Prarancangan Pabrik Maleic Anhydride Kapasitas 40.000 - BimbinganPakHamid [PDF]

Citation preview

PRARANCANGAN PABRIK MALEIC ANHYDRIDE DARI PROSES OKSIDASI N-BUTANA DAN UDARA KAPASITAS : 40.000 TON PER TAHUN



Oleh :



Ika Rahma Maulida



(D500181006)



Anisa Cahyani Aprilia



(D500181078)



Jumini Khaerunisa



(D500181079)



Dosen Pembimbing : Hamid Abdillah, M.T (NIDN.608057402)



PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2019



1



BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pendirian Pabrik Pembangunan sektor industri merupakan sektor yang layak dan tepat untuk dikembangkan di negara berkembang seperti Indonesia. Hal ini dibuktikan dengan didirikannya beberapa pabrik kimia di Indonesia. Indonesia memiliki sumber daya mineral yang banyak digunakan dalam industri kimia. Kegiatan pembangunan industri kimia di Indonesia diarahkan untuk meningkatkan kemampuan nasional dalam memenuhi kebutuhan dalam negeri akan bahan kimia dan juga sekaligus ikut memecahkan masalah ketenagakerjaan. Industri-industri kimia merupakan salah satu industri yang terus berkembang secara meluas dan terintegrasi sehingga mempunyai prospek yang baik saat ini maupun masa yang akan datang. Perkembangan industri hilir dan juga bahan setengah jadi yang pesat selama ini merupakan faktor pendorong dibangunnya unit-unit industri hulu. Hal ini sesuai dengan sifat umum dari industri kimia, dimana perkembangan terhadap suatu sektor akan mempengaruhi produk pada industri hulu. Dengan demikian, baik penyediaan maupun kebutuhan akan bahan baku di dalam industri kimia saling berkaitan. Pembangunan industri sebagai bagian dari usaha pembangunan jangka panjang diarahkan untuk mencapai struktur ekonomi yang lebih kuat, yaitu struktur ekonomi dengan titik berat industri yang maju. Peningkatan yang pesat baik secara kuantitatif maupun kualitatif juga terjadi dalam industri kimia. Salah satu industri yang sedang berkembang di Indonesia saat ini yaitu industri unsaturated polyester resin, sehingga meningkatkan permintaan akan bahan baku berupa maleic anhydride. Maleic Anhydride (C4H2O3) merupakan bahan antara (intermediete) yang penting dalam industri. Bahan kimia ini digunakan teutama sebagai bahan baku pembuatan unsaturated polyester resin. Resin tersebut kemudian digunakan dalam pembuatan fiberglass agar menjadikannya kuat tetapi ringan dan tahan terhadap korosi. Seperti pembuatan kapal, mobil, peralatan elektronik dan sebagainya. Kegunaan lain dari maleic anhydride yaitu sebagai bahan baku



2



pembuatan alkyd resin, agricultural chemical (insektisida, herbisida, fungisida, soil treatment, dan growth regulator), reinforced plastics, asam maleat, asam fumarat, asam malat, asam tartarat, additive dalam pembuatan point vurmishes dan inks, serta bahan penolong dalam pembuatan surface coating, reactive plastisizer (Trivedi dan Culbertson, 2003). Pendirian pabrik maleic anhydride di Indonesia akan membawa dampak positif karena banyak industri kimia yang membutuhkan maleic anhydride sebagai bahan baku pembuatan produknya. Disamping dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri, sisa kapasitas produksi dapat diekspor sehingga dapat meningkatkan devisa negara dan menambah lapangan kerja. 1.2. Kapasitas Pabrik Kapasitas produksi pabrik akan mempengaruhi perhitungan teknis maupun ekonomis dalam perancangan pabrik. Pada dasarnya, semakin besar kapasitas produksi, maka kemungkinan keuntungannya juga semakin besar. Namun ada beberapa faktor lain yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan kapasitas produksi. Faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan kapasitas produksi yaitu, sebagai berikut: 1. Kebutuhan pasar 2. Kapasitas minimal pabrik 3. Ketersediaan bahan baku 1.2.1. Kebutuhan Pasar terhadap Maleic Anhydride Maleic anhydride telah diproduksi di dalam negeri, namun masih memerlukan impor dari negara lain untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri. Data impor maleic anhydride di Indonesia disajikan pada tabel 1.1.



3



Tabel 1.1 Data Impor Maleic Anhydride di Indonesia (BPS, 2018) Tahun



Impor (ton/tahun)



2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018



1.085,4 1.630,4 1.027,8 1.320 2.013,084 3.527,033 3.530,62 4.150,035 4.262,054 5.412,653 4.896,938



Impor (ton/tahun)



6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0



2



4



6



8



10



12



Tahun Gambar 1.1 Grafik Impor Maleic Anhydride di Indonesia Gambar 1.1 menunjukkan bahwa kebutuhan impor maleic anhydride di Indonesia diperkirakan akan mengalami kenaikan. Persamaan regresi linier yang diperoleh yaitu, y= 464,25x + 201,43 dengan y adalah jumlah impor maleic anhydride dan x adalah tahun. Sehingga dari persamaan tersebut dapat diprediksikan kebutuhan maleic anhydride pada tahun 2024 di Indonesia sebesar 8.093,5 ton/tahun. Kapasitas pabrik yang akan didirikan yaitu, sebesar 40.000 ton/tahun dimana 23% dari kapasitas pabrik akan digunakan untuk memenuhi kebutuhan maleic anhydride di Indonesia dan sisanya diekspor.



4



1.2.2. Kapasitas Minimal Pabrik Kapasitas pabrik yang akan didirikan harus berada di atas kapasitas minimal atau paling tidak sama dengan pabrik yang sedang berjalan. Pabrik maleic anhydride yang sudah berdiri di Indonesia dan dunia serta kapasitas produksi per tahun dapat dilihat pada tabel 1.2. Tabel 1.2 Daftar Pabrik Maleic Anhydride di Dunia (ICIS, Kirk & Othmer, Technon Orbichem)



No.



Nama Pabrik



Lokasi



1 2



Mansanta Co United State Steel



3



Bayer AG



4 5 6



12 13 14 15 16 17



Flint Hill Resources Joliet Huntsman Geismar LANXESS Baytown Marathon Ashland Petroleum Neal Amco Chemicals Co Joliet Ashland Chemical Co Neal Denka Chemical Co Houston Bartex Chemical Co Ltd Stoney Creek Ontano Monsanto Ltd Newport Shandong Huifeng Ningbo Jiangning PT. Justus Kimiaraya PT. Petrowidada PT. Petrowidada



Ponsa Colla, Florida Niville island Niville island, Pensylvania Oisa, Japan Verdingen Illinois Louisiana Texas



18



PT. Justus kimiaraya



7 8 9 10 11



Kapasitas (Ton/Tahun) 77.000 20.000 15.000 10.000 50.000 45.000 75.000



West Virginia



45.000



illinois West Virginia



34.000 23.000



Texas



23.000



Canada



14.000



Wales, UK China China Indonesia Indonesia Gresik Jakarta, Surabaya, Semarang, Medan, Bandung



25.000 50.000 80.000 14.000 3.200 2.700 14.000



Berdasarkan data pada Tabel 1.2, kapasitas terkecil pabrik maleic anhydride yang telah berdiri adalah 2.700 ton/tahun sedangkan kapasitas terbesar adalah 80.000 ton/tahun, maka dapat disimpulkan bahwa kapasitas pabrik yang layak berdiri yaitu, sebesar 2.700-80.000 ton/tahun, sehingga kapasitas pabrik yang akan didirikan yaitu, sebesar 40.000 ton/tahun layak berdiri.



5



1.2.3. Ketersediaan Bahan Baku Bahan baku butana yang digunakan adalah LPG butana diperoleh dari PT Pertamina Balongan dengan kapasitas produksi LPG butana sebesar 700 ton/hari. Kebutuhan bahan baku adalah 110 ton/hari sehingga kebutuhan bahan baku dapat terpenuhi dari dalam negeri. Berdasarkan pada faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan dalam perancangan pabrik, maka dirancang pabrik maleic anhydride dengan kapasitas 40.000 ton/tahun dengan pertimbangan: a. Kapasitas pabrik berada di atas kapasitas minimal pabrik maleic anhydride yang mampu memberikan keuntungan. b. Dapat untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri. c. Terbuka kemungkinan untuk memenuhi kebutuhan pasar luar negeri (ekspor). d. Kebutuhan bahan baku dapat terpenuhi. 1.3. Spesifikasi Bahan Baku, Bahan Pendukung dan Produk 1.3.1 Spesifikasi Bahan Baku A. LPG Impuritas C4H10



: 97,5 %



Impuritas C5H12



: 2,5%



Wujud



: Cair



Kondisi penyimpanan



: Cair T=35°C, P= 4 atm



B. Udara



1.3.2



Wujud



: Gas



Kenampakan



: Tidak berwarna



Komposisi (%mol) N2



: 79%



O2



: 21%



Spesifikasi Bahan Pendukung (+Dibutil) Katalis Vanadium Phosphorus Oxide Rumus kimia



: VPO



Wujud



: Padat



Bentuk



: Kristal



Warna



: Kuning



6



Bulk density



: 3,357 g/cm3



Porositas



: 0,38



Diameter rata-rata



: 0,4762 cm



Kelarutan dalam air



: 0,8 gram dalam 100 ml air pada 25°C



1.3.3 Spesifikasi Produk Maleic anhydride Komposisi C4H2O3 H2O



1.4



: 99,9% : 0,1%



Wujud



: Padat



Titik didih



: 198°C/202 (pada 1 atm)



Berat molekul



: 98,056 kg/kmol



Penentuan Lokasi Pabrik Letak geografis suatu pabrik sangat berpengaruh terhadap kelangsungan



pabrik tersebut. Sebelum mendirikan suatu pabrik perlu dilakukan suatu survei dalam mempertimbangkan faktor-faktor penunjang. Pabrik maleic anhydride direncanakan akan didirikan di Kawasan Industri Balongan, Indramayu, Jawa Barat. Pemilihan lokasi dapat dilihat pada Gambar 2.1.



Gambar 1.2 Lokasi Pendirian Pabrik Maleic Anhydride Pemilihan ini dimaksudkan untuk mendapatkan keuntungan secara teknis dan ekonomis berdasarkan pertimbangan berikut ini :



7



1.4.1. Penyediaan Bahan Baku Bahan baku n-butana diperoleh dari PT Pertamina unit VI Balongan dengan kapasitas produksi n-butana sebesar 700 ton/hari. Letak antara pabrik dan sumber bahan baku berdekatan, sehingga diharapkan penyediaan bahan baku dapat selalu tercukupi dengan lancar dan berkesinambungan. 1.4.2. Sarana Transportasi Wilayah Kabupaten Indramayu secara ekonomis sangat diuntungkan, karena letak geografisnya berada di jalur utama pantura sehingga mempermudah sistem pengiriman bahan baku dan produk ke daerah pemasaran tanpa mengalami masalah. Selain itu, terdapat rencana pembangunan pelabuhan Pengumpan Regional yang terletak di Pantai Utara Laut Jawa Kecamatan Kandanghaur Kabupaten Indramayu. 1.4.3. Utilitas Utilitas yang dibutuhkan seperti air dan tenaga listrik dapat dipenuhi karena lokasi terletak di kawasan industri dan dekat dengan laut. Penyediaan air untuk kebutuhan proses, air minum, serta sanitasi dapat diperoleh dari Perusahaan Daerah Air Minum (PDAM) sedangkan penyediaan tenaga listrik dapat diperoleh dari PLN dan generator listrik pabrik. 1.5 Analisis Ekonomi Sederhana Pabrik (Gross Profit Margin) Harga per kg dari n-butana dan udara ditampilkan pada Tabel 1.3. Tabel 1.3 Harga bahan baku dan produk (www.alibaba.com) Komponen BM (kg/kmol) Harga US($)/kg C4H10 58,12 1,0 Udara 28,86 0 C4H2O3 98,02 6 Selanjutnya melakukan perhitungan EP yang dapat dilihat pada Tabel 1.4.



Reaksi 1 Jumlah



Tabel 1.4 Perhitungan EP Komponen n-butana Udara -1 -3,5 -1 -3,5



EP = Produk - Reaktan



C4H2O3 +1 +1



8



EP =



(



produk xJumlah Kebutuhan )( Harga Kemurnian



Harga reaktan xJumlah kebutuhan Kemurnian



) 6 1 0 x 98 )− ( x 58 )+ ( x 32 ) EP =( ( ) 0,9995 0,996 0,21 EP = 530,06 Berdasarkan hasil analisa diatas dapat disimpulkan bahwa pabrik maleic



anhydride memperoleh keuntungan sebesar US $ 530,06. 1.6. Tinjauan Sifat Bahan dan Proses 1.6.1 Sifat Fisika dan Kimia Bahan Baku dan Produk A. n-Butana Sifat fisika n-butana adalah sebagai berikut (Kirk Othmer, 1978): Rumus empiris



: C4H10



Berat Molekul



: 58,12 g/mol



Specific gravity



: 0,6 pada 0oC



Titik leleh



: -135oC



Titik didih



: -0,6oC



Temperatur kritis (Tc)



: 153oC



Tekanan kritis (Pc):



: 36 atm



Panas penguapan



: 86,63 kal/g



Panas pembentukan



: -29,812 kkal/mol



Energi bebas pembentukan



: -3,754 kkal/mol



B. Udara Sifat fisika udara adalah sebagai berikut: Komposisi O2



: 21% mol



N2



: 79% mol



Berat molekul



: 28,86 kg/kmol



Kelembaban relatif



: 70%



Kelembaban absolut



: 0,018 kg H2O/kg udara kering



9



Sifat kimia udara adalah sebagai berikut: 1. Oksigen bereaksi dengan semua elemen kecuali dengan gas–gas seperti He, Ne dan Ar. 2.



Untuk elemen tertentu seperti logam alkali dan rubidium, energi aktivasi pada suhu kamar mencukupi sehingga reaksi berjalan secara spontan.



3.



Jika direaksikan dengan bahan bakar seperti petroleum oil, natural gas/batubara akan menghasilkan produk yang berupa panas CO 2, H2O dan sisa udara (N2 dan O2).



4.



Pada suhu yang rendah dan dengan adanya katalis, oksigen bereaksi dengan bahan kimia organik menghasilkan Oxigenated Hidrokarbon. Sifat kimia n-butana adalah sebagai berikut: n-Butana memiliki



isomer cis dan trans bentuk trans relatif lebih stabil dibanding bentuk cis dan persentase isomer trans lebih kecil pada suhu rendah. Jadi distribusi isomer tergantung pada suhu. Butana merupakan alkana yang mempunyai keasaman reaksi dengan anggota yang lain. Alkana dapat dihalogenasi, dinitrasi, oksidasi dan thermal cracking. n-Butana dapat berisomer menjadi isobutana. Pada suhu rendah isomer yang terbentuk adalah isobutana. Isomer ini menggunakan katalis aluminium klorida dengan promotor hidrogen klorida, dan supportnya aluminium oksida (Kirk Othmer, 1978). C.



Maleic Anhydride Sifat fisika maleic anhydride adalah sebagai berikut (Kirk Othmer, 1978): Nama lain



: Asam maleat anhidrid, 1,2trandiol, tolific anhydride



Rumus empiris



: C4H2O3



Berat Molekul



: 98,02 g/mol



Titik leleh



: 52,85 oC



10



Titik didih



: 202 oC



Specific gravity (pada 20/20 oC, padat)



: 1,48



Specific gravity (pada 70/20 oC, padat)



: 1,3



Panas Pembentukan



: -1,39 MJ/mol



Panas Pembakaran



: 54,8 kJ/mol



Panas Penguapan



: 1,67 kJ/kg K



Cp Padat



: -470,41 kJ/mol



Cp Cair



: 1,21 kJ/kg K



Maleic anhydride (C4H2O3) pertama kali disintesa oleh Pelauze pada tahun 1834 dengan cara memanaskan asam maleat, yaitu suatu komponen yang ditemukan dalam buah apel dan beberapa buah lain. Maleic anhydride dikomersialkan pada tahun 1930 oleh National Aniline and Chemical dengan bahan baku benzena melalui oksidasi katalitik menggunakan udara. Pada tahun 1974 mulai dikembangkan pembuatan maleic anhydride dengan bahan baku nbutana. Maleic anhydride banyak digunakan dalam pembuatan unsaturated polyester resin. Produk akhir maleic anhydride berbentuk molten dan umumnya dijual dalam bentuk butiran. 1.6.2 Kegunaan Produk Maleic anhydride merupakan produk intermediet yang digunakan sebagai bahan baku poliester resin yang biasa digunakan sebagai fiber glass untuk membuat peralatan seperti tangki bahan kimia dan pipa. Kegunaan lainnya sebagai bahan baku agricultural chemical seperti insektida, herbisida, dan fungisida. Maleic anhydride juga digunakan sebagai bahan baku pembuatan fumaric acid yang banyak digunakan dalam industri pelapisan kertas. 1.6.3 Tinjauan Proses Produk maleic anhydride dapat dibuat dengan oksidasi katalitik fase uap antara campuran hidrokarbon dan udara. Sedangkan bahan baku yang digunakan dapat berupa benzena dan n-butana.



11



A.



Oksidasi Benzena Proses oksidasi benzena untuk memperoleh maleic anhydride merupakan cara paling lama yang telah digunakan. Reaksinya sangat eksotermis, sehingga memerlukan proses pendinginan pada saat reaksi berlangsung. Reaktor yang umum digunakan pada reaksi pembentukan maleic anhydride adalah reaktor fixed bed multitube. Produk keluaran reaktor berupa gas panas yang mengandung maleic anhydride, untuk selanjutnya melalui tahap pemurnian. Reaksi yang terjadi pada proses pembuatan maleic anhydride dari benzena adalah sebagai berikut: Reaksi utama: C6H6(g) + 4,5 O2(g)  C4H2O3(g) + 2H2O(g) +2CO2(g) Reaksi samping : C6H6(g) +7,5O2 (g)  6CO2(g) + 3H2O(g) C4H2O3(g) + 3O2(g)  4CO2(g) + H2O(g) Sumber: www.che.cemr.wvu.edu



B.



Oksidasi n-Butana Maleic anhydride dalam perkembangan selanjutnya diproduksi dengan bahan baku n-butana. Reaksi utama: C4H10 + 3,5O2  C4H2O3+4H2O Reaksi samping : C4H10 + 4,5O2  4,5O2  4CO +5H2O C4H10 +6,5O2  4CO2 + 5H2O Sumber : Kirk Othmer, edisi 3 vol.14 Katalis yang digunakan adalah Vanadium Phosphorus Oxide (VPO). Reaksi berlangsung pada temperatur 390oC – 430oC dan tekanan 2 atm. Konversi n-butana menjadi maleic anhydride sebesar 68%, sedangkan 12% menjadi CO2, 16% menjadi CO, dan 4% tidak bereaksi.



C.



Kesimpulan Proses yang Dipilih Pemilihan



proses



bertujuan



untuk



menentukan



proses



yang



menguntungkan dari segi teknis dan segi ekonomi. Tabel 1.3 berikut merupakan



12



perbandingan proses pembuatan maleic anhydride dengan bahan baku benzena dan n-butana. Tabel 1.3. Tabel Perbandingan Proses antara Benzena dan n-Butana No 1. 2.



3.



4.



Pertimbangan Proses Temperatur reaksi Konsentrasi bahan baku dalam udara



Benzene



n-Butana



460oC – 500oC



390oC - 430oC











Konversi



72% C6H6 terkonversi menjadi maleic anhydride dan 26% menjadi CO2, dan 2% tidak bereaksi.



68% n-butana terkonversi menjadi maleic anhydride, 12% menjadi CO2, 16% menjadi CO, dan 4% tidak bereaksi



Dekomposisi produk



5.



Rumus bangun



6.



Harga bahan baku Kebutuhan bahan baku/kg produk



7.



30% maleic anhydride yang terbentuk akan terdekomposisi atau bereaksi lanjut menjadi CO2 dan H2O Benzene memiliki 2 atom C berlebih untuk membentuk maleic anhydride (C4H2O3) sehingga CO2 yang dihasilkan lebih banyak US $ 1,43/kg 1,9 kg



Maleic anhydride yang terbentuk tidak terdekomposisi atau bereaksi lanjut n-Butana memiliki atom C yang sama untuk menghasilkan maleic anhydride US $ 1,2/kg 1,28 kg



Berdasarkan perbandingan proses antara benzena dan n-butana pada tabel 1.3 diketahui bahwa untuk memproduksi 1 kg maleic anhydride, bahan baku yang dibutuhkan pada proses oksidasi n-butana lebih sedikit dibandingkan proses oksidasi benzena. Selain itu harga bahan baku n-butana lebih murah daripada benzena. Sehingga diperoleh kesimpulan bahwa pembuatan maleic anhydride lebih menguntungkan menggunakan bahan baku n-butana.



13



BAB II DESKRIPSI PROSES 2.1 Konsep Proses 2.1.1 Dasar Reaksi Secara umum dasar reaksi pembentukan maleic anhydride adalah reaksi oksidasi butana dengan reaksi sebagai berikut: Reaksi utama : 1 C H 4 H 10 +3 O 2 →C 4 H 2 O 3+ 4 H 2 O … … … … … … … … … … …. ( 1 ) 2 Reaksi samping : 1 C 4 H 10+ 4 O 2 → 4 CO +5 H 2 O … … … … … … … … … … … … … . ( 2 ) 2 1 C 4 H 10+6 O 2 → 4 C O 2 +5 H 2 O … … … … … … . … … .… … … … . ( 3 ) 2 2.1.2 Kondisi Operasi Reaksi dijalankan pada fase gas dalam reaktor fixed bed multitube dengan katalis Vanadium Phosphorus Oxide (VPO) yang dioperasikan pada suhu 390 ℃ dan tekanan 2 atm. 2.1.3 Mekanisme Reaksi Mekanisme reaksi pembentukan maleic anhydride adalah reaksi gasgas antara oksigen dan n-butana menggunakan katalis padat vanadium phosphorus oxide (VPO). Mekanisme reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:  Disosiasi Tahap disosiasi adalah umumnya terjadi pada molekul gas beratom dua. Pada reaksi ini disosiasi terjadi pada gas O2. Reaksi disosiasi yang terjadi adalah sebagai berikut: O2 + 2 S ↔ 2 O-S ......................................................................(4) rdiss = kdiss.θ2.po2 – k’diss.θO-2 .......................................................(5) dengan Kdiss = θO-2 / θ2.po2 θ adalah reduced metal site katalis dan θO- merupakan reduced metal site katalis.



14



 Adsorpsi Oksigen juga teradsorbsi pada active sites katalis. Mekanisme adsorpsi oksigen: O2 + S ↔ O2S ............................................................................ (6) Rsorp = ks.θl.po2 – k’s.θO2 ............................................................ (7) dengan Ksorpt = θO2 / θl.po2 setelah oksigen teradsorbsi maka n-butana dapat bereaksi dengan molekul oksigen θO- dan oksigen teradsorbsi θO2. θO- menghasilkan poduk yang diinginkan yaitu maleic anhydride, sedangkan θO2 menghasilkan gas hasil pembakaran yaitu CO, CO2, dan H2O.  Reaksi Permukaan Reaktan-reaktan yang telah teraktivasi akan bereaksi membentuk produk di permukaan aktif katalis. C4H10 + 7 O-S (C4H2O3)S + 4 H2O + 5S ............................... (8) C4H10 + 4,5 O2.S  4 CO + 5 H2O + 4,5S ............................... (9) C4H10 + 6,5 O2.S  4 CO2 + 5 H2O + 6,5S .................................... (10) Dengan kecepatan reaksi: r1 = k1 (θO-) pbut ................................................................................. (11) r2 = k2 (θO2) pbut ................................................................................ (12) r3 = k3 (θO2) pbut ................................................................................ (13) Kecepatan reaksi permukaan ditentukan oleh suhu reaksi sesuai dengan



hukum



Arhenius.



Kenaikan



suhu



yang



tinggi



akan



mengakibatkan tumbukan semakin besar sehingga kecepatan reaksi permukaan akan bertambah besar, sehingga reaksi akan bergeser ke arah produk dan akan memperbesar produk.  Desorpsi Hasil reaksi kemudian terlepas dari permukaan katalis menuju bulk katalis. Reaksi desorbsi adalah sebagai berikut: (C4H2O3)S C4H2O3 + S ................................................................. (14) rdes = kdes.θMAN – k’des.θ2.pMAN ………............................................. (15)



15



Reaksi akan dikendalikan oleh reaksi permukaan, sehingga kecepatan reaksi tahap yang lain akan berada pada keadaan ekuilibrium. Sehingga substitusi persamaan (5) dan (7) ke persamaan (11), (12), dan (13) akan menghasilkan persamaan kecepatan reaksi pembentukan maleic anhydride, yaitu: r 1=k 1 ¿ ¿ .............................................................. (16) r 2=k 2 ¿ ¿ ................................................................. (17) r 3=k 3 ¿ ¿ ................................................................ (18) 2.1.4 Tinjauan Kinetika Secara umum derajat kelangsungan reaksi ditentukan oleh konstanta kecepatan reaksi dan tekanan parsial gas. Reaksi pembuatan maleic anhydride dari n-butana dan udara ini dilangsungkan dalam reaktor fixed bed multitube dengan suhu operasi 390 ℃ dan tekanan 2 atm. Reaksi yang terjadi adalah: C4H10 + 3,5 O2  C4H2O3 + 4 H2O ......................................................... (1) C4H10 + 4,5 O2  4 CO + 5 H2O ........................................................... (2) C4H10 + 6,5 O2  4 CO2 + 5 H2O ......................................................... (3) Untuk masing- masing reaksi mempunyai persamaan laju reaksi sebagai berikut (Ind.Eng.Chem, 1987): −r 1=k 1 ¿ ¿ ................................................................ (16) −r 2=k 2 ¿¿ .................................................................. (17) −r 3 =k 3 ¿ ¿ .................................................................. (18) Dengan : ki = konstanta laju reaksi, kmol/(kgcat.jam.Pa) Kdiss = konstanta disosiasi, Pa-1 Ksorp = konstanta adsorpsi, Pa-1 Harga laju reaksi dan konstanta kecepatan reaksi : k1 = 9,66 x 10-5 e8677/T kmol/(kgcat.jam.Pa) k2 = 1,72 x 10-5 e8663/T kmol/(kgcat.jam.Pa) k3 = 2,21 x 10-5 e8940/T kmol/(kgcat.jam.Pa) Kdiss = 0,11 x 10-5 Pa-1 Ksorp = 0,42 x 10-5 Pa-1



16



Faktor yang berpengaruh terhadap kecepatan reaksi : a.



Suhu Apabila suhu dinaikkan maka konstanta kecepatan reaksi akan besar sehingga reaksi akan berjalan cepat.



b.



Katalis Penggunaan katalis dapat meningkat kecepatan reaksi. Hal ini disebabkan katalis dapat menurunkan energi aktivasi. Dengan menurunnya energi aktifasi maka harga konstanta kecepatan reaksi akan naik sehingga laju reaksi akan bertambah cepat.



2.1.5 Tinjauan Termodinamika Tinjauan secara termodinamika bertujuan menentukan sifat arah reaksi dan sifat reaksi, sehingga perlu perhitungan dengan menggunakan panas pembentukan standar (ΔHfo) dari reaktan dan produk. Proses pembuatan maleic anhydride dari bahan baku udara dan n-butana menggunakan proses reaksi oksidasi katalitik fase gas. Produk samping yang dihasilkan dari oksidasi butana ini adalah karbon dioksida, karbon monoksida, dan air. Reaksi pembentukan maleic anhydride terdiri dari reaksi utama dan reaksi samping yang dapat dilihat pada persamaan 1 sampai 3. Reaksi utama : 1 C H 4 H 10 +3 O 2 →C 4 H 2 O 3+ 4 H 2 O … … … … … … … … … … …. ( 1 ) 2 Reaksi samping : 1 C 4 H 10+ 4 O 2 → 4 CO +5 H 2 O … … … … … … … … … … … … … . ( 2 ) 2 1 C 4 H 10+6 O 2 → 4 C O 2 +5 H 2 O … … … … … … . … … .… … … … . ( 3 ) 2 Data-data harga ΔHfo untuk masing-masing komponen pada suhu 298K dapat dilihat pada Tabel 2.1 (Perry, 2008) : Tabel 2.1 Data harga ΔHfo setiap komponen (298 K) Senyawa n-C4H10 O2



Entalpi -126,8 kJ/mol 0,00 kJ/mol



17



C4H2O3 H2O CO2 CO



-398,3 kJ/mol -241,82 kJ/mol -393,51 kJ/mol -110,53 kJ/mol



Reaksi dapat berjalan secara eksotermis apabila ΔH bernilai negatif. Eksotermis adalah reaksi yang melepaskan panas dari sistem ke lingkungan,



sedangkan



reaksiyang



membutuhkan



panas



bersifat



endotermis dengan nilai ΔH positif. Reaksi 1: ΔHr1 = ΔHfo produk - ΔHfo reaktan = (ΔHfoC4H2O3 + 4 ΔHfoH2O)-( ΔHfon-C4H10 + 3,5 ΔHfoO2) = (-398,30 + 4 x -241,82) – (-126,8 + 4,5 x 0) = -1260,6 kJ/mol Reaksi 2: ΔHr2



= ΔHfo produk - ΔHfo reaktan = (4 ΔHfo CO + 5 ΔHfo H2O) – (ΔHfo n-C4H10 + 4,5 ΔHfo O2) = (4 x -110,53 + 5 x -241,82) – (-126,8 +4,5 x 0) = -1526,2 kJ/mol



Reaksi 3: ΔHr3



= ΔHfo produk - ΔHfo reaktan = (4 ΔHfo CO + 5 ΔHfo H2O) – (ΔHfo n-C4H10 + 6,5 ΔHfo O2) = (4 x -393,51 + 5 x -241,82) – (-126,8 +6,5 x 0) = -2658,6 kJ/mol



Berdasarkan perhitungan, reaksi pembentukan maleic anhydride termasuk reaksi eksotermis sehingga diperlukan pendinginan pada reaktor. Reaksi



dapat



(irreversible).



bersifat



searah



(reversible)



atau



bolak



Keberlangsungan suatu reaksi kimia dapat



balik diukur



berdasarkan perubahan energi gibbs (ΔG). Persamaan perubahan energi gibbs dapat dilihat pada persamaan 4. ∆ G o =−R T ∈K … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . ( 19 ) Keterangan : ΔGR



= ΔGproduk - ΔGreaktan



18



= -1252,77 kJ/mol Reaksi terjadi pada suhu 390oC = 663,15 K InK / K298



=



∆ Ho 1 1 − … … … … … … … … … … … … . … … … .(20) R T 298



(



)



−5445,4 kJ /mol 1 1 − −3 663,15 298 = 10 kJ 8,314. K mol



(



K / K298



= 3,54. 1052



K



= 32,28. 1073



)



Harga konstanta kesetimbangan reaksi (K) sangat besar, hal ini berarti reaksi berjalan kearah kanan dan berlangsung satu arah (irreversible). 2.2



Tahapan Proses Proses pembuatan maleic anhydride secara umum ada empat proses, yaitu tahap persiapan bahan baku, tahap reaksi, tahap pemisahan dan pemurnian serta tahap pembutiran.



2.2.1 Persiapan Bahan Baku Tahap persiapan bahan baku bertujuan untuk mempersiapkan bahan baku butane dan udara agar sesuai dengan kondisi operasi yang diinginkan dalam reaktor fixed bed multitube, yaitu pada suhu 390oC dan tekanan 2 atm. Bahan baku n-butana yang diperoleh berasal dari PT Pertamina Balongan yang disimpan di tangki dalam fase cair pada suhu 35 oC dan tekanan 4 atm. n-Butana dialirkan ke expansion valve untuk menurukan tekanan menjadi 2 atm dan mengubah fase cair menjadi fase gas. Bahan baku udara diambil langsung dari lingkungan dengan tekanan 1 atm yang dihisap oleh kompresor. Fungsi compressor untuk menaikkan tekanan udara menjadi 2 atm. Bahan baku dipanaskan terlebih dahulu pada heat exchanger 3 hingga suhu 276,25oC. Uap n-butana dan udara dipanaskan melalui furnace hingga suhu 390oC.



2.2.2 Tahap Reaksi



19



Tahap pembentukan produk, gas n-butana direaksikan dengan oksigen dalam reaktor fixed bed multitube dengan bantuan katalis Vanadium Phosporus Oxide (VPO) membentuk maleic anhydride pada suhu operasi 390oC dan tekanan 2 atm. Reaksi terjadi pada fase gas dalam tube reaktor fixed bed multitube dan bersifat eksotermis sehingga diperlukan pendingin pada reaktor yaitu molten salt yang mengalir pada sisi shell reaktor. 2.2.3 Tahap Pemisahan dan Pemurnian Tahap pemurnian dilakukan untuk memisahkan maleic anhydride dari CO2, CO, H2O, dan sisa gas butana yang tidak bereaksi. Gas hasil reaksi keluar reaktor (R-01) dimanfaatkan sebagai pemanas pada reboiler (RB-01) dan pemanas umpan masuk Stripper (T-02) pada heat exchanger 2 (HE-02). Selanjutnya gas hasil reaksi keluaran reaktor (R-01) didinginkan hingga suhu 100oC di heat exchanger 3 (HE-03) untuk memanaskan umpan masuk furnace (FH-01) dan diumpankan ke absorber (T-01). Jenis absorber (T-01) adalah tray tipe sieve yang beroperasi secara isotermal dan isobarik pada suhu 100 oC dan tekanan 1 atm. Pada absorber (T-01) gas maleic anhydride diabsorbsi menggunakan pelarut dibutil ftalat, sementara gas C4H10, C5H12, O2, N2, CO, CO2, dan H2O tidak diabsorsi. Produk atas absorber (T-01) adalah C4H10, C5H12, O2, N2, CO, CO2, H2O, dan maleic anhydride yang tidak terabsorbsi. Produk atas absorber (T-01) yang selanjutnya diumpankan menuju utilitas untuk dimanfaatkan sebagai bahan bakar furnace (FH-01) dengan cara dikompresi. Produk bawah absorber (T-01) adalah larutan maleic anhydride dan dibutil ftalat dialirkan menuju stripper (T-02). Stripper (T-02) berfungsi untuk memisahkan maleic anhydride dan dibutil ftalat sehingga didapatkan maleic anhydride dengan kemurnian 99,9%. Jenis stripper yang digunakan adalah packing tower beroperasi pada tekanan 0,4 atm. Hasil bawah stripper (T-02) yang kaya akan dibutil ftalat dan sedikit maleic anhydride diumpankan menuju absorber (T-01). Sedangkan hasil atas stripper (T-02) adalah maleic anhydride dengan kemurnian 99,9% dan impuritas dibutil ftalat akan dikondensasikan di condenser (CD-01) pada suhu 199,41oC. Dari condenser (CD-01) dipompa



20



menuju heat exchanger 4 (HE-04) untuk didinginkan hingga suhu 70 C, kemudian diumpankan menuju prilling tower (PT-01). 2.2.4 Tahap Pembutiran Tahap pembutiran dimaksudkan untuk mengubah fase maleic anhydride menjadi padatan. Maleic anhydride diumpankan ke bagian atas prilling tower (PT-01) untuk proses pembutiran. Udara digunakan sebagai pengering yang dihembuskan dari bagian bawah tower menggunakan blower (BL-01). Produk keluaran prilling tower (PT-01) berupa butiran maleic anhydride. Butiran ini disimpan dalam silo (S-01) kemudian diumpankan ke gudang (G-01) untuk pengepakan sehingga siap dipasarkan.