PVC 2.11-2.13 [PDF]

Citation preview

2.11 Flowsheet produksi Polivinil Klorida



Deskripsi Proses Pembuatan PVC Unit penyiapan



Unit sintesis



Unit pemurnian



Unit Recovery



bahan baku



PVC



PVC



VCM



Gambar Blok Diagram Pembuatan PVC



1. Unit penyiapan bahan baku



2. Unit pembentukan Polyvinyl Chloride ( polimerisasi suspensi )



3. Unit pemisahan produk dan recovery C2H3Cl



1) Unit penyiapan bahan baku



Pada tahap ini bertujuan untuk menyiapkan C2H3Cl, (C4H6O2)n sebagai suspending agent, C4H10O4 sebagai inisiator dan C4H6 sebagai dead-chain agent sebelum dimasukkan ke dalam reaktor.



Bahan baku C2H3Cl diperoleh dari unit pembuatan C2H3Cl dengan kemurnian



99,9 %.



Tahap penyiapan bahan baku meliputi :



1. C2H3Cl keluaran flash drum (FD-101) dipompa menuju mixer (M-201) untuk dicampur dengan (C4H6O2)n, C4H10O4, C4H6 dan H2O untuk kemudian dipompa menuju reaktor. 2. (C4H6O2)n dari storage diangkut dengan menggunakan belt conveyor menuju



mixer (M-101) sebanyak 0,025% berat C2H3Cl.



3. C4H10O4 dari storage diangkut dengan menggunakan belt conveyor menuju



mixer (M-101) sebanyak 0,05% berat C2H3Cl.



4. C4H6 dari storage diangkut dengan menggunakan belt conveyor menuju mixer



(M-101) sebanyak 0,025% berat C2H3Cl.



5. H2O dari utilitas dipompa menuju mixer (M-101) sebanyak 1,2 berat C2H3Cl.



2) Unit reaksi polimerisasi suspensi



Reaksi yang terjadi di dalam reaktor adalah



katalis



n



CH2 CH 



CH2 CH



Cl



57,5 OC



Cl



n



Reaktor pembentukan Polyvinyl Chloride ini merupakan jenis reaktor batch berpengaduk yang dilengkapi dengan jaket pendingin. Reaktor dioperasikan pada suhu 57,5 oC dan tekanan 7,6 atm. Karena reaksi pembentukan (C2H3Cl)n merupakan reaksi eksotermis, maka untuk mempertahankan suhu dalam reaktor, panas yang ditimbulkan oleh reaksi dihilangkan dengan pendinginan oleh dowtherm A yang masuk pada suhu 15 oC dan keluar pada suhu 55 oC. Reaktor ini dilengkapi pengaduk guna menjaga homogenitas didalam reaktor. Waktu yang dibutuhkan untuk reaksi polimerisasi ini adalah 5-6 jam. Produk yang keluar



terdiri dari C2H3Cl sisa, H2O, (C4H6O2)n, C4H10O4, C4H6 serta (C2H3Cl)n. 3) Unit pemisahan produk dan recovery C2H3Cl a. Pemisahan produk utama Pada tahap ini bertujuan untuk memisahkan (C2H3Cl)n dari campurannya yang berupa cairan. Produk dari reaktor dialirkan ke flash drum (FD-201) untuk memisahkan gas C2H3Cl yang tidak bereaksi. Kemudian hasil bawah FD-201 yang terdiri dari C2H3Cl sisa, H2O, (C4H6O2)n, C4H10O4, C4H6 serta (C2H3Cl)n dialirkan ke stripping column (ST-201) untuk memisahkan C2H3Cl sisa yang menempel pada permukaan partikel (C2H3Cl)n. Cake yang keluar dari bagi



bawah ST-201 dialirkan ke centrifuge (CF-201) untuk memisahkan (C2H3Cl)n



dari filtratnya. C2H3Cl hasil atas FD-201 dan ST-201 dicairkan kembali di partial condenser (CP-201) untuk dicairkan kembali. Cake yang dari centrifuge yang sebagian besar terdiri dari partikel (C2H3Cl)n diangkut dengan belt conveyor menuju rotary dryer untuk menghilangkan H2O yang terikut pada produk agar kurang dari 0,3 %. Produk keluar dari rotary dryer diangkut dengan belt conveyor menuju jet mills untuk penyeragaman ukuran. Ukuran (C2H3Cl)n yang lolos screening sebesar 0,05 mm akan diangkut menuju unit pengantongan. b. Recovery Pada tahap ini mempunyai tujuan untuk memisahkan gas C2H3Cl dengan uap air yang berasal dari FD-201 dan ST-201. Kedua uap tersebut dikondensasikan terlebih dahulu kemudian, gas C2H3Cl akan di-recycle ke FD-101.



2.12. Tinjauan Termodinamika Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan secara eksotermis atau endotermis, maka perlu pembuktian dengan menggunakan panas pembentukan standar (ΔH°f) pada tekanan 1 atm dan suhu 298,15 K dari reaktan dan produk.



Reaksi : C2H2 + HCl



C2H3Cl



H°298= - 99,2 kJ/mol



Reaksi bersifat dapat balik (reversibel) atau searah (irreversibel) dapat ditentukan secara termodinamika, yaitu berdasarkan persamaanVan’t Hoff 𝐺 ) 𝑅𝑇



𝑑 (∆°



𝑑𝑇



=



−∆𝐻°



(2.1)



𝑅𝑇2



Dengan, ∆𝐺 ° = -RT ln K Sehingga,



(2.2)



𝑑 ln 𝐾 𝑑𝑇



∆𝐻°



= 𝑅𝑇2



(2.3)



Jika ΔH° merupakan perubahan enthalpy standar (panas reaksi) dan dapat diasumsikan konstan terhadap suhu, maka persamaan (2.3) dapat diintegralkan menjadi : 𝐾2



∆𝐻°



ln𝐾1 = -



𝑅



1



1



(𝑇2 - 𝑇1 )



(2.4)



data data energi Gibbs (Gibbs heat of formation) ΔG°fC6H5CHCH2



= -67.4 kJ/mol



ΔG°fH2



=0 kJ/mol



ΔG°fC6H5CH2CH3



= 130.7 kJ/mol



ΔGReaksi



= ∑ΔG298 produk - ∑ΔG298 reaktan



ΔG°f total



=(-67.4+0) – (130.7) = -198.1 kJ/mol



Konstanta kesetimbangan reaksi standart pada suhu 298,15 K dapat dihitung, dengan:   G  K  exp    RT     198.1 kJ   mol K  exp   kJ  8.314 mol o K  298,15o K   



K  exp 0.0799 K  1.0832



Harga K yang sangat besar menunjukkan menunjukkan bahwa reaksi pembentukan polistirena bersifat searah (irreversibel).



Berikut ini grafik hubungan suhu vs % konversi yang diperoleh dalam tinjauan termodinamika: Grafik keseimbangan konversi pada tinjauan thermodinamika didapat dari persamaan berikut :



(Reff : Levenspiel, 1999)



Contoh Perhitungan Tinjauan Termodinamika : Rumus  ∆G = -RT ln K ∆G



lnK= −𝑅𝑇 𝐾



 x = 𝐾+1 198.1



1. ln K = 8,314 𝑥 200 K = 1.1265 1.1265



x = 1 + 1.1265 = 0.53 198.1



2. ln K= 8,314 𝑥 300 K = 1.0827 1.0827



x = 1+1.0827 = 0.52 198.1



3. ln K= 8,314 𝑥 400 K = 1.0613 1.0613



x = 1+1.0613 = 0.515



Grafik II.1. Grafik Hubungan Suhu dan % Konversi (Termodinamika) Suhu



%konversi



200



53



300



52



400



51.5



500



51.2



600



51



700



50.8



800



50.7



900



50.6



53.5 53 52.5



% Konversi



52 51.5 Tinjauan Thermodinamika



51 50.5 50



49.5 49 200



300



400



500



600



700



800



900



Suhu K



Grafik II.1. Grafik Hubungan Suhu dan % Konversi (Termodinamika)



2.13. Tinjauan Kinetika 



Tinjauan Kinetika Reaksi Secara umum derajat kelangsungan reaksi ditentukan oleh konstanta kecepatan reaksi (k), orde reaksi dan konsentrasi reaktan. Persamaan kecepatan reaksi pembentukan polivinil klorida adalah sebagai berikut : kc =



𝑘.𝑘𝑏.𝑇 ℎ



1878



𝑒 −∆𝐺/𝑅𝑇) 𝑒 (− 𝑅𝑇 ) (ref. Westerterp)



Pada T = 137°C kc = konstanta kecepatan reaksi kb = konstanta Boltzman = 2,04666 kal/mol h = konstanta Planck = 9,8204391 x 10−11 kal.s /gmol K = probabilitas reaksi, asumsi =1 G = energi bebas Gibbs = -42750 kkal/mol k = 3,126 x 10 10 m3/kgmol.detik untuk reaksi yang bersifat eksotermis, maka kenaikan suhu akan menaikkan kecepatan reaksi. Dari segi termodinamika, temperatur tertinggi yang dipilih mempertimbangkan pembentukan produk kristal yang terjadi.



Dengan menggunakan persamaan Arhenius :



𝒌 = 𝑨𝒆



𝑬 −(𝑹𝑻)



Dimana : k = konstanta kecepatan reaksi A = factor frekuensi gas ideal R = konstanta gas ideal T = suhu absolute



Dalam hubungan ini: 𝐸 𝑅



= 6189.9



T = 410°K k = konstanta kecepatan reaksi (lt/kmol dt)



k pada temperature operasi 410°K adalah sebesar 9.3.10-4 lt/kmol dt



Dari persamaan di atas, maka untuk mempercepat reaksi perlu dilakukan usaha-usaha untuk memperbesar harga k, yaitu dengan jalan memperbesar harga A dan T, serta memperkecil harga E.



Reaksi pembentukan polistirena adalah reaksi reversibel orde satu, jadi persamaan yang digunakan untuk mencari konversi adalah:



(Reff: Levenspiel, 1999)



Contoh Perhitungan Grafik Tinjauan Kinetika : −𝑬



Dari rumus k = A𝒆𝑹𝑻 -ln(1-XA)=kt t = 27360 detik



1. k = 0.122444 e-6189/200 k = 4.433 x 10-15 -ln(1-XA)=kt (1-XA)=0.999 XA= 1.213 x 10-10 2. k = 0.122444 e-6189/300 k = 1.34 x 10-10 -ln(1-XA)=kt (1-XA)=0.999963 XA= 3.67 x 10-6 3.



k = 0.122444 e-6189/400 k = 2.329 x 10-8 -ln(1-XA)=kt (1-XA)=0.99936



XA= 6.37 x 10-4



Berikut ini grafik hubungan suhu vs % konversi yang diperoleh dalam tinjauan kinetika: Tabel II.2. Hubungan Suhu dan % Konversi (Kinetika) Suhu



%Konversi



200



0.00000001213



300



0.000367



400



0.0637



500



1.398



600



10.5



700



38.35



800



76.8



900



96.8



Grafik Hubungan Suhu Vs % Konversi % K o n v e r s i



120 100 80



60 Tinjauan Kinetika 40 20 0 200



300



400



500



600



700



800



900



Suhu K



Grafik II.2. Grafik Hubungan Suhu dan % Konversi (Kinetika) Faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi :



1. Suhu Bila suhu dinaikkan maka kecepatan reaksi akan meningkat. Akibatnya reaksi akan berjalan dengan cepat. 2. Katalis Katalis dapat menurunkan energy aktivasi (E). Dengan berkurangnya energy aktivasi maka harga K akan naik sehingga laju kecepatan reaksi akan bertambah cepat pula. Tjukup Marnoto dan Endang Sulistyowati Pengembangan Teknologi Kimia untuk Pengolahan Sumber Daya Alam Indonesia Teknik Kimia, Fak Teknologi Industri, UPN “Veteran” Yogyakarta. Grafik Konversi VS Suhu untuk Kondisi Optimum Pada saat komposisi keseimbangan, perubahan konversi terhadaptemperatur pada suatu reaksi dapat ditinjau secara dua aspek, yaitu melalui tinjauan thermodinamika dan tinjauan kinetika. Hubungan antara temperatur dan konversi dalam reaksi pembentukan polistirena dalam tinjauan thermodinamika dan kinetika ditunjukkan pada data berikut :



Grafik Hubungan Suhu Vs % Konversi 100 90 80 70



Tinjauan Kinetika



60 50



Tinjauan Thermodinamika



40 30 20 10 0 200



300



400



500



600



700



800



900



Grafik II.3. Grafik Hubungan Suhu dan % Konversi (Kondisi Optimum)



Dari hasil perhitungan yang ditinjau dari tinjauan thermodinamika dan kinetika diperoleh titik suhu optimum, yaitu pada suhu 720 K dengan konversi 50.78%. sedangkan produksi polistiren pada pabrik suhu yang dibutuhkan hanya 410 K dengan konversi 85%. Penyimpangan terjadi karena proses produksi hanya membutuhkan waktu 1 jam. Seharusnya produksi polivinil klorida membutuhkan waktu yang maksimal agar terjadi reaksi sempurna, mengingat agar cepat mendapatkan produk polivinil klorida dan segera dipasarkan. Apabila menunggu sampai waktu maksimum, maka dibutuhkan waktu yang sangat lama. Selain itu, reaksi pembentukan polivinil klorida merupakan eksotermis yang menghasilkan panas. Reaksi ini terjadi pada suhu 410 K. Apabila reaksi terjadi pada suhu yang sangat tinggi maka, sangat berbahaya dan produk yang dihasilkan kurang maksimal. Untuk meningkatkan konversi bisa diatasi dengan menggunakan katalis Fe2O3. Katalis ini akan mengurangi energi aktivasi dan meningkatkan kecepatan reaksi pembentukan polivinil klorida.