Prarancangan Pabrik Etilbenzena dari Etilen dan Benzena Dengan Kapasitas Ton/Tahun BAB I PENGANTAR

Transkripsi

1 BAB I PENGANTAR A. Latar Belakang Industri adalah kegiatan ekonomi yang mengolah bahan mentah, bahan baku, barang setengah jadi atau barang jadi menjadi barang yang bermutu tinggi dalam penggunaannya, termasuk kegiatan rancang bangun dan perekayasaan industri. Dengan demikian industri merupakan bagian dari proses produksi. Pada umumnya, kemajuan suatu negara dapat dilihat dari perkembangan industrinya. Semakin banyak sektor industri, maka dapat dikatakan semakin maju negara tersebut. Saat ini Indonesia memasuki era globalisasi dalam segala bidang yang menuntut tangguhnya sektor industri dan bidang-bidanng lain yang saling menunjang. Adanya sektor industri baru yang dapat menunjang industri lain sangatlah dibutuhkan. Etilbenzena (C 6 H 5 CH 2 CH 3 ) adalah senyawa organik alkil aromatis bercincin tunggal. Senyawa hidrokarbon aromatis tersebut merupakan senyawa penting di industri petrokimia sebagai senyawa intermediate dalam memproduksi styrene. Tahun 2012, lebih dari 99% dari etilbenzena digunakan untuk produksi styrene. Etilbenzena juga digunakan untuk membuat bahan kimia lainnya yaitu sebagai pelarut dalam tinta, karet perekat, pernis, dan cat. Styrene merupakan bahan utama pembuatan polystyrene, dan beberapa kopolimer. Tahun 2010, produksi styrene didunia mencapai 25 juta tons dimana 4 juta tons styrene diproduksi oleh Amerika. Komersial produk dari styrene adalah polystyrene, ABS, styrenebutadiene-rubber (SBR), styrene-butadiene lateks, SIS (styrene-isoprenestyrene), S-EB-S (styrene-etilen/butilene-styrene), styrene-divinylbenzena (S- DVB), dan resin styrene acrylonitrile (SAN). Bahan-bahan tersebut digunakan dalam karet, plastik, isolasi, fiberglass, pipa, bagian-bagian mobil dan kapal, wadah makanan, dan karpet (Kirk & Othmer, vol 21). Hingga tahun 2013, hanya terdapat satu pabrik etilbenzena di Indonesia, yaitu PT. Styrindo Mono Indonesia (PT SMI). Pabrik tersebut memproduksi etilbenzena dengan proses alkilasi benzena dengan etilen yang dirancang 1

2 dengan lisensi paten Mobil/Badger, etilbenzena yang diproduksi akan digunakan untuk memproduksi styrene monomer dengan kapasitas MT/tahun. Kebutuhan styrene di Indonesia cenderung meningkat setiap tahun sesuai dengan permintaan pasar. Akan tetapi permintaan yang tinggi tersebut tidak dapat dicukupi oleh produksi dalam negeri sehingga indonesia harus mengimpor styrene. Berikut data impor styrene di Indonesia menurut kementrian perindustrian : ( sumber : Dengan meningkatnya permintaan styrene dipasar domestik. Diprediksikan untuk tahun selanjutnya permintaan akan cenderung meningkat. Atas pertimbangan ini, industri etilbenzena sebagai bahan baku monomer styrene mempunyai prospek yang cukup baik untuk dikembangkan di Indonesia. Langkah pengembangan ini dapat memperluas lapangan pekerjaan dan meningkatkan kemandirian bangsa sehingga memperkuat struktur ekonomi nasional. B. Tinjauan Pustaka Etilbenzena (C 6 H 5 CH 2 CH 3 ) adalah senyawa organik alkil aromatis bercincin tunggal. Nama lain dari senyawa tersebut adalah Phenylethane. Etilbenzena adalah produk intermediate yang dibuat dari etilen dan benzena. Senyawa ini merupakan bahan baku untuk pembuatan monomer styrene. Lebih dari 90% etilbenzena diproduksi dengan cara alkilasi benzena dengan etylene menggunakan katalis. Saat ini dikenal dua macam proses produksi etylbenzena, yaitu dengan fase cair dan fase gas. Cara lain produksi etilbenzena adalah dengan superfraksinasi mixed xylene yang terdiri dari ortho-xylene, meta-xylene, dan para-xylene serta etilbenzena. Sejak tahun 2

3 1970 produksi etilbenzena dengan cara superfraksinasi sudah tidak digunakan lagi, karena jumlah energi yang dibutuhkan tinggi, membutuhkan diameter kolom distilasi yang besar dan jumlah plate yang digunakan > 200 plates, serta refluk rasio yang tinggi membuat cara ini tidak menarik secara komersial (Kirk & Othmer, vol 21). Reaksi alkilasi benzena dengan etilen membentuk etilbenzena adalah C 6 H 6 + CH 2 =CH 2 C 6 H 5 CH 2 CH 3 Kemudian etilbenzena dihidrogenasi menghasilkan styrene. Selama ini dikenal proses pembuatan etilbenzena terdiri dari dua fase, yaitu fase cair dan fase gas. 1) Reaksi Fase Cair Sebagian besar produksi etilbenzena didunia menggunakan proses reaksi dengan tekanan rendah dan fase cair mengunakan katalis Friedel Crafts AlCl 3. Banyak proses teknologi menggunakan katalis AlCl 3 seperti Dow Chemical, Mosanto/Lummus, dan Union Carbide Co./Badger. Union Carbide beroperasi pada tekanan diatas 125 psig dan temperature 80 sampai 130 o C (Kirk & Othmer, Vol 19). Tetapi proses Mosanto merupakan proses yang paling komersial dan paling modern. Reaksi yang terjadi adalah Katalis yang digunakan dapat berupa AlCl 3, ethylchloride, atau HCl. Biasanya sejumlah kecil air ditambahkan untuk memicu reaksi alkilasi. Katalis promoter yang berupa ethylchloride atau HCl dapat mengurangi konsumsi AlCl 3 (Kirk & Othmer, Vol 21). Semua pabrik etilbenzena yang didesain pada tahun 1970-an menggunakan proses ini. Pada proses Mosanto yang telah dikembangkan menggunakan dua reaktor. Reaktor pertama adalah reaktor alkilasi dan rekator kedua adalah reaktor transalkilasi. Penggunaan dua reaktor dikarenakan reaksi alkilasi terjadi sangat cepat dibanding reaksi transalkilasi sehingga dibutuhkan optimasi kondisi operasi pada masing-masing reaktor. Tahap persiapan bahan baku meliputi purifikasi crude benzena dan persiapan katalis. Selanjutnya umpan benzena, etilen, AlCl 3, dan HCl 3

4 dimasukkan ke reaktor pertama. Pada reaktor pertama terjadi reaksi alkilasi antara benzena dengan etilen pada tekanan lebih rendah dibanding proses fase gas, yaitu psig dan temperatur o F. Perbandingan mol benzena dan etilen dalam reaktor adalah 3:2 sampai 5:2. Perbandingan AlCl 3 dan C 2 H 4 adalah 0,001-0,0025 (Kirk & Othmer, vol 21). Cairan yang keluar dari reaktor alkilasi diteruskan ke unit pemisahan katalis dan campuran organik. Katalis AlCl 3 dipisahkan dari campuran organik dengan air pencuci dan dilakukan netralisasi asam di unit Neutralizer. Kemudan katalis dikembalikan kereaktor alkilasi setelah ditambahkan katalis make-up atau dibuang ke unit pengolahan limbah, sedangkan campuran organik diteruskan ke kolom distilasi untuk memisahkan benzena, etilbenzena, dan polietilbenzena. Selanjutnya benzena dikembalikan ke reaktor alkilasi setelah ditambahkan benzena umpan segar, sedangkan polietilbenzena direaksikan kembali dengan benzena segar dan katalis di reaktor kedua. Dalam reaktor kedua terjadi reaksi transalkilasi. Pada reaktor transalkilasi reaksi terjadi pada tekanan psig dan temperatur o F. Produk keluar reaktor transalkilasi di-flash untuk memisahkan inert dan etilen. Fraksi berat dicampur dengan hasil reaktor alkilasi dan masuk ke unit pemisahan katalis organik. Setelah produk yang keluar bebas impurities produk dipisahkan dalam tiga menara distilasi. Kolom pertama menghasilkan benzena yang direcycle untuk dikembalikan ke reaktor alkilasi. Pada kolom kedua menghasilkan produk etilbenzena dan produk atas kolom ketiga adalah polietilbenzena. Tars sebagai hasil bawah kolom ketiga dapat digunakan untuk bahan bakar. Garam-garaman yang dihasilkan dari neutalizer sistem bisa langsung dibuang dan dikirim ke sistem pengolahan limbah. Konversi yang dicapai dengan proses alkilasi Friedel Crafts sebesar 98-99% (Kirk & Othmer, vol 21). Campuran organik dipisahkan dari katalis dalam sebuah dekanter. Proses pemisahan katalis dengan campuran organik mudah dilakukan karena perbedaan densitas yang besar. Katalis sisa mengalami pencucian dengan air dan proses scrubbing. Limbah keluar scrubber harus diolah terlebih dahulu untuk mengurangi kandungan asam dan AlCl 3. 4

5 Kelemahan proses ini adalah penggunaan katalis aluminium klorid (AlCl 3 ) yang merupakan bahan berbahaya bagi lingkungan (MacFarlane, 1976). Selain itu kontrol suhu secara ketat harus dipertahankan agar aktivitas katalis tidak terganggu, sementara panas reaksi yang dihasilkan sangat besar. Disamping itu, karena komposisi mengandung asam maka memungkinkan terjadinya korosi. Waktu reaksi yang relatif panjang mengakibatkan ukuran reaktor yang besar dan hasil samping berupa polietilbenzena yang lebih banyak. Hal ini mengakibatkan harga reaktor yang mahal dan biaya pemisahan yang tinggi (MacFarlane, 1976). Proses pemisahan katalis juga lebih rumit jika dibandingkan dengan proses fase gas menggunakan katalis padat sehingga menambah biaya peralatan dan operasi. 2) Reaksi Fase Gas Ada dua macam proses pembuatan etilbenzena dalam fase gas yang dikenal hingga saat ini, yaitu: Proses Alkar Tahun 1958 Universal Oil Products memperkenalkan proses Alkar untuk alkilasi benzena-etilen pada tekanan tinggi menggunakan solid fixed bed catalyst, BF 3 on -Al 2 O 3. Keuntungan dari proses tersebut adalah dapat mereduksi korosi jika dibandingkan proses Friedel Crafts AlCl 3, mampu mereaksikan dengan kadar etilen yang relative rendah (<10%) dan konversi yang tinggi sekitar 99+%. Selain itu, recovery katalis lebih sederhana. Pada alkar proses dibutuhkan fasilitas ekstensif waste treatment karena katalis BF 3 adalah bahan beracun. Proses pembuatan etilbenzena fase gas dengan cara bahan baku berupa benzena dialkilasi dengan katalis BF 3. Proses operasi dibagi menjadi dua, yaitu proses alkilasi dan proses transalkilasi. Reaksi alkilasi terjadi pada tekanan sekitar 500 psig dan temperatur antara 200 o F 300 o F. Rasio molar benzena dengan etilen masuk reaktor biasanya 5 10mol/mol.Berikut merupakan mekanisme reaksi proses Alkar: 5

6 Sedangkan reaksi transalkilasi terjadi pada tekanan 400 psig dan temperatur 350 o F-450 o F. Benzena segar dan recycle dilakukan dehidrasi. Proses alkar menggunakan relatif sedikit katalis BF 3, umpan benzena harus didehidrasi untuk mencegah reaksi antara katalis BF 3 dengan air. Benzena yang sudah didehidrasi di campur dengan etilen segar yang diumpankan bersama katalis BF 3 make-up. Campuran tersebut masuk ke reaktor alkilasi fixed-bed. Selanjutnya produk keluar reaktor masuk ke flash drum pertama untuk dipisahkan fase gas dan fase cairnya. Fase gas didinginkan dan masuk ke flash drum kedua.kemudian hasil fase gas masuk ke scrubber untuk dihilangkan semua senyawa aromatis dan produk cair berupa benzenadari flash drum kedua direcycle dan masuk ke reaktor alkilasi. Fase cair hasil flash pertama bersama benzena hasil transalkilasi dikirim ke proses separasi selanjutnya,yaitu kolom recovery benzena. Pada kolom recovery benzena dimana benzena diambil sebagai hasil atas dan selanjutnya masuk ke kolom adsorpsi yang mengandung CaF 2 untuk menghilangkan BF 3 sisa sebelum direcycle masuk ke reaktor alkilasi. Produk bawah pada kolom recovery benzena mengandung etilbenzena dan polietilbenzena. Kemudian produk tersebut diumpankan ke kolom recovery etilbenzena dimana etilbenzena diambil sebagai hasil atas. Produk bawah yang mengandung polietilbenzena diumpankan kekolom tiga untuk memungut polietilbenzena. Polietilbenzena sebagai hasil atas bersama benzene sisa dari reaktor alkilasi masuk ke reaktor transalkilasi untuk membentuk benzena kembali. Benzena yang terbentuk di dehidrasi dan diumpankan kembali ke reaktor alkilasi. Sedangkan hasil bawah kolom ketiga berupa tars dapat digunakan untuk bahan bakar. Proses Mobil Badger Proses ini dikembangkan oleh Mobil Oil Corporation pada tahun an dengan katalis zeolit sintetis (ZMS-5). Berikut ini merupakan mekanisme reaksi proses Mobil Badger: Mekanisme reaksi ini menggunakan katalis zeolit dimana ion carbonium mengaktivasi etilen menjadi senyawa elektrofilik yang dapat 6

7 berikatan dengan benzena. Senyawa elektrofilik ini lebih mudah untuk menjalani oligomerisasi dibanding katalis-etilen kompleks pada proses Friedel-Crafts. Pada proses alkilasi dan transalkilasi temperature operasinya adalah o F dan tekanan operasi sebesar psig. Perbandingan umpan benzena dengan etilen adalah 5-20 mol/mol. Beberapa keuntungan dari proses Mobil/Badger antara lain memiliki emisi gas buang yang rendah pada effluent dan produk, prosesnya tergolong ringkas karena tidak memerlukan unit catalystrecovery dan hanya digunakan satu reaktor untuk reaksi alkilasi dan transalkilasi, dan karena temperatur operasinya antara F serta tekanan operasinya antara lb/in. 2 gauge, lebih dari 90% panas yang telah digunakan untuk prosesnya yang eksotermis dapat di-recovery sebagai steam bertekanan rendah dan steam bertekanan sedang. Seperti proses Alkar, proses Mobil/Badger dapat memproses etilen yang berupa umpan murni, dan etilen terlarut dari arus recycle (kadar ethylene rendah). Namun tidak seperti proses Alkar, katalis pada proses Mobil/Badger relatif tidak sensitif terhadap komponenkomponen lain yang terdapat pada arus recycle, selain itu proses ini tidak memerlukan proses pemurnian yang rumit seperti pada proses alkilasi Friedel-Crafts. Arus recycle tetap harus di-treatment terlebih dahulu untuk menghilangkan C 3 dan olefin rantai panjang yang dapat mengalkilasi etil benzena lebih lanjut sehingga menyebabkan perolehan yield yang kecil. Proses Mobil/Badger dibagi menjadi dua bagian yaitu bagian reaksi dan bagian pemurnian. Pada bagian reaksi terdapat dua buah multibed reactor yang dipasang secara paralel. Reaktor yang dipasang paralel ini bertujuan untuk meregenerasi katalis tanpa mengganggu proses reaksi. Katalis akan mengalami deaktifasi akibat deposisi material karbon sehingga perlu diregenerasi setiap dua sampai empat minggu secara langsung. Reaktor multibed yang didesain dengan interbed quenchuntuk mengontrol kenaikan temperatur akibat prosesnya yang adiabatis sehingga temperatur operasi tidak merusak katalis dan operasi dapat berjalan optimum. Bagian kedua adalah bagian pemurnian,terdapat tiga kolom pemisah. Produk hasil reaksi dimurnikan pada kolom pertama,unit benzena recovery. 7

8 Benzena yang tidak bereaksi dipungut kembali sebgai hasil atas dan direcycle. Hasil bawah benzena recovery selanjutnya difraksinasi lebih lanjut untuk memisahkan etilbenzena dan polietilbenzena yang akan di-recyclepada kolom kedua, recovery etilbenzena. Selanjutnya hasil bawah yang berupa polietilbenzena masuk ke kolom 3 untuk dipisahkan dari residunya. Residu akan digunakan sebagai bahan bakar. Panas yang telah digunakan pada prosesnya dapat di-recover sebagai steam bertekanan rendah dan steam bertekanan sedang pada kondenser kolom fraksinasi (sumber : Kirk Orthmer, vol 21). ZMS-5 ZMS-5 (Zeolite Socony Mobil-5) adalah sebuah zeolite silica alumina yang merupakan keluarga pentasil dari zeolite. Katalis ZMS-5 terdiri dari beberapa unit pentasil yang saling terhubung oleh jembatan oksigen untuk membentuk rantai pentasil. Sebuah unit pentasil terdiri dari delapan buah lima-komponen cincin (five-membered rings). Pada cincin-cincin ini, terdapat simpul-simpul yang terdiri dari Al, Si dan O. Gambar. Struktur Pentasil ZMS-5 memiliki rasio silikon banding aluminium tinggi. Setiap kation Al 3+ menggantikan kation Si 4+, sebuah ion positif dibutuhkan untuk menjaga muatan agar tetap netral. Dengan proton H + sebagai kation, bahan menjadi sangat asam. Dengan demikian keasaman sebanding dengan kandungan Al. Struktur 3D yang teratur dan keasaman ZMS-5 dapat dimanfaatkan untuk reaksi yang menggunakan katalisator asam seperti isomerisasi hidrokarbon dan alkilasi hidrokarbon. ZMS-5 merupakan zeolit sintetis. Ada beberapa cara untuk mensintesis ZMS-5, berikut ini merupakan cara yang paling sering digunakan: SiO 2 + NaAlO 2 + NaOH + N(CH 2 CH 2 CH 3 ) 4 Br + H 2 O ZSM-5 + analcime + alpha-quartz 8

9 ZMS-5 merupakan katalis yang umumnya disintesis pada suhu dan tekanan yang tinggi pada sebuah autoclave yang dilapisi bahan teflon, dan dapat disintesis dalam berbagai variasi rasio SiO 2 dan Al. Perbedaan karakteristik proses pembuatan etilbenzena adalah : No. Karakteristik AlCl 3 Alkar Mobil/ Badger 1 Suhu o F Alkilasi : o F Transalkilasi : o F 2. Tekanan psig Alkilasi : 500 psig Transalkilasi : 400 psig o F psig 3. Sifat katalis Berbahaya, korosif Toxic Non-toxic 4. Konversi % >99% >99% 5. Jumlah reaktor Perbandingan mol B/E 1, Umpan etilen Murni Murni & Kadar 8. Unit tambahan 1. Mixer AlCl 3 2. HCl scrubber 3. Benzene scrubber 4. Recovery katalis rendah <10% 1. Kolom dehidrasi benzene 2. Gas scrubber 3. Kolom adsorpsi BF 3 Murni & Kadar rendah <10% 1. Kolom 9. Panas recovery unknown Unknown >90 % Prefractionat or Berdasarkan uraian berbagai macam proses diatas makan proses yang akan digunakan dalam praperancangan pabrik etilbenzena dari bahan baku etilen dan benzena adalah proses Mobil/Badger. Selain karena prosesnya yang efisien, proses ini juga telah diterapkan oleh perusahaan etilbenzena di Indonesia, yaitu PT.Styrindo Mono Indonesia (PT SMI). 9