BAB II DESKRIPSI PROSES 2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk 2.1.1 Spesifikasi Bahan baku

BAB II

DESKRIPSI PROSES

2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk 2.1.1 Spesifikasi Bahan baku

1. Natrium Hidroksida (NaOH)  Wujud : Padat  Warna : Putih

 Bau : Tidak berbau  Kemurnian : 98% (minimal)  Impuritas

 Na2CO3 : 0,4% (maksimal)

 NaCl : 300 ppm (maksimal)  Na2SO4 : 400 ppm (maksimal)

 Fe : 10 ppm (maksimal)

(www.asc.co.id) 2. Phenol (C6H5OH)

 Wujud : Padat  Warna : Putih  Bau : Aromatik  Kemurnian : 98%

 Impuritas : C7H8O 2% (maksimal)

(www.metropolitanphenolpratama.co.id) 3. Karbon Dioksida (CO2)

 Wujud : Gas

 Warna : Tidak Berwarna  Bau : Tidak Berbau  Kemurnian : 99,8% (maksimal)

(www.krakatausteel.com) 4. Asam Sulfat (H2SO4)

 Wujud : Cairan

 Warna : tidak berwarna sampai sedikit kuning  Bau : Tidak berbau

 Kemurnia : 98% (minimal)  Impuritas

 Fe : 100 ppm (maksimal)  Mn : 1 ppm (maksimal)  Pb : 10 ppm (maksimal)

2.1.2 Spesifikasi Produk 1. Asam Salisilat

 Wujud : Padat berbentuk kristal  Warna : Tidak berwarna

 Bau : Berbau harum diawal kemudian menyengat  Kemurnian : 99% (minimal)

 Impuritas

 Phenol : 0,2% (maksimal)  Debu : 0,3% (maksimal)

(www.gaophemchem.com) 2.2 Konsep Proses

Proses pembuatan asam salisilat dari phenol dan natrium hidroksida menggunakan proses kolbe schmitt.

2.2.1 Dasar Reaksi

Pembuatan asam salisilat dari phenol dan natrium hidroksida terdiri dari tiga reaksi dan terjadi pada tiga jenis reaktor yang berbeda, dengan kondisi tekanan dan suhu yang berbeda pula. Reaksi pertama adalah proses pembuatan sodium phenolat pada suhu 90O_{C dan tekanan 1 atm.}

90O_{C 1atm}

C6H5OH + NaOH C6H5ONa + H2O

Reaksi tersebut dilanjutkan dengan proses karboksilasi yaitu mereaksikan sodium phonlat dengan gas karbon dioksida pada suhu 180O_{C dan tekanan 7 atm.}

180O_{C 7atm}

C6H5ONa + CO2 C7H5O3Na

Reaksi yang terakhir adalah mereaksikan sodium salisilat dengan asam organik yaitu asam sulfat membentuk asam salisilat pada kondisi 60O_{C dan}

tekanan 1 atm.

60O_{C 1atm}

C7H5O3Na + H2SO4 C7H6O3Na

Pembentukan asam salisilat dengan proses kolbe schmitt konversi reaksi yang terjadi sebesar 85-90%.

2.2.2 Sifat Reaksi

2.2.2.1 Tinajauan Termodinamika

Dilihat dari tinjauan termodinamika, reaksi pembentukan asam salisilat dari phenol dan natrium hidroksida merupakan reaksi eksotermis. Reaksi ini

dibuktikan dengan perhitungan menggunakan panas pembentukan standar (∆H) yang bernilai negatif.

Diketahui data kapasitas panas atau Cp sebagai berikut: 1. Kapasitas Panas Padatan

Cp = A + BT + CT2

Dimana : Cp = kapasitas panas, J/mol o_K

T = suhu (o_K)

A, B, C = konstanta Kompone

n A B C Cp

C6H5OH 9,769 4,0832,E-01 -1,9001,E-05 1,2976,E+02

NaOH 51,234 1,3088,E-02 2,3369,E-05 5,7209,E+01 C7H6O3 36,78 3,1990,E-01 3,7930,E-04 1,6579,E+02

(Perry’s Chemical Engineering Book 8th Edition) 2. Kapasitas Panas Cairan

Cp = A + BT + CT2 _{+ DT}3

Dimana : Cp = kapasitas panas, J/mol o_K

T = suhu (o_K)

A, B, C, D = konstanta Kompone

n A B C D Cp

H2O 92,053

-3,9953,E-02 -2,1103,E-04 5,3469,E-07 7,5557,E+01 H2SO4 26,004 7,0337,E-01

-1,3856,E-03 1,0342,E-06 1,3993,E+02 Na2SO4

233,51 5

-4,8368,E-04

-3,4665,E-05 1,5771,E-08 2,3071,E+02 (Perry’s Chemical Engineering Book 8th Edition)

3. Kapasitas Panas Gas Cp = A + BT + CT2 _{+ DT}3

Dimana : Cp = kapasitas panas, J/mol o_K

T = suhu (o_K)

A, B, C, D, E = konstanta

Komponen A B C D E Cp

CO2 27,437 4,2315,_E-02 -1,9555,_E-05 3,9968,_E-09 -2,9872,_E-13 3,8414,_E+01

(Perry’s Chemical Engineering Book 8th Edition) 4. Nilai Entalphi Pembentukan Standar T 298o_{K (ΔH}o_f)

Komponen ΔHf

NaOH -426,6006 C6H5ONa -329,2000

H2O -285,8400

CO2 -393,5136

C7H5O3Na -812,8000

H2SO4 -810,3990

C7H6O3 -585,3000

Na2SO4 -1382,8120

(Reaklaitis, 1983.,Perry’s 8th edition.,nist.com) 5. Perhitungan Panas Pembentukan Standar (ΔH) Reaksi I

ΔHo_{R =}

∫

363 298

Cp C₆H₅OH dT+

∫

363 298

Cp NaOH dT

= [129,761 x (298 – 363)] + [ 57,2086 x (298 – 363)] = -8434,4647 + -3718,6165

= -12153,0812 j/mol = -12,1531 kj/mol ΔHO_{P =}

∫

298 363

Cp C₆H₅ONa dT+

∫

298 363

Cp H₂O dT

= [142,761 x (363 – 298)] + [75,5565 x (363 – 298)] = 9278,7500 + 4911,1735

= 14189,9235 j/mol = 14,1899 kj/mol

ΔHO_{298 = ΔH}o_{f Produk – ΔH}O_{f Reaktan}

= -615,0400 – (-522,9582) = -92,0818 kj/mol

Sehingga nilai

ΔH = ΔHO_{R + ΔH}O_{P + ΔH}O₂₉₈

= -90,0450 kj/mol

ΔH yang diperoleh adalah negatif, sehingga dapat disimpulkan bahwa reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis ( reaksi yang berlangsung dengan melepaskan panas ).

ΔHo_{R =}

∫

382 298

Cp C6H5ONa dT+

∫

382 298

Cp CO2dT

= [129,761 x (298 – 382)] + [38,4185 x (298 – 382)] = -11991,0000 + -3226,7526

= -15217,7526 j/mol = -15,2178 kj/mol ΔHO_{P = [180,48 x (453 – 298)]}

= 27974,4000 j/mol = 27,9744 kj/mol

ΔHo_{298 = ΔH}O_{f Produk – ΔH}O_{f Reaktan}

= -812,8000 – (-722,7136) = -90,0864 kj/mol

Sehingga nilai

ΔH = ΔHO_{R + ΔH}O_{P + ΔH}o₂₉₈

= -77,3298 kj/mol

ΔH yang diperoleh adalah negatif, sehingga dapat disimpulkan bahwa reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis ( reaksi yang berlangsung dengan melepaskan panas ).

7. Perhitungan Panas Pembentukan Standar (ΔH) Reaksi III ΔHo_{R = [2 x 360,16 x (298 - 333)] + [139,9301 x (298 - 333)]}

= -12633,6000 + -4897,5530 = -17531,1530 j/mol

= -17,5312 kj/mol

ΔHO_{P = [2 x 165,7936 (333 – 298)] + [230,7099 x (333 – 298)]}

= 11605,5490 + 8074,8441 = 19680,3931 j/mol

= 19,6804 kj/mol

ΔHo_{298 = ΔH}o_{f Produk – ΔH}o_{f Reaktan}

= -1968,1120 – (-1623,1990_ = -344,9130 kj/mol

ΔH = ΔHO_{R + ΔH}O_{P + ΔH}O₂₉₈

= -342,7638 kj/mol

ΔH yang diperoleh adalah negatif, sehingga dapat disimpulkan bahwa reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis ( reaksi yang berlangsung dengan melepaskan panas ).

2.2.2.2 Tinjauan Kinetika

Dengan data energi bebas Bibbs standar atau ΔGf0 pada temperatur 2980K

adalah sebagai berikut: CO2 = -394,4000

NaOH = -379,4940 H2O = -228,6418

C6H5OH = -32,8900

H2SO4 = -690,0030

Na2SO4 = -1270,2000

(Carl L. Yaws, Chemical Properties Handbook, 1999) C7H6O3 = -1264,2027

C7H5O3Na = -846,0986

C6H5ONa = -1472,8035

(nist.com) Reaksi pembentukan asam salisilat ini dapat bersifat searah (irreversibel) atau dapat balik (reversibel) dapat ditentukan secara themodinamika, yaitu berdasarkan pesamaan:

Van’t Hoff: d(∆ G0/RT)

dT =

−∆ H0 R T2

∆Go _{= - RT ln K}

(J.M. Smith and H.C. Van Ness, 1975) dimana : ∆Go

298 = Perubahan entalphy karena reaksi (KJ/mol)

R = Konstanta gas ideal (8,314 x 10-3 _{KJ/mol K)}

T = Temperatur, K

1. Penentuan Harga K (Konstanta Kesetimbangan) Reaksi 1 ΔGo

298 = ΔGoP – ΔGoR

= [(ΔG C6H5ONa + Δg H2O)] - [(ΔG C6H5OH + ΔG NaOH)]

= [(-517,2300) + (-228,6418)] - [(-32,8900) + (-379,4940)] = (-1074,740382) – (-412,384)

= -662,3564 kj/mol ΔGo

298 = -RT ln K298

-662,3564= -8,3140E-03 x 298 x ln K298

-662,3564= -2,4776 x ln K298

ln K298 = exp(267,3409)

K298 = 1,2726E+116

Maka harga K (konstanta kesetimbangan) pada suhu 363O_{K (T}

2) adalah:

ln K363

K298

= −∆ H_R

(

_T1

2

− 1 T₁

)

ln K363

K298

= −(−92,0818) 8,314x10−3

(

1 363−

1 298

)

ln K363

K298

= (-11075,5162) x (-6,0088,E-04) K363 = exp 6,6551 x K298

K363 = 7,7673E+02 x 1,2726E+116

K363 = 9,9884E+118

Harga K pada suhu (363O_{K) adalah 9,9884E+118 sehingga untuk reaksi I}

pembuatan sodium phenolat bersifat searah (irreversibel). 2. Penentuan Harga K (Konstanta Kesetimbangan) Reaksi II

ΔGo

298 = ΔGoP – ΔGoR

= [(ΔG C7H5O3Na)] - [(ΔG C6H5ONa) + (ΔG CO2)]

= -232,3050 ΔGo

298 = -RT ln K298

-232,3050= (-8,3140E-03) x 298 x ln K298

-232,3050= -2,4776 x ln K298

ln K298 = exp(9,3763E+01)

K298 = 5,258E+40

Maka harga K (konstanta kesetimbangan) pada suhu 453O_{K (T}

2) adalah:

ln K453 K298

= −∆ H_R

(

_T1

2

− 1 T₁

)

ln K453

K298

= −(−90,0864) 8,314x10−3

(

1 453−

1 298

)

ln K453

K298

= 9301,1528 x -0,0011 K453 = exp -10,6796 x K298

K453 = 2,30101E-05 x 5,258E+40

K453 = 1,2099E+36

Harga K pada suhu (453O_{K) adalah 1,2099E+36 sehingga untuk reaksi I}

pembuatan sodium phenolat bersifat searah (irreversibel). 3. Penentuan Hraga K (Konstanta Kesetmibangan) Reaksi III

ΔGo

298 = ΔGoP – ΔGoR

= [(2 x ΔG C7H6O3) + (ΔG Na2SO4)] – [(2 x ΔG C7H5O3Na) + (ΔG

H2SO4)]

= (-3798,6054) – (-3635,6101) = -162,9953

ΔGo

298 = RT lnK298

-162,9953= (-8,3140E-03) x 298 x ln K298

-162,9953= -2,4776 x ln K298

K298 = 3,7283E+28

Maka harga K (konstanta kesetimbangan) pada suhu 333O_{K (T}

2) adalah:

ln K333 K298

= −∆ H_R

(

_T1

2

− 1 T₁

)

ln K333

K298

= −(−344,9130) 8,314x10−3

(

1 333−

1 298

)

ln K333

K298

= (-41227,3033) x (-0,0004) K333 = exp(14,5409) x K298

K333 = (2,0656E+06) x (3,7283E+28)

K333 = 7,7012E+34

Harga K pada suhu (333O_{K) adalah = 7,7012E+34 sehingga untuk reaksi III}

pembuatan asam salisilat bersifat searah (irreversibel). 2.3 Diagram Alir Proses

2.3.1 Deskripsi Proses

Pra rancangan pabrik pembuatan asam salisilat menggunakan proses Kolbe Schmitt. Proses ini lebih dipilih karena reaksi karboksilasi dapat dilakukan pada temperatur sekitar 180o_{C, yaitu antara CO}

2 dengan natrium phenolate

yang terlebih dahulu dibuat dengan mereaksikan natrium hidroksida dengan senyawa phenol. Kemajuan sintesis yang telah dikembangkan ini meningkatkan jumlah asam salisilat yang dihasilkan. Selain itu diperoleh konversi Phenol yang lebih tinggi serta proses pemurnian asam salisilat yang tidak begitu rumit. Selain penghematan energi karena temperatur yang digunakan lebih rendah, juga bahan baku yang digunakan seperti phenol cukup murah dan mudah didapat.

2.3.1.1 Proses Persiapan Sodium Phenolate

Phenol (89%) liquid dan natrium hdiroksida (50%) dialirkan menuju Mixer (M-03) untuk selanjutnya diumpankan ke Reaktor I (R-01). Produk yang dihasilkan adalah natrium phenolate dengan kandungan air yang masih sangat tinggi, maka kemudian diuapkan dalam Evaporasi (EV-01), agar diperoleh

natrium phenolate dengan kadar air yang rendah. Natrium phenolate kemudian diumpankan ke dalam Reaktor II (R-02) untuk proses karboksilasi.

2.3.1.2 Proses Karboksilasi

Karbon dioksida berlebih pada tekanan 7 atm diumpankan ke dalam Reaktor II (R-201) untuk direaksikan dengan sodium phenolate. Karbon dioksida berlebih sangat diperlukan untuk memperoleh konversi yang tinggi dari asam salisilat. Temperatur dijaga tetap pada suhu 1800C untuk menjaga agar reaksi karboksilasi dapat berlangsung sempurna. Produk yang keluar dari reaktor II (R-201) berupa campuran sodium salisilat.

2.3.1.2 Proses Pemurnian

Setelah proses karboksilasi berlangsung, maka natrium salisilat yang dihasilkan diumpankan kedalam Reaktor III (R-03). Penambahan asam kuat pada air yang berisi natrium salisilatdilakukan dengan penambahan asam sulfat dengan konsentrasi 60% pada suhu 60o_{C. Hasil didapat diumpankan kedalam Dekanter}

untuk memisahkan natrium sulfat yang merupakan hasil samping. Sedangkan campuran asam salisilat yang didapatkan diumpankan kedalam Evaporator (EV-02) untuk dipekatkan, selanjutnya hasil yang didapat diumpankan kedalam Kristalizer (K-01) untuk diubah menjadi padatan. Asam salisilat yang didapatkan diteruskan menuju Centrifuge (Cf-01) untuk memsiahakan asam salisilat padat dan mother liquair (larutan induk), dimana larutan induk tersebut akan diumpankan kembali kedalam Evaporator (EV-02), sedangkan asam salislat yang didapatkan akan dibawa menuju Rotary Dryer (RD-01) dengan Screw Conveyor (SC-01). Asam salisilat kering disimpan dalam Gudang Penyimpanan (GP-03) dengan menggunakan Screw Conveyor (SC-02).

2.4 Diagram Alir Neraca Massa 2.5

ΔH = ΔHO_{R + ΔH}O_{P + ΔH}O₂₉₈ = -342,7638 kj/mol

ΔH yang diperoleh adalah negatif, sehingga dapat disimpulkan bahwa reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis ( reaksi yang berlangsung dengan melepaskan panas ).

2.2.2.2 Tinjauan Kinetika

Dengan data energi bebas Bibbs standar atau ΔGf0 _{pada temperatur 298}0_K adalah sebagai berikut:

CO2 = -394,4000

NaOH = -379,4940

H2O = -228,6418

C6H5OH = -32,8900 H2SO4 = -690,0030 Na2SO4 = -1270,2000

(Carl L. Yaws, Chemical Properties Handbook, 1999)

C7H6O3 = -1264,2027 C7H5O3Na = -846,0986 C6H5ONa = -1472,8035

(nist.com) Reaksi pembentukan asam salisilat ini dapat bersifat searah (irreversibel) atau dapat balik (reversibel) dapat ditentukan secara themodinamika, yaitu berdasarkan pesamaan:

Van’t Hoff: d(∆ G0/RT)

dT =

−∆ H0 R T2 ∆Go _{= - RT ln K}

(J.M. Smith and H.C. Van Ness, 1975) dimana : ∆Go

298 = Perubahan entalphy karena reaksi (KJ/mol) R = Konstanta gas ideal (8,314 x 10-3 _{KJ/mol K)} T = Temperatur, K

1. Penentuan Harga K (Konstanta Kesetimbangan) Reaksi 1 ΔGo

298 = ΔGoP – ΔGoR

= [(ΔG C6H5ONa + Δg H2O)] - [(ΔG C6H5OH + ΔG NaOH)] = [(-517,2300) + (-228,6418)] - [(-32,8900) + (-379,4940)] = (-1074,740382) – (-412,384)

= -662,3564 kj/mol

ΔGo

298 = -RT ln K298

-662,3564= -8,3140E-03 x 298 x ln K298 -662,3564= -2,4776 x ln K298

ln K298 = exp(267,3409) K298 = 1,2726E+116

Maka harga K (konstanta kesetimbangan) pada suhu 363O_{K (T2) adalah:} ln K363

K298

= −∆ H_R

(

_T1 2

− 1 T₁

)

ln K363

K298

= −(−92,0818) 8,314x10−3

(

1 363−

1 298

)

ln K363

K298

= (-11075,5162) x (-6,0088,E-04) K363 = exp 6,6551 x K298

K363 = 7,7673E+02 x 1,2726E+116 K363 = 9,9884E+118

Harga K pada suhu (363O_{K) adalah 9,9884E+118 sehingga untuk reaksi I} pembuatan sodium phenolat bersifat searah (irreversibel).

2. Penentuan Harga K (Konstanta Kesetimbangan) Reaksi II ΔGo

298 = ΔGoP – ΔGoR

= [(ΔG C7H5O3Na)] - [(ΔG C6H5ONa) + (ΔG CO2)] = (-1472,8035) – (-1240,4986)

= -232,3050

ΔGo

298 = -RT ln K298

-232,3050= (-8,3140E-03) x 298 x ln K298 -232,3050= -2,4776 x ln K298

ln K298 = exp(9,3763E+01) K298 = 5,258E+40

Maka harga K (konstanta kesetimbangan) pada suhu 453O_{K (T2) adalah:} ln K453

K298

= −∆ H_R

(

_T1 2

− 1 T₁

)

ln K453

K298

= −(−90,0864) 8,314x10−3

(

1 453−

1 298

)

ln K453

K298

= 9301,1528 x -0,0011 K453 = exp -10,6796 x K298

K453 = 2,30101E-05 x 5,258E+40 K453 = 1,2099E+36

Harga K pada suhu (453O_{K) adalah 1,2099E+36 sehingga untuk reaksi I} pembuatan sodium phenolat bersifat searah (irreversibel).

3. Penentuan Hraga K (Konstanta Kesetmibangan) Reaksi III ΔGo

298 = ΔGoP – ΔGoR

= [(2 x ΔG C7H6O3) + (ΔG Na2SO4)] – [(2 x ΔG C7H5O3Na) + (ΔG H2SO4)]

= (-3798,6054) – (-3635,6101) = -162,9953

ΔGo

298 = RT lnK298

-162,9953= (-8,3140E-03) x 298 x ln K298 -162,9953= -2,4776 x ln K298

K298 = 3,7283E+28

Maka harga K (konstanta kesetimbangan) pada suhu 333O_{K (T2) adalah:} ln K333

K298

= −∆ H_R

(

_T1 2

− 1 T₁

)

ln K333

K298

= −(−344,9130) 8,314x10−3

(

1 333−

1 298

)

ln K333

K298

= (-41227,3033) x (-0,0004) K333 = exp(14,5409) x K298

K333 = (2,0656E+06) x (3,7283E+28) K333 = 7,7012E+34

Harga K pada suhu (333O_{K) adalah = 7,7012E+34 sehingga untuk reaksi III} pembuatan asam salisilat bersifat searah (irreversibel).

2.3 Diagram Alir Proses 2.3.1 Deskripsi Proses

Pra rancangan pabrik pembuatan asam salisilat menggunakan proses Kolbe Schmitt. Proses ini lebih dipilih karena reaksi karboksilasi dapat dilakukan pada temperatur sekitar 180o_{C, yaitu antara CO}

2 dengan natrium phenolate

yang terlebih dahulu dibuat dengan mereaksikan natrium hidroksida dengan senyawa phenol. Kemajuan sintesis yang telah dikembangkan ini meningkatkan jumlah asam salisilat yang dihasilkan. Selain itu diperoleh konversi Phenol yang lebih tinggi serta proses pemurnian asam salisilat yang tidak begitu rumit. Selain penghematan energi karena temperatur yang digunakan lebih rendah, juga bahan baku yang digunakan seperti phenol cukup murah dan mudah didapat.

2.3.1.1 Proses Persiapan Sodium Phenolate

Phenol (89%) liquid dan natrium hdiroksida (50%) dialirkan menuju Mixer (M-03) untuk selanjutnya diumpankan ke Reaktor I (R-01). Produk yang dihasilkan adalah natrium phenolate dengan kandungan air yang masih sangat tinggi, maka kemudian diuapkan dalam Evaporasi (EV-01), agar diperoleh

natrium phenolate dengan kadar air yang rendah. Natrium phenolate kemudian diumpankan ke dalam Reaktor II (R-02) untuk proses karboksilasi.

2.3.1.2 Proses Karboksilasi

Karbon dioksida berlebih pada tekanan 7 atm diumpankan ke dalam Reaktor II (R-201) untuk direaksikan dengan sodium phenolate. Karbon dioksida berlebih sangat diperlukan untuk memperoleh konversi yang tinggi dari asam salisilat. Temperatur dijaga tetap pada suhu 1800C untuk menjaga agar reaksi karboksilasi dapat berlangsung sempurna. Produk yang keluar dari reaktor II (R-201) berupa campuran sodium salisilat.

2.3.1.2 Proses Pemurnian

Setelah proses karboksilasi berlangsung, maka natrium salisilat yang dihasilkan diumpankan kedalam Reaktor III (R-03). Penambahan asam kuat pada air yang berisi natrium salisilatdilakukan dengan penambahan asam sulfat dengan konsentrasi 60% pada suhu 60o_{C. Hasil didapat diumpankan kedalam Dekanter} untuk memisahkan natrium sulfat yang merupakan hasil samping. Sedangkan campuran asam salisilat yang didapatkan diumpankan kedalam Evaporator (EV-02) untuk dipekatkan, selanjutnya hasil yang didapat diumpankan kedalam Kristalizer (K-01) untuk diubah menjadi padatan. Asam salisilat yang didapatkan diteruskan menuju Centrifuge (Cf-01) untuk memsiahakan asam salisilat padat dan mother liquair (larutan induk), dimana larutan induk tersebut akan diumpankan kembali kedalam Evaporator (EV-02), sedangkan asam salislat yang didapatkan akan dibawa menuju Rotary Dryer (RD-01) dengan Screw Conveyor (SC-01). Asam salisilat kering disimpan dalam Gudang Penyimpanan (GP-03) dengan menggunakan Screw Conveyor (SC-02).

2.4 Diagram Alir Neraca Massa 2.5