BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Perkembangan industri khususnya industri yang mengolah bahan mentah menjadi bahan intermediate maupun bahan jadi di Indonesia terus mengalami peningkatan. Salah satu bagian dalam industri ini adalah industri kimia, baik yang memproduksi bahan baku hulu maupun bahan hasil olahannya. Seiring dengan perkembangan zaman, kebutuhan akan bahan-bahan kimia di Indonesia semakin besar. Namun, kebutuhan berbagai bahan baku dan bahan penunjang tersebut masih banyak didatangkan dari luar negeri. Jika bahan baku dan bahan penunjang ini bisa dihasilkan di dalam negeri, hal ini tentunya akan menghemat pengeluaran devisa, meningkatkan ekspor, mengembangkan penguasaan teknologi dan membuka lapangan pekerjaan. Etilen oksid adalah salah satu bahan kimia yang jumlahnya belum mencukupi kebutuhan industri di Indonesia. Bahan kimia yang juga dikenal sebagai oxirane ini banyak digunakan dalam industri kimia dan farmasi. Secara langsung etilen oksid digunakan sebagai bahan desinfektan yang efektif dan banyak digunakan untuk keperluan rumah tangga. Bidang kedokteran biasa memanfaatkan etilen oksid untuk mensterilkan peralatan-peralatan bedah, plastik dan alat-alat lain yang tidak tahan panas yang tidak dapat disterilkan dengan uap. Dalam bidang industri, penggunaan etilen oksid juga cukup luas. Selain digunakan sebagai bahan baku pembuatan etilen glikol, etilen oksid juga digunakan sebagai bahan insektisida, bahan intermediet pembuatan etanol amine, glikol eter dan polietilen oksid (Kirk and Othmer, 1979). Kebutuhan etilen oksid dalam untuk berbagai keperluan sebagaimana yang telah dijelaskan sebelumnya dari tahun ke tahun terus meningkat dan sebagian besar kebutuhan tersebut masih dipenuhi dari impor. Hal tersebut dapat diamati dari data impor etilen oksid di Indonesia sebagai berikut. Dyah Arini Hutaminingtyas (09/281078/TK/34773) 1
Tabel I.1. Data Impor Etilen Oksid pada Tahun 1995-2001 Tahun Volume Impor (Ton) 1995 2.660 1996 3.637 1997 5.830 1998 9.536 1999 15.434 2000 24.296 2001 32.552 (Badan Pusat Statistik, 2002) Dari data di atas kemudian dibuat persamaan garis lurus untuk memproyeksikan jumlah impor etilen oksid hingga tahun 2015, yaitu sebagai berikut: y = 5,021x - 10019 dengan y merupakan jumlah impor, dan x merupakan tahun. Dari persamaan tersebut maka proyeksi jumlah impor etilen oksid hingga tahun 2015 ditampilkan pada tabel berikut. Tabel I.2. Proyeksi Kebutuhan Etilen Oksid di Indonesia Hingga Tahun 2015 Tahun Volume Impor (Ton) Pertumbuhan (%) 2002 33.042 1,48 2003 38.063 13,19 2004 43.084 11,65 2005 48.105 10,44 2006 53.126 9,45 2007 58.147 8,64 2008 63.168 7,95 2009 68.189 7,36 2010 73.210 6,86 2011 78.231 6,42 2012 83.252 6,03 2013 88.273 5,69 2014 93.294 5,38 2015 98.315 5,11 Dyah Arini Hutaminingtyas (09/281078/TK/34773) 2
Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa kebutuhan etilen oksid cenderung mengalami peningkatan rata-rata sebesar 7,15 % per tahun. Berdasarkan uraian diatas, dengan melihat kebutuhan, peluang pasar, dan kesempatan yang ada, maka pendirian pabrik etilen oksid perlu dipertimbangkan lebih lanjut dalam rangka substitusi impor etilen oksid yang selama ini tiap tahunnya selalu dilakukan. B. Tinjauan Pustaka Etilen oksid pertama kali disintesis oleh Wurtz tahun 1859 dan kemudian dikenal dengan proses klorohidrin. Produksi pertama etilen oksid secara komersial dimulai tahun 1914 hingga sekarang. Tahun 1931, Lefort mengembangkan proses oksidasi langsung yang menggeser keberadaan proses klorohidin hingga sekarang. 1. Pembentukan Etilen Oksid dengan Proses Klorohidrin Proses klorohidrin merupakan proses pertama pembuatan etilen oksid yang saat ini sudah tidak diperhitungkan lagi secara komersial. Proses klorohidrin terdiri atas dua reaksi utama yaitu reaksi pembentukan etilen klorohidrin dari asam hipoklorat dan etilen serta reaksi pembentukan etilen oksida dari etilen klorohidrin dan basa Ca(OH) 2. Reaksinya adalah : C 2 H 4 + HOCl HOCH 2 CH 2 Cl (1) HOCH 2 CH 2 Cl + ½Ca(OH) 2 C 2 H 4 O + ½CaCl + 2H 2 O (2) Asam hipoklorat diperoleh dari pelarutan klorin di air untuk menghasilkan reaksi kesetimbangan berikut. Cl 2 + H 2 O HCl + HOCl (3) Reaksi pertama berlangsung dalam reaktor packed tower (dengan material yang tahan korosi) pada tekanan 2-3 atm dan suhu 27 43 o C dengan yield teoritis antara 85-90 %. Pada reaktor pertama ini perlu pengendalian yang cermat untuk menekan terbentuknya produk reaksi samping, yaitu etilen diklorida dan dikloro dietil eter. Oleh karena itu, konsentrasi klorohidrin pada reaksi klorohidrasi dijaga dengan konsentrasi 7 % wt. Tahap kedua dari proses, dehidroklorinasi, dilakukan dengan menambahkan 10 % wt. slurry Ca(OH) 2 pada larutan klorohidrin yang keluar dari dasar reaktor pertama. Dyah Arini Hutaminingtyas (09/281078/TK/34773) 3
Campuran tersebut kemudian dipanaskan pada hydrolyzer, sebuah vessel berbentuk silinder yang dilengkapi dengan kondenser parsial yang beroperasi pada tekanan atmosferis. Reaksi klorohidrin dengan Ca(OH) 2 menghasilkan etilen oksid bersama dengan sedikit produk samping dan juga air. Yield yang dihasilkan pada kondisi yang optimal secara teoritis adalah 95 %. Basa NaOH juga bisa digunakan untuk menggantikan Ca(OH) 2, namun akan memerlukan perlakuan yang lebih pda saat pencampuran dan pengontrolan pada jumlah basa yang ditambahkan (Mc Ketta, 1984). Uap hasil hydrolyzer dilewatkan pada cooler dan dikondensasi secara parsial, kemudian diumpankan ke bagian fraksinasi. Pemurnian dari campuran etilen oksid yang dihasilkan agak sulit, yang mana membutuhkan beberapa seri kolom distilasi. Tabel I.3. dibawah ini menunjukkan kebutuhan bahan baku beserta utilitas, sementara pada Tabel I.4. ditunjukkan yield dan produk samping yang dihasilkan. Tabel I.3. Bahan baku dan Utilitas untuk Proses Klorhidrin Komponen Unit Kebutuhan per lb EO yang dihasilkan Etilen Lb 0,8 Klorin Lb 2,0 CaO Lb 1,6 Listrik kwh 0,09 Steam Lb 12 Water Lb 30 Tabel I.4. Produk dan Yield pada Proses Klorohidrin EO dari etilen, mol % 80 EO dari klorohodrin, mol % 95 Etilen diklorida, lb/lb EO 0,1-0,15 Dikloro dietil eter, lb/lb EO 0,07-0,09 Produk organik hasil klorinasi lain, lb/lb EO 0,01 Asetaldehid 0,007 Dyah Arini Hutaminingtyas (09/281078/TK/34773) 4
Kelebihan proses klorohidrin ini adalah: Yield EO tinggi, mencapai 80 %. Proses klorohidrin bisa lebih kompetiif dibandingkan proses oksidasi langsung jika klorin bisa diperoleh dengan harga murah. Sementara itu kekurangannya adalah: Biaya produksi etilen oksid dengan proses klorhidrin lebih besar dibandingkan dengan proses oksidasi langsung. Kebutuhan klorin sangat besar, padahal harga klor tinggi. Proses klorohidrin memeberikan efek negatif ke lingkungan (polusi) Perlu treatment limbah yang lebih banyak mengingat limbah cair yang dihasilkan mengandung kalsium klorida serta sedikit produk organik hasil klorinasi lain dan glikol. 2. Pembentukan Etilen Oksid dengan Oksidasi Langsung Proses pembentukan etilen oksid dengan oksidasi langsung pertama kali diusulkan oleh Lefort, dengan menggunakan katalis perak (Ag) (McKetta, 1984). Prinsip dari proses oksidasi langsung ini adalah reaksi fase gas dari etilen, udara atau oksigen dengan katalis perak. Ag adalah basis dari semua reaksi oksidasi pembentukan etilen oksid, yang mana pada katalis akan terjadi reaksi eksotermis sebagai berikut: Oksidasi parsial yaitu C 2 H 4 menjadi etilen oksid Reaksi sekunder yaitu etilen oksid menjadi CO 2 + H 2 O Oksidasi total yaitu C 2 H 4 menjadi CO 2 + H 2 O Reaksi-reaksi yang terjadi pada proses oksidasi ini: C 2 H 4 + ½O 2 (4) C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 +2H 2 O (5) +25.5 kcal +316 kcal (6) + 2½ O 2 2CO 2 + 2H 2 O Dyah Arini Hutaminingtyas (09/281078/TK/34773) 5
Reaksi samping yang dapat terjadi dalam jumlah kecil adalah: CH 3 CHO (7) CH 3 CHO + 2½O 2 2CO 2 + 2H 2 O (8) C 2 H 4 + O 2 2CH 2 O (9) Reaksi ini dilakukan pada fase gas dengan kondisi operasi 220-300 o C dan tekanan 10-30 kg/cm 2 g. Berbeda dengan proses klorohidrin, proses oksidasi langsung ini menghasilkan by-products, selain air dan karbon dioksida, dalam jumlah yang sangat sedikit. Pada proses oksidasi langsung ini diperlukan adanya inhibitor berupa 1,2- dikloroetana untuk mencegah terjadinya reaksi oksidasi total. 2.1 Oksidasi Langsung dengan Oksigen Pada proses oksidasi langsung dengan oksigen ini, dibutuhkan oksigen teknis dengan kemurnian yang tinggi. Perbandingan oksigen dan gas etilen yang digunakan dalam umpan adalah 6-8% (vol) dan 20-30% (vol). Kelebihan proses ini antara lain: Limbah gas yang dihasilkan relatif lebih sedikit, karena oksigen yang digunakan kemurniannya tinggi. Jumlah gas inert dalam siklus relatif tetap Selektivitas proses ini berkisar antara 70-80% untuk konversi etilen sebesar 8-10% Reaktor yang dibutuhkan hanya satu unit saja. Kekurangan proses ini adalah: Konversi rendah untuk mendapatkan selektivitas yang tinggi. Dihasilkan CO 2 sehingga dibutuhkan CO 2 absorber dan stripper (CO 2 removal) Dyah Arini Hutaminingtyas (09/281078/TK/34773) 6
Perlu ditambahkan diluen berupa gas N 2 atau metana untuk mencegah eksplosivitas etilen terhadap oksigen. Namun dengan digunakan gas selain nitrogen sebagai diluen, maka dibutuhkan kapasitas purge yang lebih besar dan kehilangan dari bahan baku etilennya akan lebih besar. Membutuhkan air fractionation plant untuk produksi O 2 dengan kadar O 2 >99% (apabila bahan baku yang digunakan berasal dari udara dan bukan O 2 murni) Membutuhkan unit absorpsi etilen oksid dengan H 2 O untuk memisahkannya dengan C 2 H 4, O 2, dan gas inert. 2.2 Oksidasi Langsung dengan Udara Pada proses oksidasi langsung dengan udara, komponen nitrogen menjadi komponen mayor pada reaksi campuran gas. Nitrogen merupakan gas inert yang berfungsi sebagai diluen yang dapat mengurangi eksplosivitas dan juga berfungsi sebagai pendingin selama reaksi (McKetta, 1984). Dengan digunakan udara yang kadar pengotornya masih cukup tinggi, maka dibutuhkan suatu unit purging untuk mengurangi akumulasi gas inert yang ada di reaktor. Namun dengan menggunakan udara langsung, maka air fractioning plant sudah tidak dibutuhkan lagi. Pada proses ini didapatkan selektivitas sebesar 65-75%. Kekurangan dari proses ini juga dapat dilihat dari jumlah gas etilen yang hilang bersama dengan gas inert (N 2 ) sehingga capital cost untuk proses ini lebih besar. Selain itu masih dibutuhkan air compressing dan air purifying (treatment) unit, dan satu tambahan reaktor lagi (Weissermel and Arpe, 1997). Proses yang dipilih dalam Prarancangan Pabrik Etilen Oksid ini adalah proses pembentukan etilen oksid dengan oksidasi langsung menggunakan udara. Proses oksidasi langsung dengan udara karena bahan yang digunakan mudah didapatkan dan relatif murah. Proses ini dipilih juga berdasarkan pertimbangan safety, yaitu karena udara jauh lebih aman dan mudah penanganannya dibandingkan dengan oksigen. Dyah Arini Hutaminingtyas (09/281078/TK/34773) 7