Laporan Kapsel PP FINAL

TUGAS TK5046 TOPIK-TOPIK PERANCANGAN PROSES

Perancangan Proses Produksi Aseton dengan Bahan Baku Isopropil Alcohol Menggunakan Simulator Aspen HYSYS®

Design of Acetone Production Process from Isopropyl Alcohol Using Simulator Aspen HYSYS®

Disusun oleh :

Tonny Yuliantino (13009003)

Yoel Frederick (13009007)

Hendri Kurniawan (13009033)

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2012

ABSTRACT

Acetone, also known as propanone, dimethyl ketone, 2-propanone, propan-2-one, or β-

dimethyl formaldehyde ketopropane is a colorless flammable liquid compound. Acetone can be

found naturally in the human body in small amounts. Acetone is a substance that dissolves easily

and it is so much exploited by that property.

The most common usage of acetone as a solvent, especially for dissolving various plastic and

synthetic fiber. Acetone can also be used to produce a variety of important chemicals such as methyl

methacrylate (MMA), biosphenol-A (BPA), and methacrylic acid. In beauty industry, acetone is

used as nail polish remover and glue skin remover on a wig and a false beard. In the laboratory

activities, acetone is used as a solvent in chemical experiments and cleaning laboratory equipment.

Demand of acetone continues to grow each year, and not least in Indonesia. According to

data in 2006, Indonesia imported 13,232,942 kg/year acetone from abroad. Despite the need for

acetone in Indonesia, there is no acetone manufacturing plant in this country. In 2006 alone, exports

of isopropyl alkohol balance recorded 1,404,649 kg/year. Opportunities to provide acetone with

isopropyl alcohol feedstock is wide open. The need for even greater consumption of acetone

demands better production process of acetone. Development process involved the usage of

extractive distillation to obtain the pure product. On this occasion, the author tries to design a

manufacturing process using raw acetone isopropyl alcohol. The design process is carried out using

Aspen HYSYS® simulator program.

Keywords: design process, acetone, extractive distillation

1

ABSTRAK

Aseton, yang juga dikenal sebagai propanon, dimetil keton, 2-propanon, propan-2-on dimetil

formaldehida, dan β-ketopropana adalah senyawa berbentuk cairan tidak berwarna yang mudah

terbakar. Secara alamiah, aseton dapat ditemukan di dalam tubuh manusia dalam jumlah sedikit.

Aseton merupakan zat yang mudah melarutkan sehingga banyak dimanfaatkan.

Kegunaan paling umum dari aseton adalah sebagai pelarut terutama untuk melarutkan

berbagai plastic dan fiber sintetik. Aseton dapat juga digunakan untuk memproduksi berbagai bahan

kimia penting, seperti methyl methacrylate (MMA), biosphenol-A(BPA) dan methacrylic acid. Pada

industry kecantikan aseton digunakan sebagai penghilang cat kuku dan penghilang lem kulit pada

wig, dan jenggot palsu. Pada kegiatan laboratorium aseton digunakan sebagai pelarut di berbagai

percobaan kimia dan pembersih peralatan lab.

Penggunaan aseton terus tumbuh tiap tahunnya dan tidak terkecuali di Indonesia. Menurut

data pada tahun 2006, Indonesia mengimpor 13.232.942 kg/tahun dari luar negri. Meskipun

kebutuhan aseton di Indonesia besar, belum ada pabrik pembuatan aseton di Indonesia. Pada tahun

2006, Indonesia tercatat telah membukukan neraca ekspor isopropyl alkohol sebesar 1.404.649

kg/tahun. Peluang untuk menyediakan aseton dengan bahan baku isopropil alkohol terbuka lebar.

Kebutuhan aseton yang semakin besar menuntut pengembangan proses produksi aseton yang lebih

baik dan efisien. Salah satu pengembangan proses yang dilakukan adalah menggunakan distilasi

ekstraktif untuk mendapatkan produk yang murni. Pada kesempatan ini, penulis mencoba untuk

merancang proses pembuatan aseton menggunakan bahan baku isopropil alcohol. Perancangan

proses dilakukan menggunakan program simulator Aspen HYSYS®.

Kata kunci: perancangan proses, aseton, distilasi ekstraktif

2

1. LATAR BELAKANG

Proses produksi aseton dengan bahan baku isopropylalcohol dirancang menggunakan umpan

campuran isopropil alkohol dengan kadar 88% berat (azeotrop). Umpan berada dalam kondisi cair

pada temperatur dan tekanan ambien. Reaksi pembentukan aseton dilangsungkan pada fasa gas.

Reaksi dibantu dengan penambahan katalis padat sehingga reaksi memiliki spesifikasi sebagai

berikut

−r IPA=k0 exp(−Ea

RT ) .C IPA

dengan:

k 0 = 3,5 × 105 1/s Ea = 72,38 MJ/kmol C IPA [=] kmol/m3gas

Kapasitas produksi aseton yang diinginkan adalah 5 ton/jam. Produk aseton yang dihasilkan

dikehendaki memiliki kemurnian 99,5% dan berada dalam fasa cair pada temperatur ambien.

2. TUJUAN

Tujuan dari tugas ini adalah merancang produksi aseton dari bahan baku isopropyl alkohol.

Perancangan meliputi penggambaran dan pendeskripsian PFD (Process Flow Diagram), kondisi

operasi tiap unit operasi, neraca massa, konsumsi utilitas, dan dimensi alat utama.

3. TINJAUAN PUSTAKA

Proses awal untuk memproduksi aseton didasarkan pada dekomposisi termal dari kalsium

asetat atau fermentasi karbohidrat dari pati jagung atau molasses. Sumber yang melimpah dari

propylein pada sekitar tahun 1960 mengarahkan proses pembuatan aseton dengan hidrogenasi

isopropil alkohol atau cumene peroxidation. Menurut catatan sejarah, peneliti yang pertama kali

menerangkan secara jelas pembuatan aseton adalah Jean Bequin, seorang pharmacist Perancis yang

menulis penyiapan aseton dalam bukunya yang berjudul Tyrocenium Chymicum pada tahun 1610.

3

a. Proses Pembuatan Aseton

Pada dasarnya, proses produksi aseton yang umum digunakan terdiri dari empat jenis. Keempat

proses tersebut adalah

1.Proses Cumene Hydroperoxide

Pada proses cumene hydroperoxide, mula-mula cumene dioksidasi menjadi cumene

hydroperoxide dengan udara atmosfer atau udara kaya oksigen dalam satu atau beberapa oksidator.

Temperatur yang digunakan adalah antara 80–130oC dengan tekanan 620 kPa, serta dengan

penambahan Na2CO3. Pada umumnya, proses oksidasi ini dijalankan dalam tiga atau empat reaktor

yang dipasang secara seri.

Reaksi:

Hasil dari oksidasi ini pada reaktor pertama mengandung 9-12% cumene hydroperoxide,

pada reaktor kedua 15–20%, pada reaktor ketiga 24–29% dan pada reaktor keempat 32-39%.

Selanjutnya, produk reaktor keempat diuapkan hingga konsentrasi cumene hydroperoxide menjadi

75–85%. Kemudian dengan penambahan asam, reaksi pembelahan cumene hydroperoxide akan

terjadi membentuk suatu campuran yang terdiri dari phenol, aseton dan berbagai produk lain, seperti

cumylphenols, acetophenols, dimethylphenylcarbinol, α-methylstyrene, dan hidroxyaseton.

Campuran ini kemudian dinetralkan dengan menambahkan larutan natrium phenoxide atau basa

yang lain atau dengan resin penukaran ion (ion exchanger resin).

Selanjutnya, campuran dipisahkan dan crude acetone diperoleh dengan cara distilasi.

Penambahan satu atau dua kolom distilasi perlu dilakukan untuk mendapatkan kemurnian yang

diinginkan. Jika digunakan dua kolom, menara pertama berfungsi untuk memisahkan pengotor

seperti asetaldehyde dan propionaldehyde, sedangkan menara kedua untuk memisahkan fraksi-

fraksi berat yang sebagaian besar terdiri dari air. Aseton diperoleh sebagai hasil atas pada menara

kedua.

4

2. Proses Dehidrogenasi Isopropil Alkohol

Pada pembuatan aseton dengan proses dehidrogenasi katalitik isopropanol (isopropil

alkohol) digunakan katalis kombinasi ZnO dan ZrO dalam prosesnya.

Reaksi yang terjadi dalam reaktor adalah sebagai berikut:

(CH3)2CHOH ——> (CH3) 2CO + H2

Reaksi ini terjadi pada fase gas dengan temperatur diatas 350oC dan tekanan lebih kurang 2

bar. Sebelum dialirkan kedalam reaktor, isopropanol terlebih dahulu diuapkan. Produk keluar

reaktor adalah aseton sebagai produk utama, gas hidrogen, isopropil alkohol, air dan propene.

Pemisahan aseton dari gas hidrogen dilakukan dengan kondensasi, karena gas hidrogen bersifat

noncondensable. Selanjutnya aseton dimurnikan dengan cara distilasi.

Adapun katalis lain yang digunakan bisa bermacam-macam. Diantaranya adalah Cu, Zn, Pb,

Cr, maupun oksida-oksidanya. Produk samping utama dari reaksi ini adalah propylene.

Reaksi:

(CH3)2CHOH ——> CH3CH=CH2 + H2O

3. Proses Oksidasi Isopropil Alkohol

Pada pembuatan isopropil alkohol dengan proses ini, isopropil alkohol dicampur dengan

udara dan digunakan sebagai umpan reaktor yang beroperasi ada temperatur 400–600oC. Reaksi

dapat berjalan dengan baik dengan mengunakan katalis seperti halnya pada proses dehidrogenasi

isopropil alkohol.

Reaksi:

(CH3)2CHOH +1/2 O2 —–> (CH3)2CO + H2O

Reaksi ini sangat eksothermis (180 kJ atau 43 kkal/mol pada temperatur 25oC), untuk itulah

diperlukan pengontrolan suhu yang cermat untuk mencegah turunnya yield yang dihasilkan. Reaktor

5

dirancang agar hasil reaksi dapat langsung didinginkan untuk mendapatkan konversi yang baik.

Proses ini jarang digunakan bila dibandingkan dengan proses dehidrogenasi isopropil alkohol.

4. Fermentasi dari Karbohidrat

Fermentasi cormeal atau molasses dengan genus clostridium menghasilkan suatu campuran

yang terdiri dari 1-butanol, aseton, dan etanol dengan konsentrasi keseluruhan 2%. Produk yang

diperoleh dipisahkan dengan steam distilasi dan selanjutnya difraksionasikan.

b. Distilasi Ekstraktif

Metode distilasi ekstraktif menggunakan pemisahan pelarut, yang umumnya nonvolatil,

memiliki titik didih tinggi dan bercampur dengan campuran, namun tidak membentuk campuran

azeotropik. Pelarut berinteraksi berbeda dengan komponen campuran sehingga menyebabkan

volatilitas relatif mereka untuk berubah. Hal ini memungkinkan campuran tiga-bagian baru untuk

dipisahkan dengan distilasi normal. Komponen asli dengan volatilitas terbesar memisahkan keluar

sebagai produk atas. Produk bawah terdiri dari campuran pelarut dan komponen lainnya, yang lagi-

lagi dapat dipisahkan dengan mudah karena pelarut tidak membentuk azeotrop dengan itu. Produk

bawah dapat dipisahkan oleh salah satu metode yang tersedia.

4. DESAIN PERANCANGAN PROSES

Umpan azeotropik (88% berat dalam air) isopropanol dinaikkan tekanannya menggunakan

pompa. Tekanan dinaikkan agar dapat mengatasi hilang tekan dan menyediakan tekanan optimal

yang dibutuhkan untuk reaksi. Selanjutnya umpan dipanaskan dengan heat exchanger sehingga

terjadi evaporasi yang menghasilkan steam tekanan tinggi. Steam dibangkitkan karena reaksi

dehidrogenasi berlangsung dalam fasa gas. Reaksi yang terjadi merupakan reaksi endoterm sehingga

pada reaktor harus desediakan pemanas.

Reaktor dipanaskan dengan furnace melalui aliran lelehan garam. Katalis yang dipakai

adalah katalis padat dan berdasarkan kajian literatur yang telah dilakukan kemungkinan katalis

adalah ZnO. Tipe reaktor yang digunakan adalah plug flow reactor karena dapat menangani katalis

padat dan sesuai dengan kelakuan kinetika reaksi. Pemilihan reaktor plug flow akan memberikan

volume yag lebih kecil dibandingkan dengan tipe reaktor yang lain dengan konversi yang sama.

6

Produk hasil reaksi kemudian didinginkan dengan 2 penukar panas yang dipasang secara

berurutan. Penukar panas pertama menggunakan cooling water sedangkan penukar panas kedua

menggunakan air yang telah direfrigerasi. Pendinginan dimaksudkan agar komponen volatil dapat

dipisahkan. Aliran komponen volatil menguap ke atas kemudian diabsorpsi dengan air untuk

mendapatkan aseton. Aliran cairan hasil absorpsi kemudian digabungkan dengan aliran non-volatil

menggunakan mixer.

Absorpsi yang dilakukan selain mengabsorb aseton ternyata mengabsorb hydrogen juga

sehingga aliran hasil mixer perlu dipisahkan menggunakan splitter. Pada splitter hydrogen

dipisahkan dengan aliran cairan. Aliran di kondensasi sehingga hidrogen yang non-kondensabel

dapat terpisahkan. Pemisahan hidrogen dilakukan karena hidrogen pada tekanan rendah dapat

menyebabkan coking dan akan menyebabkan kesulitan pemisahan berikutnya yaitu pada unit

distilasi.

Splitter pada dasarnya hanyalah suatu unit untuk mempermudah pemisahan secara sederhana

dan tidak memiliki dasar teoritik. Aliran proses selanjutnya dipisahkan dengan kolom dua distilasi,

Kolom distilasi pertama (main fractionator) digunakan untuk memisahkan aseton menggunakan

prinsip distilasi ekstraktif. Distilasi ekstraktif menggunakan etilen glikol sebagai penarik air

sehingga aseton dapat diperoleh dengan kemurnian tinggi (minimal 99,5%). Selanjutnya aliran

bawah memasuki reboiled adsorber untuk memisahkan air dari etilen glikol. Air yang didapatkan

akan digunakan di kolom absorber. Etilen Glikol yang di dapatkan pada bottom absorber akan

dikembalikan ke main fractionator. Diagram proses dapat dilihat pada Gambar 1.

7

Gambar 1. Diagram proses produksi aseton dengan bahan baku isopropil alkohol

8

Tabel neraca massa dan kondisi operasi aliran proses

Unit IPA_from_storage Fresh_IPA Reactor_In Cool_Product V_Product

Vapour Fraction 0.00 0.00 1.00 0.48 1.00

Temperature C 25.00 ` 350.00 20.00 20.00

Pressure bar 1.01 2.30 1.80 1.16 1.16

Molar Flow kgmole/h 141.25 141.25 141.25 233.33 111.97

Mass Flow kg/h 6630.00 6630.00 6630.00 6630.01 1276.33

Liquid Volume Flow m3/h 8.23 8.23 8.23 10.61 4.03

Heat Flow kW -12071.27 -12070.87 -9086.58 -10137.41 -1224.13

Unit Rich_Water Lean_Water Mixed_Product to_Fractionator Hydrogen

Vapour Fraction 0.00 0.00 0.00 0.00 1.00

Temperature C 55.29 99.63 46.95 46.95 -250.57

Pressure bar 1.70 1.80 1.16 1.80 1.85


Mass Flow kg/h 10551.05 10771.57 15904.74 15904.68 0.06


Heat Flow kW -43921.06 -46378.97 -52834.34 -52834.28 -0.06

Unit Bottom_MF EG_from_Storage Water Vapor EG_pure cool_EG

Vapour Fraction 0.00 0.00 1.00 0.00 0.00

Temperature C 125.02 30.04 108.38 198.00 30.00

Pressure bar 1.80 1.01 1.00 1.05 0.55


Mass Flow kg/h 42021.59 745.17 11768.54 30253.04 30253.04


Heat Flow kW -106798.83 -1515.50 -40898.85 -57162.98 -61535.39

Unit recyle_EG wastewater_to_absorbe

rpressurized_wate

rCool_Aceton

e

Vapour Fraction 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Temperature C 30.06 <empty> 99.63 99.64 35.00

Pressure bar 1.80 <empty> 1.00 1.80 1.25


Mass Flow kg/h 30253.04 1102.27 10666.27 10666.27 4910.15


Heat Flow kW -61534.12 5026.92 -45925.77 -45925.44 -5820.08

Unit L_Product H2_Rich_GasChilled_Water_I

nChilled_Water_Ou

tReactor_Out

2

9

Vapour Fraction 0.00 1.00 0.00 0.00 0.85

Temperature C 20.00 83.85 10.00 40.00 60.00

Pressure bar 1.16 1.65 1.30 1.15 1.66


Mass Flow kg/h 5353.69 1496.85 27733.38 27733.38 6630.01


Heat Flow kW -8913.28 -3682.22 -122315.79 -121343.01 -9164.63

Unit Reactor_Out Acetone_Product Water_In Water_Out Lean_EG

Vapour Fraction 1.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Temperature C 350.00 73.00 25.00 40.00 30.04

Pressure bar 1.76 1.75 1.30 1.15 1.80


Mass Flow kg/h 6630.01 4910.15 6563.54 6563.54 30281.88


Heat Flow kW -7628.26 -5704.45 -28833.34 -28717.72 -61593.16

Unit mixed_EG EG_Pure_Cool Water_In_2Acetone_to_Storag

e Fresh_EG

Vapour Fraction 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Temperature C 30.04 35.00 25.00 25.00 30.07

Pressure bar 1.80 0.55 1.30 1.01 1.80


Mass Flow kg/h 31027.05 30253.04 241879.37 4910.15 745.17


Heat Flow kW -63108.64 -61424.08 -1062565.76 -5849.29 -1515.48

Unit Water_Out_2 RoomT_Ace

Vapour Fraction 0.00 0.00

Temperature C 40.00 25.00

Pressure bar 1.15 1.15

Molar Flow kgmole/h 13426.48 84.73

Mass Flow kg/h 241879.37 4910.15

Liquid Volume Flow m3/h 242.37 6.21

Heat Flow kW -1058304.66 -5849.29

Tabel Komposisi Aliran Proses

10

IPA_from_storage Fresh_IPA Reactor_In Cool_Product V_Product

Comp Mole Frac (2-Propanol) 0.687 0.687 0.687 0.021 0.003Comp Mole Frac (Acetone) 0.000 0.395 0.161

Comp Mole Frac (Hydrogen) 0.000 0.000 0.000 0.395 0.822Comp Mole Frac (H2O) 0.313 0.313 0.313 0.189 0.015

Comp Mole Frac (EGlycol) 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

to_Fractionator HydrogenReactor_Ou

tAcetone_Produc

t Bottom_MF

Comp Mole Frac (2-Propanol) 0.007 0.000 0.021 0.000 0.005Comp Mole Frac (Acetone) 0.125 0.000 0.395 0.997 0.000



Lean_EG mixed_EG recyle_EG wastewater_to_absorbe

r




Chilled_Water_InChilled_Water_Ou

tReactor_Out

2 Water_In Water_Out




L_Product H2_Rich_Gas Rich_Water Lean_Water Mixed_Product




EG_from_Storage Water Vapor EG_pure cool_EG pressurized_wate

11

r




Cool_AcetoneAcetone_to_Storag

e Fresh_EG RoomT_Ace EG_Pure_Cool




Water_In_2 Water_Out_2

Comp Mole Frac (2-Propanol) 0.000 0.000Comp Mole Frac (Acetone) 0.000 0.000

Comp Mole Frac (Hydrogen) 0.000 0.000Comp Mole Frac (H2O) 1.000 1.000

Comp Mole Frac (EGlycol) 0.000 0.000

Tabel Neraca Energi

Unit Heat Flow ( kW)Feed_Pump 0,403Feed_Heater 2984,28

Reactor -1458,33Cond MF 4001,13Q Reb MF 7440,24

Q Reboiler Absorber 8736,81Q EG Cooler 111,31

Q EG Recycle Pump 1,26Q_Lean_Water_Pump 0,33

Q EG Pump 0,02Q Quench 153,37

Q Product Cooler 29,21

Tabel Utilitas

Daya Total 23383,041 kWKonsumsi Air Pendingin 276176,29 kg/jam

Tabel Dimensi Alat Utama

12

a. Tabel Dimensi Reaktor

total volume (m3) 30

length (m) 4.5

diameter (m) 2.913

number of tubes 1

wall thickness (mm) 5

void fraction 0.6

void volume (m3) 18

b. Tabel Dimensi Absorber

internals sieve

sieve hole pitch (mm) 19.05

sieve hole diameter (mm) 6.35

% hole area 10.08

side wire typestraigh

tweir height (mm) 50.8

max weir loading (m3/h-m) 89.42

downcomer typevertica

ldowncomer clearance 38.1

maximum DC backup 50

foaming factor 1

max flooding (%) 80

max delta P (ht of liq) (mm) 203.2

tray spacing (m) 0.6096

tray thickness (mm) 3.175

c. Tabel Dimensi Main Fractionator

Section diameter (m) 2.134

X-Sectional Area (m2) 3.575

hole area (m2) 0.293

active area (m2) 2.93

DC area (m2) 0.3228

tray spacing (m) 0.6096

section height (m) 21.34

d. Tabel Dimensi Regenerator EG

13

Max Delta P (Ht Of Liq) (mm) 203.2

Max Flooding (%) 80

Tray Spacing (m) 0.6096

Tray Thickness (mm) 3.175

Hole Area (%) 10

Weir Height (mm) 50.8

Max Weir Loading (m3/h-m) 89.42

Downcomer Type vertical

Downcomer Clearance (mm) 38.1

Maximum DC Backup (%) 50

5. DAFTAR PUSTAKA

Gorman, Mel. The History of Acetone Vol 8 . University of Califormia Press: 1962

Hoffman, Edward Jack, Azeotropic and Extractive Distillation, Interscience Publisher: 1964.

14

Laporan Kapsel PP FINAL

Documents

Transcript of Laporan Kapsel PP FINAL