bab ii tinjauan pustaka

 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Teori Pembentukan Etilen Glikol
Menurut Mc Ketta and Cunningham dalam bukunya Encyclopedia of
Chemical
Processing and Design. Volume 21, ada tiga cara pembuatan etilen
glikol
yaitu:
2.1.1 Proses Du Font Formaldehid
Dalam proses ini formaldehid direaksikan dengan karbon monoksida dan air
untuk membentuk asam glikolat untuk selanjutnya diesterifikasi dengan
menggunakan metanol, etanol, atau propanol dan produk alkil glikolat
dihidrogenasi dalam fase uap menggunakan katalis kromat menghasilkan
monoetilen glikol dan alkohol. Berikut adalah reaksinya:
CO + CH2O + H2O
H+
HOOCCH2OH
HOOCCH2OH + CH3OH
CH3OOCCH2OH + H2
CH3OOCCH2OH + H2O
kromat
HOCH2CH2OH + CH3OH
2.1.2 Proses Hidrolisis Etilen Oksida
a. Proses Katalitik
Merupakan proses pembuatan monoetilen glikol dengan mereaksikan air
dan etilen oksida dalam reaktor adiabatik katalitik. Etilen oksida murni atau
campuran air dengan etilen oksida (keduanya dalam fasa cair), digabungkan
dengan air recycle dengan perbandingan mol air dengan etilen oksida adalah 5:1,
dikondisikan hingga mencapai kondisi yang diisyaratkan dalam reaktor katalitik.
Pada proses katalitik ini digunakan katalis untuk memperbesar selektivitas
terhadap monoetilen glikol sekaligus mengurangi jumlah ekses air sehingga akan
mengurangi kebutuhan energi dalam proses pemisahan antara monoetilen glikol
dengan air yang tidak bereaksi.
6
7
b. Proses Non Katalitik
merupakan proses hidrolisis etilen oksida dengan air yang akan membentuk
monoetilen glikol dengan hasil samping berupa dietilen glikol dan trietilen glikol.
Pada awalnya etilen oksida murni atau campuran air dengan etilen oksida
digabungkan dengan air recycle dengan perbandingan mol air dengan etilen
oksida adalah 20:1 (air dengan jumlah sangat berlebih digunakan untuk mencapai
selektivitas monoetilen glikol yang tinggi), dipanaskan sampai kondisi reaksi pada
reaktor tubular untuk diubah menjadi monoetilen glikol dengan hasil samping
berupa dietilen glikol dan trietilen glikol. Air berlebih pada proses ini dihilangkan
dengan menggunakan evaporator dan etilen glikol dimurnikan dengan evaporator
vakum.
2.1.3 Proses Karbonasi
Etilen glikol dapat diproduksi dengan mereaksikan etilen oksida dengan
karbondioksida membentuk etilen karbonat yang selanjutnya dihidrolisis menjadi
etilen glikol. Unit oksidasi etilen dengan proses langsung menghasilkan etilen
oksida yang kemudian diabsorbsi oleh suatu larutan absorben sebelum memasuki
unit karbonasi. Keluaran dari menara absorbsi direaksikan dengan karbondioksida
kemudian dikonversi menjadi etilen karbonat yang kemudian masuk ke unit
hidrolisis untuk membentuk etilen glikol (kawabe dkk, 1990)
Ada 3 reaksi utama dalam pembuatan etilen glikol dari etilen dengan proses
karbonasi, yaitu:
C2H4 + O2
C2H4O
C2H4O + CO2
C3H4O3
C3H4O3 + H2O
CO2 + C2H6O
2.1.4 Proses di PT. Polychem Indonesia Tbk.
Pada Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk.menggunakan proses
hidrolisis non katalis. Karena hasil reaksi samping yang berupa dietilen glikol dan
trietilen glikol masih bernilai ekonomis sehingga dapat dijual. Reaktor yang
digunakan pada proses ini berbentuk plug flow (reaktor aliran sumbat). Panas
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
8
reaksi yang dihasilkan tidak digunakan kembali. Reaktor ini mempunyai panjang
76 meter.
Suhu masuk campuran etilen oksida dengan air adalah 145oC dengan
tekanan sekitar 21 Kg/cm2. Suhu masuk dinaikkan dengan pemanasan
menggunakan dua heat exhanger, karena suhu pada campuran awal etilen oksida
dan air berkisar pada suhu 55oC. Lalu suhu keluaran reaktor adalah 190oC dengan
tekanan sekitar 16 Kg/cm2. Suhu ini naik karena adanya panas reaksi. Suhu
dikendalikan agar reaksi tetap berada pada kondisi optimum. Pengendalian suhu
ini dilakukan dengan melakukan perubahan tekanan pada bahan yang masuk
kedalam reaktor dan juga bahan keluar reaktor. Apabila tekanan masuk tinggi,
maka waktu tinggal reaktan menjadi kecil sehingga dapat mengurangi konversi
pembentukan etilen glikol, tetapi bila tekanan masuk dibawah batas, waktu tinggal
reaktan yang terlalu lama dapat mengakibatkan lebih banyak hasil samping yang
terbentuk, karena itu pengaturan tekanan menjadi sangat penting.
Keluaran dari reaktor merupakan campuran dari air, monoetilen gikol,
dietilen glikol dan trietilen glikol dengan kadar air yang sangat tinggi. Untuk
menghilangkan kadar air tersebut digunakan 5 stage multi effect evaporator dan 1
vacuum effect evaporator hingga kadar air menjadi 10% dari berat total.
2.2 Teori Reaktor Aliran Sumbat
Reaktor aliran sumbat (PFR), merupakan reaktor pipa ideal yang sering
divisualisasikan memiliki bentuk menyerupai suatu pipa yang panjang. Pada
reaktor ini, reaktan diumpankan ke dalam reaktor melalui inlet dan produk yang
dihasilkan dikeluarkan dari dalam reaktor melalui outlet. Reaksi berlangsung di
dalam reaktor ketika campuran reaktan bergerak melewati sepanjang pipa reaktor.
I.
Karakteristik Reaktor Aliran Sumbat
a) Profil kecepatan datar di sepanjang jari-jari
-
Dalam aliran laminer, profil kecepatan berbentuk parabola, sehingga
terjadi gradien kecepatan dalam arah radial.
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
9
-
Dalam arah turbulen (Nre > 10.000), profil kecepatan menjadi datar
“flat” dalam arah radial.
b) Tidak ada variasi konsentrasi dan temperatur dalam arah radial.
c) Tidak ada pencampuran dalam arah aksial.
Dimana:
FA adalah laju alir molar reaktan A (dalam mol per waktu)
FA0 adalah laju alir molar reaktan A di titik inlet (dalam mol per waktu)
FAf adalah laju alir molar reaktan A di titik outlet (dalam mol per waktu)
V0 adalah laju alir volumetrik di titik inlet (dalam volume per waktu)
Vf adalah laju alir volumetrik di titik outlet (dalam volume per waktu)
II. Evaluasi Unjuk Kerja Reaktor Aliran Sumbat
Persamaan rancangan untuk reaktan A dalam reaktor PFR, diturunkan dari
kesetimbangan neraca massa reaktan A dalam volume dV suatu campuran reaksi.
Kesetimbangan neraca massa tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:
Massa A yang memasuki volume dV tiap satuan waktu
= Massa A yang keluar dari volume dV tiap satuan waktu + Akumulasi
massa A dalam volume dV tiap satuan waktu + Pengurangan massa A pada
waktu reaksi dalam volume dV tiap satuan waktu
Dalam keadaan steady state, tidak ada akumulasi yang terjadi, sehingga
neraca massa diatas menjadi sebagai berikut:
FA MA = (FA + dFA) MA + (-rA) MA dV............(1)
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
10
Dimana:
FA adalah jumlah mol A tiap satuan waktu yang memasuki volume dV
(FA0 + dFA) adalah jumlah mol A tiap satuan waktu yang keluar dari volume dV
MA adalah massa molar reaktan A
(-rA) adalah laju molar pengurangan massa A pada waktu reaksi.
Sehingga mengeliminasi MA maka didapatkan persamaan rancangan dasar
untuk
reaktan A dalam reaktor PFR ideal adalah sebagai berikut:
................(2)
- Menghitung VPFR Dalam Terms Laju Alir Molar Reaktan A (FA)
Volume reaktor PFR yang dibutuhkan untuk mereduksi laju alir molar
reaktan A dari FA0 (mol/s) pada inlet reaktor hingga FAf (mol/s) pada outlet
reaktor, dapat dievaluasi dengan mengintegrasikan persamaan (2) diatas menjadi
sebagai berikut:
...............(3)
Dimana (-rA) harus diekspresikan sebagai fungsi dari FA.
- Menghitung VPFR Dalam Terms Konsentrasi Reaktan A (CA)
Konsentrasi reaktan A dalam reaktor PFR ideal dapat didefinisikan sebagai
berikut
...(4)
Dari persamaan (4) diatas didapatkan FA = CA v . Substitusi persamaan ini
kedalam persamaan (2) akan didapatkan persamaan sebagai berikut:
......(5)
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
11
Jika laju alir volumetrik v bernilai konstan, maka integrasi persamaan (5)
akan menghasilkan persamaan sebagai berikut:
.....(6)
Dimana CA0 dan CAf merupakan konsentrasi reaktan A pada inlet dan outlet
reaktor, dan juga (-rA) harus diekspresikan sebagai fungsi dari CA.
- Menghitung VPFR Dalam Terms Konversi Reaktan A (xA)
Konversi reaktan A dalam reaktor PFR ideal dapat didefinisikan sebagai berikut:
.....(7)
Dari persamaan (7) diatas didapatkan FA = FA0 (1-xA). Substitusi persamaan
ini kedalam persamaan (2) akan didapatkan persamaan sebagai berikut:
......(8)
Persamaan (8) tersebut jika diintegrasikan dengan kondisi dimana xA = 0
pada inlet reaktor dan xA = xAf pada outlet reaktor, dan juga V = VPFR, maka akan
didapatkan persamaan sebagai berikut:
....(9)
Dimana xA0 dan xAf merupakan konversi reaktan A pada inlet dan outlet
reaktor, dan juga (-rA) harus diekspresikan sebagai fungsi dari xA.
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
12
2.3 Bahan Baku Pada Pembuatan Etilen Glikol
Seperti dijelaskan pada subbab sebelumnya, PT. Polychem Indonesia Tbk
menggunakan proses hidrolisis non-katalitik. Yang berarti menggunakan air
berlebih untuk menjaga agar etilen oksida yang bereaksi dengan air lebih banyak
yang menjadi monoetilen glikol (untuk mengatur selektivitas pembentukan etilen
glikol) daripada dietilen glikol dan trietilen glikol.
Berikut akan dijelaskan teori tentang etilen oksida dan air.
a) Etilen Oksida ( C2H4O )
Etilen oksida adalah senyawa organik dengan rumus C2H4O. Senyawa ini
termasuk eter siklik. Ini berarti bahwa etilen oksida terdiri dari dua gugus alkil
yang terikat pada atom oksigen dalam bentuk siklik (melingkar). Penampakan dari
gas ini yaitu mudah terbakar, tidak berwarna, dan mempunyai bau yang samarsamar. Etilen oksida adalah epoksida paling sederhana, tiga cincinnya terdiri dari
dua karbon dan satu atom oksigen. Karena memiliki struktur molekul yang
khusus, etilen oksida dapat mengalami reaksi samping dengan mudah, dengan
terbukanya rantai siklik, kemudian atom tersebut berikatan dengan molekul lain
sehingga terjadilah polimerisasi. Etilen oksida adalah isomer dengan asetaldehida.
Walaupun etilen oksida merupakan bahan baku penting dengan penggunaan
yang beragam, etilen oksida itu sendiri merupakan zat yang sangat berbahaya:
pada suhu kamar gas ini sangat mudah terbakar, karsinogenik, dapat
menyebabkan perubahan gen, dan dapat menyebabkan iritasi.
Meskipun sangat berbahaya untuk penggunaan pada rumah tangga langsung
dan masih asing bagi cukup banyak orang, etilen oksida digunakan di Industri
sebagai bahan baku intermediet ( bahan baku setengah jadi ). Walaupun etilen
oksida adalah gas beracun yang meninggalkan residu bahan yang berkontak
dengannya, etilen oksida murni adalah desinfektan yang banyak digunakan di
rumah sakit dan industri peralatan medis untuk menggantikan uap dalam
sterilisasi peralatan yang sensitif terhadap perubahan suhu, seperti jarum suntik
sekali pakai.
Etilen
oksida
selain
untuk
penggunaan
langsung,
juga dapat
digunakan sebagai bahan baku pembuatan:
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
13
a) Monoetilen Glycol, dihasilkan dari reaksi etilen oksida dengan
air, merupakan agent antibeku yang digunakan pada mesin-mesin, Juga
digunakan untuk bahan baku produksi polietilen terephthalate (PET)
dan sebagai cairan penukar panas.
b) Dietilen Glycol, merupakan agen pelunak yang digunakan pada gabus
lem dan kertas. Juga digunakan sebagai solvent dan agent de-icing pada
pesawat terbang maupun bandara.
c) Trietilen Glycol, merupakan agent humectant yang juga digunakan
sebagai solvent, pernis dan pengering gas. Sering digunakan sebagai
drying agent pada pengolahan gas alam.
d) Tetraetilen Glycol, merupakan agen ekstraksi yang digunakan dalam
ekstraksi hidrokarbon aromatik.
e) Polietilen Glycol, digunakan sebagai bahan baku pembuatan kosmetik,
farmasi, pelumas, solven, bahan penunjang pembuatan keramik dan
bahan pembuat perekat maupun tinta cetak.
f) Polietilen oksida (Polyox), dihasilkan dengan reaksi polimerisasi dengan
melibatkan logam golongan IIA dan IIIA. Digunakan dalam bidang
pertanian, agen koagulasi dan bahan pengemas.
g) Etilen Glycol Ether, dihasilkan dari reaksi etilen oksidaa dengan
alkohol. Digunakan sebagai minyak rem, deterjen, solvent cat. Sering
juga digunakan untuk bahan pengekstrak bagi SO2, H2S, CO2, dan
merkaptan dari gas alam.
h) Ethanolamine, dihasilkan dari reaksi etilen oksidaa dengan amonia.
Digunakan sebagai bahan kimia dalam proses akhir tekstil, kosmetik,
sabun, detergen dan pemurnian gas alam.
i) Nonionic Surfactant, dihasilkan dari reaksi etilen oksida dengan
alkilphenol, alkilmerkaptan atau polipropilen glikol. Digunakan sebagai
bahan pengemulsi pada proses polimerisasi, bahan dasar industri
surfaktan, pembuatan kertas dan daur ulang.
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
14
j) Turunan lain, misalnya Akrilonitril yang dihasilkan dari reaksi etilen
oksida dengan etilen cyanohidrin atau Urethane yang dihasilkan dari
reaksi etilen oksida dengan propilen oksida
Sifat fisik
Etilen oksida adalah gas yang tidak berwarna pada suhu 25 °C dan
berbentuk cair pada suhu 0 °C – viskositas dari cairan etilen oksida pada suhu
0 °C 5,5 kali lebih rendah daripada air. Gas etilen oksida mempunyai wangi khas
senyawa eter yang manis, dapat diketahui keberadaannya diudara bila
kandungannya sudah mencapai 500 ppm. Etilen oksida dapat larut didalam air,
etanol, dietil eter, dan beberapa pelarut organik.
Beberapa sifat yang penting adalah sebagai berikut:

Kapasitas panas standar, Cp° = 48.19 J/(mol·K);

Rumus Molekul = C2H4O

Berat molekul = 44,053 gr/gmol

Titik Didih (1 atm¸°C) = 10,8

Titik lebur (1 atm, °C ) = 112,5

Entalpi pembentukan standard, ΔH°298 = −51.037 kJ/mol;

Entropi standar, S°298 = 243.4 J/(mol·K);

energi pembebasan Gibbs, ΔG°298 = −11.68 kJ/mol;

panas pembakaran, ΔHc° = −1306 kJ/mol.
Tegangan dari etilen oksida, pada permukaan dengan fasa uapnya adalah
35.8 mJ/m2 pada suhu −50.1 °C and 27.6 mJ/m2 pada suhu −0.1 °C.
Titiki didih meningkat sesuai dengan kenaikan tekanan uap yaitu sebagai
berikut: 57.7 (2 atm), 83.6 (5 atm) and 114.0 (10 atm).
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
15
Viskositas menurun sesuai dengan nilai sebagai berikut:
Tabel 2.1 Penurunan Viskositas Etilen Oksida Terhadap Suhu
Suhu ( °C )
Viskositas ( kPa·s )
−49.8
0.577
−38.2
−21.0
0
0.488
0.394
0.320
Sumber : (http://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene_oxide, 2012)
Antara suhu −91 °C dan 10.5 °C, tekanan uap p (in mmHg) berubah sesuai
dengan suhu (T in °C) sebagai log p = 6.251 – 1115.1/(244.14 + T).
Tabel 2.2 Sifat Dari Cairan Etilen Oksida
Sifat dari cairan etilen oksida
Suhu
(°C)
Tekana
n Uap
(Kpa)
Entalpi
Cairan
(J/G)
Entalpi
Penguapan
(J/G)
Densitas
(Kg/L)
Kapasitas
Panas
[J/(Kg·K)]
Konduktivitas
Termal
[W/(M·K)]
−40°C
8.35
0
628.6
0.9488
1878
0.20
−20°C
25.73
38.8
605.4
0.9232
1912
0.18
0°C
65.82
77.3
581.7
0.8969
1954
0.16
20°C
145.8
115.3
557.3
0.8697
2008
0.15
40°C
288.4
153.2
532.1
0.8413
2092
0.14
60°C
521.2
191.8
505.7
0.8108
2247
0.14
80°C
875.4
232.6
477.4
0.7794
2426
0.14
100°C
1385.4
277.8
445.5
0.7443
2782
0.13
120°C
2088
330.4
407.5
0.7052
3293
N/A*
140°C
3020
393.5
359.4
0.6609
4225
N/A
160°C
4224
469.2
297.1
0.608
N/A
N/A
Sumber : (http://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene_oxide, 2012)
*N/A – data tidak tersedia.
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
16
Tabel 2.3 Sifat Dari Gas Etilen Oksida
Sifat Dari Gas Etilen Oksida
Suhu
( K )
298
Panas
Energi
Entropi
Viskositas
pembentukan pembebasan
[J/(mol·K)]
( Pa·s )
( kJ/mol )
( kJ/mol )
242.4
−52.63
−13.10
N/A
Konduktivitas
termal
[ W/(m·K) ]
N/A
Kapasitas
panas
[J/(mol·K)]
48.28
300
242.8
−52.72
−12.84
9.0
0.012
48.53
400
258.7
−56.53
1.05
13.5
0.025
61.71
500
600
700 274.0
−59.62
15.82
15.4
0.038
75.44
288.8
−62.13
31.13
18.2
0.056
86.27
302.8
−64.10
46.86
20.9
0.075
95.31
800
316.0
−65.61
62.80
N/A
0.090
102.9
Sumber : (http://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene_oxide, 2012)
*N/A – data tidak tersedia.
b) Air ( H2O )
Air yang digunakan untuk mereaksikan etilen oksida adalah air recycle
dengan dengan sedikit tambahan air demin ( air yang tidak ada kandungan
mineralnya ). Penggunaan air recycle ini dimaksudkan untuk mengurangi
penggunaan air bersih. Selain itu air berlebih yang digunakan untuk proses
pembuatan etilen glikol hanya berfungsi sebagai excess, untuk menaikkan
selektivitas pembentukan monoetilen glikol.
Air recycle yang digunakan sudah sangat kecil kandungan etilen glikolnya,
karena merupakan recycle dari kondensat steam yang digunakan pada multi effect
evaporator stage kelima. Setelah dari multi effect evaporator stage kelima, air
recycle ini dialirkan menuju reactor feed preheater (E-520) sebagai liquid yang
memanaskan campuran antara etilen oksida dan air. Setelah dari reactor feed
preheater, air recycle ini akan dialirkan menuju F-540, yaitu recycle water tank.
Di recycle water tank ini, air tersebut di-treatment untuk menghilangkan bahanbahan selain air. Selain itu juga pada tank ini dilakukan make-up water untuk
menjaga laju alir agar tetap stabil. Make-up water ditambahkan dari unit utilitas
yaitu air demin (demineralized water).
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
17
Air recycle ini sudah tidak mengandung etilen glikol. Hanya saja selama
perjalanan dari alat glycol feed stripper ( T-510 ) hingga sampai reaktor terdapat
jarak yang cukup jauh sehingga ada kemungkinan terbentuk etilen glikol
walaupun jumlahnya sangat kecil dan dapat diabaikan.
Berikut adalah beberapa data dari air:
Rumus molekul
: H2O
Berat molekul
: 18,0153 gr/mol
Wujud
: liquid
Kenampakan
: Tak berwarna
Titik leleh
: 0oC ( 273,15 K )
Titik didih
: 100oC ( 373,15 K )
Suhu kritis
: 647 K
Tekanan kritis
: 22,064 Mpa
Volume kritis
: 0,05710 m3/Kgmol
Densitas
: 0.998 g/cm³ (liquid pada 20 °C)
0.92 g/cm³ (padatan)
Panas pembentukan
: -2,41 x 105 KJ/Kgmol
2.4 Produk di PT. Polychem Indonesia Tbk. Plant EO/EG 1
Produk utama dari plant EO/EG 1 adalah monoetilen glikol, dengan produk
samping adalah dietilen glikol dan trietilen glikol. Reaksi yang terjadi didalam
reaktor adalah reaksi seri paralel. Berikut adalah reaksi yang terjadi didalam
reaktor:
1. Reaksi Pembentukan MEG
C2H4O + H2O
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
18
2. Reaksi Pembentukan DEG
C2H4O + MEG
3. Reaksi Pembentukan TEG
C2H4O + DEG
Dapat terlihat dari reaksi tersebut jika etilen oksida (C2H4O) mempunyai
peranan penting dalam terbentuknya monoetilen glikol, dietilen glikol dan trietilen
glikol. Pada proses di plant, suhu yang digunakan sebagai suhu optimum adalah
145oC. Sebagai produk samping, dietilen glikol dan trietilen glikol masih
mempunyai nilai ekonomis, sehingga pada area terakhir ketiga anggota senyawa
etilen glikol ini dipisahkan di drying column (area 700).
Pada proses di plant, air akan memegang peranan penting dalam
terbentuknya MEG, dengan kondisi perbandingan mol air : mol etilen oksida
adalah 20 : 1 , akan lebih terbanyak monoetilen glikol yang terbentuk.
2.4.1 Monoetilen Glikol
Monoetilen glikol ( C2H6O2 ) atau biasa disebut MEG adalah senyawa glikol
dengan ikatan rantai tunggal. Monoetilen glikol yang sering disebut etilen
glikol merupakan senyawa organik yang dapat menurunkan titik beku pelarutnya
dengan
mengganggu
pembentukan
kristal
es
pelarut
(http://en.wikipedia.org/wiki/ethylene_glycol).
Etilen Glikol (1,2-etandiol, HOCH2CH2OH) dengan berat molekul 62,07
merupakan senyawa diol yang berantai pendek. Etilen Glikol berupa cairan tak
berwarna, dengan aroma yang manis. Senyawa ini higroskopis dan larut sempurna
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
19
dalam berbagai pelarut polar, seperti air, alkohol, eter glikol, dan aseton.
MEG dapat bersifat toxic dengan apabila tertelan dengan dosis 786 mg/Kg.
MEG juga sedikit larut dalam pelarut nonpolar, seperti benzene, toluene,
dikloroetan, dan klorofom. Etilen
glikol
sulit
dikristalkan
ketika
dingin,
dia berbentuk senyawa yang sangat kental (viscous). Fungsi etilen glikol secara
luas sebagai antibeku yang mempunyai titik beku yang sangat rendah ketika
bercampur dengan air.
Tabel 2.4 Tekanan Uap Campuran Etilen Glikol – Air.
Tekanan uap, dalam kPa pada suhu
Komponen air ( % Wt )
65,1 oC
77,7 oC
90,3 oC
0,30
6,61
11,30
14,70
17,10
18,81
20,16
21,45
22,98
25,08
28,04
0,52
11,65
19,68
25,45
29,68
32,92
35,58
37,92
40,05
41,91
43,34
1,20
19,73
33,01
42,49
49,37
54,60
58,87
62,60
65,98
68,93
71,10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Sifat fisis etilen glikol :
BM
: 62,07
Titik didih, ( 101,3kPa )
: 197,6 0C
Titik beku
: - 13 0C
Densitas, pada 20 0C
: 1,1135 gr/ml
Viskositas, pada 20 0C
: 19,83 cp
Temperatur kritis
: 372 0C
Tekanan kritis
: 6515,73 kPa
Density kritis
: 0,186 L/mol
Volume kritis
: 0,186 m3/kgmol
Panas penguapan, ( 101,3kPa )
: 52,24 kJ/mol
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
20
Panas pembakaran, ( 101,3kPa )
: 19,07 MJ/kg
Panas pembentukan
: - 108,1 kkal/mol
Tegangan permukaan, 20oC
: 48,4 dyne/cm
Sifat kimia etilen glikol :
Etilen glikol dapat dengan mudah dioksidasi menjadi bentuk aldehid dan
asam karboksilat oleh oksigen., asam nitrit, dan agen pengoksidasi lainnya.
Kondisi reaksi yang bervariasi dapat mempengaruhi (menentukan) formasi dari
hasil
oksidasi
yang diinginkan.
Oksidasi
fase
gas
dengan
udara
membentuk glioksal, dengan penambahan katalis Cu. Etilen glikol dapat
mengalami oksidasi membentuk glioksal. Reaksi sbb :
C2H4(OH)2 + O2
Etilen glikol
bereaksi dengan
CH2O2 + 2H2O
etilen
oksida membentuk di-, tri-, tetra-
, dan polietilen glikol.
2.4.2 Dietilen Glikol
Dietilen glikol ( C4H10O4 ) atau yang biasa disebut DEG adalah senyawa
glikol dengan ikatan rantai ganda. Sifat-sifatnya mempunyai banyak kemiripan
dengan MEG, karena DEG adalah bentuk polimer dari MEG.
Sifat fisis dietilen glikol :
Fase
: cair (kondisi atmosferik)
Warna
: jernih
Rumus molekul
: HO(CH2CH2O2)2O
Berat molekul
: 106,12
Titik didih, 760 mmHg
: 245,8 oC
Titik beku
: - 6,5 oC
Flash point
: 280 oC
Temperatur kritis
: 681,04 oC
Tekanan kritis
: 45,45 atm
Density kritis
: 0,330 g/ml
Density pada 20 0C
: 1,116 g/ml
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
21
Viskositas pada 20 0C
: 36 cp
Panas penguapan, 760 mmHg
: 129 kkal/kg
Sifat kimia dietilen glikol :
1. Dietilen glikol terkondensasi dengan amina primer membentuk struktur
siklis seperti metil amina.
2. Dietilen
glikol
bereaksi
dengan
metil
amina membentuk N-
metilmorfolin.
3. Larut dalam alkohol, etilen glikol, eter dan aseton.
4. Tidak larut dalam benzena, toluene dan karbon tetraklorida.
2.4.3 Trietilen Glikol
Trietilen glikol ( C6H14O4 ) atau yang biasa disebut TEG adalah senyawa
glikol dengan tiga molekul yang berantai. Sifat-sifatnya mempunyai banyak
kemiripan MEG dan DEG, karena TEG adalah bentuk polimer dari DEG.
Sifat fisis trietilen glikol :
Fase
: cair (kondisi atmosfer)
Warna
: jernih
Rumus molekul
: HO(CH2CH2O)3H
Berat Molekul
: 150,17
Titik didih, 760 mmHg
: 288 oC
Titik beku
: - 4,3 oC
Flash point
: 342 oC
Temperatur kritis
: 712,32 oC
Tekanan kritis
: 32,727 atm
Density kritis
: 0,337g/ml
Density pada 20 oC
: 1,123 g/ml
Viskositas pada 20 oC
: 49 cp
Panas penguapan, ( 1 atm )
: 97 kkal/kg
Panas pembakaran
: 23,68 MJ/kg
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
22
2.4.4 Spesifisikasi Produk di PT Polychem Indonesia Tbk
Untuk dapat bersaing dengan kompetitornya, PT Polychem Indonesia Tbk
menerapkan standar yang cukup tinggi dalam menentukan spesifikasi produk
etilen glikol yang akan dijual. Etilen glikol ini sesuai dengan standar yang ada
untuk pembuatan poliester, tetapi dapat berubah sesuai dengan permintaan
customer.
Tabel 2.5 Spesifikasi Produk Di PT Polychem Indonesia Tbk
No
1 2
3
Analyzed items
Appearance
Purity
Color before heating
Unit
%wt
APHA
4
Specific Gravity 20/20
-
5
6
Water
Acidity (as acetic acid)
Aldehyde ( as
formaldehyde)
Chloride (as Cl)
Iron (as Fe)
MEG content
DEG content
TEG content
PEG content
7
8
9
10
11
12
13
%wt
ppm wt
MEG
clear
99,8
5 max
1,11511,1156
0,05 max
10 max
DEG
clear
99,7
10 max
1,11751,1195
0,05 max
50 max
TEG
clear
99,5
50 max
1,11241,1126
0,05 max
50 max
ppm wt
8 max
-
-
ppm wt
ppm wt
%wt
%wt
%wt
%wt
0,1 max
0,1 max
0,05 max
-
0,05 max
0,05 max
-
0,5 max
0,5 max
Sumber : (log sheet PT. Polychem Indonesia Tbk, 2012)
2.5 Proses Pemurnian Etilen Glikol
Proses pemurnian etilen glikol di PT. Polychem Indonesia Tbk dilakukan
dengan proses evaporasi, tetapi alat yang digunakan adalah alat destilasi.
Maksudnya adalah penggunaan alat destilasi disini digunakan dengan prinsip
evaporasi multi tahap, yaitu fraksi vapor dari alat destilasi sebelumnya digunakan
untuk memanaskan reboiler bagi alat destilasi selanjutnya karena tidak ada fraksi
vapor yang digunakan sebagai refluks. Alat yang digunakan merupakan alat
destilasi karena industri menginginkan hasil pemisahan fraksi volatil (air) dari
campuran air - etilen glikol yang besar, bila digunakan alat destilasi, proses
pemisahan ini dapat lebih maksimal. Di industri alat destilasi ini disebut
evaporator merujuk dari prinsip yang digunakannya, yaitu prinsip evaporasi.
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
23
Evaporator yang digunakan pada proses pemurnian ini terdiri dari lima
evaporator multi tahap, yang tekanannya semakin menurun, dan diakhir ada 1
evaporator vakum. Lima alat evaporator awal ini menggunakan proses evaporasi
multi tahap, yaitu produk atas evaporator yang berbentuk vapor dengan kadar air
99% akan digunakan sebagai steam untuk alat evaporator selanjutnya. Produk atas
ini tidak ada yang direfluks, semuanya akan digunakan sebagai steam bagi alat
evaporator stage selanjutnya. Kondensat dari steam ini akan dikumpulkan dalam
drum dimasing-masing tahap (kecuali tahap pertama) untuk kemudian disatukan
dalam D-536 (vacuum effect reboiler condensate tank). Sedangkan kondensat dari
evaporator tahap pertama yang merupakan kondensat dari high pressure steam
akan dialirkan menuju area 900 (deareator)
Kondensat yang sudah dikumpulkan ini adalah recycle water yang akan
digunakan pada alat glycol feed stripper yang berada di awal area 500. Sebelum
digunakan pada alat glycol feed stripper, recycle water ini dihilangkan kandungan
etilen glikolnya dan ditambah volumenya untuk menjaga laju alir. Proses
penambahan dan penghilangan kandungan etilen glikol ini terjadi pada F-540 (
recycle water tank ) dengan bantuan unit U-550 ( cycle water unit ). Unit U-550
ini adalah unit penukar anion.
Untuk memenuhi kebutuhan energi bagi evaporator multi tahap dan
evaporator vakum digunakan sebanyak 15.130 kg/jam high pressure steam.
kebutuhan ini akan ditinjau ulang pada bagian pembahasan berdasarkan
kebutuhan neraca energi.
2.5.1 Proses Evaporasi
Evaporasi adalah proses perubahan molekul di dalam keadaan cair
(contohnya air) dengan spontan menjadi gas (contohnya uap air). Proses ini adalah
kebalikan dari kondensasi. Evaporasi merupakan suatu proses penguapan
sebagian dari pelarut sehingga didapatkan larutan zat cair pekat yang
konsentrasinya lebih tinggi (Ahib assadam dkk, 2012).
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
24
Efek Pada Bahan
•
Peningkatan viskositas
•
Terbentuk kerak dan buih ( tergantung dari bahan yang dipekatkan )
•
Perubahan warna (menjadi gelap) karena browning dan peningkatan
konsentrasi ( tergantung dari bahan yang dipekatkan )
•
Penurunan kualitas sensorik
•
Untuk kelapa dan susu, dapat memperbaiki kualitas produk karena
komponen volatil yang tidak dikehendaki hilang
•
Beberapa komponen aroma dari bahan volatil hilang
2.5.2 Proses Yang Terjadi Di Alat Evaporator
Keluaran dari Glycol Reactor (R-520) dialirkan menuju Multi Effect
Evaporator untuk dikurangi kandungan airnya. Umpan dari reaktor glikol masuk
ke First Effect Evaporator T-531. Didalam First Effect Evaporator (T-531) terjadi
pemanasan umpan oleh reboiler dengan sumber panas yang berasal dari High
Pressure Steam. Air yang teruapkan akan bergerak keatas dan mengalir menuju
Second Effect Reboiler (E-532) sementara produk dan air yang tidak teruapkan
bergerak menuju Second Effect Evaporator (T-532). Pada Second Effect
Evaporator T-532,uap air yang berasal dari First Effect Evaporator (T-531
digunakan untuk memanaskan umpan yang masuk ke Second Effect Evaporator
(T-532). Proses ini berlangsung hingga Fifth effect Evaporator (T-535).
Keluaran dari Fifth effect Evaporator T-535 mengandung 46.41% air,
48.89% MEG, 4.44% DEG, 0.23% DEG dan 0.02% PEG dari berat total. Dari
Fifth effect Evaporator (T-535) produk yang masih banyak mengandung air
dialirkan menuju Vacuum Effect Reboiler (E-536) untuk dipanaskan dan Vacuum
Effect Evaporator E-536 untuk mengurangi kadar air pada kondisi vakum.
Keluaran dari Vacuum Effect Evaporator (E-536) mengandung 81.86% MEG,
10% air, 7.72% DEG, 0.38% TEG dan 0.04% PEG dari berat total.
Evaporator dikondisikan vakum karena dengan kondisi tersebut penggunaan
steam menjadi lebih efisien. Pada kondisi vakum, titik didih dari fluida menjadi
lebih rendah dengan begitu penggunaan steam dapat diminimalisir. Tetapi,
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
25
kondisi vakum juga memiliki resiko yang tinggi. Bila tiba-tiba terjadi vacuum
break ( kondisi vakum tiba-tiba menghilang ) dapat mengakibatkan ethylene
glycol yang ada pada tower terbakar karena perubahan tekanan yang tiba-tiba
mengakibatkan perubahan suhu yang sangat cepat.
Pada saat ethylene glycol terbakar, akan menimbulkan suhu yang tinggi
sehingga akan membakar bagian evaporator itu sendiri. Apabila hal ini terjadi,
evaporator ini sudah tidak dapat dipakai lagi dan harus diganti.
Untuk mencegah terbakarnya ethylene glycol, maka oksigen yang
dibutuhkan untuk terjadinya api dihalangi agar tidak masuk kedalam evaporator.
Oksigen dapat masuk melalui pipa yang terhubung dengan evaporator. Karena itu
pipa yang tidak berasal dari alat lain dihubungkan menuju hotwell. Hotwell ini
berfungsi sebagai penampung ethylene glycol yang terbawa oleh steam, dan juga
mencegah terbakarnya ethylene glycol bila terjadi vacuum break.
Ethylene glycol yang ada pada hotwell ini digunakan recycle untuk
evaporator. Pencegahan terbakarnya ethylene glycol dengan cara selalu merendam
ujung dari pipa oleh larutan ethylene glycol. Karena terendam, pipa tersebut tidak
berhubungan dengan udara luar, sehingga oksigen tidak dapat masuk. Dengan
begitu syarat terjadinya api tidak terpenuhi dan ethylene glycol tidak terbakar.
2.5.3 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Proses Evaporasi
A. Konsentrasi Dalam Cairan
Umumnya bahan masuk evaporator dalam keadaan encer, juga semakin pekat
larutan, semakin tinggi pula titik didih larutan dan untuk ini harus diperhatikan
adanya “kenaikan titik didih (KTD)”
B. Kelarutan Solute Dalam Larutan
a) Dengan demikian pekatnya larutan, maka konsentrasi solute makin
tinggi pula, sehingga batas hasil kali kelarutan dapat terlampaui,yang
akibatnya terbentuk kristal solute. Jika dengan adanya hal ini, dalam
evaporasi harus diperhatikan batas konsentrasi solute yang maksimal
yang dapat dihasilkan oleh proses evaporasi.
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak
26
b) Pada umumnya, kelarutan suatu gram/solid makin besar dengan makin
tingginya suhu, sehingga pada waktu “drainage” dalam keadaan
dingin dapat terbentuk Kristal yang dalam hal ini akan merusak
evaporator. Jadi harus diperhatikan suhu drainage.
C. Sensitifitas Materi Terhadap Suhu Dan Lama Pemanasan
Beberapa zat materi yang dipekatkan dalam evaporator tidak tahan terhadap suhu
tinggi atau terhadap pemanasan yang terlalu alam. Misalnya bahan-bahan biologis
seperti susu, orange, juice, sari sayuran, bahan-bahan farmasi dan sebaginya. Jadi
untuk zat-zat semacam ini diperlukan suatu cara tertentu untuk mengurangi waktu
pemanasan dan suhu operasi.
D. Pembentukan Buih Dan Percikan
Kadang-kadang beberapa zat, seperti larutan NaOH, “skim milk” dan beberapa
asam lemak akan menimbulkan buih/busa yang cukup banyak selama penguapan
disertai dengan percikan-percikan liquid yang tinggi. Buih/percikan ini dapat
terbawa oleh uap yang keluar dari evaporator dan akibatnya terjadi kehilangan.
Jadi harus diusahakan pencegahannya.
E. Pembentukan Kerak
Banyak larutan yang sifatnya mudah membentuk kerak/endapan. Dengan
terbentuknya kerak ini akan mengutrangi overall heat transfer coefficient, jadi
diusahakan konsentrasi/tekhnik evaporator yang tepat, karena biaya pembersihan
kerak akan memakan waktu dan biaya. (anonim, 2012)
Evaluasi Kinerja Pada Unit Proses Pembentukan Etilen Glikol Dan Pemurniannya (Area 500) Pada
Plant EO/EG 1 di PT. Polychem Indonesia Tbk. Divisi Kimia - Merak