TUGAS PERTAMA PPK 2 DATA-DATA UNTUK PERANCANGAN PRARANCANGAN PABRIK ACETALDEHYDE DARI ETHANOL DAN UDARA KAPASITAS 40.000 TON/TAHUN Oleh :Aprianto Nugroho (03020028) & Son Aziz (03020034) 1. Data Kapasitas Perancangan Pabrik asetaldehid ini dirancang untuk kapasitas produksi 40.000 ton/tahun, sehingga membutuhkan ethanol 95% sebanyak 6440,9862 kg/jam dan udara sebanyak 2236,9134 kg/jam. pabrik membutuhkan air sebanyak 340.417,7721 kg/jam, refrigerant make-up sebanyak 333.139,0351 kg/jam, bahan bakar industrial oil sebanyak 1.567,0990 kg/jam, dan listrik sebesar 2.652,3076 kW. Pabrik asetaldehid yang akan didirikan dirancang dengan kapasitas produksi 40.000 Ton/tahun. Pemilihan perancangan tersebut berdasarkan pada pertimbangan-pertimbangan sebagai berikut: 1) Kebutuhan Asetaldehyde di Indonesia Tabel 1.Data import Asetaldehid Indonesia Tahun Volume (Ton/Thn) 2002 4.492 2003 18.391 2004 19.300 Sumber : Biro Pusat Statistik, Yogyakarta. Berdasarkan data dari tabel di atas kebutuhan Acetaldehyde di Indonesia semakin bertambah sehingga perlu adanya peningkatan produksi dalam negeri. Berdasarkan data tersebut juga, diperkirakan kebutuhan asetaldehid akan terus meningkat pada tahun-tahun mendatang sejalan dengan berkembangnya industri yang menggunakan asetaldehid sebagai bahan baku. 2) Ketersediaan bahan baku Ketersediaan bahan baku merupakan faktor yang sangat penting dalam menentukan kelangsungan hidup pabrik. Bahan baku utama yaitu ethanol yang digunakan dalam produksi asetaldehid cukup tersedia di dalam negeri dan dapat menjamin bahan baku sesuai dengan kapasitas yang diproduksi. Dengan pertimbangan prediksi kebutuhan di Indonesia pada tahun 2012 sebesar 38.183 ton/tahun. Maka direncanakan kapasitas produksi asetaldehid sebesar 40.000 ton/tahun. Dengan kapasitas tersebut pabrik ini diharapkan dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri.. 2. Macam-macam Proses Proses pembentukan Acetaldehyde dari Ethanol dan Udara dilakukan dengan tahap-tahap sebagai berikut: 1. Tahap penyiapan bahan baku 2. Tahap pembentukan produk Acetaldehyde 3. Tahap pemisahan dan pemurnian produk Uraian proses secara lengkap adalah sebagai berikut: 1. Tahap Penyiapan Bahan BakuTahap penyiapan bahan baku bertujuan untuk mempersiapkan bahan baku agar kondisinya sesuai dengan kondisi operasi pada reaktor, dalam hal ini meliputi penyesuaian fase, tekanan, dan suhu reaksi. Bahan baku ethanol pada fase cair (30 oC, 1 atm) dari tangki penyimpanan ethanol (T-01) dipompa (P-01) hingga tekanannya 3,1 atm, selanjutnya dialirkan ke Vaporizer (V-01) pada suhu 47 oC dan tekanan 3,1 atm untuk diuapkan, kemudian dialirkan ke separator untuk dipisahkan pada suhu 113,91 oC dan tekanan 3,1 atm. Selanjutnya ethanol dialirkan ke HE-2 untuk dipanaskan sampai suhu 270 oC. HE-02 ini juga bertugas untuk mendinginkan produk yang keluar dari reaktor. Ethanol keluar HE-02 pada suhu 270 oC, selanjutnya dilewatkan ke HE-03 hingga suhunya sekitar 410 oC. Bahan baku udara diperoleh dari udara bebas (30 oC, 1 atm), dan untuk mendapatkannya digunakan kompresor. Udara keluar kompressor dialirkan ke HE-01 hingga bersuhu 270 oC, selanjutnya dialirkan ke HE -03 sampai suhunya 410 oC. Udara keluar HE-03 bersama ethanol dengan perbandingan tertentu sesuai kondisi umpan reactor selanjutnya diumpankan ke reaktor. 2. Tahap pembentukan produk Acetaldehyde Asetaldehid dapat dihasilkan dengan mereaksikan ethanol dengan oksigen dalam fase gas dengan bantuan katalis perak (Ag) pada suhu 410 oC dan tekanan 3,06 atm dalam reaktor fixed bed. Reaktor fixed bed ini terdiri dari sejumlah pipa yang didalamnya diisi katalis. Reaksi yang terjadi :Reaksi pembentukan asetaldehid ini bersifat eksotermis, sehingga panas yang keluar dari reaksi tersebut harus diambil agar suhu reaksi tetap terjaga pada 410 oC. Untuk mengambil panas yang dihasilkan reaksi tersebut digunakan pendingin Dowtherm A. Gas keluar dari reaktor yakni hasil reaksi dengan komposisi asetaldehid, etanol, air, oksigen, nitrogen, selanjutnya dipisahkan dalam tahap pemurnian produk, yang sebelumnya didinginkan dalam HE-02, V-01dan CL-01 hingga suhunya sekitar 40 oC.3. Tahap pemurnian produk Dalam tahap ini terdiri dari 2 bagian : a. Pemisahan asetaldehid dari O2 dan N2 dilakukan di Absorber. b. Pemisahan produk asetaldehid dari air dan etanol menggunakan kolom destilasi. Absorber yang digunakan berupa kolom dengan bahan isian (packed tower), dengan ceramic raschig rings sebagai bahan isian. Sebagai media penyerap digunakan air yang masuk melalui bagian atas menara. Gas yang tidak terserap keluar melalui bagian atas menara terdiri dari O2, N2 dan sebagian gas sisa reaktan. Produk yang keluar dari bagian bawah absorber dalam fase cair terdiri dari asetaldehid, ethanol, dan air dialirkan menuju kolom destilasi untuk mendapatkan asetaldehid dengan kemurnian 99%, yang sebelumnya dipanaskan dalam HE-04 sampai suhunya 81,91 oC dan tekanannya 1,5 atm sesuai dengan kondisi umpan menara destilasi. Dalam menara destilasi terjadi pemisahan berdasarkan perbedaan volatilitasnya. Komponen fraksi ringan yaitu asetaldehid keluar sebagai hasil atas dengan sedikit campuran ethanol dan air, dengan kemurnian asetaldehid 98%. Produk yang masih berupa uap ini selanjutnya diembunkan dalam condenser ditampung dalam accumulator sebelum dialirkan ke tangki penyimpanan produk dan sebagian dikembalikan lagi ke menaradestilasi sebagai refluks. Hasil bawah menara destilasi terdiri dari air, etanol dan sedikit asetaldehid dibuang sebagai limbah.Proses pembuatan acetaldehyde ada tiga macam, yaitu: 1. Oksidasi langsung etilen Reaksi yang terjadi : C2H4 + O2 CH3CHO(1)Etilen dan oksigen dengan kemurnian 99,7 % dan 99%, dimana keduanya bertekanan dibawah 100 psi (6,80 atm), dimasukkan kebagian bawah reaktor vertikal yang berisi cairan katalis dengan konsentrasi tertentu. Larutan katalis tersebut adalah larutan CuCl2 dan sedikit PdCl2. reaksi yang terjadi di dalam reaktor adalah : CH4 + PdCl2 + H2O Pd + 2 CuCl2 2CuCl2 + O2 + 2HCl CH3CHO + Pd + 2 HCl PdCl2 + 2CuCl 2CuCl2 + H2O (4) (2) (3)Reaksi berlangsung secara eksotermis. Reaksi pembentukan acetaldehyde dan reaksi oksidasi tembaga klorid dapat berlangsung secara bersamaan atau dalam dua tahap. Jika dilakukan melalui dua tahap, proses operasi berlangsung pada tekanan sedikit lebih tinggi, dan udara dapat digunakan sebagai oksidan. Etilen dengan kemurnian rendah juga dapat digunakan dalam proses ini (Faith & Keyes, 1975). 2. Dehidrogenasi atau oksidasi parsial etanol dan udara Acetaldehyde dapat diproduksi dari etanol dengan oksidasi katalitik maupun secara dehidrogenasi, pembentukan ini sangat penting didalam industri. Oksidasi etanol dilaksanakan dengan melewatkan uap alkohol dan udara yang telah dipanaskan terlebih dahulu ke dalam katalis perak pada 300-575 oC. Reaksi yang terjadi: CH3CH2OH + O2 CH3CHO + H2O Temperatur reaktor tergantung kepada perbandingan udara etanol steam dan kecepatan dari gas yang melalui katalis. Konversi alkohol untuk setiap siklus secara umum bervariasi dari 25 sampai 35% dan hasilnya 85 sampai 95%. Alkohol yang tidak bereaksi dan acetaldehyde dipisahkan dari gas yang keluar menggunakan alkohol cair yang dingin. Acetaldehyde dan etanol dipisahkan dengan cara destilasi dan alkohol cair dari kolom destilasi tersebut kemudian dipisahkan dan direcycle. Acetic acid, formic acid, ethyl acetate, methane, dan CO2 terbentuk sebagai hasil samping. Oksidasi katalis Cooper telah pula digunakan. Saito mendapatkan bahwa oksidasi dan dehidrogenasi dari alkohol dapat dilakukan menggunakan lebih dari sepuluh macam katalis logam oksida. Oksidasi yang keras diperlukan untuk bahan-bahan dari mangan, kobalt, nikel, vanadium, dan besi (Othmer, 1973). Acetaldehyde dapat dibuat dengan jalan dehidrogenasi dari etanol telah dilaksanakan selama lebih dari 30 tahun. Etanol berupa uap kemudian dilewatkan ke katalis chromium cooper yang telah diaktifkan pada tekanan atmosfer pada suhu 260-290 oC (Faith & Keyes, 1975). Konversi dari alkohol menjadi aldehyde untuk setiap siklus umumnya 30-50%, hal ini diketahui dari kecepatan aliran alkohol yang melewati katalis dan suhu reaksi. Hasil dariacetaldehyde diperoleh lebih dari 90%. Sejumlah kecil acetic acid, ethyl acetate, dan 1Butanol diperoleh sebagai hasil samping. Untuk memisahkan produk digunakan cara destilasi menggunakan pelarut air. Alkohol yang tidak bereaksi direcycle kedalam proses. Reaktivasi katalis diperlukan secara periodik tetapi umur katalis tesebut umumnya beberapa tahun. Hasil samping hydrogen dimana mengandung metana dan CO2 dalam konsentrasi yang kecil, sesuai untuk proses dehidrogenasi. Church dan Joshi sudah melaporkan bahwa konversi setinggi 95% dan hasil acetaldehyde 88% dari proses dehidrogenasi alkohol menggunakan katalis cooper terdiri dari 5% kobalt dan 2% chromium disarankan bekerja pada 275-300 oC, asam etil asetat yang dihasilkan adalah 10%. Konversi dan hasil acetaldehyde masing-masing adalah 72 dan 98%, berasal dari dehidrogenasi alkohol yang menggunakan katalisator cooper oksida, chromium oksida dan garam logam alkali (Othmer, 1973). 3. Oksidasi hidrokarbon jenuh Acetaldehyde dapat pula dibuat dengan jalan oksidasi fase uap dari hidrokarbon jenuh seperti butane atau campuran yang mengandung butane. Aliran hidrokarbon dicampur dengan udara tekan dan gas recycle yang mengandung hidrokarbon sisa, CO2, CO, dan Nitrogen yang dipanaskan terlebih dahulu sampai suhu 370 oC pada 100 psig (6,80 atm) dan oksidasi dilakukan pada 450 oC. Setelah dekomposisi dari peroksida melalui katalis keramik disatukan dalam pembuangan reaktor, gas panas didinginkan dengan larutan formaldehyde dingin. Aliran produk dimurnikan dengan air untuk mengembalikan komponen yang teroksigenasi dan hidrokarbon sisa juga gas tetap dialirkan dan direcycle. Produk yang teroksidasi dipisahkan dengan flashing dan komponen murni diisolasi dengan prosedur kemurnian kompleks seperti ekstraksi. Oksidasi n-butana menghasilkan acetaldehyde, formaldehyde, methanol, aseton, dan campuran larutan sebagai hasil utama. Komposisi produk campuran tergantung dari luas hidrokarbon yang diambil sebagai bahan mula-mula. (Othmer, 1973).1. Sifat-sifat fisis bahan (bahan baku, bahan pembantu produk) dan Data Proses BAHAN BAKU 1. Ethanol Rumus molekul : C2H5OH Berat molekul : 46,069 Kemurnian, % berat : 95 % Titik didih oC : 78,3 Titik leleh oC : -112 Spgr (20oC), g/cm3 : 0,789 Pc, atm : 63,1 Tc, oC : 243,1 Vc, cm3/mol : 167,1 Viskositas : 0,0123 cp Kelarutan dalam ; - air : sempurna - ether : sempurna Kenampakan : cairan, tidak berwarna dan berbau tajam. 2. Oksigen Rumus Molekul : O2 Berat Molekul : 31,99 Kemurnian, % volume : 21 Ttitk didih, oC : -183 Titik beku, oC : -218,6 Spgr (20oC), g/cm3 : 1,149 Suhu Kritis, oC : -118,4 Tekanan Kritis, atm : 49,8 Densitas, gr/cm3 : 0,0581 Kelarutan dalam air ; - air : sempurna - ether : sempurna Kenampakan : gas (pada 30 oC), tidak berwarna dan tidak berbau. 3. Nitrogen Rumus Molekul : N2 Berat Molekul : 28,013 Kemurnian, % volume : 79 Titik didih, oC : -195,8 Titik beku, oC : -209,7 Spgr (20oC), g/cm3 ; 1,147Suhu Kritis, oC : -146,8 Tekanan Kritis, atm : 33,5 Kelarutan dalam ; - air : sempurna - ether : sempurna Kenampakan : gas (pada 30 oC), tidak berbau dan tidak berwarna.BAHAN PEMBANTU 1. Air Rumus Molekul : H2O Berat Molekul : 18 Kemurnian, % volume : 100 Ttitk didih, oC : 100 Titik beku, oC : 0 Spgr (20oC), g/ cm3 : 1 Suhu Kritis, oC : -171,85 Tekanan Kritis, atm : 218,4 Kenampakan : cairan (30 oC), tidak berwarna dan tidak berbau. 2. Katalis (perak) Rumus molekul : Ag Berat molekul : 107,87 Fase : padat Bentuk : spherical Diameter, cm : 0,46 Bulk density, g/cm3 : 10,43 Porositas : 0,36 PRODUK 1. Asetaldehid Rumus Molekul : CH3CHO Berat Molekul : 44,05 g/mol Kemurnian, % berat : 99 % Titik Leleh, 0C : -123,5 Titik Didih, 0C : 20,16 (1 atm) Suhu kritis, oC : 181,5 Tekanan kritis : 63,2 atm Spgr (20oC), g/ cm3 : 0,783 Panas peleburan : 17,6 kal/gram Panas Penguapan : 139,5 kal/gram ? Hf 298 K : -45,9 Kcal/gmol ? Gf 298 K : -31,86 Kcal/gmol Kelarutan dalam : - air : sempurna - ether : sempurna Kenampakan : cairan tak berwarna, toksik