374 gr, sehingga butinediol bersifat higrokopis. Spesifik gravity adalah 1,0691. Butinediol dalam bentuk kristal dapat mudah larut dalam air, larutan asam, alkohol dan aseton, tetapi tidak dapat larut dalam eter atau hidrokarbon. Butinediol beracun, dan memiliki sifat kimia dari alkohol primer dihidroksi yang mempunyai kemampuan membuat reaksi tambahan, butinediol bersifat korosif dan dapat membuat iritasi pada kulit dan mata. Nama lain dari butinediol adalah 1,4 dihidroksi 2 butin 1,4 diol, 2 butinediol dan bis (hidroksi metil) asetilen. (Anonimb,2010) Secara kimia, butinediol dikarakterisasikan dengan adanya dua gugus alkine dan dua gugus hidroksil seperti pada Gambar 2.1
Gambar 2.1 Struktur Butinediol (Anonimb, 2010)
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Rumus molekul butinediol (Anonimb, 2009) Butinediol dapat diproduksi dengan sintesis Reppe, dengan reaktan formaldehid dan asetilen: 2 CH2O formaldehid
+
HCCH
→ HOCH2CCCH2OH
Asetilen
Butinediol
banyak
Butinediol digunakan
pada
industri
pembuatan
butanediol,
tetrahidrofuran, pirolidin dan beberapa produk lain. Butinediol juga dapat digunakan untuk konversi eter dengan etylene oxida pada proses brominasi, bahan-bahan pelindung untuk alat pabrik, pestisida, bahan tambahan pada industri cat, tekstil bahan pencerah warna, bahan pengawet, bahan pembersih, bahan anti karat, dan manghambat pelapisan nikel. Selain itu butinediol juga digunakan dalam pembuatan agen perlindungan tanaman, pestisida, resin sintetik. (Chemicalland2, 2008). 2.2 Spesifikasi Bahan Baku Bahan baku utama dari proses pembuatan C4H6O2 (butinediol) ini adalah C2H2 (asetilen) dan HCHO (formaldehid). HCHO (formaldehid) yang digunakan mempunyai komposisi HCHO (formaldehid), H2O (air), metanol (CH3OH). Dalam pembuatan butinediol digunakan katalis padat Cu2C2 (tembaga asetilid). Dalam reaksi samping terdapat propargil alkohol yang dapat di produksi menjadi butinediol jika di reaksikan dengan formaldehid.
Universitas Sumatera Utara
2.2.1 Asetilen (C2H2) Senyawa asetilen adalah senyawa kimia dengan formula C2H2. Asetilen adalah hidrokarbon dengan ikatan alkalin yang sederhana. Asetilen adalah gas yang tidak bewarna dan mudah terbakar dengan bau mirip bawang putih. Asetilen adalah gas sintetis yang diproduksi dari reaksi Kalsium karbida dengan air, dan disimpan dalam silinder yang berisi cairan Aseton. Asetilen banyak digunakan untuk pemotongan besi, pengelasan dan juga untuk mempercepat matangnya buah-buahan. Tabel 2.1 Sifat fisika Asetilen: Molekul Formula
H–C≡C–H
Rumus Kimia
C2H2
Berat Molekul
26,04 Kg/Kmol
Titik Didih
-83,80 °C ( 1 atm)
Titik leleh
-80,75 °C ( 1 atm)
Temperatur kritis
35,15 °C
Tekanan kritis
60,59 atm
Volume kritis
1,809446 ft3/lbmol
ΔH0f
97.484,57 Btu/lbmol
ΔG0f
89.939,46 Btu/lbmol
Densitas
0,377 g/cm3
Viskositas
0,0815 cp
Fase
Gas
warna
tidak berwarna
Sifat
Berbau
Kemurnian
99,40 % w C2H2 0,5 % w N2 0,1 % w H2
Spesifik gravity 60 F
0,7906
Kelarutan dalam air ( 25 °C )
0,94 % w
Pelarut organik :
aceton, benzene,chloroform, eter
Sinonim :
Asetilen, Ethine, Welding Gas, Narcilen, Vinilen
(Anonima, 2010)
Universitas Sumatera Utara
2.2.2 Formaldehid (HCHO) Formaldehid adalah suatu bahan kimia dengan rumus umum HCHO atau CH2O. formaldehid yang juga disebut metanal yang merupakan aldehida yang berbentuk gas. Pada suhu normal dan tekanan atmosfer formaldehid berada dalam bentuk gas yang tidak berwarna yang berbau sangat merangsang, beracun, mudah larut dalam air dengan berat molekul 30,03 g/mol. Formaldehid dalam bentuk padat disebut trioksan (CH2O)3 yaitu bentuk polimer ada formaldehid, dengan formaldehid 8 -100 unit, tetapi pada suhu 1500C formaldehid akan terkomposisi menjadi metanol dan karbon monoksida. Formaldehid dapat dihasilkan dari membakar bahan yang mengandung karbon, misalnya: asap knalpot kendaraan, kebakaran hutan, asap tembakau, dan lain-lain. Formaldehid dalam kadar kecil sekali juga dihasilkan seperti metabolit kebanyakan organisme, termasuk manusia. Formaldehid awalnya disintesa (dibuat) oleh kimiawan asal Rusia Aleksander Butlerov tahun 1859, tapi diidentifikasi oleh Hoffman tahun 1867. Formaldehid memiliki banyak nama, seperti : formalin, formol, metil aldehid, metilen oksida, paraforin, tri oxane, formoform. Tabel 2.2 Sifat Fisika Formaldehid: Molekul Formula
H2-C=O
Rumus Kimia
CH2O
Berat Molekul
30,03 Kg/Kmol
Titik Didih
-19,15 °C ( 1 atm)
Titik leleh
-92,00 °C ( 1 atm)
Temperatur kritis
134,85 °C ( 1 atm)
Tekanan kritis
64,9999 atm
Volume kritis
1,681939 ft3/lbmol
Fase
Gas
ΔH0f
- 49827,84 Btu/lbmol
ΔG0f
- 47248,31 Btu/lbmol
Kemurnian
30 % CH2O 55 % H2O 15 % CH3OH
Specific gravity
0,815
Universitas Sumatera Utara
Kelarutan dalam air ( 20 °C )
0,55 %
Densitas
0,376 g/mL
Viskositas
0,1154 cP
Pelarut organic
Ether, alcohol, azeton, benzene
Sinonim
Formik
aldehid,
metanal,
aldehid,
metilen oxide (Anonimd, 2010) 2.2.3 Katalis Tembaga asetilid (Cu2C2) Tembaga asetilid adalah senyawa kimia inorganik. Tembaga asetilid mudah panas dan mudah meledak dan lebih sensitif dari perak asetilid. Tabel 2.3 Sifat Fisika katalis Tembaga Asetilid: Rumus Molekul
Cu2C2
Fasa
Padat
Berat molekul
151,11 g/mol
Densitas
4,620 g/cm3
(Anonimc, 2008) 2.2.4 Metanol (CH3OH) Metanol, juga dikenal sebagai metil alkohol, wood alcohol atau spiritus, adalah senyawa kimia dengan rumus kimia CH3OH. Ia merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada keadaan metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan daripada etanol). Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan sebagai bahan additif bagi etanol industri. Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri. Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara. Setelah beberapa hari, uap metanol tersebut akan teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air.
Tabel 2.4 Sifat Fisika Metanol:
Universitas Sumatera Utara
Rumus Kimia
CH3OH
Berat Molekul
32,04 Kg/Kmol
Densitas
0,787 g/cm3
Viskositas
0,538 cP
Titik Didih
64,65 °C (1 atm)
Titik Leleh
-97,68 °C ( 1 atm)
Fase
Cair
Kemurnian
> 99 % CH3OH < 1 % H2O
Specific gravity
0,712
Temperatur kritis
239,49°C ( 1 atm)
Tekanan kritis
79,9111 atm
Volume kritis
118 liter/kmol
(Anonime, 2008)
2.2.5 Air (H2O) Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H2O, satu molekul air tersusun atas dua atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Air bersifat tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 100 kPa (1 bar) and temperatur 273,15 K (0 °C). Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang penting, yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia lainnya, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak macam molekul organik. Air sering disebut sebagai pelarut universal karena air melarutkan banyak zat kimia. Air berada dalam kesetimbangan dinamis antara fase cair dan padat di bawah tekanan dan temperatur standar. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan sebagai sebuah ion hidrogen (H+) yang berasosiasi (berikatan) dengan sebuah ion hidroksida (OH-).
Tabel 2.5 Sifat Fisika Air: Berat molekul
18,016 gr/gmol
Titik lebur
0°C (1 atm)
Universitas Sumatera Utara
Titik didih
100°C (1 atm)
Densitas
1 gr/ml (4°C)
Spesifik gravity
1,00 (4°C)
Indeks bias
1,333 (20°C)
Viskositas
0,8949 cP
Kapasitas panas
1 kal/gr
Panas pembentukan
80 kal/gr
Panas penguapan
540 kal/gr
Temperatur kritis
374°C
Tekanan kritis
217 atm
(Anonimg, 2010)
2.3 Spesifikasi produk 2.3.1 Butinediol (C4H6O2) Butinediol merupakan senyawa organik yang merupakan alkuna dan suatu diol. Butinediol merupakan kristal kuning yang larut dalam air dan etanol.
Butinediol dapat diproduksi dalam sintesis Reppe, di mana formaldehid dan asetilen adalah reaktan: 2 CH2O
+
Formaldehid
HCCH → HOCH2CCCH2OH Asetilen
Butinediol
Beberapa metode produksi yang dipatenkan menggunakan katalis tembaga bismut dilapisi bahan inert. Rentang suhu normal untuk reaksi ini adalah 900C sampai 1500C, tergantung pada tekanan yang digunakan untuk reaksi yang bisa berkisar 1-20 bar. Butinediol
banyak
digunakan
pada
industri
pembuatan
butanediol,
tetrahidrofuran, pirolidone dan beberapa produk lain. Butinediol juga dapat
Universitas Sumatera Utara
digunakan untuk konversi eter dengan etylene oxide pada proses brominasi, bahanbahan pelindung untuk alat pabrik, pestisida, bahan tambahan pada industri cat dan textil. Butinediol juga digunakan untuk bahan pencerah warna, bahan pengawet, bahan
pembersih,
bahan
anti
karat,
dan
manghambat
pelapisan
nikel.
(Chemicalland21.com) Tabel 2.6 Sifat Fisika Butinediol: Molekul Formula
HO-CH2-C≡C-CH2-OH
Rumus Kimia
C4H6O2
Berat Molekul
86,09 Kg/Kmol
Titik Didih
238 °C ( 1 atm)
Titik leleh
57,84 °C ( 1 atm)
Temperatur kritis
421,85 °C (1 atm)
Tekanan kritis
57,8499 atm
Volume kritis
4,100707 ft3/lbmol
Fase
- 50730,86 Btu/lbmol
ΔH0f C4H6O2
Cair
ΔG0f C4H6O2
-18056,75 Btu/lbmol
Kemurnian
55 % C4H6O2
Daya larut dalam 100 gr air
374 gr
Specific gravity ( 60 F )
1,0691
Sinonim
1,4 dihydroxy 2 butyne,2butyne
(Anonima, 2010)
2.3.2 Propargil Alkohol (C3H4O) Propargil alkohol, atau 2-propyn-1-ol, merupakan senyawa organik yang merupakan alkohol sederhana berisi gugus fungsional alkuna. Alkohol Propargil adalah cairan kental yang jelas tak berwarna yang larut dengan air dan pelarut organik yang paling polar. Propargil alkohol tidak larut dalam kebanyakan pelarut
Universitas Sumatera Utara
hidrokarbon. Propargil alkohol berbau seperti geranium Pelargonium. Propargil alkohol dapat dipolimerisasi dengan baik pada saat panas atau basa. Propargil alkohol digunakan sebagai inhibitor korosi, larutan logam yang kompleks, stabilisasi pelarut dan aditif brightener elektroplating. Propargil alkohol juga digunakan sebagai intermediate dalam sintesis organik. Propargil alkohol mengiritasi kulit dan selaput lendir. Tabel 2.7 Sifat Fisika Propargil Alkohol : Molekul formula Rumus Kimia
C3H4O
Densitas
0,945 g/cc
Viskositas
2,4603
Titik Didih
14-115 °C ( 1 atm)
Nama dalam IUPAC
2-Propyn-1-ol
(Anonimg, 2010)
2.4 Reaksi Pembentukan Butinediol Reaksi utama pembentukan butinediol dari asetilen dan formaldehid dikenal sebagai reaksi reppe. Disebut reaksi reppe karena reaksinya ditemukan oleh Walter Reppe. Walter Reppe menemukan bahwa asetilen dapat bereaksi pada tekanan tinggi dengan katalis logam berat menghasilkan senyawa-senyawa yang penting dalam industri.
2.5
Proses Pembuatan Butinediol Proses pembuatan butinediol pada umumnya diproduksi dalam dua cara,
yaitu sintesis pada tekanan rendah dan sintesis pada tekanan tinggi. 2.5.1 Sintesis pada Tekanan Rendah
Universitas Sumatera Utara
Produksi butinediol pada tekanan rendah berlangsung pada tekanan sekitar 2 atm dan temperatur sekitar 80-110oC. Beberapa reaktor berpengaduk disusun secara seri supaya konversi yang diharapkan menjadi tinggi. Asetilen direaksikan dengan formaldehid dengan bantuan katalis tembaga asetilid pada reaktor pertama, dimana asetilen yang tidak bereaksi akan direcycle kembali. Kemudian hasil reaksi akan dilanjutkan ke reaktor berikutnya dengan penambahan asetilen kembali. Asetilen yang tidak bereaksi akan direcycle kembali seperti pada reaktor pertama. Proses ini dilakukan selanjutnya sampai diperoleh %yield pembentukan butinediol sekitar 20-60%, dan propargil alkohol sekitar 0,33%. Proses pemurnian hasil dilakukan dengan filtrasi katalis untuk digunakan kembali. Katalis yang hilang selama proses sekitar 2% per hari (Prater, 1978). 2.5.2 Sintesis pada Tekanan Tinggi Pada prinsipnya proses pembuatan butinediol dilaksanakan dengan cara etinilasi yaitu dengan mereaksikan asetilen dan formaldehid dengan katalis tembaga asetilid (Cu2C2). Secara stoikiometri pembentukan butinediol mengikuti persamaan : C2H2
+ 2 CH2O
Asetilen
HOCH2CCCH2OH
Formaldehid
Butinediol
Proses ini disebut dengan proses Reppe. Reaksi lain yang mungkin terjadi , yaitu : C2H2 Asetilen Reaksi
+ CH2O
C3H4O
Formaldehid
Propargil Alkohol
ini dapat dilakukan
di
dalam
reaktor
berpengaduk. Reaksi
berlangsung pada kondisi suhu 115-135°C dan tekanan 2-8 atm. Konversi butinediol yang dihasilkan dapat mencapai 75-95% (Moore, 1964). Dalam pembuatan Buinediol, Formaldehid yang digunakan berupa cairan, katalis berupa padatan, dan asetilen berupa cairan. Katalis yang biasa digunakan adalah
metal asetilid,
terutama
yaitu
Copper Acetylide / Tembaga Asetilid
(Cu2C2). Recovery dapat katalis mencapai 97-99% (Moore, 1964). Proses pemurnian
Universitas Sumatera Utara
produk dimulai dari recycle asetilen dengan separator, penyisihan katalis pada sentrifugasi, dan destilasi butinediol sehingga kemurnian butinediol yang dihasilkan akan lebih tinggi. Melihat gambaran umum proses pembuatan butinediol diatas, untuk tekanan rendah, konversi butinediol yang dihasilkan 20-60 %, tekanan 2 atm, temperatur 801100C sedangkan pada sintesis tekanan tinggi komversi butinediol yang dihasilkan 75-95 %, tekanan 2-8 atm dan suhu 115-135 0C, maka pemilihan proses didasarkan pada konversi dan kemurnian produk yang tinggi yaitu proses pembuatan butinediol pada tekanan tinggi.
2.6
Deskripsi Proses Pembuatan butinediol dari asetilen dan formaldehid dilaksanakan dalam dua
tahap yakni: 2.6.1 Proses Pembuatan Butinediol Proses pembuatan butinediol dilaksanakan dengan cara etinilasi yaitu dengan mereaksikan asetilen dan formaldehid dengan katalis tembaga asetilid (Cu2C2). Gas asetilen dari tangki penyimpanan (TK-113) yang telah dikompres akan dilewatkan melalui heater (E-119) untuk menaikkan temperaturnya sampai 1200C dan pada tekanan 5 atm sebelum masuk ke reaktor (R-210). Larutan formaldehid (dengan konsentrasi formaldehid 40%, methanol 12%, air 48%) dari tangki penyimpanan (TK-111) dan katalis padat tembaga asetilid (Cu2C2) berukuran 300 mesh dari tangki penyimpanan (TK-112) akan dialirkan menuju tangki pencampuran (M-110) yang dioperasikan dengan tekanan 1 atm dan temperatur 300C. Hasil campuran berupa slurry kemudian akan dilewatkan melalui heater (E-118) untuk menaikkan temperatur sampai 1200C. Jumlah katalis dalam umpan slurry sekitar 10%(%-berat) dari larutan formaldeid. Asetilen cair dan slurry dialirkan kedalam reaktor (R-210) dengan reaksi sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
Katalis Cu2C2 butinediol
Katalis Cu2C2
Propargil alkohol Perbandingan mol umpan formaldehid dengan asetilen yaitu 2:1. Reaksi terjadi pada suhu 120 0C dan pada tekanan 5 atm, dimana konversi formaldehid menjadi butinediol sebesar 90 % dan waktu tinggal 2 jam. Konversi formaldehid menghasilkan propargil alkohol sebesar 4%. Reaksi yang terjadi yaitu eksoterm, dengan jenis reaktor yang digunakan yaitu reaktor tangki berpengaduk. Aliran keluaran reaktor
berisi asetilen sisa,
formaldehid sisa, butinediol, propargil alkohol, metanol, air, dan katalis tembaga asetilid (Cu2C2). 2.6.2 Proses Pemurnian Butinediol Proses pemurnian produk dilakukan mulai dari alur keluaran dari reaktor yang terlebih dahulu diturunkan tekanannya sampai 1 atm kemudian dilewatkan melalui cooler (E-221) untuk diturunkan suhunya sampai 400C, kemudian dilewatkan menuju knock out drum (F-310) pada kondisi operasi 1 atm dan suhu 40oC. Asetilen yang tidak bereaksi pada reaktor akan terpisah dan direcycle ke mix point I (MP-101) untuk digunakan kembali. Aliran bawah knock out drum (F-310) yang telah dipisahkan gas asetilennya kemudian dilewatkan menuju alat disk sentrifuge (CF-320) dimana katalis akan di recovery kembali. Recovery katalis yang dihasilkan sebesar 99%. Katalis yang telah diperoleh akan dialirkan ke mix point II (MP-102) untuk digunakan kembali. Sisa katalis yang tidak dapat direcovery dibuang ke unit pengolahan limbah diutilitas. Waktu tinggal dalam disk centrifuge (CF-320) ini 2 jam dengan temperatur 400C dan tekanan 1 atm. Aliran keluaran dari disk centrifuge (CF-320) yang telah dipisahkan katalisnya, akan dipompakan menuju heater (E-323) untuk menaikkan temperaturnya
Universitas Sumatera Utara
sampai suhu 122,380C yang kemudian dialirkan menuju unit destilasi (D-330) yang dioperasikan pada tekanan 2 atm pada suhu 122,380C. Unit destilasi (D-330) akan memisahkan butinediol dari propargil alkohol dan larutan formaldehid yang berisi metanol, formaldehid, dan air berdasarkan perbedaan titik didih. Produk butinediol akan diperoleh pada alur bawah diteruskan ke cooler (E-341) dimana terjadi penurunan suhu butinediol sampai temperatur lelehnya pada suhu 540C. Butinediol yang telah diturunkan temperaturnya akan mengalami pembentukan butiran di dalam prilling tower (TK-340) pada suhu 300C dengan menggunakan rotating prilling bucket yang dikontakkan dengan udara dingin. Butiran butinediol yang keluar dari prilling tower diangkut dengan belt conveyor (C-343) ke tangki penyimpanan produk (TK-344).
Untuk alur atas yang mengandung propargil alkohol dan larutan
formaldehid sisa kemudian akan didinginkan terlebih dahulu untuk dialirkan menuju tangki penyimpanan sementara (TK-338) untuk diolah pada unit pengolahan limbah.
Universitas Sumatera Utara
Air Pendingin
Steam
PC
17 JC-312 TC
16 25 PC
1
TC
26 E-333
PC
TK-334
TI FC
P I
TC
F-310 LI
3
2
4
C 2H 2
E-119
18
14
L I
LC
13
E-337
P-335
24
TK-338
22 E-323
CF-320
15
34 P-322
P-311
20 E-332
FC
5
LI
30
29 P-336
23 FC
PC
TC
27
FC
P-116
TK-113
FC
28
TC
LC
E-211
R-210
LC
FC
TC
19
6
C-115
21
Cu2C2
FC
D-330 31
FC
FC
32 C-321 12
TK-112
35 33
P-331
P-339 E-341
7
9
TC
PI
36 Udara bekas
FC TC
FC LC
FC
10
LI HCHO TK-111
8
E-118 P-117
P-114
38
11
M-110
TC
FC
TK-340 Universitas Sumatera Utara JB-342
40
Udara masuk
