bab ii jadi

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.



Reaktor

FIX BED MULTITUBE

KOLOM ABSORBS


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)



Reaktor

FIX BED

MENARA ABSORBER

Pendingin Downterm

KONDENSOR

EVAPORATOR


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.




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.




- 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




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




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




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



T=250C, P=1 atm

Fe2O3MoO3Cr2O3


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.



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


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.




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



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


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.




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




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).



bab ii jadi

Documents