BAB II Kreasi Proses
BAB II
KREASI PROSES
II.1. Macam Proses dan Diagram Alirnya
Pada proses pembuatan formaldehid, perbedaan yang ada sebenarnya
hanya berbeda kondisi operasi dan yield yang dihasilkan masing-masing proses.
Tabel II.1 Jenis-Jenis Proses pembuatan Formaldehid dan Penjelasan
No Proses Penjelasan
1 Proses Silver Catalyst
Reaksi
Oksidasi CH3OH(g) + ½ O2(g) HCHO(g) + H2O(g) DH=-37,3 kkal/mol
DehidrogenasiCH3OH(g) HCHO(g) + H2(g) DH = 20,3 kkal/mol
Diagram Alir O2
HCHO CH3 OH H2O
CH3OH H2O
HCHO HCHO HCHO CH3OH H2O,CH3OH
Awalnya umpan metanol-air masuk secara bersama-
sama ke evaporator untuk diuapkan, selanjutnya
dilewatkan fixed bed-reaktor yang berisi kristal perak. Di
reaktor ini terjadi reaksi oksidasi metanol menjadi
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Reaktor
FIX BED MULTITUBE
Pendingin Downterm
MENARA ABSORBER
MENARA DESTILASI
Bab I I Kreasi Proses
formaldehida. Kemudian hasil umpan produk keluar
reaktor dialirkan ke kolom absorpsi untuk menyerap
formaldehida dengan menggunakan pelarut air dan
methanol untuk menjadikan produk formaldehida.
Reaksi di proses ini terjadi pada suhu 923-973oC dengan
tekanan 1.3 atm, konversi methanol 77-87% dan yield
91%-92% mol.
2Proses
Hidrokarbon
Reaksi :
CH2=CH2 (g)+O2 (g) 2CH2O (g)+ H2O (g)
Diagram Alir:
H2OO2
HCHO HCHOC2H4 H2O
Proses ini adalah proses yang dikembangkan pada awal perkembangan
industri formaldehid. Proses ini merupakan proses oksidasi langsung
dari hidrokarbon yang lebih tinggi dan hidrokarbon ini bereaksi pada
suhu 673-773oK.Biasanya menggunakan etilena dengan katalis asam
borat atau asam phospat atau garamnya dari campuran clay atau tanah
diatome. Proses ini mempunyai kelemahan yang merupakan alasan
mengapa proses ini tidak dikembangkan. Dalam proses ini diperoleh
hasil samping yang terbentuk bersama-sama dengan formaldehid antara
lain asetaldehid dan asam-asam organik, sehingga diperlukan
pemurnian. Dengan demikian proses menjadi mahal dan kurang
ekonomis.
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Reaktor
FIX BED MULTITUBE
KOLOM ABSORBS
Bab I I Kreasi Proses
3Proses Haldor
Topsoe
Reaksi :
CH3OH(g) + ½ O2(g) HCHO(g) + H2O(g)DH=-37,3 kkal/mol
Diagram Alir:
O2
HCHOCH3OH H2O
H2O HCHO HCHO
Metanol dicampur dengan udara kemudian dievaporasi dan direaksikan
dengan katalis iron-molybdenum oxide(Fe2O3MoO3Cr2O3) dalam
sebuah reaktor fixed bed multitube. Katalis ini dapat berumur sampai
dengan 18 bulan. Konversi yang diperoleh mencapai 98,4 % dengan
yield formaldehid 94,4 %.
Tabel II.2 Kondisi Operasi pada Proses pembuatan Amonia
No ProsesTekanan Operasi (atm)
Temperatur Operasi (oC)
Konversi Yield Katalis/bln
1 Hidrokarbon - 673-773 - - As.borat
2Silver
Catalyst1.3 923-973 77 – 87% 91-92% Ag/12
3Haldor-Topsoe
1-1.5 250-290 98.4% 94.4%F
e2O3MoO3Cr2O3/18
(Appl, Max. 1999. “Ammonia Principles and Industria Practice:”.Weinheim ;
New York : Chichester ; Brisbane ; Singapore ; Toronto : Wiley-VCH)
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Reaktor
FIX BED
MENARA ABSORBER
Pendingin Downterm
KONDENSOR
EVAPORATOR
Bab I I Kreasi Proses
II.2. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk
a. Spesifikasi bahan baku
1. METHANOL
a. Sifat Molekul
Rumus molekul : CH3OH
BM : 32.04 g/mol
Titik didih : 70.053 oC
Titik beku : -97 oC
Suhu kritis : 240oC
Tekanan kritis : 78,7 atm
Specific grafity : 0.792 (20 oC)
Sifat : Larut dalam air
( Kirk-Othmer, 1964)
Data thermodinamis
Panas pembentukan cairan (25 C) : -293,03 K Joule/mol
Energi Gibbs standard (25 C) : -166,81 K Joule/mol
Boiling point : 1129 Joule/gram
b. Sifat Kimia
Reaksi methanol yang penting dalam industry adalah
oksidasi membentuk formaldehid dengan menggunakan
katalis perak atau Fe-Mo-Cr teroksidasi dan karbonisasi
membentuk asam asetat dengan katalis kobalt. Diambil
eter dapat dibentuk melalui katalis asam dengan
penghalangan air.
Reaksi katalis asam dari isobutilen dan methanol
membentuk metil tetra butyl eter, metil hydrogen sulfat,
metil nitrat dibentuk melalui reaksi dengan asam-asam
organik.
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Bab I I Kreasi Proses
2. UDARA
a. Sifat fisis
BM : 28.84 g/mol
Suhu kritis : 238.4 oC
Tekanan kritis : 37.19 atm
Panas Jenis : 1.406 BTU/cuft ( Pada 1atm, 60 oF)
Komposisi udara : 21.08 % N2
78.9 % O2
0.018 % H2O
b. Data thermodinamis
Panas penguapan : 213,537 (j/g)
3. FORMALDEHIDA (produk)
a. Sifat Fisis
Rumus molekul : CHOH
BM : 30.03 g/mol
Titik didih : 88.7oC
Titik beku : -117oC
Suhu kritis : 135oC
Tekanan kritis : 65 atm
Specific grafity : 0.851 (20 oC)
Sifat : Larut dalam air
b. Data Termodinamis
Panas pembentukan cairan (25 C) : -115,9K Joule/mol
Energi Gibbs standar (25 C) : -109.9 K Joule/mol
Boiling point : 23.3 J/g
c. Sifat Kimia
- Dekomposisi
Pada suhu 650 C, formaldehid mengalami dekomposisi
secara heterogen. Di atas 650 C cenderung terdekomposisi
menjadi CO dan H2.
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Bab I I Kreasi Proses
- Reaksi Kondensasi
Reaksi kondensasi yang terpenting adalah reaksi
formaldehid dengan grup amino, misalnya reaksi amoniak.
Amino bereaksi dengan formaldehid dan hydrogen
membentuk heksa metilene amina.
Katalisator
Jenis : Iron-Molydenum Oxida ( Fe-MoO)
BM : 143.95 g/mol
Titik didih : 1155 oC
Specific grafity : 3.3536
Diameter : 0.397
Bentuk : Pellet
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Bab I I Kreasi Proses
II.3 Analisa Pemilihan Proses
Kriteria penilaian Silver process Hidrokarbon Haldor-Topsoe
Keterangan Nilai Keterangan Nilai Keterangan Nilai
1. Kondisi operasi
T=560oC-620oC
P = 1.3 Atm
2 T= 300oC-430oC
P= 1 Atm
4 Range suhu
T= 250-290C
P= 1 – 1.5atm
5
2. Beracun Tidak beracun 5 Tidak beracun 5 Tidak beracun 5
3. Yield 91-92% 3 - 0 94.4% 5
4. Bahan baku Mudah didapat 5 Mudah di dapat 5 Mudah didapat 5
5. Produk samping
CO,H2O&CO2 2 CO&H2O 3 Co2&H20 4
6. Umur katalis 12 bulan 3 - 0 18bulan 5
7. Korosifitas Tidak 5 Tidak 5 Tidak 5
8. Konversi 77-87% 3 - 0 98.4% 5
9. Reaktor Fixed Bed 3 Fixed Bed 3 Fixed bedmultitube
4
10. Tingkat polusi Tinggi 2 Rendah 5 Rendah 5
11. Kebutuhan energi
Tinggi 2 Rendah 5 Rendah 4
Total 30 35 50
Keterangan :
1 = Sangat kurang
2 = Kurang
3 = Cukup
4 = Baik
5 = Sangat Baik
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Bab I I Kreasi Proses
Alasan Pemilihan Proses
Untuk memilih proses yang akan dipakai perlu dipertimbangkan beberapa
faktor untuk mendapatkan proses yang paling menguntungkan, misalnya,
bahan baku yang mudah didapat dan murah, suhu dan tekanan operasi rendah
serta diperoleh yield dan konversi yang tinggi.
Dari tiga jenis proses diatas dipilih proses Haldor-Topsoe dengan
pertimbangan :
a. Dapat menghasilkan formaldehid dalam kapasitas yang besar
b. Harga produksi, peralatan dan perawatan cenderung murah, tetapi harga
jualnya cenderung menguntungkan
c. Suhu dan tekanan operasi yang rendah
d. Prosesnya yang sederhana
e. Umur katalis yang digunakan panjang (18 bulan)
Alasan Pemilihan Reaktor
Pertimbangan yang dapat digunakan untuk memilih reaktor antara lain:
Reaksi menggunakan katalis.
Fase reaksi adalah gas-gas.
Reaksi terjadi adalah reaksieksotermis.
Pemilihan reactor dilakukan dengan membandingkan antara Single Tube
Fixed-Bed dengan Reaktor Multitube Fixed-Bed. Adapun kelebihan dan
kekurangan dari masing-masing reactor adalah sebagai berikut:
Tabel II.3Keuntungan dan kerugian dalam penggunaan reaktor fixed-bed
Reaktor Single Tube Fixed-Bed
Reaktor Multitube Fixed-Bed
Keuntungan 1. Cocok untuk proses kontinyu.
2. Mampu untuk fluida dengan viskositas tinggi.
1. Sedikit katalis yang hilang.2. Katalis tidak bergerak, biaya
rendah dan tingkat kebocoran rendah.
3. Kemungkinanuntuk beroperasi pada tekanan dan temperature tinggi.
4. Ukuran reaktor besar (biaya
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Bab I I Kreasi Proses
konstruksi menjadi lebih murah).
5. Pressure drop rendah.Kerugian 1. Kecepatan gas yang
masuk tidak boleh lebih tinggi dari kecepatan partikel karena dapat menyebabkan katalis keluar dari reaktor.
2. Katalis akan ada yang terbuang pada saat pemisahan produk dengan katalis.
Kurang baik untuk fluida dengan viskositas tinggi.
Berdasarkan keuntungan dan kerugian di atas maka reaktor yang akan
dirancang adalah Reaktor Fixed Bed Multitube.
II.4. Tahapan Sintesa Proses
1. Eliminate Differences in Molecular Type
I.Proses Haldor-Topsoe
Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:
a. Reaksi Oksidasi
CH3OH (g) + ½ O2 (g) CH2O (g) + H2O (g)
Metanol formaldehid
b. Reaksi Samping
CH2O (g) + ½ O2(g) CO (g) + H2O (g)
formaldehid
Proses pembuatan formaldehid dengan menggunakan metanol dan
katalis Iron Molybdenum Oxide(katalis oksida besi). Proses ini beroperasi
pada suhu 250oC, dan tekanan1 atm.
Metanol dicampur dengan udara kemudian dievaporasi dan direaksikan
dengan katalis iron-molybdenum oxide(Fe2O3MoO3Cr2O3) dalam sebuah
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
T=250C, P=1 atm
Fe2O3MoO3Cr2O3
Bab I I Kreasi Proses
reaktor fixed bed multitube. Katalis ini dapat berumur sampai dengan 18
bulan. Konversi yang diperoleh mencapai 98,4 % dengan yield
formaldehid 94,4 %. Gas yang keluar dari reaktor pada suhu 260 oC,
didinginkan sampai suhu70 oC sebelum memasuki absorber. Sisa oksigen
dan methanol diumpankan kembali ke reaktor dengan dilakukan persiapan
suhu dan tekanan sesuai kondisi operasi reaktor. Produk formaldehid yang
dihasilkan dari reaktor diubah fasenya menjadi fase cair agar lebih effisien
dalam penyimpanan produknya.
Tabel II.4 Zat kimia yang turut bereaksi untuk menghasilkan Formaldehid
Chemicals Molecular Weight Formula Structure
Methanol 32.04 CH3OH
Air 28.82 O2
Formaldehid 30.03 CH2O
2. Distribute of Chemicals
Metanol dipompakan menuju evaporator dimana metanol bercampur
dengan udara yang dilepaskan melalui blower. Campuran methanol dan udara
keluar dari evaporator menuju reaktor. Proses pencampuran antara gas
methanol dan oksigen dengan katalis terjadi di reaktor pada suhu 250C dengan
tekanan 1,0 atm. Reaksi berlangsung dalam fase gas dengan katalis padat dan
bersifat eksotermis. Produk yang dihasilkan dari reaksi tersebut adalah CH2O dan
H2O dan menghasilkan produk samping yang berupa karbon monoksida (CO).
Hasil utama formaldehid disimpan dalam storage sedangkan H2O direcycle
kembali ke reaktor untuk meningkatkan konversi.
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
EvaporatorT=30 C P=1atm
CH3OH
O2
ReaksiT=250C P=1atm
katalis
H2O
CH2O
CH20
H20katalis
EvaporatorT=75 C P=1atm
CH3OH
O2
ReaksiT=250C P=1atm
CoolerT=70C
P=1atm
Gas recycle
KondensasiT=65 C P=1atm
Bab I I Kreasi Proses
3. Eliminate Diffrences in Composition
Setelah reaksi dijalankan pada reaktor fixed-bed multitube pada suhu 250
C dan tekanan 1 atm, dihasilkan produk yaitu formaldehid dan air beserta
sebagian reaktan (sisa methanol dan gas hasil reaksi). Reaksi tersebut juga
menghasilkan CO sebagai produk samping. Guna mendapatkan
formaldehid dengan kemurnian yang sesuai dengan keinginan konsumen,
diperlukan langkah pemisahan (separasi) formaldehid dari zat produk
lainnya. Produk hasil reaktor dimurnikan di dalam alat absorber sebelum
masuk ke dalam tangki penampungan.
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Bab I I Kreasi Proses
Proses absorbsi formaldehid dilakukan dengan menggunakan solven air.
Dengan sifat formaldehid yang mempunyai kelarutan lebih rendah
daripada air, memudahkan formaldehid terikat di dalam air dan keluar
pada bagian bawah kolom sedangkan sisa methanol yang tercampur dalam
udara akan mengalir melalui bagian atas kolom absorber. Udara akan
dialirkan ke dalam Heat Exchanger untuk dinaikan suhunya hingga 250 C
untuk diumpankan kembali ke reaktor dengan menggunakan sistem gas-
recycle.
Produk formaldehid yang dihasilkan kemudian dikondensasi untuk
mengubah fasenya menjadi cair sehingga dapat disimpan pada tangki
dengan volume lebih rendah jika dibandingkan penyimpanan dalam fase
gas.
Tabel II.5 Titik didih dan titik kritis
Chemicals normal boiling point critical constant
T (Celcius) P(atm)Methanol 70 240 78.7Air 75 238.4 37.19Formaldehid 88.7 135 65
4. Eliminate Diffrences in Temperature, Pressure and Phase
Pada langkah ini, tahapan diasumsikan berada pada kondisi tetap dan
operasi dilakukan dengan mengeliminasi temperatur, tekanan dan
perubahan fase antara umpan, produk dan operasi reaksi separasi.
Adapun tahapan-tahapannya adalah sebagai berikut:
1. Tekanan dijaga tetap 1 atm selama reaksi
2. Temperatur umpan methanol dan udara dinaikkan dari suhu 30 C
hingga suhu reaksi yaitu 75 C untuk menjenuhkan campuran
3. Perubahan fase dengan vaporator
4. Reaksi dilakukan dengan fasa gas pada suhu 250 C
5. Setelah reaksi, temperatur keluar reaktor pada suhu 260C
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
30 C 1 atm70 C
1 atm
30 C 1 atm
70 C 1 atm
70 C 1 atm
70 C 1 atm
260 C 1,5 atm
250 C 1,5 atm
65 C 1,5
65 C 1 atmCH3OH
O2
Temp. change Phase change Temp. change Reaktor Temp. change
Absorbsi Temp. change
Temp. change
70 C 1,5 atm
250 C 1 atm
30 C 1 atm
30 C 1 atm
CH20
H20
Phase change Temp. change
Bab I I Kreasi Proses
6. Produk kemudian didinginkan dengan cooler hingga mencapai suhu
70C yaitu suhu titik didih formaldehid
7. Panas dari reaktor dimanfaatkan dan direcycle kembali dalam sistem
downterm
8. Proses absorbsi dilakukan untuk memisahkan hasil formaldehid
dengan sisa methanol dan gas-gas hasil reaksi. Formaldehid hasil
absorbsi diubah menjadi fase cair dengan menurunkan suhunya hingga
titik kritis formaldehid yaitu 65 C kemudian dikondensasikan.
9. Formaldehid cair masuk ke Heat Exchanger untuk diturunkan suhunya
dan disimpan dalam tangki penampungan pada suhu 30 C, 1 atm
10. Udara yang telah dipisahkan dari hasil produk formaldehid dan uap air
direcycle kembali sebagai reaktan umpan.
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Bab I I Kreasi Proses
5. Task Intergration
Gambar di atas menggambarkan secara detail tentang sintesa proses dalam
pembuatan formaldehid. Pada tahap ini terdapat banyak kemungkinan
yang perlu dipertimbangkan dalam flowsheet agar dapat diaplikasikan
pada skala yang lebih besar.
Adapun penjelasan dari gambar diatas adalah sebagai berikut:
1. Blower, Pompa dan Reaktor
Metanol dipompakan menuju evaporator dimana methanol bercampur
dengan udara yang dilepaskan melalui blower. Campuran methanol
dan udara keluar dari evaporator dengan suhu 250C pada tekanan 1,5
atm.
Reaksi berlangsung dalam fase gas dengan katalis padat dan bersifat
eksotermis. Untuk menjaga kondisi temperatur agar optimum, maka
dibutuhkan jenis reaktor yang dapat menyerap panas yang ditimbulkan
selama reaksi berlangsung.
Jenis reaktor yang dapat memenuhi kriteria tersebut adalah reaktor jenis
fixed bed multitube.
2. Vaporator dan Kondensor
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Bab I I Kreasi Proses
Alat ini digunakan untuk mengubah fase selama proses berlangsung.
Vaporator digunakan untuk mengubah dari fasa cair ke uap sedangkan
kondensor digunakan untuk mengubah dari fasa uap ke cair.
3. Waste Heat Boiler
Pada reaktor fixed bed multitube,reaktan dialirkan di dalam tube yang
berisi katalis sedangkan untuk menyerap panas yang ditimbulkan selama
reaksi berlangsung digunakan medium pendingin. Panas yang dihasilkan
dari proses reaksi dialirkan ke waste heat boiler untuk di-recycle dalam
sistem dowtherm yang dialirkan melalui shell untuk kembali ke reaktor
sebagai pendingin.
4. Cooler
Gas hasil keluar dari reaktor pada suhu 260C. Guna untuk menurunkan
suhu dilakukan proses pendinginan hingga suhu gas mencapai 70C.
Penurunan suhu diperlukan agar gas dapat terpisah secara optimal pada
proses absorbs.
5. Absorber
Proses absorbs berfungsi untuk memisahkan hasil formaldehid dengan
sisa methanol dan gas-gas hasil reaksi. Dalam reaksi ini, methanol
yang berfungsi sebagai reaktan pembatas sehingga methanol yang
habis bereaksi (hanya sejumlah kecil yang keluar sebagai produk) dan
dalam produk masih terdapat udara yang sisa. Absorbsi adalah tahap
pemurnian produk. Formaldehid hasil absorbsi kemudian masuk ke
dalam tangki penampungan.
6. Gas Recycle
Udara yang telah dipisahkan dari hasil produk formaldehid dan uap air
direcycle kembali sebagai reaktan umpan. Proses recycle gas dilakukan
dengan menggunakan exhauster. Pada proses tersebut gas yang akan
diumpankan kembali mengalami perlakuan yaitu penurunan suhu
hingga 30C (sama dengan keadaan udara yang menjadi umpan awal).
Tugas Perancangan Proses Pabrik Formaldehid
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP
Top Related