PRARANCANGAN PABRIK ACRYLAMIDE DARI ACRYLONITRILE MELALUI PROSES HIDROLISIS KAPASITAS TON/TAHUN BAB II DESKRIPSI PROSES

Transkripsi

1 BAB II DESKRIPSI PROSES 2.1. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk Spesifikasi Bahan Baku 1. Acrylonitrile Fase : cair Warna : tidak berwarna Aroma : seperti bawang merah dan bawang putih Specific gravity : 0,8060 Titik didih : C Titik leleh : -84 ~ -83 C Kelarutan : 0,0073 kg/1 kg air (20 C), sangat larut dalam etanol dan eter Komposisi bahan : 99,99% Acrylonitrile (Asumsi 100% Acrylonitrile) (Tongsuh Petrochemical Corp., Ltd., 1997) 2. Air Berat molekul : 18,015 kg/kmol Densitas (25 C) : 998 kg/m 3 Fase : cair Specific gravity : 1,00 Titik beku : 0 C Titik didih : 100 C Viskositas : 0,8949 cp (Kirk Othmer, 1991) 13

2 Standar air bersih Bau : tidak berbau Jumlah zat padat terlarut : 0,0015 kg/l Rasa : tidak berasa Suhu : 30 C ph : 6,5 9,0 (Depkes RI, 1990) 3. Katalis Jenis : Raney Copper Luas permukaan : m 2 /kg Volume pori total : 0,0003 m 3 /kg Berat jenis ( bulk ) : kg/m 3 Kadar : 48% Cu, 21% Al Diameter : 0,0032 m (BASF, 2009) Spesifikasi Produk Acrylamide 50% solution Bentuk : cair Warna : bening ph : 5 6,5 Titik didih (1 atm) : 104 C Densitas : 1,038 Specific gravity (25 C) : 1,0412 Viskositas (25 C) : 2,71 cp Flammibilty : nonflammable (Kirk Othmer, 1991) 14

3 2.2. Konsep Proses Dasar Reaksi Reaksi pembuatan acrylamide dari acrylonitrile dan air merupakan reaksi eksotermis. Reaksi berlangsung pada suhu C dan tekanan 3,03 bar. Konversi reaksi sebesar 97%. Reaksi berjalan baik pada reaktor fixed bed (Onuoha & Wainwright, 1984). Reaksi berlangsung pada kondisi adiabatis dan non-isotermal. Reaksi yang terjadi adalah : H H H H H C = C C N + H 2 O Raney Copper C = C C N H H O H acrylonitrile air acrylamide Pemakaian Katalis Reaksi hidrolisis acrylonitrile menjadi acrylamide merupakan reaksi cair-cair dengan katalis padat yang berlangsung dalam reaktor fixed bed. Katalis yang digunakan adalah raney copper. Katalis raney copper terdiri dari 2%-45% berat aluminium dengan kisaran diameter 0,002 0,5 inchi (US Patent No , 1975). Katalis raney copper memiliki umur aktif hingga 2 tahun (Onuoha & Wainwright, 1984) Mekanisme Reaksi Reaksi pembentukan acrylamide dengan proses hidrolisis acrylonitrile adalah termasuk reaksi heterogen yang melibatkan dua fase yaitu reaktan dalam fase cair dan katalis dalam fase padat. Mekanisme reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: 1. Transfer massa reaktan dari badan utama fluida ke permukaan luar katalis (external diffusion) 2. Transfer massa reaktan dari permukaan luar ke permukaan dalam pori pori katalis (internal diffusion). 3. Adsorpsi reaktan pada permukaan katalis (chemisorbsion). 15

4 4. Reaksi pada permukaan katalis. 5. Desorbsi produk reaksi dari permukaan dalam katalis. 6. Transfer massa produk dari permukaan dalam ke permukaan luar katalis. 7. Transfer massa produk dari permukaan luar ke badan utama fluida. (Fogler, 1999) Pada mekanisme reaksi katalitis ini, tahap difusi dan adsorpsi berlangsung sangat cepat, sedangkan reaksi pada permukaan katalis berlangsung paling lambat. Sehingga kecepatan reaksi katalitis secara keseluruhan dikontrol oleh reaksi permukaan (Onouha & Wainwright, 1984). Mekanisme reaksi : k A A + S AS (Adsorpsi acrylonitrile) k -A K B B + S BS (Adsorbsi air) k -B k s AS + BS CS + S (Reaksi di permukaan katalis) CS C + S (Desorpsi acrylamide) 1. Adsorbsi k -C k C Adsorbsi A di permukaan katalis k A A + S AS r A = k A C A θ v k A θ A..(1) k -A dimana K A = maka r A k A 0 k k A A, dan karena adsorpsi A di permukaan katalis cepat θ A = K A C A θ v... (2) 16

5 Adsorbsi B di permukaan katalis K B B + S BS r B = k B C B θ v k B θ B...(3) dimana K B = k B k B, dan karena adsorpsi B di permukaan katalis cepat maka r B k B 0 k -B θ B = K B C B θ v... (4) 2. Reaksi permukaan katalis k s AS + BS CS + S r S = k S θ A θ B...(5) 3. Desorpsi Desorpsi produk utama k -C CS C + S r C = k C θ C k C C C θ v.(6) k C dimana K C = k C k C, dan karena desorpsi C di permukaan katalis cepat maka r C k C 0 θ C = K C C C θ v...(7) Neraca permukaan θ A + θ B + θ C + θ v = 1 K A C A θ v + K B C B θ v + K C C C θ v + θ v = 1 (K A C A + K B C B + K C C C + 1)θ v = 1 θ v = 1 1+K A C A +K B C B +K C C C (8) 17

6 Subtitusi persamaan (8) ke persamaan (2) dan (4) θ A = K A C A 1+K A C A +K B C B +K C C C (9) θ B = K B C B 1+K A C A +K B C B +K C C C (10) Subtitusi persamaan (9) dan (10) ke persamaan (5) r S = k s K A K B C A C B (1+K A C A +K B C B +K C C C ) 2 (11) Dengan k s K B = k, maka persamaan (11) menjadi : r S = kk A C A C B (1+K A C A +K B C B +K C C C ) 2 (12) Tinjauan Kinetika Reaksi hidrolisis acrylonitrile menjadi acrylamide dikontrol oleh reaksi pada permukaan aktif katalis, sehingga persamaan kecepatan reaksinya : r = kk A C A C B (1+K A C A +K B C B +K C C C ) 2 (13) dengan r : kecepatan reaksi hidrolisis (kmol/s.kg) C A : konsentrasi acrylonitrile (kmol/m 3 ) C B : konsentrasi air (kmol/m 3 ) C C : konsentrasi acrylamide (kmol/m 3 ) (Onuoha & Wainwright, 1984) Data kecepatan reaksi yang terkoreksi, konsentrasi acrylonitrile, air dan acrylamide yang sesuai digunakan untuk menyusun rumus kecepatan yang berdasarkan konsentrasi. dengan : k = 3.39 x 10-8 E A = 49.2 kj/mol r = C A 0.66 C B 1.27 C C (Onuoha & Wainwright, 1984) 18

7 Persamaan konstanta kecepatan reaksi dengan : k = Ae E A RT R = J/mol.K T = 362 K maka harga konstanta Arrhenius A = A = k e E A RT 3.39 x 10 8 e J mol J mol.k x 362 K = Sehingga persamaan konstanta kecepatan reaksi: k = e ( RT ) Tinjauan Termodinamika Pada reaksi dipermukaan katalis, terjadi reaksi hidrolisis antara acrylonitrile dengan air menghasilkan acrylamide. Dengan tinjauan termodinamika, penentuan sifat reaksi berjalan secara eksotermis atau endotermis dapat diketahui dari perhitungan ΔH 298. Reaksi hidrolisis: CH 2 =CHCN (l) + H 2 O (l) Tabel 2.1 Raney Copper CH 2 =CHCONH 2(l) Harga ΔH f º Masing-masing Komponen Komponen Harga ΔH f º (kj/mol) C 3 H 3 N 180,6 H 2 O -285,8 C 3 H 5 ON -170 ΔH R º = ΔH f º produk ΔH f º reaktan = n.δh f º C 3 H 5 ON (n.δh f º C 3 H 3 N + n. ΔH f º H 2 O) = [-170 (180,6 285,8)] kj/mol = -64,8 kj/mol = J/mol 19

8 Karena harga ΔH yang dihasilkan negatif, maka reaksi bersifat eksotermis. Dalam tinjauan termodinamika, hubungan antar panas reaksi, suhu dan konstanta kesetimbangan adalah sebagai berikut: d ln K H dt RT Bila persamaan tersebut diturunkan menjadi: o 2 (Smith-VanNess, 1975) ln K K' H R ' T T (Smith-Van Ness, 1975) Sifat reaksi yang reversible atau irreversible dapat diketahui dari harga konstanta kesetimbangan. Tabel 2.2 Harga ΔG f º Masing-masing Komponen Komponen Harga ΔG f º (kj/mol) C 3 H 3 N 191,1 H 2 O -237,1 C 3 H 5 ON -97,9 Bila ditinjau dari energi bebas Gibbs diperoleh : ΔG f º 298 = ΔG f º produk ΔG f º reaktan = ΔG f º C 3 H 5 ON (ΔG f º C 3 H 3 N + ΔG f º H 2 O) = [-97,9 (191,1 237,1)] kj/mol = -51,9 kj/mol = J/mol Harga konstanta kesetimbangan pada keadaan standar ΔG f º 298 = -R.T ln K (298) = -8, ln K (298) K (298) = 1, Harga konstanta kesetimbangan pada keadaan 362 K ln(k (343) / 1, ) = - (( /8,314) (1/362-1/298)) K (343) = 4, Dari perhitungan di atas dapat disimpulkan bahwa reaksi yang terjadi adalah reaksi searah ke produk (irreversible). 20

9 Kondisi Operasi Reaksi pembentukan acrylamide dari acrylonitrile dan air merupakan reaksi hidrolisis, dijalankan dalam reaktor fixed bed, yang beroperasi pada tekanan 3,03 bar dan kisaran suhu C (Onuoha & Wainwright, 1984). Kondisi operasi sebagai berikut : a. Komposisi acrylonitrile masuk reaktor Kisaran komposisi reaktan masuk reaktor adalah 5%-50% berat acrylonitrile (Kirk Othmer,1991). Komposisi reaktan masuk reaktor adalah 13% berat acrylonitrile (Onuoha & Wainwright, 1984). b. Temperatur Kisaran temperatur reaksi adalah C, agar reaksi tetap berada fase cair. Dipilih suhu masuk reaktor 89 C. c. Tekanan Tekanan tidak terlalu berpengaruh pada reaksi. Tekanan masuk reaktor sebesar 3,03 bar agar reaksi tetap berjalan dalam fase cair Diagram Alir Proses Diagram Alir Kualitatif (lihat gambar 2.1 halaman 22) Diagram Alir Kuantitatif (lihat gambar 2.2 halaman 23) Diagram Alir Proses (lihat gambar 2.3 halaman 24) 21

10 Arus 1 C 3 H 3 N P = 1 atm T = 35ºC Arus 2 H 2 O P = 1 atm T = 35ºC MIXER Arus 3 C 3 H 3 N H 2 O P = 2,99 atm T = 134,01ºC Arus 5 C 3 H 3 N H 2 O C 3 H 5 ON P = 2,99 atm T = 135ºC REAKTOR MENARA DISTILASI Keterangan: C 3 H 3 N : Acrylonitrile H 2 O : Air C 3 H 5 ON : Acrylamide Arus 4 C 3 H 3 N H 2 O P = 3 atm T = 102,99ºC Gambar 2.1 Diagram Alir Kualitatif Arus 6 C 3 H 3 N H 2 O C 3 H 5 ON P = 1 atm T = 40ºC 22

11 Arus 3 C 3 H 3 N = 28,90 kg/jam H 2 O = 4919,52 kg/jam 4948,42 kg/jam Arus 5 C 3 H 3 N = 29,15 kg/jam H 2 O = 6182,02 kg/jam C 3 H 5 ON = 1262,50 kg/jam 7473,67 kg/jam Arus 1 C 3 H 3 N = 942,68 kg/jam Arus 2 H 2 O = 1582,57 kg/jam MIXER REAKTOR MENARA DISTILASI Arus 4 C 3 H 3 N H 2 O = 971,58 kg/jam = 6502,09 kg/jam 7473,67 kg/jam Arus 6 C 3 H 3 N = 0,25 kg/jam H 2 O = 1262,50 kg/jam C 3 H 5 ON = 1262,50 kg/jam 2525,25 kg/jam Keterangan: C 3 H 3 N : Acrylonitrile H 2 O : Air C 3 H 5 ON : Acrylamide Gambar 2.2 Diagram Alir Kuantitatif 23

12 24

13 Langkah Proses a. Tahap Persiapan Bahan Baku Mula mula bahan baku acrylonitrile dan air yang berasal dari tangki penyimpanan (35 C, 1,01 bar), dipompa menuju mixer. Mixer ini juga menerima arus recycle (acrylonitrile dan air) dari menara distilasi. Komposisi umpan masuk reaktor adalah 13% berat acrylonitrile. Dari mixer diperoleh campuran acrylonitrile dan air dengan komposisi 13% acrylonitrile yang kemudian dipompa menuju reaktor. b. Tahap Pembentukan Acrylamide Campuran acrylonitrile dan air dengan komposisi 13% acrylonitrile masuk ke dalam reaktor yang merupakan reaktor fixed bed. Reaktor bekerja secara adiabatis dan non isotermal, dengan suhu masuk reaktor 89 C dan tekanan 3,03 bar, agar reaksi tetap berjalan pada fase cair. Di dalam reaktor terjadi proses hidrolisis acrylonitrile menjadi acrylamide dengan adanya katalis raney copper dalam bed reaktor. Produk reaktor terdiri atas acrylamide, sisa acrylonitrile dan air. c. Tahap Pemurnian Produk Produk keluaran reaktor (acrylamide, sisa acrylonitrile dan air) diumpankan ke dalam menara distilasi untuk menguapkan acrylonitrile dan air, sehingga diperoleh hasil bawah larutan acrylamide 50%. Tekanan operasi kolom dijaga 3,03 bar. Selanjutnya hasil atas menara distilasi dialirkan kembali ke mixer. Sedangkan produk bottom sebagai hasil bawah distilasi dialirkan dan sebagian dipanaskan menggunakan reboiler. Hasil keluaran dari reboiler sebagian dialirkan kembali ke dalam menara distilasi dan sebagian lagi diturunkan suhunya hingga 40 C menuju tangki penyimpanan acrylamide. 25

14 2.4. Neraca Massa dan Neraca Panas Produk : Acrylamide 50% solution Kapasitas : ton/tahun Satu tahun produksi : 330 hari Waktu operasi selama 1 hari : 24 jam Neraca Massa Gambar 2.2 Neraca massa prarancangan pabrik acrylamide sesuai dengan Tabel 2.3 Neraca Massa Mixer Input Output Komponen Arus 1 Arus 2 Arus 3 (recycle) Arus 4 kg/jam kg/jam kg/jam kg/jam C 3 H 3 N 942, , ,5769 H 2 O , , ,0915 Total 7.473, ,6683 Tabel 2.4 Neraca Massa Reaktor Input Output Komponen Arus 4 Arus 5 kg/jam kg/jam C 3 H 3 N 971, ,1473 H 2 O 6.502, ,0210 C 3 H 5 ON ,5000 Total 7.473, ,6683 Tabel 2.5 Neraca Massa Menara Distilasi Input Output Komponen Arus 5 Arus 3 Arus 6 kg/jam kg/jam kg/jam C 3 H 3 N 29, ,8948 0,2525 H 2 O 6.182, , ,5000 C 3 H 5 ON 1.262, ,5000 Total 7.473, ,

15 Tabel 2.6 Neraca Massa Total Input Output Komponen Arus 1 Arus 2 Arus 6 kg/jam kg/jam kg/jam C 3 H 3 N 942,6821-0,2525 H 2 O , ,5000 C 3 H 5 ON ,5000 Total 7.473, , Neraca Panas Tabel 2.7 Neraca Panas Mixer Komponen Input(kJ/jam) Output (kj/jam) Arus , Arus , Arus , Arus ,4153 Q pelarutan ,7887 Total , ,2040 Tabel 2.8 Neraca Panas Reaktor Komponen Input(kJ/jam) Output (kj/jam) Arus , Arus ,2826 Q reaksi , Total , ,2826 Tabel 2.9 Neraca Panas Menara Distilasi Komponen Input(kJ/jam) Output (kj/jam) Q umpan , Q top ,0799 Q bottom ,1705 Q condenser ,3291 Q reboiler , Total , ,5795 Tabel 2.10 Neraca Panas Heat Exchanger 01 Komponen Input(kJ/jam) Output (kj/jam) Q keluaran Mixer , Q umpan Reactor Q yang dibuang ,

16 Tabel 2.11 Neraca Panas Heat Exchanger 02 Komponen Input(kJ/jam) Output (kj/jam) Q keluaran EV , Q produk ,8413 Q yang dibuang ,3292 Tabel 2.12 Neraca Panas Total Komponen Input (kj/jam) Output (kj/jam) Arus , Arus , Q reboiler , Q reaksi , Arus ,8413 HE ,9213 Q condenser ,3291 HE ,3292 Q pelarutan ,7887 Total , , Tata Letak Pabrik dan Peralatan Proses Tata letak pabrik adalah tempat kedudukan dari seluruh bagian pabrik, meliputi tempat kerja alat, tempat kerja karyawan, tempat penyimpanan barang, tempat penyediaan sarana utilitas, dan sarana lain bagi pabrik. Beberapa faktor perlu diperhatikan dalam penentuan tata letak pabrik, antara lain adalah pertimbangan ekonomis (biaya konstruksi dan operasi), kebutuhan proses, pemeliharaan keselamatan, dan perluasan dimasa mendatang. Bangunan pabrik meliputi area proses, area tempat penyimpanan bahan baku dan produk, area utilitas, bengkel mekanik untuk pemeliharaan, gudang untuk pemeliharaan dan plant supplies, ruang kontrol, laboratorium untuk pengendalian mutu dan pengembangan, unit pemadam kebakaran, kantor administrasi, kantin, poliklinik, tempat ibadah, area parkir, dan taman bagi para pegawai. Pengaturan letak peralatan proses pabrik harus dirancang seefisien mungkin. Beberapa pertimbangan perlu diperhatikan yaitu ekonomi, kebutuhan proses, operasi, perawatan, keamanan, perluasan dan pengembangan pabrik. Peletakan alat-alat proses harus sebaik mungkin sehingga memberikan biaya konstruksi 28

17 dengan operasi minimal. Biaya konstruksi dapat diminimalkan dengan mengatur letak alat sehingga menghasilkan pemipaan terpendek dan membutuhkan bahan konstruksi paling sedikit. Peletakan alat harus memberikan ruangan cukup bagi masing-masing alat agar dapat beroperasi dengan baik, dengan distribusi utilitas mudah. Peralatan membutuhkan perhatian lebih dari operator harus diletakkan dengan ruang kontrol. Valve, tempat pengambilan sampel, dan instrumen harus diletakkan pada ketinggian tertentu sehingga mudah dijangkau oleh operator. Peletakan alat harus memperhatikan ruangan untuk perawatan. Misal, pada heat exchanger memerlukan cukup ruang untuk pembersihan pipa. Peletakan alat-alat proses harus sebaik mungkin, agar jika terjadi kebakaran tidak ada pekerja terperangkap di dalamnya serta mudah dijangkau kendaraan atau alat pemadam kebakaran. Susunan tata letak pabrik harus sangat diperhatikan sehingga memungkinkan adanya distribusi bahan-bahan dengan baik, cepat dan efisien. Hal tersebut akan sangat mendukung kelancaran di dalam proses produksi pabrik yang dirancang. Sketsa tata letak pabrik dapat dilihat pada Gambar 2.4 dan gambar tata letak peralatan proses dapat dilihat pada Gambar

18 85 m Jembatan Timbang Control Room PRARANCANGAN PABRIK ACRYLAMIDE DARI 95 m UPL Area Perluasan Area Perluasan Utilitas Area Proses Ruang Genera tor Pemadam Kebakaran Bengkel Laboratorium Parkir Poliklinik Kantin Parkir P o s P o s Diklat Parkir Mobil Loading Musholla Gudang Perkantoran Pintu Darurat Pos S B T U Skala = 1: 800 Keterangan: Taman Arah jalan Gambar 2.4 Tata Letak Pabrik Acrylamide 30

19 T-01 M HE-01 R 40 m T-02 ACC CD Control Room T-03 HE-02 RB MD 60 m Skala = 1 : 500 Keterangan Gambar : T-01 = Tangki Acrylonitrile T-02 = Tangki Air T-03 = Tangki Acrylamide M = Mixer R = Reaktor MD = Menara Distilasi HE-01 = Cooler 1 HE-02 = Cooler 2 CD = Condenser RB = Reboiler ACC = Accumulator Gambar 2.5 Tata Letak Peralatan Proses 31