BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DESKRIPSI PROSES

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DESKRIPSI PROSES 2.1 Butinediol 1,4-butinediol merupakan suatu senyawa organik dengan rumus molekul HOCH 2 C CCH 2 OH dengan berat molekul 86,09 g/mol. Butinediol tidak berwarna dalam cairan dan bewarna kuning dalam bentuk kristal. Densitas butinediol 1,2 g/cm 3, titik lebur butinediol C, dan titik didih butinediol C. Temperatur kritis butinediol pada fase cair 57,84 0 C, dan volume kritis 4, ft 3 /lbmol. Butinediol dalam fase cair memiliki kemurnian 55% C 4 H 6 O 2 (butinediol), 40% H 2 O (air) dan 5% CH 3 OH (metanol). Daya larut butinediol dalam 100 gr air adalah 374 gr, sehingga butinediol bersifat higrokopis. Spesifik gravity adalah 1,0691. Butinediol dalam bentuk kristal dapat mudah larut dalam air, larutan asam, alkohol dan aseton, tetapi tidak dapat larut dalam eter atau hidrokarbon. Butinediol beracun, dan memiliki sifat kimia dari alkohol primer dihidroksi yang mempunyai kemampuan membuat reaksi tambahan, butinediol bersifat korosif dan dapat membuat iritasi pada kulit dan mata. Nama lain dari butinediol adalah 1,4 dihidroksi 2 butin 1,4 diol, 2 butinediol dan bis (hidroksi metil) asetilen. (Anonim b,2010) Secara kimia, butinediol dikarakterisasikan dengan adanya dua gugus alkine dan dua gugus hidroksil seperti pada Gambar 2.1 Gambar 2.1 Struktur Butinediol (Anonim b, 2010)

2 Gambar 2.2 Rumus molekul butinediol (Anonim b, 2009) Butinediol dapat diproduksi dengan sintesis Reppe, dengan reaktan formaldehid dan asetilen: 2 CH 2 O + HCCH HOCH 2 CCCH 2 OH formaldehid Asetilen Butinediol Butinediol banyak digunakan pada industri pembuatan butanediol, tetrahidrofuran, pirolidin dan beberapa produk lain. Butinediol juga dapat digunakan untuk konversi eter dengan etylene oxida pada proses brominasi, bahan-bahan pelindung untuk alat pabrik, pestisida, bahan tambahan pada industri cat, tekstil bahan pencerah warna, bahan pengawet, bahan pembersih, bahan anti karat, dan manghambat pelapisan nikel. Selain itu butinediol juga digunakan dalam pembuatan agen perlindungan tanaman, pestisida, resin sintetik. (Chemicalland2, 2008). 2.2 Spesifikasi Bahan Baku Bahan baku utama dari proses pembuatan C 4 H 6 O 2 (butinediol) ini adalah C 2 H 2 (asetilen) dan HCHO (formaldehid). HCHO (formaldehid) yang digunakan mempunyai komposisi HCHO (formaldehid), H 2 O (air), metanol (CH 3 OH). Dalam pembuatan butinediol digunakan katalis padat Cu 2 C 2 (tembaga asetilid). Dalam reaksi samping terdapat propargil alkohol yang dapat di produksi menjadi butinediol jika di reaksikan dengan formaldehid.

3 2.2.1 Asetilen (C 2 H 2 ) Senyawa asetilen adalah senyawa kimia dengan formula C 2 H 2. Asetilen adalah hidrokarbon dengan ikatan alkalin yang sederhana. Asetilen adalah gas yang tidak bewarna dan mudah terbakar dengan bau mirip bawang putih. Asetilen adalah gas sintetis yang diproduksi dari reaksi Kalsium karbida dengan air, dan disimpan dalam silinder yang berisi cairan Aseton. Asetilen banyak digunakan untuk pemotongan besi, pengelasan dan juga untuk mempercepat matangnya buah-buahan. Tabel 2.1 Sifat fisika Asetilen: Molekul Formula H C C H Rumus Kimia C 2 H 2 Berat Molekul 26,04 Kg/Kmol Titik Didih -83,80 C ( 1 atm) Titik leleh -80,75 C ( 1 atm) Temperatur kritis 35,15 C Tekanan kritis 60,59 atm Volume kritis 1, ft 3 /lbmol ΔH 0 f ,57 Btu/lbmol ΔG 0 f ,46 Btu/lbmol Densitas 0,377 g/cm 3 Viskositas 0,0815 cp Fase Gas warna tidak berwarna Sifat Berbau Kemurnian 99,40 % w C 2 H 2 0,5 % w N 2 0,1 % w H 2 Spesifik gravity 60 F 0,7906 Kelarutan dalam air ( 25 C ) 0,94 % w Pelarut organik : aceton, benzene,chloroform, eter Sinonim : Asetilen, Ethine, Welding Gas, Narcilen, Vinilen (Anonim a, 2010)

4 2.2.2 Formaldehid (HCHO) Formaldehid adalah suatu bahan kimia dengan rumus umum HCHO atau CH 2 O. formaldehid yang juga disebut metanal yang merupakan aldehida yang berbentuk gas. Pada suhu normal dan tekanan atmosfer formaldehid berada dalam bentuk gas yang tidak berwarna yang berbau sangat merangsang, beracun, mudah larut dalam air dengan berat molekul 30,03 g/mol. Formaldehid dalam bentuk padat disebut trioksan (CH 2 O) 3 yaitu bentuk polimer ada formaldehid, dengan formaldehid unit, tetapi pada suhu C formaldehid akan terkomposisi menjadi metanol dan karbon monoksida. Formaldehid dapat dihasilkan dari membakar bahan yang mengandung karbon, misalnya: asap knalpot kendaraan, kebakaran hutan, asap tembakau, dan lain-lain. Formaldehid dalam kadar kecil sekali juga dihasilkan seperti metabolit kebanyakan organisme, termasuk manusia. Formaldehid awalnya disintesa (dibuat) oleh kimiawan asal Rusia Aleksander Butlerov tahun 1859, tapi diidentifikasi oleh Hoffman tahun Formaldehid memiliki banyak nama, seperti : formalin, formol, metil aldehid, metilen oksida, paraforin, tri oxane, formoform. Tabel 2.2 Sifat Fisika Formaldehid: Molekul Formula H 2 -C=O Rumus Kimia CH 2 O Berat Molekul 30,03 Kg/Kmol Titik Didih -19,15 C ( 1 atm) Titik leleh -92,00 C ( 1 atm) Temperatur kritis 134,85 C ( 1 atm) Tekanan kritis 64,9999 atm Volume kritis 1, ft 3 /lbmol Fase Gas ΔH 0 f ,84 Btu/lbmol ΔG 0 f ,31 Btu/lbmol Kemurnian 30 % CH 2 O 55 % H 2 O 15 % CH 3 OH Specific gravity 0,815

5 Kelarutan dalam air ( 20 C ) 0,55 % Densitas 0,376 g/ml Viskositas 0,1154 cp Pelarut organic Ether, alcohol, azeton, benzene Sinonim Formik aldehid, metanal, aldehid, metilen oxide (Anonim d, 2010) Katalis Tembaga asetilid (Cu 2 C 2 ) Tembaga asetilid adalah senyawa kimia inorganik. Tembaga asetilid mudah panas dan mudah meledak dan lebih sensitif dari perak asetilid. Tabel 2.3 Sifat Fisika katalis Tembaga Asetilid: Rumus Molekul Cu 2 C 2 Fasa Padat Berat molekul 151,11 g/mol Densitas 4,620 g/cm 3 (Anonim c, 2008) Metanol (CH 3 OH) Metanol, juga dikenal sebagai metil alkohol, wood alcohol atau spiritus, adalah senyawa kimia dengan rumus kimia CH 3 OH. Ia merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada keadaan metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan daripada etanol). Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan sebagai bahan additif bagi etanol industri. Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri. Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara. Setelah beberapa hari, uap metanol tersebut akan teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air. Tabel 2.4 Sifat Fisika Metanol:

6 Rumus Kimia CH 3 OH Berat Molekul 32,04 Kg/Kmol Densitas 0,787 g/cm 3 Viskositas 0,538 cp Titik Didih 64,65 C (1 atm) Titik Leleh -97,68 C ( 1 atm) Fase Cair Kemurnian > 99 % CH 3 OH < 1 % H 2 O Specific gravity 0,712 Temperatur kritis 239,49 C ( 1 atm) Tekanan kritis 79,9111 atm Volume kritis 118 liter/kmol (Anonim e, 2008) Air (H 2 O) Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H 2 O, satu molekul air tersusun atas dua atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Air bersifat tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 100 kpa (1 bar) and temperatur 273,15 K (0 C). Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang penting, yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia lainnya, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak macam molekul organik. Air sering disebut sebagai pelarut universal karena air melarutkan banyak zat kimia. Air berada dalam kesetimbangan dinamis antara fase cair dan padat di bawah tekanan dan temperatur standar. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan sebagai sebuah ion hidrogen (H + ) yang berasosiasi (berikatan) dengan sebuah ion hidroksida (OH - ). Tabel 2.5 Sifat Fisika Air: Berat molekul Titik lebur 18,016 gr/gmol 0 C (1 atm)

7 Titik didih 100 C (1 atm) Densitas 1 gr/ml (4 C) Spesifik gravity 1,00 (4 C) Indeks bias 1,333 (20 C) Viskositas 0,8949 cp Kapasitas panas 1 kal/gr Panas pembentukan 80 kal/gr Panas penguapan 540 kal/gr Temperatur kritis 374 C Tekanan kritis 217 atm (Anonim g, 2010) 2.3 Spesifikasi produk Butinediol (C 4 H 6 O 2 ) Butinediol merupakan senyawa organik yang merupakan alkuna dan suatu diol. Butinediol merupakan kristal kuning yang larut dalam air dan etanol. Butinediol dapat diproduksi dalam sintesis Reppe, di mana formaldehid dan asetilen adalah reaktan: 2 CH 2 O + HCCH HOCH 2 CCCH 2 OH Formaldehid Asetilen Butinediol Beberapa metode produksi yang dipatenkan menggunakan katalis tembaga bismut dilapisi bahan inert. Rentang suhu normal untuk reaksi ini adalah 90 0 C sampai C, tergantung pada tekanan yang digunakan untuk reaksi yang bisa berkisar 1-20 bar. Butinediol banyak digunakan pada industri pembuatan butanediol, tetrahidrofuran, pirolidone dan beberapa produk lain. Butinediol juga dapat

8 digunakan untuk konversi eter dengan etylene oxide pada proses brominasi, bahanbahan pelindung untuk alat pabrik, pestisida, bahan tambahan pada industri cat dan textil. Butinediol juga digunakan untuk bahan pencerah warna, bahan pengawet, bahan pembersih, bahan anti karat, dan manghambat pelapisan nikel. (Chemicalland21.com) Tabel 2.6 Sifat Fisika Butinediol: Molekul Formula HO-CH 2 -C C-CH 2 -OH Rumus Kimia C 4 H 6 O 2 Berat Molekul 86,09 Kg/Kmol Titik Didih 238 C ( 1 atm) Titik leleh 57,84 C ( 1 atm) Temperatur kritis 421,85 C (1 atm) Tekanan kritis 57,8499 atm Volume kritis 4, ft 3 /lbmol Fase ,86 Btu/lbmol ΔH 0 f C 4 H 6 O 2 Cair ΔG 0 f C 4 H 6 O ,75 Btu/lbmol Kemurnian 55 % C 4 H 6 O 2 Daya larut dalam 100 gr air 374 gr Specific gravity ( 60 F ) 1,0691 Sinonim 1,4 dihydroxy 2 butyne,2butyne (Anonim a, 2010) Propargil Alkohol (C 3 H 4 O) Propargil alkohol, atau 2-propyn-1-ol, merupakan senyawa organik yang merupakan alkohol sederhana berisi gugus fungsional alkuna. Alkohol Propargil adalah cairan kental yang jelas tak berwarna yang larut dengan air dan pelarut organik yang paling polar. Propargil alkohol tidak larut dalam kebanyakan pelarut

9 hidrokarbon. Propargil alkohol berbau seperti geranium Pelargonium. Propargil alkohol dapat dipolimerisasi dengan baik pada saat panas atau basa. Propargil alkohol digunakan sebagai inhibitor korosi, larutan logam yang kompleks, stabilisasi pelarut dan aditif brightener elektroplating. Propargil alkohol juga digunakan sebagai intermediate dalam sintesis organik. Propargil alkohol mengiritasi kulit dan selaput lendir. Tabel 2.7 Sifat Fisika Propargil Alkohol : Molekul formula Rumus Kimia C 3 H 4 O Densitas 0,945 g/cc Viskositas 2,4603 Titik Didih C ( 1 atm) Nama dalam IUPAC 2-Propyn-1-ol (Anonim g, 2010) 2.4 Reaksi Pembentukan Butinediol Reaksi utama pembentukan butinediol dari asetilen dan formaldehid dikenal sebagai reaksi reppe. Disebut reaksi reppe karena reaksinya ditemukan oleh Walter Reppe. Walter Reppe menemukan bahwa asetilen dapat bereaksi pada tekanan tinggi dengan katalis logam berat menghasilkan senyawa-senyawa yang penting dalam industri. 2.5 Proses Pembuatan Butinediol Proses pembuatan butinediol pada umumnya diproduksi dalam dua cara, yaitu sintesis pada tekanan rendah dan sintesis pada tekanan tinggi Sintesis pada Tekanan Rendah

10 Produksi butinediol pada tekanan rendah berlangsung pada tekanan sekitar 2 atm dan temperatur sekitar o C. Beberapa reaktor berpengaduk disusun secara seri supaya konversi yang diharapkan menjadi tinggi. Asetilen direaksikan dengan formaldehid dengan bantuan katalis tembaga asetilid pada reaktor pertama, dimana asetilen yang tidak bereaksi akan direcycle kembali. Kemudian hasil reaksi akan dilanjutkan ke reaktor berikutnya dengan penambahan asetilen kembali. Asetilen yang tidak bereaksi akan direcycle kembali seperti pada reaktor pertama. Proses ini dilakukan selanjutnya sampai diperoleh %yield pembentukan butinediol sekitar 20-60%, dan propargil alkohol sekitar 0,3-3%. Proses pemurnian hasil dilakukan dengan filtrasi katalis untuk digunakan kembali. Katalis yang hilang selama proses sekitar 2% per hari (Prater, 1978) Sintesis pada Tekanan Tinggi Pada prinsipnya proses pembuatan butinediol dilaksanakan dengan cara etinilasi yaitu dengan mereaksikan asetilen dan formaldehid dengan katalis tembaga asetilid (Cu 2 C 2 ). Secara stoikiometri pembentukan butinediol mengikuti persamaan : C 2 H CH 2 O HOCH 2 CCCH 2 OH Asetilen Formaldehid Butinediol Proses ini disebut dengan proses Reppe. Reaksi lain yang mungkin terjadi, yaitu : C 2 H 2 + CH 2 O C 3 H 4 O Asetilen Formaldehid Propargil Alkohol Reaksi ini dapat dilakukan di dalam reaktor berpengaduk. Reaksi berlangsung pada kondisi suhu C dan tekanan 2-8 atm. Konversi butinediol yang dihasilkan dapat mencapai 75-95% (Moore, 1964). Dalam pembuatan Buinediol, Formaldehid yang digunakan berupa cairan, katalis berupa padatan, dan asetilen berupa cairan. Katalis yang biasa digunakan adalah metal asetilid, terutama yaitu Copper Acetylide / Tembaga Asetilid (Cu 2 C 2 ). Recovery dapat katalis mencapai 97-99% (Moore, 1964). Proses pemurnian

11 produk dimulai dari recycle asetilen dengan separator, penyisihan katalis pada sentrifugasi, dan destilasi butinediol sehingga kemurnian butinediol yang dihasilkan akan lebih tinggi. Melihat gambaran umum proses pembuatan butinediol diatas, untuk tekanan rendah, konversi butinediol yang dihasilkan %, tekanan 2 atm, temperatur C sedangkan pada sintesis tekanan tinggi komversi butinediol yang dihasilkan %, tekanan 2-8 atm dan suhu C, maka pemilihan proses didasarkan pada konversi dan kemurnian produk yang tinggi yaitu proses pembuatan butinediol pada tekanan tinggi. 2.6 Deskripsi Proses Pembuatan butinediol dari asetilen dan formaldehid dilaksanakan dalam dua tahap yakni: Proses Pembuatan Butinediol Proses pembuatan butinediol dilaksanakan dengan cara etinilasi yaitu dengan mereaksikan asetilen dan formaldehid dengan katalis tembaga asetilid (Cu 2 C 2 ). Gas asetilen dari tangki penyimpanan (TK-113) yang telah dikompres akan dilewatkan melalui heater (E-119) untuk menaikkan temperaturnya sampai C dan pada tekanan 5 atm sebelum masuk ke reaktor (R-210). Larutan formaldehid (dengan konsentrasi formaldehid 40%, methanol 12%, air 48%) dari tangki penyimpanan (TK-111) dan katalis padat tembaga asetilid (Cu 2 C 2 ) berukuran 300 mesh dari tangki penyimpanan (TK-112) akan dialirkan menuju tangki pencampuran (M-110) yang dioperasikan dengan tekanan 1 atm dan temperatur 30 0 C. Hasil campuran berupa slurry kemudian akan dilewatkan melalui heater (E-118) untuk menaikkan temperatur sampai C. Jumlah katalis dalam umpan slurry sekitar 10%(%-berat) dari larutan formaldeid. Asetilen cair dan slurry dialirkan kedalam reaktor (R-210) dengan reaksi sebagai berikut:

12 Katalis Cu 2 C 2 Katalis Cu 2 C 2 butinediol Propargil alkohol Perbandingan mol umpan formaldehid dengan asetilen yaitu 2:1. Reaksi terjadi pada suhu C dan pada tekanan 5 atm, dimana konversi formaldehid menjadi butinediol sebesar 90 % dan waktu tinggal 2 jam. Konversi formaldehid menghasilkan propargil alkohol sebesar 4%. Reaksi yang terjadi yaitu eksoterm, dengan jenis reaktor yang digunakan yaitu reaktor tangki berpengaduk. Aliran keluaran reaktor berisi asetilen sisa, formaldehid sisa, butinediol, propargil alkohol, metanol, air, dan katalis tembaga asetilid (Cu 2 C 2 ) Proses Pemurnian Butinediol Proses pemurnian produk dilakukan mulai dari alur keluaran dari reaktor yang terlebih dahulu diturunkan tekanannya sampai 1 atm kemudian dilewatkan melalui cooler (E-221) untuk diturunkan suhunya sampai 40 0 C, kemudian dilewatkan menuju knock out drum (F-310) pada kondisi operasi 1 atm dan suhu 40 o C. Asetilen yang tidak bereaksi pada reaktor akan terpisah dan direcycle ke mix point I (MP-101) untuk digunakan kembali. Aliran bawah knock out drum (F-310) yang telah dipisahkan gas asetilennya kemudian dilewatkan menuju alat disk sentrifuge (CF-320) dimana katalis akan di recovery kembali. Recovery katalis yang dihasilkan sebesar 99%. Katalis yang telah diperoleh akan dialirkan ke mix point II (MP-102) untuk digunakan kembali. Sisa katalis yang tidak dapat direcovery dibuang ke unit pengolahan limbah diutilitas. Waktu tinggal dalam disk centrifuge (CF-320) ini 2 jam dengan temperatur 40 0 C dan tekanan 1 atm. Aliran keluaran dari disk centrifuge (CF-320) yang telah dipisahkan katalisnya, akan dipompakan menuju heater (E-323) untuk menaikkan temperaturnya

13 sampai suhu 122,38 0 C yang kemudian dialirkan menuju unit destilasi (D-330) yang dioperasikan pada tekanan 2 atm pada suhu 122,38 0 C. Unit destilasi (D-330) akan memisahkan butinediol dari propargil alkohol dan larutan formaldehid yang berisi metanol, formaldehid, dan air berdasarkan perbedaan titik didih. Produk butinediol akan diperoleh pada alur bawah diteruskan ke cooler (E-341) dimana terjadi penurunan suhu butinediol sampai temperatur lelehnya pada suhu 54 0 C. Butinediol yang telah diturunkan temperaturnya akan mengalami pembentukan butiran di dalam prilling tower (TK-340) pada suhu 30 0 C dengan menggunakan rotating prilling bucket yang dikontakkan dengan udara dingin. Butiran butinediol yang keluar dari prilling tower diangkut dengan belt conveyor (C-343) ke tangki penyimpanan produk (TK-344). Untuk alur atas yang mengandung propargil alkohol dan larutan formaldehid sisa kemudian akan didinginkan terlebih dahulu untuk dialirkan menuju tangki penyimpanan sementara (TK-338) untuk diolah pada unit pengolahan limbah.

14 Air Pendingin Steam PC 17 JC LI C 2 H 2 TK-113 Cu 2 C 2 5 P-116 C E P I R-210 L I PC 13 PC PC TI F LC E LC CF-320 E P P D-330 C E-333 TK-334 LC P E P E-337 TK-338 LI TK P-331 P-339 E LI HCHO 8 LC M P E-118 PI 36 Udara bekas 38 Universitas Sumatera TK-340 Utara Udara masuk 40 TK-111 P-114 JB-342