BAB II DESKRIPSI PROSES. sodium klorat dilakukan dengan 2 cara, yaitu: Larutan NaCl jenuh dielektrolisa menjadi NaClO 3 sesuai reaksi:

Transkripsi

1 BAB II DESKRIPSI PROSES A. Macam macam Proses Kapasitas produksi sodium klorat di dunia pada tahun 1992 ± 2,3 juta ton dengan 1, 61 juta ton diproduksi oleh Amerika Utara. Proses pembuatan sodium klorat dilakukan dengan 2 cara, yaitu: 1. Menggunakan sel elektrolisa Larutan NaCl jenuh dielektrolisa menjadi NaClO 3 sesuai reaksi: NaCl (s) + 3H 2 O (l) NaClO 3(l) + 3H 2 (g) H f 298 = 903,2 kj/mol...(1) Reaksi ini terjadi di dalam sel elektrolisis pada suhu o C dan ph 6-7 serta tekanan sebesar 1 atm. Sebelum diumpankan ke dalam reaktor, bahan baku terlebih dahulu dimurnikan melalui proses purifikasi NaCl untuk menghilangkan impuritisnya sehingga reaksi elektrolisis bisa berlangsung secara sempurna. Selanjutnya, produk keluaran reaktor yang berupa sodium klorat dimurnikan melalui proses sentrifugasi dan kristalisasi untuk mendapatkan sodium klorat yang murni, dan siap untuk dipasarkan. 2. Klorinasi kaustik soda Larutan NaOH diklorinasi secara tidak langsung melalui reaksi: 3Cl 2(g) +6NaOH (l) NaClO 3 +5NaCl (l) +3H 2 O (l) H f 298 = 458,8 kj/mol...(2)

2 Proses ini adalah proses pereaksian gas klorin dan sodium hidroksida di dalam suatu reaktor pada suhu kamar tanpa adanya pemanasan dengan ph larutan lebih kecil dari 6. Produk keluaran reaktor dimurnikan dengan menambahkan katalis hydrazine dan penghembusan gas inert yang berupa udara untuk menghilangkan kandungan gas klorin dari produk. B. Pemilihan Proses Dari persamaan (1) dan (2) dapat dihitung persen keuntungan dari proses elektrolisa jika dibandingkan dengan proses klorinasi kaustik soda berdasarkan bahan baku dan kondisi operasinya. Tabel 2.1 Perbandingan Proses Elektrolisis dan Klorinasi Kaustik Soda Bahan Baku Tinjauan *Elektrolisis **Klorinasi Kaustik Soda - NaCl (s) - Cl 2 (g) (beracun) - H 2 O (l) - NaOH (l) Konversi Reaksi (%) Konsentrasi Produk (g/l) ph 6,3 6 6 Temperatur ( 0 C) Katalis - N 2 H 4(aq) Sumber : * Mc Ketta Vol 51 ** Sprague & Augusta,

3 Analisis perbandingan proses berdasarkan bahan baku 1. Proses Elektrolisis Basis : 1 kg NaCLO 3 BM NaClO 3 : 106,44 g/mol Jumlah Produk NaClO 3 : = 9,394 mol BM NaCl : 58,443 g/mol Konversi : 87 % Reaksi : NaCl (s) + 3H 2 O (l) NaClO 3(l) + 3H 2 (g) Mula-mula A 3A - - Bereaksi 9,394 28,184 9,394 = 0,86A Sisa A-0,86A 3A-28,184 9,394 Mol mula-mula: 0,86 A = 9,394 A = 10, 798 NaCl = A = 10, 798 mol H 2 O = 3A = 32, 393 mol Jumlah Reaktan yang bereaksi NaCl 58,443 gram 1 kg 10,798mol 1 mol 1000 gram = 0, 632 kg H 2 O = 32,393 mol = 584 gram = 0,584 L 12

4 Harga NaCl = Rp.550 /kg ( Total cost NaCl = Rp.348 = Rp. 400, 00 Harga H 2 O = Rp.2000 /L Total cost H 2 O = Rp = Rp ,00 Total Cost Reaktan Harga Jual NaClO 3 Keuntungan = Rp /kg NaClO3 yang diproduksi = Rp / kg = Rp /kg NaClO 3 terjual Selama 10 tahun terakhir, terdapat 3 Proses Eektrolisis yang terus digunakan yaitu Krebs, Huron dan Chemetics. Perbedaan ketiganya adalah: Tabel 2.2 Perbandingan Proses Elektrolisis Tinjauan Krebs Huron Chemetics Tipe Sistem 2 Vessel 1 vessel 4 vessel Konsumsi energi DC (kwh/ton) Temperatur ( o C) ph Larutan 6,7-6 6,3 4 Konversi (%) Efisiensi Arus 0,95 0,945 0,95 Konsentrasi Produk (g/l) (B. V. Tilak, 1999) 13

5 Analisis perbandingan proses berdasarkan kondisi proses 1.1 Krebs Basis : 1 jam operasi Konversi : 75% Reaksi kimia NaCl + 3 H 2 O NaClO 3 + 3H 2 Mula-mula A 3A - - Bereaksi 35,57kmol 106,71kmol 35,57kmol 106,7kmol = 0,75 A Sisa (A-35,57)kmol (3A-106,7)kmol 35,57kmol 106,7kmol Mol reaktan mula-mula: 0, 75 A = 35, 57 kmol A = 47, 43 kmol Reaktan masuk reaktor: NaCl H 2 O : 47,43 kmol = 2772 kg/jam : 142,3 kmol = 2562 kg/jam 1. Menghitung Harga Konsumsi Energi Listrik untuk Elektrolisis Konsumsi energi/ ton NaClO 3 terbentuk = 5500 kwh Produksi NaClO 3 / jam operasi = ton = 3,7879 ton/jam (330harix24 jam) Konsumsi energi/ jam = 5500 kwh x 3,7879 = ,33 kwh Harga 1 kwh untuk industri = Rp ,00 Total biaya energi listrik = Rp x ,33 = Rp /jam 14

6 2. Menghitung Harga Larutan HCl (ph Larutan Elektrolisis) ph = 6 = - log H + [H + ] = 0, mol/l Tersedia di pasaran HCL 37% Air dibutuhkan untuk reaksi = kg/jam = L Molaritas HCl untuk menciptakan ph = 6 dalam L air = 0, x L = 0, mol = M 2 Jika : V 1 = Volume HCl 37% yang dibutuhkan/jam M 1 = Molaritas HCl di pasaran = 37 % wt = 10,148 mol/l V 2 = Volume HCl 0, mol/l = L M 2 = Molaritas HCl yang dibutuhkan = 0, mol/l V 2xM 2 Maka: V 1 = = M Lx0,002562mol / L = 0,647 L/jam 10,148mol / L Harga HCl 37 % = Rp ,00/L Total cost HCl = Rp x 0,647 L = Rp /jam 3. Menghitung biaya pemanasan reaktan T reaksi = 60 0 C = 333 K Q umpan = m NaCl x Cp NaCl x ( ) + m air x Cp air x ( ) = kal = ,9 kj = 128, 458 kwh Total cost untuk pemanasan umpan = Rp x 128, 458 = Rp / jam Total Biaya Produksi dengan menggunakan Proses Krebs 15

7 = Rp /jam operasi 1.2.Huron Basis : 1 jam operasi Konversi : 86% Reaksi kimia NaCl + 3 H 2 O NaClO 3 + 3H 2 Mula-mula A 3A - - Bereaksi 35,57kmol 106,71kmol 35,57kmol 106,7kmol = 0,86A Sisa (A-35,57)kmol (3A-106,7)kmol 35,57kmol 106,7kmol Mol reaktan mula-mula: 0, 86A = 35, 57 kmol A = 41,38 kmol Reaktan masuk reaktor: NaCl H 2 O : 41,38 kmol = 2418,4 kg/jam : 124,14 kmol = 2234,5 kg/jam 1. Menghitung Harga Konsumsi Energi Listrik untuk Elektrolisis Konsumsi energi/ ton NaClO 3 terbentuk = 5500 kwh Produksi NaClO 3 / jam operasi = ton = 3,7879 ton/jam (330harix24 jam Konsumsi energi/ jam = 5500 kwh x 3,7879 = ,33 kwh Harga 1 kwh untuk industri = Rp ,00 16

8 Total biaya energi listrik = Rp x ,33 = Rp /jam 2. Menghitung Harga Larutan HCl (ph Larutan Elektrolisis) ph = 6,3 = - log H + [H + ] = 0, mol/l Tersedia di pasaran HCL 37% Air dibutuhkan untuk reaksi = 2234,5 kg/jam = 2234,5 L Molaritas HCl untuk menciptakan ph = 6,3 dalam 2234,5 L air = 0, x 2234,5 L = 0, mol= M 2 Jika : V 1 = Volume HCl 37% yang dibutuhkan/jam M 1 = Molaritas HCl di pasaran = 37 % wt= 10,148 mol/l V 2 = Volume HCl 0, mol/L = 2.234,5L M 2 = Molaritas HCl yang dibutuhkan = 0, mol/l V 2xM 2 Maka: V 1 = = M ,5Lx0, mol / L = 0,247 L/jam 10,148mol / L Harga HCl 37 % = Rp ,00 Total cost HCl = Rp x 0,247 = Rp /jam 3. Menghitung biaya pemanasan reaktan T reaksi = 80 0 C = 353 K Q umpan = m NaCl x Cp NaCl x ( ) + m air x Cp air x ( ) = ,963 kal = 643,157kJ = 0,17614 kwh Total cost untuk pemanasan umpan = Rp x 0,

9 = Rp jam Total Biaya Produksi dengan menggunakan proses Huron = Rp /jam operasi 1.3.Chemetics Basis : 1 jam operasi Konversi : 78% Reaksi kimia NaCl + 3 H 2 O NaClO 3 + 3H 2 Mula-mula A 3A - - Bereaksi 35,57kmol 106,71kmol 35,57kmol 106,7kmol = 0,78 A Sisa (A-35,57)kmol (3A-106,7)kmol 35,57kmol 106,7kmol Mol reaktan mula-mula: 0, 78 A = 35, 57 kmol A = 45,624 kmol Reaktan masuk reaktor: NaCl H 2 O : 45,624 kmol = 2.666,423 kg/jam : 136,873 kmol = 2954,95 kg/jam 1. Menghitung Harga Konsumsi Energi Listrik untuk Elektrolisis Konsumsi energi/ ton NaClO 3 terbentuk = 4950 kwh Produksi NaClO 3 / jam operasi = ton = 3,7879 ton/jam (330harix24 jam Konsumsi energi/ jam = 4950 kwh x 3,7879 = kWh Harga 1 kwh untuk industri = Rp ,00 18

10 Total cost energi listrik = Rp x = Rp /jam 2. Menghitung Harga Larutan HCl (ph Larutan Elektrolisis) ph = 4 = - log H + [H + ] = 0,0001 mol/l Tersedia di pasaran HCL 37% Air dibutuhkan untuk reaksi = 2463, 714 kg/jam = 2463,714 L Molaritas HCl untuk menciptakan ph = 2 dalam 2.463,714 air = 0,0001 x 2.463,714 L = 0, mol = M 2 Jika : V 1 = Volume HCl 37% yang dibutuhkan/jam M 1 = Molaritas HCl di pasaran = 37 % wt = 10,148 mol/l V 2 = Volume HCl 0,24637 mol/l = 2463,714 L M 2 = Molaritas HCl yang dibutuhkan = 0,24637mol/L V 2xM 2 Maka: V 1 = = M1 2463,7Lx0,24637mol / L = 59,813L/jam 10,148mol / L Harga HCl 37 % = Rp ,00 Total cost HCl = Rp x 59, 813 = Rp /jam 3. Menghitung biaya pemanasan reaktan T reaksi = 90 0 C = 363 K Q umpan = m NaCl x Cp NaCl x ( ) + m air x Cp air x ( ) = ,156 kal = kj = 0,043 kwh Total cost untuk pemanasan umpan = Rp x 0,043 = Rp / jam 19

11 Total Biaya Produksi dengan menggunakan proses Chemetics = Rp /jam operasi 2. Proses Klorinasi Kaustik Soda Basis : 1 kg NaCLO 3 BM NaClO 3 : 106,44 g/mol Jumlah Produk NaClO 3 : = 9,394 mol BM NaOH : 39,99 g/mol Konversi : 97 % 3Cl 2(g) + 6NaOH (l) NaClO 3(l) +5NaCl (l) + 3 H 2 O (l) Mula-mula 3A 6A 9,394 Bereaksi 28,182 56,364 = 0,97A Sisa 3A-28,182 6A-56,364 0,97 A = 28,182 A= 29,053 mol Jumlah Reaktan yang bereaksi Cl 2 Cl 2 = 3 A = 87,16 mol 70,91gram 1 kg 87,16mol = 6,2 kg 1 mol 1000 gram NaOH = 6 A = 174,318 mol 39,99gram 1kg NaOH = 174,318mol 1mol 1000gram = 6,97 kg 20

12 Harga Cl 2 = Rp.3.582,5 /kg (Merck s Price List, 2008) Total cost Cl 2 Harga NaOH Total cost NaOH Total Cost Reaktan Harga Jual NaClO3 Keuntungan = Rp = Rp /kg = Rp = Rp ,5 /kg NaClO3 yang diproduksi = Rp / kg = Rp ,5 /kg NaClO 3 terjual Dari analisis di atas antara Proses Elektrolisis (Krebs, Huron dan Chemetics) dan Klorinasi Kaustik Soda maka diputuskan untuk menggunakan Proses Elektrolisis Huron karena: 1. Berdasarkan bahan baku yang digunakan, Proses Elektrolisis menjanjikan keuntungan yang jauh lebih besar dibandingkan dengan Proses Klorinasi Kaustik Soda 2. Proses elektrolisis melibatkan bahan baku dalam fase padat dan cair mudah ditangani 3. Tidak dibutuhkan katalis, sehingga tidak diperlukan unit pemisahan antara katalis dan produk. 4. Lebih aman untuk lingkungan 5. Konstruksi reaktor paling sederhana dengan 1 vessel 6. Biaya untuk memenuhi kondisi operasi jauh lebih murah dibandingkan dengan Chemetics walaupun sedikit lebih mahal daripada Krebs 7. Konsentrasi produk keluaran reaktor tinggi. 21

13 C. Deskripsi Proses Secara umum proses terbagi menjadi tiga tahap 1. Tahap pengolahan bahan baku. Pada tahap ini, bahan baku berupa air laut di proses secara fisika menggunakan ultrafiltration membrane (UF-101) dan nanofiltration membran (NF-102) sehingga pengotornya berupa natural organic material (NOM) dan ion logam selain NaCl terpisah dari air laut. Hasil dari filtrasi ini berupa air laut dengan konsentrasi NaCl yang tinggi, yaitu gpl (B.V. Tilak, 1999) dengan kadar ion sulfat maksimal 25 ppm. NaCl kemudian masuk kedalam mixing tank (MT- 202) dan ditambahkan Na 2 Cr 2 O 7 yang berfungsi untuk mencegah terjadinya korosi pada katoda. 2. Tahap reaksi utama (elektrolisis) Setelah diproses di tahap pengolahan bahan baku, campuran tersebut masuk ke dalam reaktor elektrolisis (RE-201) dengan suhu operasi 80 0 C, ph 6-7 dan tekanan 1 atm. Konsentrasi NaCl dijaga sebesar g/l. Tahap yang terjadi yang terjadi dalam reaktor: a. Tahap Elektrolisis Dalam zona ini reaksi elektrokimia berlangsung : Reaksi pembentukan NaClO 3 di tangki Reaktor adalah : Anoda : 2Cl- Cl 2 + 2e -.(1) Katoda : 2H + + 2e- H 2. (2) b. Tahap Reaksi Kimia Pada tahap ini reaksi Cl 2 menjadi NaClO 3 berlangsung : 22

14 Cl 2 (g) Cl 2 (s) (k = 5,965e-6 exp(2.765,176/t).(3) Cl 2 (g) + H 2 O H + + HOCl + Cl - (k = 11,625 exp(3,085,44/t). (4) Dilanjutkan dengan reaksi pembentukan klorat : HOCl H + + OCl - (k = 3,04e-5 exp(-2.000/t) (5) 2HOCl + OCl - ClO H + + 2Cl - (k = 8,509e5 exp(-4777/t).. (6) c. Tahap Pelepasan Gas Gas H 2 yang terbentuk pada katoda harus dilepaskan dari larutan. Gas H 2 ini mensirkulasikan larutan pada sel elektrolisis Dari RE-201 produk dialirkan ke dehypoing reaktor (RE-202) untuk mengubah NaClO menjadi NaClO3 pada suhu 80oC selama 1 jam. 3. Tahap pemisahan produk Sodium klorat yang keluar dari reaktor memiliki konsentrasi g/l dan suhunya 80 0 C. Kemudian dialirkan menuju evaporator (EV-301) untuk diuapkan airnya sehingga tercapai konsentrasi jenuh sodium klorat, 1900 gpl. Dari evaporator, sodium klorat dialirkan ke dalam crystallizer (CR-301) sehingga diperoleh crystal slurry dari bagian bottom crystallizer. Kristal kemudian dipisahkan dari mother liquor di dalam centrifuge (CF-301) untuk menghilangkan kandungan sodium dikromat yang bersifat karsinogen. Kristal sodium klorat yang terbentuk memiliki moisture content sebesar 1-1,4%. Mother liquor yang telah dipisahkan kemudian dicampurkan dengan air laut yang telah dimurnikan untuk 23

15 direcycle ke dalam sel elektrolisis. Dari centrifuge, sodium klorat dibawa dengan menggunakan Screw Conveyor (SC-301) ke Rotary Dryer (RD- 301) untuk menurunkan kadar airnya sampai 0,1 %. Produk sodium klorat yang telah dilewatkan pada rotary dryer kemudian masuk kedalam unit pengantongan dan disimpan dalam gudang (WH-401). 24