Pembuatan Metil Klorida dari Metanol dan Asam Klorida-BAB II

DESKRIPSI PROSES
2.1. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk

2.1.1. Spesifikasi Bahan Baku Utama
a. Metanol
Fase (25 oC, 1atm) : cair
Warna : tak berwarna
Densitas (25 oC) : 0,787 g/cm3
Viskositas (25 oC) : 0,541 cp
Impuritas : H2O 2% berat
Kemurnian : CH3OH 98% berat
(www.medcoenergi.com)
b. Asam klorida
Fase : cair (pada 30 oC, 52,05 atm)
Warna : jernih kekuningan
Densitas : 1,045 g/cm3 (pada 120 oC)
Kemurnian : HCl min 99% berat
Impuritas : H2O max 1% berat
(www.behnmeyer.com)


2.1.2. Spesifikasi bahan pembantu
a. Katalis Alumina gel
Bentuk : padat spheris
Warna : putih
Ukuran : 1,68-2,38 mm
Bulk density : 0,85-0,92 g/ml
Porositas : 58,4-58,9

2.1.3. Spesifikasi Produk Utama
a. Metil klorida
Fase : cair (pada 30oC, 6,5 atm)
Warna : tak berwarna
Densitas : 0,925-0,956 g/cm3 (pada 25oC)
Kemurnian : CH3Cl min 99,5% berat
Impuritas : H2O max 50 ppm
CH3OH max 30 ppm
(www.celanise.com)



2.2. Konsep Proses
2.2.1. Dasar Reaksi
Proses pembuatan metil klorida dari metanol dan asam klorida dengan katalisator alumina (Al2O3) dilakukan melalui hidroklorinasi dengan reaksi sebagai berikut:
CH3OH(g) + HCl(g) katalis CH3Cl(g) + H2O(g) metanol asam klorida metil klorida air
Reaksi hidroklorinasi metanol dengan asam klorida merupakan reaksi orde 2 (www.wikipedia.com).
2.2.2. Mekanisme Reaksi
Reaksi katalitis dengan zat reaktan metanol dan HCl berbentuk gas dan katalisator Al2O3 berbentuk padatan berlangsung menurut mekanisme sebagai berikut:
1. a. Difusi gas reaktan dari fase gas ke permukaan luar katalis.
b. Difusi reaktan dari permukaan luar katalis melewati pori-pori ke permukaan pori katalis (difusi molekuler).
2. Adsorpsi reaktan pada permukaan dalam katalis.
3. Reaksi CH3OH(g) + HCl(g) katalis CH3Cl(g) +H2O(g)
metanol asam klorida metil klorida air
4. Desorpsi hasil reaksi dari permukaan dalam katalis.
5. a. Difusivitas gas hasil reaksi dari permukaan dalam katalis ke permukaan luar katalis.
b. Difusi gas hasil reaksi dari permukaan luar (interface) ke fase gas.
(Fogler, 1999)
Pada mekanisme reaksi katalitis diatas tahap difusi dasn adsorpsi berlangsung cepat, sedangkan reaksi pada permukaan katalis berlangsung paling lambat. Sehingga kecepatan reaksi pada permukaan katalitis secara keseluruhan dikontrol oleh reaksi permukaan.
Mekanisme reaksinya sebagai berikut :
CH3OH(g) + HCl(g)-----> H2O(g) + CH3Cl(g)
Mekanisme Reaksi :
A + S -----> AS (Adsorpsi Metanol)
B + S -----> BS (Adsorpsi HCl)
AS + BS -----> DS + S (Reaksi di Permukaan katalis)
DS -----> D + S (Desorpsi Metil Klorida)
Kondisi Operasi
Unit proses digunakan reaktor fixed-bed. Stokiometri dari metanol dan HCl diuapkan dan dipanaskan terlebih dahulu pada suhu 200oC, kemudian diumpankan ke reaktor dimana panas reaksi eksotermis menaikkan temperatur ke range 300-380oC. Katalis yang digunakan adalah alumina gel atau γ alumina (8-12 mesh) yang dibantu oleh CuCl2 atau ZnCl2 dan silika alumina dalam reaktor pipa gas dengan batas temperature 3000C-3900C dari 2 katalis γ alumina hamper mendekati konversi equilibrium dalam kondisi kesetimbangan. Recovery produk diselesaikan dengan penggosokan oleh air dan kondensasi metal klorida dengan pendinginan (boiling point) pada tekanan 1 bar adalah -23,7 C (Rase).
Tinjauan Termodinamika
Tabel 2.1 Data Panas Pembentukan dan Energi Gibbs
Komponen ∆Hf°(J/gmol) ∆Gf°(J/gmol)
CH3OH -201.170 -165.510
HCl -92.300 -95.300
CH3Cl -86.320 -62.890
H2O -241.800 -228.600
(Yaws, 1999)
Reaksi:
CH3OH(g) + HCl(g)--------> CH3Cl(g) + H2O(g)
∆G° = ∆Gf°produk - ∆Gf°reaktan
= ( ∆Gf° CH3Cl + ∆Gf° H2O) – (∆Gf° CH3OH + ∆Gf° HCl)
= (-62.890 + (-228.600) ) – (-165.510 + (-95.300) )
= -33.680 J/mol
∆Hf° = ∆Hf°produk - ∆Hf°reaktan
= (∆Hf°CH3Cl + ∆Hf°H2O) – (∆Hf°CH3OH + ∆Hf°HCl)
= (-86.320 + (-241.800) ) – (-201.170+ (-92.300) )
= -34.650 J/mol
Reaksi pembuatan metal klorida adalah reaksi eksotermis, selama reaksi dibebaskan panas. Hal ini ditunjukkan oleh harga entalpi yang negative, yaitu sebesar -34.650 J/mol.
Untuk mengetahui apakah reaksi berlangsung secara irreversible dapat dilihat dari harga K (konstanta kesetimbangan reaksi). Data ∆Gf°298 untuk komponen yang terlibat dalam tersebut adalah :
K298 = ℮ -∆G°/RT
K298 = ℮ -(-33.680/8,314x298)
= 8,013 x 105
Ln K/Ko = ∆H/R ( 1/T - 1/298 )
Suhu reaksi rata-rata adalah 598 K. Harga K pada suhu 598K adalah :
K = K298 exp ( ∆H/R ( 1/T - 1/298 ) )
K = 8,013 x 105 exp ( -34.650/8,314 ( 1/573 - 1/298 ) )
= 6,9.108
(Levenspiel, 1999)
Harga konstanta kesetimbangan reaksi (K) termasuk besar sehingga reaksi bias dianggap berjalan secara irreversible.
Tinjauan Kinetika
Reaksi hidroklorinasi metanol termasuk reaksi orde dua. Dari segi kinetika, kecepatan reaksi hidroklorinasi metanol akan bertambah cepat dengan naiknya temperatur. Berdasarkan persamaan Arhenius:
K=A.e^-E/RT
Dimana:
K = konstanta kecepatan reaksi
A = faktor frekuensi tumbukan
E = energi aktivasi
R = konstanta gas ( 1,987 kal/mol K)
T = temperatur operasi (K)
Harga konstanta reaksi dalah sebagai berikut:
Reaksi:
CH3OH(g) + HCl(g) --------> CH3Cl(g) + H2O(g)
Konsatanta kecepatan reaksi:
K=2,091 x 1019 exp(-42885,1859/RT) m3 /jam.kgmol(www.nist.gov)

Pemakaian katalis
Dalam reaksi gas-gas, meskipun katalis tidak berubah pada akhir reaksi, tetapi katalis tetap ikut aktif dalam reaksi. Katalis dapat memperbesar kecepatan reaksi karena dimungkinkan terjadinya mekanisme alternatif dimana energi aktivasi tiap langkah reaksi akan lebih rendah dibandingkan tanpa katalis. Konversi kesetimbangan tidak dipengaruhi katalis, tetapi selektivitas dapat ditingkatkan dengan adanya katalis. Umumnya penurunan tekanan akan semakin besar bila diameter katalis semakin kecil. Permukaan yang luas lebih baik karena laju reaksi setara dengan luas permukaan yang ditempati, yaitu dengan adanya struktur porous, padatan terdiri dari banyak pori. Luas permukaan yang besar disebabkan karena adanya pori (situs aktif) ini sehingga menaikkan kecepatan reaksi dan meyebabkan berkurangnya aktivitas sehingga kecepatan reaksi bertambah besar.
Pada reaksi hidroklorinasi metanol menjadi metil klorida, katalis yang digunakan adalah Al2O3 yang merupakan katalis padat berpori dengan diameter 1,68-2,38 mm.Katalis ditempatkan di dalam reaktor fixed bed di dalam sisi tubenya, sedangkan umur dari katalis Al2O3 adalah 3-5 tahun (Kirk Othmer, 1993).
2.3.1. Langkah Proses
Unit Penyiapan Bahan Baku
HCl disimpan dalam tangki, lalu dipompa ke expander dan diturunkan tekanannya. Lalu ditambah HCl untuk dipanaskan. Metanol disimpan, dipompa dan dikompresi tekanannya ke vaporizer untuk diuapkan, kemudian dialirkan ke separator dan dipisahkan antara uap dan cair. Uap keluar dari separator, kemudian ke heater untuk dipanaskan. Setelah itu diumpankan ke reaktor.
Unit Proses
Perbandingan equimolar dari metanol fase gas (arus 1) dan asam klorida (arus 2) diumpankan ke reaktor hidroklorinasi yang diperlihara pada suhu sekitar 350oC. Hidroklorinasi reaksi dikatalis oleh salah satu jenis katalis termasuk alumina gel, cupro atau zink klorida pada karbon teraktivasi atau batu apung, atau asam fosfor pada karbon teraktivasi. Konversi metanol 95%. Gas keluar reaktor ditransfer ke quench tower dimana asam klorida dan metanol yang tidak bereaksi dihilangkan dengan penggosokan oleh air. Air dibuang dari quench tower (arus 4) dilepaskan dari hampir semua metil klorida terlarut dan metanol, dimana keduanya direcycle ke reaktor hidroklorinasi (arus 5). Cairan keluaran dari stripper (arus 6) terdiri dari asam hydrochloric acid encer yang dikirim ke unit pengolahan limbah. Gas metil klorida dari quench tower (arus 7) diumpankan ke drying tower, dimana akan dikontakkan dengan asam sulfat pekat untuk menghilangkan sisa air. Pembuangan asam sulfat encer dapat dijual atau diproses kembali. Bagian dari metil klorida kering (arus 9) dikompresi, didinginkan, dan dicairkan sebagai produk. Sisanya (arus 10) diumpankan ke reaktor klorinasi dengan gas klorin (arus 11). Metil klorida dan klorin bereaksi untuk membentuk metilen klorida dan kloroform, bersama dengan asam klorida dan sedikit karbon tetraklorida. Arus produk dari reaktor klorinasi di kondensasikan kemudian dilepaskan asam klorida. Asam klorida direcycle ke reaktor hidroklorinasi metanol (arus 12). Campuran kasar dari metilen klorida, kloroform, dan karbon tetraklorida dari stripper (arus 13) ditransfer ke tangki penyimpanan dan kemudian diumpankan ke kolom destilasi untuk mengekstrak metilen klorida. Bagian bawah dari kolom (arus 15) didestilasi untuk mengekstrak klorofotm. Arus produk kloroform dan metilen klorida (arus 14 dan 16) diumpankan ke day tank dimana ditambahkan penghambat lalu dikirim ke penyimpanan dan fasilitas pemuatan. Bagian bawah dari destilasi kloroform (arus 17) terdiri dari karbon tetraklorida kasar yang disimpan untuk kemudian dijual atau ditransfer ke pemisahan karbon tetraklorida atau proses perkloroetilen (www.epa.gov).


DAFTAR PUSTAKA

Fogler, H.S, 1999, Elements of Chemical Reaction Engineering, 3rd edition, Prentice Hall P.T.R, New Jersey
Kirk, R.E. & Othmer, D.F., 1993, Encyclopedia of Chemical Technology, Vol V, 3rd edition, A Wiley Interscience Publisher Inc, New York
Perry, R.H. and Green, D, 1984, Perry’s Chemical Engineers Handbook, 3rd edition, Mc Graw Hill Book Co. New York
Rase, Howard F, 2000, Handbook of Commercial Catalysts: Heterogeneous Catalysts, CRC Press
Levenspiel, O., 1972, Chemical Reaction Engineering, 2nd edition, John Willey and Sons Inc, Singapore
Mc. Ketta, J.J. and Chuningham, P.F., 1972, Encyclopedia of Chemical Processing and Design, Marcel Dekker Inc, New York
Mc Ketta, J.J.,1993, Chemical Processing Handbook, CRC Press.
Vogel, A.I. and Jeffery, G.H., 1989, Vogel's Textbook of Quantitative Chemical Analysis, Longman Scientific & Technical.
Weissermel, Klaus and Arpe, Hans Jurgen, 2003, Industrial Organic Chemistry, Wiley VCH.
Yaws, C.L., 1999, Chemical Properties Handbook, Mc Graw Hill Company, New York

www.behmeyer.com
www.cdc.gov
www.celanise.com
www.chemicalland21.com
www.epa.gov
www.freepatentonline.com
www.inchem.org
www.indonetwork.co.id
www.medcoenergi.com
www.OxyChem.com
www.patentstorm.us
www.wikipedia.com

Posted in: perancangan proses,teknik kimia