II. PEMILIHAN DAN URAIAN PROSES

II. PEMILIHAN DAN URAIAN PROSES

Usaha produksi dalam pabrik kimia membutuhkan berbagai sistem proses dan sistem pemroses yang dirangkai dalam suatu sistem proses produksi yang disebut teknologi proses. Secara garis besar, sistem proses utama dari sebuah pabrik kimia adalah sistem reaksi serta sistem pemisahan dan pemurnian. Proses perubahan bahan baku menjadi produk terjadi dalam sistem reaksi. Sistem pemroses bagi sistem reaksi adalah reaktor. Sistem pemisahan dan pemurnian bertujuan agar hasil dari sistem pereaksian sesuai dengan permintaan pasar sehingga layak dijual. A. Macam-Macam Proses Ada dua macam reaksi untuk membentuk furfuril alkohol. Yaitu reaksi Cannizaro dan reaksi hidrogenasi. Berikut masing-masing uraian proses: A.1. Reaksi Cannizaro (Disproposionasi aldehida dengan NaOH) Reaksi ini ditemukan pada tahun 1853 dan dinamai dari nama penemunya, Stanislao Cannizaro. Merupakan reaksi kimia yang melibatkan disproposionasi aldehida yang di oksidasi-reduksi menggunakan basa menjadi alkohol dan garam. Dalam hal pembuatan furfuril alkohol, furfural

15

(C5H4O2)

di

reduksi

menggunakan

sodium

hidroksida

(NaOH)

menghasilkan furfural alkohol (C5H6O2) dan asam furat (C5H3O3Na). Berikut reaksinya : 2C5H4O2(l) Furfural

+

NaOH(l) Sodium hidroksida

C5H6O2(l) + Furfuril alkohol

C5H3O3Na(l) Asam furat

Proses ini dilakukan dalam skala laboratorium pada tahun 1864 menggunakan sistem batch. Berlangsung pada fasa cair dengan temperatur 70oC dan tekanan 10 atm. Proses ini tidak komersil digunakan pada skala industri karena yields maksimal hanya 45% dengan konversi sebesar 50% (US Patent 2,374,149). A.2 Reaksi Hidrogenisasi Reaksi ini merupakan reaksi reduksi furfural menggunakan hidrogen (hidrogenasi) dengan penambahan katalis logam. Proses ini banyak dilakukan pada skala industri dengan sistem continue yang kemudian dikembangkan oleh FN Peters dari Quaker Oats Company dari H. Adkinds dan R.Connor dari Universitas Winconsin. Reaksi ini berlangsung eksotermis pada temperatur yang relatif tinggi atau tekanan tinggi namun dihasilkan konversi yang tinggi. Proses hidrogenasi untuk memproduksi furfuril alkohol merupakan reaksi katalitik dan dapat dijalankan pada 2 kondisi, yaitu furfural fasa cair dan furfural fasa uap (Mc. Ketta, 2003). Pada metode fasa cair reaksi

Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 Ton/Tahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung

16

berlangsung pada suhu antara 150OC-250 OC dan tekanan sangat tinggi (25– 50 atm). Sedangkan pada vapor-phase reaksi berlangsung pada suhu 170OC -250OC dan pada tekanan hingga 3 atm. Oleh karena itu, pada proses hidrogenasi furfural lebih komersil menggunakan metode vapor-phase sehingga mudah dalam penanganan alat dan murah dalam hal pembiayaan energi. (US.Patent 2,754,304) A.2.1. Hidrogenasi pada fasa cair Hidrogenasi furfural fase cair dapat dilakukan dimana furfural pada fase cair direaksikan dengan gas hidrogen dengan menggunakan katalis logam copper, nikel dan alumina. Kondisi operasi reaktor berlangsung dalam rentang 150OC-250OC dan tekanan 25–50 atm. Selama proses reaksi berlangsung, kondisi fase cair furfural harus dikontrol agar tidak terjadi perubahan fase. Terjadinya penguapan furfural mengakibatkan perubahan reaksi akan sulit untuk di kontrol. Untuk menjaga kondisi tersebut maka dipilih tekanan yang tinggi ini (US.Patent 4,251,396). Tingginya tekanan operasi mengakibatkan biaya operasional menjadi cukup mahal. Proses ini biasanya menggunakan katalis Copper Chromite. Penggunaan katalis ini sangatlah baik jika ditambah Calcium Oxide sebagai promotor karena bisa menghasilkan konversi maksimum


17

hingga 99%. Sintesis katalis tersebut menghasilkan Copper Chromite Calcium Oxide (CuO-Cr2O3.CaO). Katalis tersebut dipakai pada reaksi dengan ukuran 200 mesh dan bisa di simpan hingga 1 bulan tanpa mengurangi aktivitas nya. Katalis ini sangat beracun sehingga penyimpanan haruslah hati-hati agar

tidak

mencemari lingkungan. Sebelum digunakan katalis harus di cuci dengan demineralized water disertai pengadukan, dan setelah itu katalis dikeringkan menggunakan udara panas pada temperatur 95OC. Pada temperatur antara 271OC dan 310OC katalis akan terdekomposisi sehingga temperatur reaksi haruslah sangat dijaga agar tidak merusak aktivitas katalis ini. Luas permukaan katalis ini adalah 88 m2/gram. Katalis ini belum diproduksi di Indonesia, sehingga untuk mendapatkannya perlu didatangkan impor dari Jepang atau Korea. Berikut reaksi yang terjadi : C5H4O2(l) + Furfural

H2(g) hidrogen

CuO-Cr2O3.CaO P = 29 atm o T = 180 C

C5H6O2(l) furfuril alkohol

Karena bersifat heterogen (cair-gas), maka ketika keluar reaktor membutuhkan proses separasi untuk memisahkan produk dengan reaktan yang tidak bereaksi. Kontrol temperatur operasi pada reaktor autoclave juga cukup rumit untuk menjaga agar tidak terbentuknya by-product. Karena ketika temperatur tidak sesuai Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 Ton/Tahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung

18

maka reaksi juga akan membentuk white product (methylfuran) dan polimernya. Selain itu tekanan yang digunakan selama operasi juga sangat tinggi. Sehingga, selain kebutuhan energi tinggi, material yang digunakan untuk peralatan proses juga harus bahan yang terbaik sehingga membutuhkan investasi yang tinggi (US.Patent 4,251,396). A.2.2

Hidrogenasi pada fasa uap Hidrogenasi furfural fase uap dapat dilakukan dimana furfural cair (feedstock) diuapkan terlebih dahulu sebelum masuk reaktor.

Sama seperti halnya pada hidrogenasi fasa cair, pada

reaktor furfural direaksikan dengan gas hidrogen menggunakan katalis copper, nikel alumina pada temperatur antara 170OC dan 250OC. Namun, karena direaksikan pada fasa uap maka kondisi operasi di reaktor berada pada rentang tekanan 1 – 5 atm. Proses ini biasanya menggunakan katalis Copper sillicate atau Copper oxida . Furfural diumpankan ke dalam reaktor tubular fixed bed reactor yang didalamnya terdapat katalis copper oxide berbentuk extrudate CuO di dalam pipa-pipa tubular reaktor. Sebelum masuk reaktor furfural diuapkan oleh vaporizer dan bersamaan dengan gas hidrogen diumpankan ke dalam reaktor.


19

Reaksi dapat berlangsung pada tekanan 2 atm dan temperatur 190OC. Reaksi bersifat eksotermis, sehingga untuk menjaga temperatur reaksi reaktor harus dilengkapi oleh sistem pendingin dengan konversi sebesar 80%. Pada kondisi ini furfural harus dijaga dalam fase uap lewat jenuh agar tidak terjadi polimerisasi yang akan menghasilkan white water product serta mencegah pengembunan furfural di dalam pipa katalis sehingga tidak terbentuk coloured product. Oleh karena itu, reaktor dioperasikan pada temperatur reaksi (190OC) namun tidak boleh lebih dari 200OC agar tidak terbentuk methylfuran (Swadesh. S, 1956). Berikut reaksi yang terjadi : C5H4O2(g) Furfural

+

H2(g) hidrogen

CuO P = 2 atm T = 190 o C

C5H6O2(g) furfuril alkohol

(US.Patent 2,754,304) B. Pemilihan Proses Pemilihan proses bertujuan untuk menentukan proses mana yang akan dipilih sehingga menguntungkan baik dari segi ekonomi, energi dan investasi alat. B.1 Tinjauan Ekonomi Tinjauan ekonomi ini bertujuan untuk mengetahui keuntungan yang dihasilkan oleh pabrik per kg produk yang dihasilkan pada masing-masing


20

proses yang akan digunakan. Berikut perbandingan keuntungan yang diperoleh melalui kedua proses di atas. 

Disproposionasi aldehida (dengan NaOH) Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

2C5H4O2(l) Furfural

+

NaOH(l)

C5H6O2(l)

Sodium hidroksida

+ C5H3O3Na(l)

Furfuril alkohol

Asam furat

Basis : 1 kg C5H6O2 (produk/furfuril alkohol) BM C5H6O2 : 98 g/mol dan BM C5H3O3Na (by product) = 134,24 g/mol BM C5H4O2 (bahan baku): 96 g/mol dan BM NaOH = 39,99 g/mol Jumlah Produk C5H6O2 :

11.000 gram = 10,194 mol 98,1gr / mol

Konversi : 50 % terhadap furfural (C5H4O2) Reaksi :

50%

2C5H4O2(l) + NaOH(l) Mula-mula

C5H6O2(l) + C5H3O3Na(l)

x

0,5x

-

-

Bereaksi

20,388

10,194

10,194

10,194

Sisa

x-20,388

10,194

10,194

0,5x-10,194

Mol mula-mula: x-0,5 x = x-20,388 0,5 x = x-20,388 = 40,776 mol

C5H4O2 = x = 40,776 mol NaOH = 0,5 x = 20,388 mol


21

Jumlah Reaktan yang dibutuhkan C5H4O2  40,776mol 

96,085 gram 1 kg = 3,92 kg  1 mol 1000 gram

NaOH  20,388 mol 

1 kg 39,99 gram = 0,814 kg  1 mol 1000 gram

Jumlah Produk yang terbentuk C5H6O2  10,194mol 

1 kg 98,1gram  = 1,0000314 kg 1 mol 1000 gram

C5H3O3Na  10,194 mol 

1 kg 134,24 gram = 1,36 kg  1 mol 1000 gram

Tabel II.1 Harga bahan baku dan produk proses disproposinasi aldehid $/ton Bahan Baku

Produk

1. Furfural (C5H402)

1.100*

2. Sodium Hidroksida (NaOH)

460**

3. Furfuril alkohol(C5H602)

2.500***

4. Sodium Furat (C5H3O3Na)

430****

Sumber : */*** web of Puyang Dingxin Chemical Co., Ltd. 12 Feb 2012 **/**** alibaba.com. 9 Feb 2013

Untuk menghitung perolehan keuntungan kasar dapat digunakan persamaan berikut ini : EP = Harga Produk – Harga Bahan Baku EP = ( Harga Furfuril alkohol+ harga sodium furat) - ( harga furfural + harga hidrogen)


22

EP = {(1,0000314 kg) ( $ 2,5/kg) + (1,36 kg) ( $ 0,43/kg)} – {(3,92 kg) ($ 1,1/kg) + (0,814) ($ 0,46/kg)} EP = $ (3,585-5,078)/kg produk = - $ 1,493 /kg produk (-41%) 

Proses Hidrogenasi Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : C5H4O2(g) + H2(g)

C5H6O2(g)

Basis : 1 kg C5H6O2 (produk/furfuril alkohol) BM C5H6O2 : 98,1 g/mol BM C5H4O2 (bahan baku): 96,085 g/mol dan BM H2 = 2 g/mol Jumlah Produk C5H6O2 :

1 1.000 = 98,1

10,194 mol

Konversi : 80% terhadap furfural Reaksi :

80%

C5H4O2(g) Mula-mula

+

H2(g)

x

Bereaksi

10,194

Sisa

x-10,194

C5H6O2(g) -

10,194

10,194 10,194

Mol mula-mula : x-0,8000 x = x-10,194 0,2000 x = x-10,194 x = 12,7425 mol C5H4O2 = x = 12,7425 mol H2

= x = 10,1940 mol


23

Jumlah Reaktan yang dibutuhkan

C5H4O2  12,7425mol  H2  10,194 mol 

1 kg 96 gram = 0,995 kg  1 mol 1000 gram

1 kg 2 gram = 0,0204 kg  1 mol 1000 gram

Jumlah Produk yang terbentuk C5H6O2  10,194mol 

1 kg 98,1gram = 1,0000314 kg  1 mol 1000 gram

Tabel II.2 Harga bahan baku dan produk proses hidrogenasi $/ton Bahan Baku

Produk

1. Furfural (C5H402)

1.100*

2. Hidrogen (H2)

3.000**

3. Furfuril alkohol(C5H602)

2.500***

Sumber : */*** web of Puyang Dingxin Chemical Co., Ltd. 12 Feb 2012 ** web of PT Samator Gas Indonesia. 9 Feb 2013

Untuk menghitung perolehan keuntungan kasar dapat digunakan persamaan berikut ini : EP = Harga Produk – Harga Bahan Baku EP = ( Harga furfuril alkohol) – { ( harga furfural + harga hidrogen)} EP = (1,0000314 kg) ( $ 2,5/kg)– {(0,995 kg) ($ 1,1/kg) + (0,0204) ($ 3/kg)} EP = $ (3,0000942-(1,194+0,0714))/kg produk = $ 1,7347 /kg produk (137%)


24

B.2 Tinjauan Termodinamika Perubahan entalpi (ΔH) menunjukkan panas reaksi yang dihasilkan ataupun panas reaksi yang dibutuhkan selama proses berlangsungnya reaksi kimia. Dalam hal ini, pada reaksi pembentukkan Furfuril alkoholdari furfural. Besar atau kecil nilai ΔH tersebut menunjukkan jumlah energi yang dibutuhkan maupun dihasilkan. ΔH bernilai positif (+) menunjukkan bahwa reaksi tersebut membutuhkan panas agar berlangsungnya reaksi sehingga semakin besar ΔH maka semakin besar juga energi yang dibutuhkan dan cost yang harus dikeluarkan. Sedangkan ΔH bernilai negatif (-) menunjukkan bahwa reaksi tersebut menghasilkan panas selama proses berlangsungnya reaksi

sehingga

tidak

membutuhkan

energi

selama

proses

namun

membutuhkan energi untuk penyerapan panas agar reaksi tetap berlangsung pada temperatur reaksinya. 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. B.2.1 Disproposionasi aldehida (dengan NaOH) Reaksi yang terjadi : 2C5H4O2(l) Furfural

+ NaOH(l) Sodium hidroksida



Nilai ΔH°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat dilihat pada Tabel II.3. sebagai berikut:


25

Tabel II.3 Nilai ΔH°f disproposinasi aldehid Komponen

ΔH°f, kJ/mol

C5H4O2(l)

-201,6

NaOH(l)

-425,8

C5H6O2(l)

-276,2

C5H3O3Na(l)

-365,8

Sumber: Yaws, Thermodynamic chemical data

ΔH°r 298 K = ΔH°f produk - ΔH°f reaktan = [ΔH°f C5H6O2(l)+ C5H3O3Na(l) ] – [ 2 x ΔH°f C5H4O2(l) + (NaOH(l) ] = [ (-276,2 + (-365,8) ] – [ (2 x -201,6) + (-425,8) ] = +187 kJ/mol Karena nilai ΔH°r 298 K positif, maka reaksi bersifat endotermis Untuk panas reaksi pada suhu 343 K ΔHo (343K)

= ΔH298 +( ΔCpmh ΔT)

(Smith, pers. 4.21)

Komponen

Koefisien

A

B

C

D

C5H4O2(l)

2

66,792

7,0755.10-1

-1,8082.10-3

1,9630.10-6

NaOH(l)

1

87,639

-4,8368.10-4

-4,5423.10-6

1,1863.10-9

C5H6O2(l)

1

72,353

9,3499.10-1

-2,4272.10-3

2,5437.10-6

1

57,639

4,2117.10-1

-1,2531.10-3

1,6223.10-6

-1

-91,231

-0,05846

-0,0002334

0,0000023667

C5H3O3Na(l) Selisih (produk-reaktan)


Untuk Tam = 320,5 K Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 Ton/Tahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung

26

= -91,231 + ((-0,05846) x (320,5) + ((-0,0002334/3) x ( 4 x 320,5 2 – 298 x 343)) + 0,0000023667 / (298 x 343) ΔCpmh = 580,347 kJ/mol oK ΔHrx = 187 + (580,347 x (343 - 298) ) ΔHrx = +26.302,615 kJ/mol B.2.2 Proses Hidrogenasi 

Fasa cair Reaksi yang terjadi : C5H4O2(l) Furfural

+

H2(g) Hidrogen

C5H6O2(l) Furfuril alkohol

Nilai ΔH°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat dilihat sebagai berikut : Tabel II.4 Nilai ΔH°f proses hidrogenasi cair Komponen

ΔH°f, kJ/mol

C5H4O2(l)

-201,6

H2(g)

0

C5H6O2(l)

-276,2


ΔH°r 298 K = ΔH°f produk - ΔH°f reaktan = [ ΔH°f C5H6O2(l)] – [ΔH°f C5H4O2(l) + H2(g) ] = [(-276,2) – (-201,6)] kJ/mol = -74,6 kJ/mol Karena nilai ΔH°r 298 K negatif, maka reaksi bersifat eksotermis Untuk panas reaksi pada suhu 453 K Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 Ton/Tahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung

27

ΔHo (453K)

= ΔH298 +( ΔCpmh ΔT) (Smith, pers. 4.21)

Komponen

Koefisien

A

B

C

D

C5H4O2(l)

1

66,792

7,0755.10-1

-1,8082.10-3

1,9630.10-6

H2(g)

1

25,399

2,0178.10-2

-3,8549.10-6

3,1880.10-8

C5H6O2(l)

1

72,353

9,3499.10-1

-2,4272.10-3

2,5437.10-6

Selisih (produk-reaktan)

-1

30,960

0,09125

-0,007689

-0,000005499


Untuk Tam = 375,5 K = 30,960 + ((0,09125) x (375,5) + ((-0,007689/3) x ( 4 x 375,5 2 – 298 x 453)) + -0,000005499 / (298 x 453)



ΔCpmh

= -115,122 kJ/mol oK

ΔHrx

= -74,6+ (-115,122 x (543 - 298) )

ΔHrx

= -17.918,51 kJ/mol

Fasa uap Reaksi yang terjadi : C5H4O2(g)

+

Furfural

H2(g)

C5H6O2(g)

Hidrogen

Furfuril alkohol

Nilai ΔH°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat dilihat sebagai berikut:


28

Tabel II.5 Nilai ΔH°f proses hidrogenasi uap Komponen

ΔH°f, kJ/mol

C5H4O2(g)

-151

H2(g)

0

C5H6O2(g)

-211,8


ΔH°r 298 K = ΔH°f produk - ΔH°f reaktan = [ ΔH°f C5H6O2(g)] – [ΔH°f C5H4O2(g) + H2(g) ] = [(-211,8) – (-151)] kJ/mol = -60,8 kJ/mol Karena nilai ΔH°r 298 K negatif, maka reaksi bersifat eksotermis Untuk panas reaksi pada suhu 463 K ΔHo (463 K) = ΔH298 +( ΔCpmh ΔT)

(Smith, pers. 4.21)

Komponen

Koefisien

A

B

C

D

C5H4O2(g)

1

15,470

2,9835.10-1

-1,9177.10-5

-1,4621.10-7

C5H6O2(g)

1

-7,696

5,5491.10-1

-4,9754.10-4

2,3193.10-8

H2(g)

1

25,399

2,9906.10-2

-3,8549.10-5

-1,7825.10-8

Selisih (produk-reaktan)

-1

2,233

-0,01569

0,000861

-0,000009154


Untuk Tam = 380,5 K


29

= 2,233 + ((-0,01569) x (370,5) + ((0,000861/3) x ( 4 x 370,5 2 – 298 x 443)) + -0,000009154 / (298 x 443) ΔCpmh

= -96,743 kJ/mol oK

ΔHrx

= -60,8 + (96,743 x (443 - 298) )

ΔHrx

= -14.088,355 kJ/mol

B.3 Tinjauan termodinamika berdasarkan energi Gibbs (ΔGo) Energi Gibbs standar menunjukkan spontan atau tidak spontannya suatu reaksi kimia. ΔGo bernilai positif (+) menunjukkan bahwa reaksi tersebut tidak dapat berlangsung secara spontan, sehingga dibutuhkan energi tambahan dari luar. Sedangkan ΔGo bernilai negatif (-) menunjukan bahwa reaksi tersebut dapat berlangsung secara spontan dan hanya sedikit membutuhkan energi. Oleh karena itu, semakin kecil atau negatif ΔGo maka reaksi tersebut akan semakin baik karena untuk berlangsung spontan energi yang dibutuhkan semakin kecil. B.3.1 Disproposionasi aldehida (dengan NaOH) Reaksi yang terjadi : 2C5H4O2(l) Furfural

+

NaOH(l) hidroksida



Nilai ΔG°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat dilihat pada Tabel II.6. sebagai berikut :


30

Tabel II.6 Nilai ΔG°f proses disproposionasi aldehida Komponen

ΔG°f, kJ/mol

C5H4O2(l)

-102,87

NaOH(l)

-419,2

C5H6O2(l)

-154

C5H3O3Na(l)

-275,8


ΔG° 298 K = ΔG°f produk - ΔG°f reaktan = [ ΔG°f C5H6O2(l)+ C5H3O3Na(l) ] – [ 2 x ΔG°f C5H4O2(l) + (NaOH(l) ] = [ (-154 + (-275,8) ] – [ (2 x -102,87) + (-419,2) ] = +195,14 kJ/mol Karena nilai ΔG° 298 K positif, maka reaksi bersifat tidak spontan. Untuk energi Gibbs pada suhu ΔGo (343 K)

R  TTo

Cp dT = A (T-To) + R

(T2-To2) +

(T3-To3) +

(T4-To4)

= -91,231 (343-298) + (-0,05846/2)(3432-2982)+( 0,0002334/3)(3433-2983)+( 0,0000023667/4)(34342984) = +322 ,098 Kj/kmol

R  TTo

Cp dT = A(ln T – ln To) + B(T-To) + R T

(T2 - To2) + (T3 - To3)

= -91,231(ln 343-ln 298)+( -0,05846)(343-298)+( 0,0002334/2)(3432-2982)+( 0,0000023667/3)(3433-2983) = +21,355 kj/kmol


31

G o R (T )  H o R (T0 )  R  G o R (T )

T To

 H o R (T0 )  G o R (T0 ) Cp dT  T  R To 

   RT  

T To

Cp dT R T

= +187 + (322,098-343((+187-195,14)/298)) -21,355 = +54 kj/kmol

B.3.2 Proses Hidrogenasi 

Reaksi yang terjadi (fasa uap) : C5H4O2(g) Furfural

+

H2(g) Hidrogen

C5H6O2(g) Furfuril alkohol

Nilai ΔG°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat dilihat pada tabel berikut : Tabel II.7 Nilai ΔG°f proses hidrogenasi uap Komponen

ΔG°f, kJ/mol

C5H4O2(g)

-102,87

H2(g)

0

C5H6O2(g)

-154


ΔG° 298 K = ΔG°f produk - ΔG°f reaktan = [ ΔG°f C5H6O2(g)] – [ΔG°f C5H4O2(g) + H2(g) ] = [(-154) - (-102,87)] kJ/mol = -51,13 kJ/mol Karena nilai ΔG° 298 K negatif, maka reaksi bersifat spontan Untuk energi Gibbs pada suhu ΔGo (443 K)


32

R  TTo

Cp dT = A (T-To) + R

(T2-To2) +

(T3-To3) +

(T4-To4)

= 2,233 (443-298) + (-0,01569/2)(4432-2982)+( 0,007689/3)(4433-2983)+( -0,000009154 /4)(44342984) = -89,398 Kj/kmol

R  TTo


(T2 - To2) + (T3 - To3)

= 2,233(ln 443-ln298)+ (-0,01569)(443-298)+( 0,007689/2)( (4432-2982)+( -0,000009154/3)(44332983) = -17,323 kj/kmol

 H o R (T0 )  G o R (T0 )  Cp Cp dT   RT  TTo dT  T  R To R T   = -60,8+(-89,398)-443(-60,8-(-51,13))/298)-(-17,323)

G o R (T )  H o R (T0 )  R  TTo

= -141,390 kj/kmol Reaksi yang terjadi (fasa cair) : C5H4O2(l) Furfural

+

H2(g) Hidrogen

C5H6O2(l) Furfuril alkohol

Nilai ΔG°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat dilihat pada tabel berikut :


33

Tabel II.8 Nilai ΔG°f proses hidrogenasi cair Komponen

ΔG°f, kJ/mol

C5H4O2(l)

-134,14

H2(g)

0

C5H6O2(l)

-206,5


ΔG° 298 K = ΔG°f produk - ΔG°f reaktan = [ ΔG°f C5H6O2(l)] – [ΔG°f C5H4O2(l) + H2(g) ] = [(-206,5) – (-134,14)] kJ/mol = -71,46 kJ/mol Karena nilai ΔG° 298 K negatif, maka reaksi bersifat spontan. Untuk energi Gibbs pada suhu ΔGo (453 K)

R  TTo

Cp 2 2 3 3 4 4 dT = A (T-To) + (T -To ) + (T -To ) + (T -To ) R = 30,960(453-298)+(0,09125/2)(4532-2982)+(0,007689/3)(4533-2983)+(-0,000005499/4)(45332983) = -102,472 kj/kmol

R  TTo


(T2 - To2) + (T3 - To3)

= 30,960(ln453-ln298)+0,09125(453-298)+ ( -0,007689/2)(4532-2982)+( -0,000005499/3)(4533-2983) = -31,889 kj/kmol

G o R (T )  H o R (T0 )  R  TTo

 H o R (T0 )  G o R (T0 ) Cp dT  T  R To 

 Cp dT   RT  TTo R T 

= -74,5+(-102,472)-453(-74,5-(-71,46))/298)-(-31,889) = -149,704 kj/kmol Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 Ton/Tahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung

34

Berikut matrik dalam mempertimbangkan pemilihan metode yang akan digunakan: Tabel II.9 Matrik pemilihan proses No

Parameter

1

Temperatur reaksi

2

Tekanan operasi

3

Fasa reaksi

4

Konversi

5

Katalis

6

Kemurnian produk

7

Jenis reaktor

Diproposinasi dengan NaOH 70o C

Hidrogenasi (Fasa cair) 150-250 o C

Hidrogenasi (fasa uap) 170-250 o C

10 atm

10-29 atm

1-5 atm

Cair-Cair

Cair-Gas

Vapor-Gas

50%

Hingga 99%

80%-99%

-

Copper, nickle,

Copper, nickle,

titanium

titanium

97% Batch/CSTR

99% 90%

Fixed bed multitube

Autoclave 8

Keuntungan

- $ 1,493/kg produk

$ 1,7347 /kg produk

$ 1,7347 /kg produk

(-41%)

(137%)

(137%)

9

Panas reaksi (ΔH )

+26.302,615 kJ/mol

-17.918,51 kJ/mol

-14.088,355 kJ/mol

10

Energi Gibbs (ΔGo)

+54 kJ/mol

-149,704 kJ/mol

-141,390 kJ/mol

11

Produk samping

-

Methylfuran

-

0

Berdasarkan matrik metode proses hidrogenasi di atas, maka di pilih proses hidrogenasi dengan katalis Copper oxide (CuO) pada fasa uap untuk memproduksi furfuril alkohol dari furfural dan/hidrogen karena pertimbangan memberikan kondisi operasi yang relatif aman dan kemurnian yang dihasilkan lebih baik dari metode yang lain.


35

C. Deskripsi Proses Proses pembuatan furfuril alcohol melalui beberapa tahap sebagai berikut :. 1. Tahap penyiapan bahan baku 2. Tahap pembentukan produk 3. Tahap pemurnian produk C.1 Tahap penyiapan bahan baku Bahan baku furfural cair diperoleh dari PT Sree International Indonesia dan langsung diangkut menuju pabrik menggunakan transportasi darat. Furfural yang dibeli terdiri dari 99,4% furfural dan 0,6% air (persen berat) disimpan dalam tangki penyimpanan bahan baku (ST-101) pada temperatur ruangan 300C dan tekanan 1 atm. Dari tangki penyimpanan, furfural dialirkan oleh pompa (P-101) menuju Adsorber (AD-101) untuk menghilangkan kandungan 100% air didalamnya agar memperoleh kemurnian produk yang tinggi dan peralatan seperti reaktor tidak mudah teroksidasi dengan menggunakan adsorben zeolit dan dalam kondisi isotermal (tidak ada perubahan suhu). Setelah itu bahan diumpankan menuju vaporizer (VP-101) dimana furfural cair akan diubah fasanya menjadi uap. Kemudian oleh separator drum (SD-101) keluaran vaporizer akan dipisahkan antara fasa uap dan fasa cair nya. Fasa uap langsung diumpankan ke dalam reaktor dan fasa cair (kondensat) diumpankan kembali ke vaporizer setelah dicampur dengan fresh feed untuk diuapkan kembali.


36

Gas hidrogen 99,24% (persen mol) dibeli dari PT Air Liquid melalui sistem piping. Setelah tekanan nya diturunkan oleh Expander (EV-101) bahan baku gas ini dipanaskan oleh Heater (HT-101) untuk kemudian bercampur dengan bahan baku lain di mixing point (MP-103). Dari MP-103 bahan diumpankan ke dalam reaktor fixed bed multitube (RE-201) melalui bagian atas reaktor yang didalamnya telah terdapat katalis-katalis. C.2 Tahap pembentukan produk dan pemisahan produk Di dalam reaktor terdapat tube-tube yang berisi tumpukan katalis copper silicate, kemudian umpan akan melewati katalis dan terjadi reaksi hidrogenasi furfural sebagai berikut : Reaksi utama :

C5H4O2(g) + H2(g)

C5H6O2(g)

Reaksi terjadi pada fase gas-uap dengan katalis copper silicate pada kisaran temperatur 1900C dan tekanan 2 atm. Karena reaksi bersifat eksotermis, untuk mempertahankan temperatur dalam reaktor maka diberi pendingin. Hasil keluaran reaktor berupa uap furfuril alkohol dan furfural juga gas hidrogen, nitrogen dan oksigen. Bahan yang keluar dari reaktor ini dialirkan menuju kondensor (CD201) untuk mengkondensasikan seluruh furfuril alkohol dan furfural. Kemudian keluaran CD-201 ini akan dialirkan menuju Separator Drum (SD201) untuk dipisahkan antara gas dan cairan nya. Gas sebagian di recycle ke


37

reaktor dan sebagian lagi di purge. Sedangkan cairan dialirkan menuju heater untuk kemudian diumpankan ke dalam menara distilasi untuk dimurnikan. C.3

Tahap pemurnian produk Untuk mendapatkan kemurnian sesuai dengan yang diharapkan cairan dimurnikan dengan menggunakan distilasi. Cairan furfural dan furfuril alkohol dipanaskan oleh heater (HT-301) hingga suhunya sesuai dengan suhu operasi menara distilasi. Aliran bottom product kaya akan furfuril alkohol dialirkan menuju tangki penampungan produk (ST-301) dalam wujud cair setelah didinginkan oleh Cooler (HE-301). Sedangkan top product sebagian diembunkan oleh Condensor (CD-301) dan dipisahkan antara fasa uap dan fasa cair nya oleh Separator Drum (SD-301) dimana fasa uap produk inilah yang akan dikembalikan ke reaktor (RE-201).


II. PEMILIHAN DAN URAIAN PROSES

Recommend Documents