II. DESKRIPSI PROSES
A. Jenis-Jenis Proses Dodekilbenzena dapat dibuat dengan mereaksikan dodekana dan benzena. Dalam produksi dodekilbenzena dapat digunakan 2 proses sebagai berikut: 1. Proses alkilasi benzena dengan menggunakan klorododekena. Proses sintesa ini berlangsung pada suhu 80oC tekanan 1 atm konversi sebesar 98% menggunakan bahan baku klorododekana, benzena, dan HCl dengan reaksi sebagai berikut:
benzena
klorododekena
asam klorida
dodekilbenzena
klorin
2. Proses alkilasi benzena dengan menggunakan 1-dodekena (proses Universal Oil Product / UOP). Proses ini berlangsung pada suhu 60oC tekanan 1atm dengan konversi sebesar 95% menggunakan bahan baku 1-dodekena dan benzena dengan reaksi sebagai berikut:
7
benzena
1-dodekena
dodekilbenzena
B. Pemilihan Proses Pemilihan proses dilakukan berdasarkan kelayakan ekonomi dan kelayakan teknis. Kelayakan teknis dilihat dari kemudahan reaksi atau proses itu dapat terjadi, dan kelayakan ekonomi dilihat dari keuntungan hasil penjualan produk. 1. Pemilihan proses berdasarkan kelayakan ekonomi: a. Perhitungan ekonomi pada proses alkilasi benzena dengan klorododekena. Reaksi alkilasi benzena dengan klorododekana: benzene + klorododekana + HCl → dodekilbenzena + klorin Tabel 2. Harga bahan baku pada proses alkilasi benzena dengan klorododekana Bahan Baku komponen BM kmol Massa (kg) harga (Rp/kg) biaya bahan baku (Rp) benzena 78 1 78 52.000 4.056.000 klorododekana 202 1 202 12.000 2.424.000 HCl 36 1 36 6.000 216.000 Total 6.696.000
(Sumber: www.icis.com) Tabel 3. Harga produk pada proses alkilasi benzena dengan klorododekana Produk komponen BM kmol massa(kg) harga (Rp/kg) harga produk(Rp) dodekilbenzena 246 1 246 26.000 6.396.000 klorin 70 1 70 5.000 350.000 Total 6.746.000
(Sumber: www.icis.com)
8
Keuntungan = Total penjualan produk – Total biaya bahan baku = Rp 6.746.000 – Rp 6.696.000 = Rp 50.000 per 246 kg produk atau = Rp 203,252/kg produk b. Perhitungan ekonomi pada proses alkilasi benzena dengan 1-dodekana (proses Universal Oil Product / UOP) Reaksi alkilasi benzene dengan 1-dodekana: benzena + 1-dodekana → dodekilbenzena Tabel 4. Harga bahan baku pada proses alkilasi benzena dengan 1-dodekana Bahan Baku komponen BM kmol Massa harga (Rp/kg) biaya bahan (Rp) benzena 78 1 78 52.000 4.056.000 dodekana 168 1 168 11.000 1.848.000 Total 5.904.000
(Sumber: www.icis.com) Tabel 5. Harga produk pada proses alkilasi benzena dengan 1-dodekana Produk komponen BM kmol massa(kg) harga (Rp/kg) harga produk(Rp) dodekilbenzena 246 1 246 26.000 6.396.000 Total 6.396.000
(Sumber: www.icis.com) Keuntungan = Total penjualan produk – Total biaya bahan baku = Rp 6.396.000 – Rp 5.904.000 = Rp 492.000 per 246 kg produk atau = Rp 2.000 /kg produk
9
2. Pemilihan proses berdasarkan kelayakan teknis: Pemilihan proses berdasarkan kelayakan teknis dilihat dari kemudahan atau kespontanan reaksi tersebut dapat terjadi. Semakin negatif energi bebas Gibbs (∆G) maka menunjukan semakin spontan atau semakin mudah reaksi tersebut berlangsung. a. Proses alkilasi benzena dengan klorododekana
benzena
klorododekana
dodekilbenzena
G H T.S T
H H o0
Cp dT
To
T
S S o 0
To
Cp
dT T
T = 353 K ; To = 298 K
Cp A BT CT 2 DT 3 ET 4
A viAi , B viBi , C viCi , D viDi , E viEi
Ai adalah konstanta kapasitas panas A dari komponen i vi adalah koefisien stiokiometri reaksi komponen i
klorin
10
Tabel 6. Data konstanta kapasitas panas cairan
konstanta kapasitas panas cairan Komponen A B C 2 -1 Benzena 1,29∙10 -1,70∙10 6,4781∙10-7 Klorododekana 5,44∙102 -1,65 3,525∙10-6 Dodekana 5,08∙102 -1,37 3,1015∙10-6 HCl 4,73∙101 0,09 0 2 Dodekilbenzena 2,22∙10 0,84997 0 (Sumber: Chemcad 6.0) Tabel 7. Data konstanta kapasitas panas gas
Komp. A Klorin 29,1 (Sumber: Chemcad 6.0)
konstanta kapasitas panas gas B C D -2 -5 3.05∙10 -3.34∙10 1.60∙10-8
E -2.70∙10-12
Tabel 8. Penentuan nilai konstanta kapasitas panas campuran Komponen vi vi.Ai vi.Bi vi.Ci vi.Di vi.Ei -7 2 -1 -6,48∙10 Benzena -1 -1,29∙10 1,70∙10 0 0 -6 2 Klorododekena -1 -5,44∙10 1,65 -3,53∙10 0 0 1 -2 HCl -1 -4,73∙10 -9,0∙10 0 0 0 -5 -8 -12 1 -2 -3,34∙10 1,6∙10 -2,7∙10 Klorin 1 2,91∙10 3,05∙10 Dodekilbenzena Σ
1
2,22∙102 -4,70∙102
8,50∙10-1 2,61
0
0
-8
-12
-3,75∙10
0 -5
1,6∙10
ΔA = -4,70∙102 ; ΔB = 2.61; ΔC = -3,75∙10-5 ; ΔD = 1,6∙10-8 ; ΔE = -2,7∙10-12
H o0 viH o0i ; So0 viSo0i Tabel 9. Data entalpi dan entropi standar (25oC)
Komponen ΔH°oi(kJ) ΔS°oi(kJ) Benzena 124.520 7,16 Dodekilbenzena 11.606,411 40,67 Dodekana 2.942,4779 10,57 HCl -92.305,52 103,7751 Klorin -23.429,89 67,4076 Klorododekana 1.822,8127 6,68 (Sumber: Chemcad 6.0)
-2,7∙10
11
Tabel 10. Perhitungan ΔH° dan ΔS° standar
Komponen Benzena Klorododekena HCl Klorin Dodekilbenzena
vi -1 -1 -1 1 1 Σ
H o0 = -45.860,77 kJ
ΔH°oi(kJ) -124.520 -1.822,813 92.305,523 -23.429,89 11.606,411 -45.860,77
ΔS°oi(kJ) -7,16 -6,68 -103,775 67,4076 40,67 -9,5371
So0 = -9,5371 kJ.K-1
Cp A BT CT 2 DT3 ET 4
To
C(T 2 To ) D(T3 To ) E(T 4 To ) dT T A ln B(T - To ) T To 2 3 4 2
T
Cp
353 + 2,61 x (353-298) 298
= -4,70∙102 ln
+
3
- 3,75 10 -5 (3532 298 2 ) 1,6 10 -8 (3533 2983 ) + 3 2
+
- 2,7 -12 (3534 298 4 ) 4
= 69,97 kJ.K-1 T
Cp dT A(T - To )
To
B(T 2 - To2 ) C(T 3 - To3 ) D(T 4 - To4 ) B(T 5 - To5 ) 2 3 4 5
= -4,70∙102 x (353-298) +
2,61 (3532 298 2 ) 2
- 3,75 10 -5 (3533 2983 ) 1,6 10 -8 (3534 298 4 ) + + 4 3
+
- 2,7 10 -12 (3535 2985 ) 5
4
12
= 23.922,42105 kJ T
H H o0
Cp dT
To
= -45.860,77 kJ + 23.922,42105 kJ = -2.198,35 kJ T
S So0
Cp
To
dT T
= -9,5371 kJ.K-1 + 69,97 kJ.K-1 = 60,4 kJ.K-1 G H T.S
= -2.198,35 kJ – (353 K x 60,4 kJ.K-1) = -46.629,45 kJ Energi bebas Gibbs untuk reaksi alkilasi benzena dengan klorododekana yaitu sebesar -46.629,45 kJ.
b. Proses alkilasi benzena dengan dodekana
benzena
1-dodekana
G H T.S T
H H o 0
To
Cp dT
dodekilbenzena
13
T
S So0
Cp
To
dT T
T = 323 K ; To = 298 K
Cp A BT CT 2 DT 3 ET 4
A viAi , B viBi , C viCi , D viDi , E viEi
Ai adalah konstanta kapasitas panas A dari komponen i vi adalah koefisien stiokiometri reaksi komponen i Tabel 11. Penentuan nilai konstanta kapasitas panas campuran
Komponen Benzena Dodekena Dodekilbenzena
vi -1 -1 1 Σ
vi.Ai -1,29∙102 -5,08∙102 2,22∙102 -4,16∙102
vi.Bi 1,70∙10-1 1,37 8,50∙10-1 2,39
ΔA = -4.16∙102 ; ΔB = 2.39 ; ΔC = -3.75∙10-6
H o0 viH o0i ; So0 viSo0i Tabel 12. Perhitungan ΔH° dan ΔS° standar
Komponen Benzena Dodekana Dodekilbenzena
vi -1 -1 1 Σ
ΔH°oi(kJ) -124.520 -2.942,478 11.606,411 -115.856,1
ΔS°oi(kJ) -7,16 -10,57 40,67 22,9422
H o0 = -115.856,1 kJ ; So0 = 22,9422 kJ.K-1
vi.Ci -6,48∙10-7 -3,10∙10-6 0 -6 -3,75∙10
14
Cp A BT CT 2 DT3 ET 4
To
C(T 2 To ) D(T3 To ) E(T 4 To ) dT T A ln B(T - To ) T To 2 3 4 2
T
Cp
= -4,16∙102 ln
+
3
4
323 + 2,39 x (323-298) 298
- 3,75 10 -6 (3232 298 2 ) +0+0 2
= 26,1578 kJ.K-1 T
Cp dT A(T - To )
To
B(T 2 - To2 ) C(T 3 - To3 ) D(T 4 - To4 ) B(T 5 - To5 ) 2 3 4 5
= -4,16∙102 x (323-298) +
+
2.39 (3232 298 2 ) 2
- 3,75 10 -6 (3233 2983 ) +0+0 3
= 8.127,628 kJ T
H H o0
Cp dT
To
= -115.856,1 kJ + 8.127,628 kJ = -107.728,4391 kJ T
S So0
Cp
To
dT T
= 22,9422 kJ.K-1 + 26,1578 kJ.K-1 = 49,1 kJ.K-1
15
G H T.S
= -107.728,4391 kJ – (323 K x 49,1 kJ.K-1) = -123.587,7 kJ Energi bebas Gibbs untuk reaksi alkilasi benzena dengan dodekana yaitu sebesar -123.587,7 kJ. Dari perhitungan yang telah dilakukan terlihat bahwa proses Universal Oil Product lebih menguntungkan secara ekonomi dengan keuntungan hasil penjualan produk sebesar Rp 2.000/kg produk sedangkan proses alkilasi benzena dengan klorododekana dengan hasil keuntungan penjualan produk sebesar Rp 203,252/kg produk. Bila dilihat dari segi kelayakan teknis, proses UOP juga lebih unggul karena hasil perhitungan energi bebas Gibbs pada proses UOP nilainya lebih negatif yaitu sebesar -123.587,7 kJ sedangkan proses alkilasi dengan menggunakan klorododekana yaitu sebesar -46.629,45 kJ. Semakin negatif energi bebas Gibbs maka menunjukan semakin spontan atau semakin cepat reaksi tersebut berlangsung, dalam hal ini kespontanan reaksi alkilasi benzena dengan dodekana lebih spontan dibandingkan reaksi alkilasi benzena dengan klorododena. Berdasarkan hasil perhitungan tersebut maka perancang memilih proses alkilasi benzena dengan menggunakan 1-dodekana sebagai proses yang digunakan dalam perancangan pabrik dodekilbenzena.
C. Deskripsi Proses Langkah proses pembuatan dodekilbenzena dari benzena dan 1-dodekena dapat dikelompokkan dalam tiga tahapan proses, yaitu:
16
1. Tahap penyiapan bahan baku 2. Tahap pembentukan dodekilbenzena (reaksi alkilasi) 3. Tahap pemurnian produk
1. Tahap Penyiapan Bahan Baku Tahap ini bertujuan untuk menyiapkan benzena dan 1-dodekena sebelum direaksikan di dalam reaktor. Tahap penyiapan bahan baku meliputi: a. 1-dodekena segar dari tangki penyimpanan 1-dodekana pada temperatur 30˚C dan tekanan 1 atm, dipompa dengan pompa menuju ke titik pertemuan dengan aliran benzena dari tangki penyimpanan benzena oleh pompa (P-102), benzena yang disimpan dalam tangki penyimpanan benzena pada temperatur 30˚C dan tekanan 1 atm, dipompa dengan pompa (P-101) menuju tempat pertemuan dengan aliran fresh feed 1-dodekena. Setelah bertemu dengan aliran fresh feed benzena, campuran umpan tersebut dialirkan menggunakan pompa (P-103) menuju titik pertemuan dengan campuran recycle, dimana campuran ini akan dialirkan dengan menggunakan pompa (P-104) menuju reaktor. b. Aliran recycle campuran dari condenser (CD-301) pada temperatur 78,98˚C dan tekanan 1 atm, dipompa oleh (P-302) menuju titik pertemuan dengan aliran dari (CD-302). Aliran recycle campuran dari condenser (CD-302) pada temperatur 154,074˚C dan tekanan 1 atm dialirkan oleh (P-304) menuju titik pertemuan dengan aliran recycle dari (CD-301), kemudian dari titik pertemuan tersebut dipompakan lagi menuju ke titik pertemuan dengan campuran fresh feed mengunakan pompa (P-104), dimana pada titik
17
pertemuan terjadi pertukaran energi sehingga campuran memasuki reaktor pada kondisi reaksi yaitu 60°C dan 1 atm.
2. Tahap Pembentukan Dodekilbenzena (reaksi alkilasi) Tahap pembentukan dodekilbenzena (reaksi alkilasi) terjadi di dalam reaktor alkilasi. Campuran reaktan dan recycle dari unit separasi dimasukkan ke dalam reaktor untuk direaksikan dengan menggunakan katalis. Reaksi dilakukan pada suhu 60oC dan tekanan 1 atm. Konversi yang diperoleh sebesar 95% terhadap 1-dodekena. Perbandingan mol antara benzena dan 1dodekana adalah 5:1, Reaksi alkilasi merupakan reaksi eksotermis, untuk menjaga suhu reaksi 60oC maka reaktor beroperasi secara isothermal dengan menggunakan air sebagai pendingin. Produk reaktor kemudian dialirkan menggunakan pompa (P-201) menuju ke vaporizer (VP-301).
3. Tahap Pemurnian Produk Tahap pemurnian produk bertujuan untuk meningkatkan kemurnian produk dodekilbenzena hasil keluaran reaktor dan untuk memisahkan excess benzena yang tidak bereaksi dari bahan lainnya untuk direcycle kembali ke dalam reaktor. a. Pemisahan Benzena Tahap ini bertujuan untuk memisahkan sebagian besar benzena dari campuran produk hasil reaktor. Campuran hasil reaksi dari reaktor dinaikkan temperaturnya hingga mencapai suhu 160oC oleh vaporizer (VP-301) sehingga membentuk campuran uap dan liquid. Selanjutnya
18
campuran uap dan liquid tersebut akan dipisahkan di dalam separator drum (SD-301). Produk uap yang sebagian besar merupakan benzena akan dihembus menggunakan blower (B-301) menuju Condenser Subcooler (CD-301) untuk dikondensasikan dan diturunkan suhunya menjadi 78,982˚C dan tekanan 1 atm, yang selanjutnya akan di-recycle kembali ke dalam reaktor, sedangkan produk cair keluaran separator drum (SD-301) akan dipompakan menuju menara distilasi oleh pompa (P301). b. Pemisahan Produk Utama Tahap ini bertujuan untuk memisahkan produk utama dari reaktan berlebih yang masih tersisa di dalam campuran dengan menggunakan menara distilasi (DC-301) sehingga tercapai kemurnian dodekilbenzena yang merupakan bottom product sebesar 98,60% dengan laju alir 5.681,8181 kg/jam dengan temperatur keluaran produk bottom sebesar 327,64˚C. Bottom product menara destilasi (DC-301) kemudian dialirkan menggunakan pompa (P-303) menuju Cooler (CO-401). Cooler (CO-401) berfungsi untuk menurunkan suhu bottom product menara destilasi (DC301) sebelum produk tersebut disimpan dalam tangki penyimpanan produk
(ST-401),
sedangkan
produk
atas
menara
yang
telah
dikondensasikan di Condenser (CD-302) akan di-recycle kembali ke reaktor.
