PEMBUATAN n-butanol DARI BERBAGAI PROSES HALIMATUDDAHLIANA Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara BAB I PENDAHULUAN Salah satu jenis produksi industri kimia yang dibutuhkan dalam jumlah yang terus meningkat adalah industri n-butanol. n-butanol yang memiliki rumus kimia C 4 H 9 OH, merupakan produk hasil reaksi n-butiraldehid dengan hidrogen. n-butanol merupakan cairan putih jernih dan berbau tajam Produksi n-butanol sebagian besar digunakan pada pembuatan resin urea fonnaldehid dan plasticizer dibutil pthalat. Disamping itu n-butanol juga digunakan untuk: bahan pelarut (solvent) pembuatan pernis nitroselulosa pembuatan minyak rem bahan ekstraksi pembuatan antibiotik, vitamin, dan hormon bahan pelarut ekstraksi minyak pembuatan 2,4-dikloropenoksi asam asetat yang merupakan racun rumput bahan pengering azeotrop (azeotropic dehidrating agent) pembuatan bahan-bahan kimia seperti butil amina, butil stearat, butilena, asam butirat, dan dibutil anilin. Senyawa n-butanol pertama sekali ditemukan pada tahun 1852 oleh Wyrtz dengan cara memisahkan n-butanol dari campuran-campuran amil alkohol (minyak fusel). Kemudian pada tahun 1871, Lieben dan Rossi berhasil memperoleh n-butanol dari reduksi n-butiraldehid Sifat-Sifat n-butanol A. Sifat Kimia n-butanol n-butanol merupakan senyawa organik yang memiliki ikatan hidrogen, sehingga senyawa ini mempwlyai titik didih yang tinggi. R - O - H R R - O - H O H Gambar 1. Ikatan Hidrogen n-butanol 2004 Digitized by USU digital library 1
Ada tiga reaksi utama terhadap n- butanol, yaitu : 1. Reaksi Substitusi Gugus OH pada n-butanol dapat diganti oleh atom halogen, misalnya klor. Persamaan reaksi : CH 3 CH 2 CH 2 -OH + H-CI n-butanol CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 -Cl + H 2 O n-klorobutana 2. Reaksi Oksidasi n-butanol dapat dioksidasi oleh sejumlah senyawa menjadi asam karboksilat. Senyawa yang biasa digunakan sebagai zat pengoksidasi adalah: KMnO 4 dengan OH, HNO 3 pekat, atau H 2 CrO 4. 3. Reaksi Eliminasi n-butanol dapat bereaksi eliminasi dan menghasilkan n-butilena. Reaksi ini melepaskan air, sehingga disebut juga reaksi dehidrasi. Reaksi berlangsung pada temperatur 60 C dengan katalis dehidrasi H2S04 pekat. B. Sifat Fisika n-butanol Sifat-sifat fisika n-butanol meliputi titik didih, titik beku, spesifik gravity, viskositas, kalor jenis, panas penguapan, panas pembakaran, temperatur kritis, tekanan laitis, dan lain-lain dapat dilihat pada tabel berikut: No Parameter Sifat Fisika Nilai 1 Berat Molekul (gr/mol) 74,12 2 Titik didih pada 1 atm ( o C) 117,73 3 Titik beku, ( o C) -89,3 4 Spesifik gravity pada 20 o C 0,8098 5 Indeks Bias 1,3993 6 Viscositas pada 20 0 C, cp 2,95 7 Kalor Jenis pada 20 0 C, kal/g 0,559 8 Panas Penguapan, kal/g 141,3 9 Panas Pembakaran, kkal/g 8,62 10 Temperatur Kritis, 0 C 287 11 Tekanan Kritis, atm 48,4 12 Titik Nyala, 0 C 32 13 Tegangan Permukaan pada 20 0 C, dyne/cm 24,6 14 Kelarutan dalam air pada 30 0 C, % berat 7,1 15 Kelarutan air pada n-butanol pada 30 0 C, % berat 20,6 16 Titik Didih, 0 C 92,7 2004 Digitized by USU digital library 2
BAB II PROSES PEMBUATAN n-butanol n-butanol dapat diperoleh dari berbagai macam proses seperti fermentasi, kondensasi aldol, proses reppe oksidasi butana, ziegler, dan hidrogenasi. 2.1 Proses Fermentasi. Bahan baku yang biasa digunakan untuk menghasilkan n-butanol pada proses fermentasi adalah molase. Molase merupakan hasil samping dari industri gula yang diperoleh setelah sakarosa dikristalisasi dan disentrifusi dari sari gula tebu. Proses fermentasi molase menggunakan kultur bakteri. Bakteri ini dapat mengubah glukosa menjadi n-butanol dan gas C(h. Molase bersarna kultur bakteri dimasukkan ke dalam tangki fermentasi yang beroperasi pada kondisi aerob. Pada proses ini akan terbentuk gas CO2 clan hidrogen. Gas-gas ini ditampung untuk kemudian direcovery. Reaksi fermentasi: (C 6 H 10 O 5 ) x C 6 H 12 O 6 CH 3 COCH 3 + CH 3 CH 2 CH 2 OH + C 2 H 5 OH + CO 2 + H 2 Alkohol hasil fermentasi merupakan alkohol berkadar rendah yang disebut beer. Alkohol ini kemudian dibawa ke kolom beer. Kolom ini berjumlah 2 buah dan berfungsi untuk menaikkan konsentrasi alkohol yang diperoleh. Hasil atas beer kolom kedua dibawa ke kolom destilasi pertarna untuk memisahkan aseton dari alkohol. Hasil bawah kolom beer dibawa ke kolom destilasi kedua untuk memperoleh 2004 Digitized by USU digital library 3
n-butanol dengan kemurnian 96%. Selain n-butanol, proses ini juga menghasilkan aseton dan etanol. Tiap 1 gallon molase mengandung 6 lb gula yang akan menghasilkan 1,45 lb n-butanol; 0,4 lb aseton ; dan 0,07 lb campuran etanol, C0 2, dan hidrogen. 2.2 Kondensasi Aldol Proses aldol merupakan proses pembuatan n-butanol secara sintetik. Bahan baku yang digunakan pada proses ini adalah etil alkohol atau asetilen. Mula-mula etanol didehidrogenasi atan asetilen dihidrasi untuk menghasilkan asetaldehid dengan menggwiakan katalis merkuri sulfat. Kemudian asetaldehid dikondensasi pada reaktor menjadi aldol pada temperatur 10-25 DC dan tekanan atmosfer, dengan menambahkan sejumlah kecill soda kaustik. Sebesar 60% asetaldehid akan terkonversi menjadi aldol. Dari reaktor, aldol dibawa ke kolom dehidrasi untuk memisahkan aldol dari asetaldehid yang tidak terkonversi. Asetaldehid yang terpisah direcycle ke tangki asetaldehid untuk digunakan sebagai umpan reaktof. Dari kolom dehidrasi aldol diumpankan ke kolom destilasi untuk direaksikan dengan asarn asetat membentuk krotonaldehid. Krotonaldehid kemudian dihidrogenasi pada fase uap untuk menghasilkan n-butanol. Persamaan reaksi: CH 3 CHO CH 3 CH(OH)CH 2 CHO CH 3 CH=CHCHO CH 3 CH 2 CH 2 OH Asetaldehid aldol krotonaldehid n-butanol Gambar 3. Flow Sheet Pembuatan n-butanol Dengan Proses Aldol 2004 Digitized by USU digital library 4
Pada kolom hidrogenasi, gas hidrogen clan katalis, nikel-kromium diumpankan. Kolom hidrogenasi beketja pada temperatur 135-175 C. Produk keluar kolom ini dengan kemumian 80% n-butanol clan 20% n-butiraldehid. 2.4 Proses Hidrogenasi Butiraldehid cair yang terdiri dari 99% n-butiraldehid dan 1% i-butiraldehid dicampur dengan air (3% dari maupan butiraldehid) pada sebuah mixer yang bekerja pada tekanan 1 mm dan temperatur 30 C untuk menghindari ketonisasi. Campuran ini diuapkan pada vaporizer, dan dikontakkan dengan gas yang terdiri dari 99,5% H 2 dan 0,5% N 2 pada sua1u reaktor hidrogenasi. Reaktor hidrogenasi ini merupakan fixed bed reactor dengan dua buah bed didalamnya. Pada reaktor terjadi reaksi hidrogenasi antara n-butiraldehid dan H 2 sebagai reaksi utama, reaksi hidrogenasi antara i-butanol dan H 2 sebagai reaksi samping. Untuk mempercepat mekanisme reaksi digunakan katalis Co pada permukaan alumina. Persamaan reaksi : C 3 H 7 CHO + H 2 n-butiraldehid C 4 H 9 OH n-butanol Reaktor bekerja pada tekanan 35 atm, temperatur 100-200 C. Bahan baku memasuki reaktor pada temperatur 100 C dan meninggalkan reaktor pada temperatur 155,4 C. Reaksi hidrogenasi adalah reaksi eksoterm, mm karena reaktor adalah bersifat adiabatis maka kelebihan panas pada reaktor dihilangkan dengan air pendingin yang memasuki reaktor melalui external exchanger. Pada reaktor ini 75% n-butiraldehid akan terlconversi menjadi n-butanol. Hasil dari reaktor kemudian dibawa ke separator yang bekerja pada tekanan 37 atm dan temperatur 60 C untuk memisahkan sisa gas H 2 dan gas inert N 2 dari butanol, butiraldehid, dan H 2 O. Gas H 2 dan N 2 yang keluar dari top separator setelah diturunkan tekanannya pada expansion valve menjadi,30 atm akan dipurging 1/4 bagian, sedangkan sisanya direcycle dan dicampurkan kembali dengan umpan gas dari H 2 plant Butiraldehid, butanol, dan H 2 O yang meninggalkan bottom separator akan menuju ke menara destilasi-1 untuk pemurnian butanol setelah diturunkan tekanannya hingga 1 atm pada expansion valve. Umpan memasuki menara destilasi- 1 pada tekanan 1 atm dan temperatur101,5 C. Produk bawah menara destilasi-l terdiri dari 99% n-butanol, 0,75% ibutanol, dan 0,25% H 2 O. Destilat menara destilasi-1 yang terdiri dari n-butiraldehid yang terdiri dari n- butiraldehid, i-butiraldehid, H 2 O, dan sebagian i-butanol akan diumpankan ke menara destilasi-2 pada tekanan 1 atm dan temperatur 80,6 C. Menara destilasi-2 bertujuan untuk memanfaatkan sisa butiraldehid sebagai bahan proses dengan merecycle destilat menara destilasi-2 ke mixaer kembali. Bottom produk menara destilasi-2 akan dipompakan ke pengolahan limbah sebelum dibuang ke badan air. 2004 Digitized by USU digital library 5
Gambar 5. Flow Sheet Pembuatan n-butanol Dengan Proses Hidrogenasi BAB III PEMILIHAN PROSES Pada proses pembuatan n-butanol sering menggunakan proses hidrogenasi, karena proses hidrogenasi memiliki beberapa kelebihan bila dibandingkan dengan proses-proses lainnya, yaitu : Memiliki konversi reaksi relatif lebih besar, yaitu 75%, sehingga untuk jumlah bahan bahan yang sama banyaknya akan diperoleh basil n-butanol yang lebih banyak, sehingga secara ekonomis dipandang lebih menguntungkan. Proses hidrogenasi tidak membutuhkan pemisahan yang rumit, sehingga peralatan yang digunakan relatif lebih sederhana. Kemurnian produk yang dihasilkan cukup tinggi, mencapai 99%. Harga bahan baku pembuatan n-butanol dengan proses hidrogenasi relatif lebih murah. n-butiraldehid sebagai bahan baku pembuatan n-butanol ini mrupakan cairan jernih yang tidak berwarna dan mempunyai bau yang khas. Sifat fisika n-butiraldehid antara lain dapat larut dalam air, etil alkohol, etil asetat, aseton, dan toluen, dan merupakan zat yang mudah terbakar. Sedangkan hidrogen merupakan gas yang tidak berwarna, tidak berbau dan berasa., dan bila dicampur dengan udara akan menghasilkan campuran yang mudah terbakar dan meledak. 2004 Digitized by USU digital library 6
Spesifikasi bahan baku dan produk dapat dilihat pada tabel berikut: Keterangan n-butiraldehid i-butiraldehid Hidrogen Nitrogen Rumus Kimia n-c 3 H 7 CHO i-c 3 H 7 CHO H 2 N 2 Berat Molekul 72,11 72,11 2 28 Titik Didih 74,8 64,1-252,8-195,8 Normal ( 0 C) Spesifik Gravity 0,817 0,7938 0,06948 - (20 0 C) Densitas pada 731,9 728,9 0,08 1,126 30 0 C (kg/m 3 ) Viscositas pada 0,343 0,504 0,019 0,009 30 0 C (cp) Temperatur 251 240-240,2-147,2 kritis ( 0 C) Tekanan kritis (atm) 40 41 12,8 33,5 Keterangan n-butanol i-butanol Rumus Kimia n-c 4 H 9 OH i-c 4 H 9 OH Berat Molekul 74,120 74,12 Titik Didih 117,73 107,89 Normal ( 0 C) Spesifik Gravity 0,8098 0,8057 (20 0 C) Densitas pada 787,2 785,4 30 0 C (kg/m 3 ) Viscositas pada 2,307 2,95 30 0 C (cp) Temperatur 287 265 kritis ( 0 C) Tekanan kritis (atm) 43,6 42,4 2004 Digitized by USU digital library 7
DAFTAR PUSTAKA Kirk, R. E., and Otluner, D. F., "Encyclopedia of Chemical Engineering Technology", The Interscience Publishers, Division of Jhon Willey and Sons Inc. New York, 1949. Ludwig E. E., "Applied Process Design of Chemical Plants", vol 1, 2, 3, Gulf Publishing Company Book Division, Houston, New York. Perry R. H., and Green D., "Chemical Engineer's Hand Book", six edition, Mc Graw Hill Book Company, 1984. Thomas K S., Prausnitz J. M, Robert C. R, "The Properties of Gases and Liquid ", third edition, Mc Graww Hill Book Company, New York. 2004 Digitized by USU digital library 8