SIMULASI DEHIDROGENASI KATALITIK

ETILBENZENA DENGAN MENGGUNAKAN KATALIS

BESI OKSIDA (REAKTOR ADIABATIK)

Aditya Putranto, I Gede Pandega W., Jordy

Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik Parahyangan

Jl. Ciumbuleuit 94, Bandung 40141, Indonesia, Telp: (022) 2032655

Email: jordy16193@gmail.com

Intisari

Tujuan penelitian ini adalah mengetahui kondisi-kondisi optimum untuk perolehan stirena, selain itu juga

mempelajari simulasi dengan perangkat lunak dalam menentukan kondisi optimum dari pembuatan stirena.

Metode penelitian yang dilakukan adalah simulasi reaksi dehidrogenasi etilbenzena yang dilakukan dalam

reaktor unggun tetap dengan menggunakan Aspen Plus®. Model matematika reaktor unggun tetap

diasumsikan sebagai pseudohomogenous model.Variasi kondisi operasi yang digunakan adalah variasi

rasio S/EB (steam per etilbenzena) , tekanan reaktor, dan temperatur masukan reaktor.

Berdasarkan hasil percobaan, didapatkan bahwa semakin tinggi temperatur maka konversi etilbenzena

akan semakin tinggi. Sedangkan, semakin tinggi rasio steam/EB maka yield stirena semakin tinggi, namun

semakin rendah tekanan operasi maka yield stirena akan menurun. Dari pengamatan pada simulasi

terdapat bahwa ada interaksi antara rasio S/EB dengan temperatur. Konversi etilbenzena optimum

didapatkan pada keadaan tekanan 2 bar, temperatur 1000 K dan rasio S/EB 10, sedangkan yield stirena

optimum didapatkan pada tekanan 1,5 bar, temperatur 900 K, dan rasio S/EB 12.

Kata kunci : dehidrogenasi, etilbenzena, katalitik, stirena..

Abstract

The purpose of this research is to determine the optimum conditions for the yield of styrene, while also

studying the use of a software to determine the optimum conditions of manufacture of styrene. The

research method is utilizing Aspen Plus® for reaction of dehydrogenation of ethylbenzene conducted in a

fixed bed reactor, started with model validation, continued with process simulation. The fixed bed reactor

operating conditions are assumed to follow pseudohomegenous model. Variables studied in this study are

the S/EB (steam/ethylbenzene) ratio, reactor pressure, and the inlet temperature of reactor.

Based on results from the experiment, it was found that the higher the temperature, the higher the

conversion of ethylbenzene. Meanwhile, the higher the ratio of steam/EB, the higher the yield styrene.

However, lower operating pressure will increase the yield of styrene. Based on the simulation it is

observed that, there is an interaction between the ratio of S/EB with temperature. More over, the optimum

conversion of ethylbenzene is obtained at a pressure of 2 bar , at temperature 1000 K and the ratio of S/EB

10, while the optimum yield of styrene is obtained at a pressure of 1,5 bar, at temperature of 900 K, and

the ratio of S/EB 12.

Keywords: dehydrogenation, ethylbenzene, catalytic, styrene.

PENDAHULUAN

Stirena adalah anggota dari kelompok aromatik

monomer tak jenuh yang mempunyai rumus molekul

C6H5C2H5 dan mempunyai nama lain cinnomena.

Teknologi pembuatan monomer stirena pada mulanya

kurang diminati sebab produk polimer yang dihasilkan

rapuh dan mudah patah, kemudian baru pada tahun

1937 pabrik Badische Aniline Soda Fabrics (BASF)

memperkenalkan terobosan baru dalam bidang

teknologi pembuatan styrene monomer dengan proses

dehidrogenasi dari bahan baku etilbenzena. Keduanya

memproduksi stirena dengan kemurnian yang tinggi

yang dapat menjadi polimer yang stabil dan tidak

berwarna. Sejak perang dunia II stirena menjadi

sangat penting karena kebutuhan akan karet sintetis

semakin meningkat, sehingga dibuatlah produk stirena

secara komersial dalam skala besar. Sejak itu produksi

stirena menunjukkan peningkatan yang pesat dan

karena kebutuhan akan stirena terus meningkat, maka

dewasa ini semakin dikembangkan proses

pembuatannya yang lebih efisien dan modern. (Denis,

J. and C. William, 2005)

Dari tahun ke tahun kebutuhan stirena di Indonesia

semakin meningkat,begitu juga dengan produksi

stirena di Indonesia. Kebutuhan tersebut diperkirakan

akan meningkat pada tahun-tahun mendatang dengan

semakin berkembangnya industri pengolahan stirena.

Berdasarkan perkiraan dari PT.Chandra Asri

Petrochemical Tbk. salah satu perusahaan produsen

stirena terbesar di Indonesia, konsumsi stirena di

Indonesia terus meningkat seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 1.

Gambar 1 Grafik Supply,Demand, and Trade dari

Stirena Indonesia

(PT.Chandra Asri Petrochemical Tbk.)

Simulasi dengan menggunakan perangkat lunak

komputer (Aspen Plus®) perlu dilakukan untuk

menentukan kondisi-kondisi optimum tersebut,

sehingga jumlah produk stirena dapat meningkat

dengan menggunakan kondisi-kondisi optimum yang

didapatkan dari hasil simulasi tersebut.

METODOLOGI

Dalam simulasi dehidrogenasi katalitik pembentukkan

stirena dengan katalis besi oksida ini diperlukan

metode penelitian. Metode-metode penelitian yang

diperlukan, yaitu: Studi literatur dan simulator Aspen

Plus®, pembuatan dan validasi model proses, dan

simulasi proses.

Reaksi dehidrogenasi katalitik pembuatan stirena ini

dilakukan pada reaktor unggun diam atau fixed bed

reactor. Untuk langkah awal, studi terhadap sifat-sifat

fisik dan kimia etilbenzena dan stirena dilakukan.

Perangkat lunak yang digunakan untuk

menyimulasikan sistem ini adalah Aspen Plus®,

dengan alasan bahwa Aspen Plus®

merupakan

merupakan suatu program simulasi yang

menggunakan hubungan antara besaran fisika seperti

neraca massa, neraca panas, kesetimbangan

termodinamika, persamaan kinetika untuk

memprediksi performa suatu proses dalam hal ini

reaksi dehidrogenasi katalitik pembuatan stirena dari

etilbenzena. Aspen Plus® juga dilengkapi dengan

pustaka komprehensif model unit operasi, seperti

peralatan proses untuk padatan, cairan, serta gas,

selain itu pada Aspen Plus®

juga tersedia sifat-sifat

fisik dan kimia dari senyawa-senyawa yang akan

disimulasikan.

Model dari reaktor unggun tetap yang diperoleh dari

literatur selanjutnya akan digunakan untuk validasi.

Model yang akan digunakan dalam penelitian ini akan

dipilih sehingga model sesuai dengan kondisi nyata

pada industri. Model yang digunakan adalah

pseudohomogenous model.(Mousavi et al, 2012) Jika

hasil dari model proses telah sama atau telah sangat

dekat dengan data pada tabel validasi, maka model

dikatakan valid dan simulasi proses dapat dimulai.

Simulasi proses dapat dilakukan jika model yang

dihasilkan telah cukup akurat atau sudah mendekati

kondisi aktualnya sesuai yang didapatkan dari data

literatur, dengan kata lain model tersebut dikatakan

valid. Tujuan dari simulasi proses ini adalah untuk

mengetahui kondisi-kondisi operasi optimum

pembuatan stirena melalui reaksi katalitik etilbenzena.

Beberapa variabel yang divariasikan, yaitu tekanan

reaktor 1,5 bar, 2 bar, dan 2,5 bar ; temperatur

masukan reaktor 800 K, 900 K, dan 1000 K; serta

rasio S/EB 8, 10, dan 12. Setelah simulasi selesai

dilakukan, maka dimulailah analisa dari hasil yang

didapatkan tersebut.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Simulasi dimulai dengan melakukan validasi model

dengan menggunakan data literatur terlebih dahulu.

Setelah melakukan validasi model dengan data dari

literatur, didapatkan ketidakvalidan model untuk data

nilai konstanta Arhenius (k), sehingga dilakukan trial

& error untuk mendapatkan data tersebut.

Berdasarkan trial % error yang dilakukan didapatkan

nilai k seperti pada Tabel 1.

Tabel 1 Nilai k dari Trial & Error

No. Reaksi k

1 C6H5CH2CH3 C6H5CHCH2+ H2 15000

2 C6H5CHCH2+ H2 C6H5CH2CH3 6,89 10-6

3 C6H5CH2CH3 C6H6+C2H4 1,95 107

4 C6H5CH2CH3+H2 C6H5CH3+CH4 2,8 10-4

5 2H2O + C2H4 2CO + 4H2 1,0 10-4

6 H2O + CH4 CO + 3H2 1,0 10-5

7 H2O + CO CO2 + H2 5,82 10-12

Hasil validasi model beserta % error yang didapatkan

dengan menggunakan data pada tabel 1 tersebut,

disajikan pada Tabel 2 berikut.

Tabel 2 Hasil Validasi Model dengan trial & error

Zat Parameter Simulasi Model % error

Etilbenzena Laju Molar Out Konversi

18,60 kmol/jam 49,56 % 4,38 %

Stirena Laju Molar Out Yield % error

14,79 kmol/jam 40,12 % 4,98 %

Benzena 1,43 kmol/jam 3,87 % 4,81 %

Toluena 2,05 kmol/jam 5,56 % 1,01 %

Pada simulasi proses untuk menentukan kondisi

konversi etilbenzena optimum, hanya digunakan

variasi temperatur saja (berdasarkan perhitungan efek).

Dari simulasi penentuan kondisi konversi etilbenzena

optimum, didapatkan hasil seperti Gambar 2.

Gambar 2 Grafik Simulasi Konversi Etilbenzena

berdasarkan Variasi Temperatur

Pada simulasi proses untuk menentukan kondisi yield

stirena optimum, digunakan semua variasi, yaitu

temperatur, tekanan, dan rasio S/EB (berdasarkan

perhitungan efek). Dari simulasi penentuan yield

stirena optimum, didapatkan hasil seperti Gambar 3, 4,

dan 5.

Gambar 3 Hasil Simulasi Yield Stirena P= 1,5 bar

Gambar 4 Hasil Simulasi Yield Stirena P= 2 bar

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Ko

nve

rsi E

tilb

en

zen

a

800K

900K

1000K

Gambar 5 Hasil Simulasi Yield Stirena P= 2 bar

Dua kondisi optimum yang didapatkan adalah kondisi

saat konversi etilbenzena optimum dengan konversi

78,51 % dan kondisi saat yield stirena optimum

dengan yield 35,41%. Kondisi-kondisi tersebut

disajikan pada Tabel 3.

Tabel 3 Kondisi Optimum dari Hasil Simulasi

Kondisi S/EB P (bar) T (K)

Konversi EB Optimum 10 2 1000

Yield Stirena Optimum 12 1.5 900

Dari dua kondisi optimum tersebut dilakukan

perhitungan Gross Profit Margins (GPM) untuk

menentukan kondisi mana yang lebih optimum dari

segi ekonomis. Dari hasil perhitungan, didapatkan

GPM seperti pada Tabel 4.

Tabel 4 Perhitungan GPM Kondisi Optimum

Kondisi GPM (US$/tahun)

Konversi EB Optimum 2.187.986

Yield Stirena Optimum 2.889.074

Berdasarkan kedua hasil perhitungan GPM tersebut,

ternyata kondisi saat yield stirena maksimum

memberikan nilai GPM lebih tinggi dibandingkan

dengan GPM saat konversi etilbenzena dengan selisih

701.087,9 US$. Hal ini menandakan bahwa, dengan

yield stirena yang maksimum maka akan lebih

menguntungkan pabrik secara ekonomis.

KESIMPULAN

1. Semakin tinggi temperatur, konversi

etilbenzena semakin besar.

2. Semakin tinggi temperatur, yield stirena

semakin kecil.

3. Semakin tinggi rasio S/EB , yield stirena

semakin besar.

4. Terdapat interaksi antar variabel temperatur

dengan rasio S/EB pada tekanan 1,5 bar dan

2 bar.

5. Kondisi optimum secara ekonomis adalah

kondisi yield stirena maksimum dengan

kondisi tekanan 1,5 bar, temperatur 900 K ,

dan rasio S/EB 12.

SARAN

1. Penelitian selanjutnya meneliti mengenai

daur ulang etilbenzena yang tidak terkonversi

dan unit-unit pemisahannya.

2. Karena validasi model dilakukan berdasarkan

trial & error nilai k, peneliti selanjutnya

dapat meninjau hal ini lebih dalam.

DAFTAR PUSTAKA

Denis, J. and C. William (2005). Ullmann’s

Encylopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH

Verlag Gmbh and Co.

Fogler H.S.Elements of Chemical Reaction

Engineering,Prentice Hall International Series,3rd

Edition, 2000.

Hirano, T., Active phase in potassium-promoted iron

oxide catalyst for dehydrogenation of ethylbenzene.

Applied Catalysis., 1986. 26(1-2):81-90.

Montgomery, D. C.,(2000), Design and Analysis of

Experiments, Fifth Edition, John Wiley & Sons, New

York, NY.

Mousavi, S. M., et al. (2012). "Modeling and

Simulation of Styrene Monomer Reactor:

Mathematical and Artificial Neural Network Model."

International Journal of Scientific & Engineering

Research 3(3).

Muhler, M., et al. (1989). "The nature of the active

phase of the iron/potassium catalyst for

dehydrogenation of ethylbenzene." Catalysis Letters

4(2): 201-210.

Newman, R., Styrene Catalyst Developments.

Hydrocarbon Engineering, 2004(11): p. 4.

Othmer, K. (1992). Encyclopedia of Chemical

Technology. New York Wiley-Interscience. 22: 956-

994.