7 BB II URIN PROSES.. Jenis-Jenis Proses Benzil alkohol dikenal pula sebagai alpha hidroxytoluen, phenyl methanol, atau phenyl carbinol. Benzil alkohol mempunyai rumus molekul 6 H 5 H OH. Proses pembuatan benzil alkohol dapat dilakukan dengan beberapa macam cara :. Reduksi Katalis dengan benzaldehida Reduksi diperoleh dengan menggunakan Raney Nickel atau Sodium malgam dan air. Bahan pereaksi yang ekivalen dengan benzaldehid bisa menggunakan asam benzoat atau turunan asam benzoat. Persamaan reaksinya sebagai berikut : 6 H 5 HO + H Sodium amalgam 6 H 5 H OH Reaksi ini berlangsung pada suhu 5 o dan tekanan 3 atm.. Reaksi annizaro Pada reaksi ini formaldehida dioksidasi menjadi asam formiat, aldehid aromatik direduksi menjadi alkohol, yang berlangsung pada fase homogen (cair-cair) pada temperatur 07 o, dan tekanan 6, atm.
8 Digunakan benzaldehida sebagai agen pereduksi dengan katalis berupa alkali. Konversi reaksi ini sebesar 60%. Pada reaksi ini hanya setengah dari aldehid yang tereduksi menjadi alkohol, setengahnya lagi teroksidasi menjadi asam. Persamaan reaksinya sebagai berikut : 6 H 5 HO + KOH alkali 6 H 5 O K + 6 H 5 H OH 3. Reaksi Hidrolisa Reaksi hidrolisa terjadi antara Benzil Klorida dengan larutan Natrium Karbonat. Kemurnian produk yang dihasilkan 99%. Konversi terhadap produk sebesar 99%, berlangsung pada fase cair pada suhu 0 o dan tekanan atm, tanpa menggunakan katalis. Persamaan reaksinya sebagai berikut : 6 H 5 H l + Na O 3 + H O 6 H 5 H OH + Nal + O.. Pemilihan Proses Pemilihan proses dilakukan dengan membandingkan keuntungan dan kerugian semua proses pembuatan benzil alkohol yang telah diuraikan diatas sebagai berikut :
9 a. Tinjauan Ekonomi Tinjauan ekonomi ini bertujuan untuk mengetahui bruto yang dihasilkan oleh pabrik ini selama setahun dengan kapasitas 50.000 ton/tahun. Berikut ini perbandingan beberapa harga bahan baku dan harga produk pada tahun 03. Tabel. Harga bahan baku dan produk Bahan Harga dalam $ Harga dalam Rp. Benzaldehida 4000 USD/ton 40.000.000/ton Kalium hidoksida 300 USD/ton 3.000.000/ton Benzil Klorida 476 USD/ton 4.760.000/ton Natrium Karbonat 00 USD/ton.000.000/ton Benzil lkohol 3400 USD/ton 34.000.000/ton Sumber: * www.alibaba.com,03. Reduksi Katalis dengan benzaldehida Konversi : 75% Kapasitas produk : 50.000 ton benzil alkohol tiap tahun Mol Benzil lkohol = Massa benzyl alkohol (kapasitas) BM Mol Benzil lkohol = 50.000.000 kg 08 Mol Benzil lkohol = 46,96 kmol
0 Dengan reaksi : 6 H 5 HO + H Mula a b Sodium amalgam 6 H 5 H OH Bereaksi (46,96) (46,96) (46,96) Sisa (a-46,96) (b-46,96) (46,96) Dari reaksi diatas, untuk menghasilkan 50.000 ton atau 46,96 kmol benzil alkohol dengan konversi reaksi 75% maka dibutukan reaktan sebagai berikut a: b = 00% 75% x 46,983 kmol = 67,3 kmol Mol benzaldehida = 67,3 kmol Benzaldehid yang dibutuhkan untuk menghasilkan 50.000.000 kg benzil alkohol = mol benzaldehida * BM benzaldehid = 67,3 kmol x 06 kg/kmol = 65.434,86 kg = 65,434 ton
Mol Hidrogen = 67,3 kmol Kalium hidoksida yang dibutuhkan untuk menghasilkan 50.000.000 kg benzil alkohol = mol hidrogen * BM hidrogen = 67,3 kmol x kgr/kmol = 3.34,6 kg = 3,34 ton Jumlah harga bahan baku: = (65,434 ton x $ 4000/ton) + (3,34 ton x $ 3000/ton) = $ 30.438.000 Harga produk benzi alkohol = (50.000 ton/tahun x $ 3400/ton) = $ 70.000.000 /tahun Keuntungan per tahun = Harga Produk Harga Reaktan = $ 70.000.000 /tahun - $ 30.438.000 = $ -3.438.000 = Rp..34..438.000 Harga produksi/kg benzil alkohol : = harga bahan baku kapasitas setahun kapasitas pabrik
= $ 30.438.000/tahun 50.000.000 kg/tahun = $ 6,08/ kg = $ 608/ ton = Rp. 60.80/ kg ($ = Rp 0000) Harga pembuatan per kg benzil alkohol dengan menggunakan proses ini sebesar $ 608/ ton, lebih mahal dibandingkan harga jual benzil alkohol sebesar $ 3400 /ton.. Reaksi annizaro Konversi : 60% Kapasitas produk : 50.000 ton benzil alkohol tiap tahun Mol Benzil lkohol = Massa benzil alkohol (kapasitas) BM Mol Benzil lkohol = 50.000.000 kg 08 Mol Benzil lkohol = 46,96 kmol Dengan reaksi : 6 H 5 HO + KOH 6 H 5 O K + 6 H 5 H OH Mula a b Bereaksi (46,96) (46,96) (46,96) (46,96) Sisa (a-46,96) (b-46,96) (46,96) (46,96)
3 Dari reaksi diatas, untuk menghasilkan 50.000 ton atau 77,778 kmol benzil alkohol dengan konversi reaksi 60% maka dibutukan reaktan sebagai berikut b = 00% 60%% x 46,983 kmol = 77,638 kmol a: b = : maka a = 543,76 kmol Mol benzaldehida = 543,76 kmol Benzaldehida yang dibutuhkan untuk menghasilkan 50.000.000 kg benzil alkohol = mol benzaldehid * BM benzaldehid = 543,76 kmol x 06 kg/kmol = 63.587,76 kg = 63,587 ton Mol Kalium hidoksida = 77,638 kmol Kalium hidoksida yang dibutuhkan untuk menghasilkan 50.000.000 kg benzil alkohol = mol kalium hidoksida * BM kalium hidoksida = 77,638 kmol x 56 kgr/kmol = 43.,78 kg = 43, ton Jumlah harga bahan baku: = (63,587 ton x $ 000/ton) + (43, ton x $ 4000/ton) = $ 05.56.400
4 Harga produk benzil alkohol = (50.000 ton/tahun x $ 3400/ton) = $ 70.000.000 /tahun Keuntungan per tahun = Harga Produk Harga Reaktan = $ 70.000.000 /tahun - $ 05.56,400 = $ -9.996.000 = Rp..99.960.000.000 Harga produksi/kg benzil alkohol : = harga bahan baku kapasitas setahun kapasitas pabrik = $ 05.56.400/tahun 50.000.000 kg/tahun = $ 6,850/ kg = $ 6850/ ton = Rp. 68.500/ kg ($ = Rp 0000) Harga pembuatan per kg benzil alkohol dengan menggunakan proses ini sebesar $ 6850/ ton, lebih mahal dibandingkan harga jual benzil alkohol sebesar $ 3400 /ton. 3. Reaksi Hidrolisa Konversi : 99% Kapasitas : 50.000 ton benzil alkohol tiap tahun
5 Mol Benzil lkohol = Massa benzil alkohol (kapasitas) BM Mol Benzil lkohol = 50.000.000 kg 08 Dengan reaksi : Mol Benzil lkohol = 46,96 kmol 6 H 5 H l + Na O 3 + H O 6 H 5 H OH + Nal + O Mula a b c Bereaksi 46,96 46,96 46,96 46,96 46,96 46,96 Setimbang(a-46,96) (b-46,96)(c-46,96) 46,96 46,96 46,96 Dari reaksi diatas, untuk menghasilkan 50.000 ton atau 46,96 kmol benzil alkohol dengan konversi reaksi 99% maka dibutukan reaktan sebagai berikut a = b = c = : : b, c = 00% 99% x 46,96 kmol = 467,638 kmol a = x 467,638 = 935,76 kmol Mol benzil klorida = 935,76 kmol Benzil klorida yang dibutuhkan untuk menghasilkan 50.000.000 kg benzil alkohol = mol benzil klorida * BM benzil klorida = 935,76 kmol x 08 kg/kmol = 0.009,808 kg = 0,009 ton
6 Mol natrium karbonat = 467,438 kmol Natrium karbonat yang dibutuhkan untuk menghasilkan 50.000.000 kg benzil alkohol = mol natrium karbonat * BM natrium karbonat = 467,438 kmol x 06 kg/kmol = 49.569,68 kg = 49,569 ton Mol H O = 467,438 kmol H O yang dibutuhkan untuk menghasilkan 50.000.000 kg benzil alkohol = mol H O * BM H O = 467,438 kmol x 8 kg/kmol = 8.43,884 kg = 8,43 ton Jumlah harga bahan baku: = (0,009 ton/tahun x $ 476/ton) + (49,569 ton/tahun x $ 00/ton) + (8,43 ton/tahun x $ 00/ton ) = $ 59.003,08/tahun Harga produk benzil alkohol: = (50.000 ton/tahun x $ 3400/ton) = $ 70.000.000 /tahun
7 Keuntungan per tahun = Harga Produk Harga Reaktan = $ 70.000.000 - $ 59.003,08 = $ 69.840.996,9 = Rp..698.409.969.000 Harga produksi per kg benzil alkohol : = = harga bahan baku/tahun kapasitas pabrik $ 59.003.084 /tahun 50.000.000 kg/tahun = $ 3,/ kg = $ 300/ ton = Rp. 3000/ kg ($ = Rp 0000) Harga pembuatan per kg benzil alkohol dengan menggunakan proses ini sebesar $ 300/ ton, lebih murah dibandingkan harga jual benzil alkohol sebesar $ 3400 /ton. b. Tinjauan termodinamika Tinjauan secara termodinamika ditujukan untuk mengetahui sifat reaksi (endotermis/eksotermis). Penentuan panas reaksi yang berjalan secara eksotermis atau endotermis dapat dihitung dengan perhitungan panas pembentukan standar (ΔH f ) pada P = atm dan T = 98 K.
8 Proses ( Reduksi Katalis dengan benzaldehid) Reaksi yang terjadi adalah : 6 H 5 HO + H Sodium amalgam 6 H 5 H OH Nilai ΔH f masing-masing komponen pada suhu 98 K dapat dilihat pada Tabel. sebagai berikut : Tabel. Nilai ΔH f masing-masing Komponen Komponen ΔH o f 98 (kj/mol) 6 H 5 HO -86,8 H (g) 6 H 5 H OH -35 Sumber : Perry s Tabel -96 0 Persamaan : ΔH r 98 K = ΔH f produk - ΔH f reaktan ΔH r 98 K = ΔH f produk - ΔH f reaktan = [(ΔH f 6 H 5 H OH) ( ΔH f 6 H 5 HO + ΔH f H )] = [(-35) (-86,8 + 0)] kj/mol = - 65, kj/mol Karena nilai ΔH r 98 K negatif, maka reaksi bersifat eksotermis.
9 Dari energi bebas Gibbs dari reaktan dan produk adalah : Tabel.3 Nilai ΔG f masing-masing Komponen Komponen ΔG o f 98 (kj/mol) 6 H 5 HO 9,4 H (g) 6 H 5 H OH -7,5 Sumber : Perry s Tabel -96 0 Persamaan : ΔG o = Σ(nΔG o f) produk Σ(nΔG o f) reaktan ΔG r 98 K = ΔG f produk - ΔG f reaktan = [(ΔG f 6 H 5 H OH) ( ΔG f 6 H 5 HO + ΔG f H )] = [(-7,5) ( 9,4 + 0)] kj/mol = -36,9 kj/mol Berdasarkan nilai G o yang telah di dapatkan sebesar -36,9 kj/mol menunjukkan bahwa reaksi yang terjadi di dalam reaktor dapat berlangsung tanpa membutuhkan energi yang besar, karena diinginkan nilai G o < 0 agar tidak membutuhkan energi berupa panas yang terlalu besar (konsumsi energi kecil). Dalam parameter perancangan pabrik kimia berupa parameter termodinamika bahwa nilai G o < 0 masih dapat terpenuhi.
0 Proses (Reaksi annizaro ) Reaksi yang terjadi adalah : 6 H 5 HO + KOH alkali 6 H 5 O K + 6 H 5 H OH Nilai ΔH f masing-masing komponen pada suhu 98 K dapat dilihat pada Tabel.4 sebagai berikut : Tabel.4 Nilai ΔH f masing-masing Komponen Komponen ΔH o f 98 (kj/mol) 6 H 5 HO KOH 6 H 5 H OH 6 H 5 O K Sumber : Perry s Tabel -96-86,8-35 -6-385,05 Persamaan : ΔH r 98 K = ΔH f produk - ΔH f reaktan ΔH r 98 K = ΔH f produk - ΔH f reaktan = [(ΔH f 6 H 5 H OH + ΔH f 6 H 5 O K) ( ΔH f 6 H 5 HO + ΔH f KOH)] = [(-6 + -385,05) (-86,8 + -35 ) = -984,5 kj/mol Karena nilai ΔH r 98 K negatif, maka reaksi bersifat eksotermis.
Dari energi bebas Gibbs dari reaktan dan produk adalah : Tabel.5 Nilai ΔG f masing-masing Komponen Komponen ΔG o f 98 (kj/mol) 6 H 5 HO KOH 6 H 5 H OH 6 H 5 O K 9,4-379 -7,5-45,6 Persamaan : ΔG r 98 K = ΔG f produk - ΔG f reaktan ΔG r 98 K = ΔG f produk - ΔG f reaktan = [(ΔG f 6 H 5 H OH + ΔG f 6 H 5 O K) ( ΔG f 6 H 5 HO + ΔG f KOH)] = [(-7,5 + -45,6) (9,4 + -379)] = 96,84 kj/mol Reaksi 3 ( Reaksi Hidrolisa ) Persamaan reaksi : 6 H 5 H l + Na O 3 + H O 6 H 5 H OH + Nal + O Nilai ΔH f masing-masing komponen pada suhu 98 K dapat dilihat pada Tabel.6 sebagai berikut :
Tabel.6 Nilai ΔH f masing-masing Komponen Komponen ΔH o f 98 (kj/mol) 6 H 5 H l Na O 3 H O 6 H 5 H OH Nal O 6.36-30,9-85,8-35 -40-393,5 Sumber : Perry s Tabel -96 Persamaan : ΔH r 98 K = ΔH f produk - ΔH f reaktan ΔH r 98 K = ΔH f produk - ΔH f reaktan = [( x ΔH f 6 H 5 H OH + x ΔH f Nal + ΔH f O ) ( x ΔH f 6 H 5 H l + ΔH f Na O 3 + ΔH f H O )] = [(( x -35) + ( x -40) + (-393,5)) (( x 6.36) + (-30,9) + (-85,8))] = - 553,07 kj/mol Karena nilai ΔH r 98 K negatif, maka reaksi bersifat eksotermis.
3 Dari energi bebas Gibbs dari reaktan dan produk adalah : Tabel.7 Nilai ΔG f masing-masing Komponen Komponen ΔG o f 98 (kj/mol) 6 H 5 H l Na O 3 H O 6 H 5 H OH Nal O 9.4-047,7-37, -7,5-384 -394,4 Sumber : Perry s Tabel -96 Persamaan : ΔG r 98 K ΔG r 98 K = ΔG f produk - ΔG f reaktan = ΔG f produk - ΔG f reaktan = [( x ΔG f 6 H 5 H OH + x ΔG f Nal + ΔG f O ) ( x ΔG f 6 H 5 H l + ΔG f Na O 3 + ΔG f H O )] = [(( x -7,5) + ( x -384) + (-394,4)) (( x 9.4) + (-047,7) + (-37,))] = -7,3 kj/mol
4 Tabel.8 Kriteria penilaian pemilihan proses Kriteria Penilaian PROSES I (Hidrogenasi) PROSES II (annizaro) PROSES III (Hidrolisis). Tekanan 3 atm 6, atm atm. Suhu 5 o 07 o 0 o 3. Konversi - 60% 99% 4. Katalis da Tidak da Tidak da 5. Ekonomi $ -3.438.000 $ -9.996.000 $ 69.840.996 6. Energi Gibbs -36,9 KJ/mol 96,84 KJ/Mol -7,3 KJ/Mol Berdasarkan tabel.6 tersebut, maka dipilih proses 3, yaitu pembuatan benzil alkohol secara hidrolisis dengan menggunakan benzil klorida, air dan natrium karbonat. Reaksi yang terjadi: 6 H 5 H l + Na O 3 + H O 6 H 5 H OH + Nal + O.3. Uraian Proses a. Persiapan Bahan Baku. Benzil Klorida Benzil Klorida merupakan bahan baku utama yang diperoleh dengan cara import dari luar negeri yaitu dibeli dari Shandong Liaocheng Luxi hemical Sale o. Ltd, hina, dalam bentuk cair dan disimpan dalam tangki T-0 dengan tekanan atm (4,7 psia) dan suhu 30 o (303 K). Benzil Klorida akan dipompa, dimasukkan ke dalam reaktor, setelah
5 sebelumnya dipanaskan melalui heat exchanger (HE-0) sehingga temperatur Benzil Klorida menjadi 0 o.. Natrium Karbonat Natrium Karbonat juga merupakan bahan baku utama. Diperoleh dari Pabrik neka Kimia Raya, Surabaya, dalam bentuk serbuk padat dan disimpan dalam solids storage (SS-0) dengan tekanan atm (4,7 psia) dan suhu 30 o (303 K). Natrium Karbonat akan ditampung dalam hopper (HO-0) menggunakan srew conveyor dan bucket elevator (BE-0). Dari hopper kemudian akan dimasukkan ke dalam tangki pencampur (MT- 0) untuk dilarutkan dengan H O, lalu dipompa dan dipanaskan dengan pemanas HE-0 sampai suhu 0 o, kemudian dimasukkan ke dalam reaktor RE-0. b. Tahap Reaksi Reaksi antara Benzil Klorida dan larutan Natrium Karbonat dijalankan dalam Reaktor tangki berpengaduk, dengan waktu reaksi 0,39 jam, suhu reaktor 0 o, dan tekanan atm. Di dalam reaktor terjadi reaksi sebagai berikut : 6 H 5 H l + Na O 3 + H O 6 H 5 H OH + Nal + O Reaksi ini merupakan reaksi endotermis, sehingga untuk mempertahankan temperatur diperlukan pemanas. Pemanas yang digunakan adalah steam
6 jenuh pada suhu 0 o yang berada dalam jaket pemanas. Hasil reaksi yang berupa uap akan diolah ke UPL. Sedangkan hasil reaksi dari reaktor didinginkan hingga suhunya menjadi 40 o, kemudian dimasukkan ke dalam decanter (DE) untuk dipisahkan antara fraksi berat dan ringannya. c. Tahap Pemurnian Produk keluar reaktor yang berupa cairan dipompakan ke cooler (0-0) untuk menurunkan suhu produk menjadi 40 o, kemudian dipompakan ke dalam decanter (DE-0). Dalam decanter ini larutan Benzil lkohol sebagai fase ringan dan Na O 3 dan Nal, serta sebagian besar air sebagai fase berat akan dipisahkan. Hasil fase berat pada decanter akan dialirkan ke unit pengolahan lanjut (UPL). Fase ringan sebagian besar terdiri dari Benzil lkohol, dan masih ada sisa reaktan yaitu Benzil Klorida, Toluena, dan H O. Hasil fase ringan dari decanter (DE-30) akan diumpankan ke dalam menara distilasi (D-30) untuk memurnikan Benzil lkohol. Umpan masuk dalam D-30 pada suhu 43,5 o dan tekanan atm. Dalam D-30 Benzil lkohol akan terpisahkan sebagi produk bawah dari campuran larutannya dengan kemurnian 99%, dan didinginkan dalam ooler (0-30) dan ooler (0-30) dari suhu bawah menara 0,67 o sampai suhu 30 o. Hasil Benzil lkohol disimpan dalam tangki (ST-40) pada tekanan atm. Hasil atas D-30 akan dialirkan ke dalam tangki penyimpanan (-30) sebagai produk samping.
7 Tinjauan Termodinamika Reaksi : 6 H 5 H l + Na O 3 + H O 6 H 5 H OH + Nal + O + B + D + E + F Kondisi operasi : T = 0 = 383 K P = atm Untuk mengetahui apakah reaksi dapat berlangsung pada suhu 0 secara spontan maka perlu di cek dengan menggunakan energi Gibbs. G 383 = - RT ln K 383... () Untuk memastikan suhu operasi, didekatkan dengan hubungan antara neraca panas dan neraca massa pada kondisi adiatatis sehingga : a. Neraca massa Dimana: O ( e ) () B BO O e... (3) M BO O. (4) Untuk menghasilkan benzil alkohol 99% maka perbandingan mol antara benzil klorida, natrium karbonat dan air adalah : 0,6 : 4, sehingga : (United States Patent number 5,750,80 )
8 M = 0,6 M = 5 3 ) ( 0 e B M.. (5) ) 5 3 O ( e B... (6) ) 5 6 ( 0 e B...(7) e O D.....(8) e O E.....(9) e O F...... () Maka ) )( 5 6 ( 0 3 3 0 e e e K.. (3) ) )( 5 6 ( 3 e e e O K.... (4)
9 Sehingga, Dengan persamaan arhenius : k e ( E. RT ) ln k ln B T T.... (5) ln K. α dan β merupakan konstanta dari kinetika reaksi. b. Neraca Panas Pada Kondisi diabatis Tabel I.6 Kapasitas Panas Bahan Komponen p = + B.T +.T + D.T 3 + E. T 4 (p = joule/mol.k) B D E O -8304300 04370-433.33 0.6005 0 HO 76370-090. 8.5-0.046 9.370E-06 T 4040-5.3 0.695 0 0 B 0600 57 0 0 0 B 6030 674.5 0 0 0 NaO3 4000 48.57-0.00640 0 0 Nal 50 7.4-0.07583 0.000034 0 Data p dari hemcad H T Reaktan T = 0 o H R H P Produk T = 0 o 5 o H 5 5 o
Suhu (K) 30 Sehingga: H Reaktan = T 98 p 5 H 6 H l dt + T 98 p Na O 3 dt+ T 98 p H O dt Hf 98 = ( H 98 6 H 5 H OH + H 98 Nal + H 98 O ) ( H 98 6 H 5 H l + H 98 Na O 3 + H 98 H O ) H Produk = 98 T p 6 H 5 H OH dt+ 98 T p Nal dt+ 98 T p O dt (dalam kjoule/kgmol) Maka : H T = H Reaktan + H 98 x a + H Produk.... (6) H T = 0 T = 98 +p (f(,t))......... (7) c. Hubungan antara Neraca Panas Dan Neraca Massa Dari persamaan 5 dan 7 sehingga didapatkan hubungan konversi () dan T (suhu). Hubungan antara Suhu dan Konversi 490 470 450 430 40 390 370 350 0,999 0,999 0,9994 0,9996 0,9998 cp nm Konversi Gambar. Grafik Hubungan antara Konversi dan Suhu
3 Dari grafik dapat dilihat pada konversi mendekati 00% didapatkan suhu 383K (0 0 ) sehingga digunakan suhu reaksi 0 0 dan konversi 99%. G 43 bernilai negatif sehingga reaksi dapat berlangsung pada suhu 0 o. Tinjauan Kinetika Kinetika berhubungan erat dengan kecepatan reaksi kimia. Konsentrasi, suhu dan tekanan sangat berpengaruh pada konstanta kecepatan reaksi maupun pada kecepatan reaksi. Reaksi yang terjadi pada pembuatan Benzil lkohol : 6 H 5 H l + Na O 3 + H O 6 H 5 H OH + Nal + O Ditulis dalam bentuk sederhana : + B D + E + F Maka kecepatan reaksi menjadi : r k......(4) Dengan asumsi bahwa B berlebih. Maka sebagai limiting reactant. Digunakan orde satu semu.
3 Penyelesaian persamaan reaksi : r k d ( r ) dt d k. dt d k. o dt o o d 0 k. d ( o t 0 ) o o dt.( k. t 0 dt. ) k. t Diketahui : Konversi design = 0,99 dengan waktu reaksi 5 jam atau 300 menit. o Fo Fv 70,478kgmol 7,78.0 40835,93liter 4 kgmol/liter Maka : o. 7,78.0 4 k. t 0,99. k.300 ( 0,99) liter k 89,589 kgmol. menit