Pemilihan Proses PRARANCANGAN PABRIK FURFURIL ALKOHOL DARI FURFURAL DAN HIDROGEN KAPASITAS 20.000 TON/TAHUN (Perancangan Menara Distilasi-301 (DC-301))
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
EP = {1,0000314 kg 2,5kg + 1,36 kg 0,43kg} – {3,92 kg
1,1kg + 0,814 0,46kg} EP = 3,585-5,078kg produk = - 1,493 kg produk -41
Proses Hidrogenasi
Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : C
5
H
4
O
2g
+ H
2g
C
5
H
6
O
2g
Basis : 1 kg C
5
H
6
O
2
produkfurfuril alkohol BM C
5
H
6
O
2
: 98,1 gmol BM C
5
H
4
O
2
bahan baku: 96,085 gmol dan BM H
2
= 2 gmol Jumlah Produk C
5
H
6
O
2
: 1
, 98
000 .
1 1
= 10,194 mol
Konversi : 80 terhadap furfural Reaksi :
C
5
H
4
O
2g
+ H
2g
C
5
H
6
O
2g
Mula-mula x
- Bereaksi
10,194 10,194 10,194 Sisa
x-10,194 10,194
Mol mula-mula : x-0,8000 x = x-10,194
0,2000 x = x-10,194 x = 12,7425 mol
C
5
H
4
O
2
= x = 12,7425 mol H
2
= x = 10,1940 mol
80
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
Jumlah Reaktan yang dibutuhkan
C
5
H
4
O
2
gram kg
mol gram
mol 1000
1 1
96 7425
, 12
= 0,995 kg
H
2
gram kg
mol gram
mol 1000
1 1
2 10,194
= 0,0204 kg
Jumlah Produk yang terbentuk C
5
H
6
O
2
gram kg
mol gram
mol 1000
1 1
1 ,
98 194
, 10
= 1,0000314 kg
Tabel II.2 Harga bahan baku dan produk proses hidrogenasi
ton Bahan Baku
Produk
1. Furfural C
5
H
4 2
2. Hidrogen H
2
3. Furfuril alkoholC
5
H
6 2
1.100 3.000
2.500 Sumber : web of Puyang Dingxin Chemical Co., Ltd. 12 Feb 2012
web of PT Samator Gas Indonesia. 9 Feb 2013
Untuk menghitung perolehan keuntungan kasar dapat digunakan persamaan berikut ini :
EP = Harga Produk – Harga Bahan Baku
EP = Harga furfuril alkohol – { harga furfural + harga hidrogen}
EP = 1,0000314 kg 2,5kg – {0,995 kg 1,1kg + 0,0204
3kg} EP = 3,0000942-1,194+0,0714kg produk
= 1,7347 kg produk 137
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
B.2 Tinjauan Termodinamika
Perubahan entalpi ΔH menunjukkan panas reaksi yang dihasilkan
ataupun panas reaksi yang dibutuhkan selama proses berlangsungnya reaksi kimia. Dalam hal ini, pada reaksi pembentukkan Furfuril alkoholdari furfural.
Besar atau kecil nilai ΔH tersebut menunjukkan jumlah energi yang
dibutuhkan maupun dihasilkan. ΔH bernilai positif + menunjukkan bahwa
reaksi tersebut membutuhkan panas agar berlangsungnya reaksi sehingga semakin besar
ΔH maka semakin besar juga energi yang dibutuhkan dan cost yang harus dikeluarkan. Sedangkan
ΔH bernilai negatif - menunjukkan bahwa reaksi tersebut menghasilkan panas selama proses berlangsungnya
reaksi sehingga tidak membutuhkan energi selama proses namun membutuhkan energi untuk penyerapan panas agar reaksi tetap berlangsung
pada temperatur reaksinya. Penentuan panas reaksi yang berjalan secara eksotermis atau endotermis dapat dihitung dengan perhitungan panas
pembentukan standar ΔH°f pada P = 1 atm dan T = 298 K.
B.2.1 Disproposionasi aldehida dengan NaOH
Reaksi yang terjadi :
2C
5
H
4
O
2
l + NaOHl C
5
H
6
O
2
l + C
5
H
3
O
3
Nal Furfural Sodium hidroksida Furfuril alkohol Asam furat
Nilai ΔH°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat
dilihat pada Tabel II.3. sebagai berikut:
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tabel II.3 Nilai ΔH°f disproposinasi aldehid
Komponen ΔH°f, kJmol
C
5
H
4
O
2
l -201,6
NaOHl -425,8
C
5
H
6
O
2
l -276,2
C
5
H
3
O
3
Nal -365,8
Sumber: Yaws, Thermodynamic chemical data
ΔH°r 298 K = ΔH°f produk - ΔH°f reaktan = [
ΔH°f
C
5
H
6
O
2
l
+
C
5
H
3
O
3
Nal
] – [ 2 x ΔH°f
C
5
H
4
O
2
l
+
NaOHl
] = [ -276,2 + -365,8 ]
– [ 2 x -201,6 + -425,8 ] = +187 kJmol
Karena nilai ΔH°r 298 K positif, maka reaksi bersifat endotermis Untuk panas reaksi pada suhu 343 K
ΔH
o
343K = ΔH
298
+ ΔC
pmh
ΔT Smith, pers. 4.21
Komponen Koefisien
A B
C D
C
5
H
4
O
2
l 2
66,792 7,0755.10
-1
-1,8082.10
-3
1,9630.10
-6
NaOHl 1
87,639 -4,8368.10
-4
-4,5423.10
-6
1,1863.10
-9
C
5
H
6
O
2
l 1
72,353 9,3499.10
-1
-2,4272.10
-3
2,5437.10
-6
C
5
H
3
O
3
Nal 1
57,639 4,2117.10
-1
-1,2531.10
-3
1,6223.10
-6
Selisih produk-reaktan
-1 -91,231
-0,05846 -0,0002334
0,0000023667 Sumber: Yaws, Thermodynamic chemical data
Untuk T
am
= 320,5 K
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
= -91,231 + -0,05846 x 320,5 + -0,00023343 x 4 x 320,5
2
– 298 x 343 + 0,0000023667
298 x 343 ΔC
pmh
= 580,347 kJmol
o
K ΔHrx = 187 + 580,347 x 343 - 298
ΔHrx = +26.302,615 kJmol
B.2.2 Proses Hidrogenasi
Fasa cair Reaksi yang terjadi :
C
5
H
4
O
2
l + H
2
g C
5
H
6
O
2
l Furfural Hidrogen Furfuril alkohol
Nilai ΔH°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat
dilihat sebagai berikut :
Tabel II.4 Nilai ΔH°f proses hidrogenasi cair
Komponen ΔH°f, kJmol
C
5
H
4
O
2
l -201,6
H
2
g C
5
H
6
O
2
l -276,2
Sumber: Yaws, Thermodynamic chemical data
ΔH°r 298 K = ΔH°f produk - ΔH°f reaktan = [
ΔH°f
C
5
H
6
O
2
l
] – [ΔH°f
C
5
H
4
O
2
l
+
H
2
g
] = [-276,2
– -201,6] kJmol = -74,6 kJmol
Karena nilai ΔH°r 298 K negatif, maka reaksi bersifat eksotermis Untuk panas reaksi pada suhu 453 K
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
ΔH
o
453K = ΔH
298
+ ΔC
pmh
ΔT Smith, pers. 4.21
Komponen Koefisien
A B
C D
C
5
H
4
O
2
l 1
66,792 7,0755.10
-1
-1,8082.10
-3
1,9630.10
-6
H
2
g 1
25,399 2,0178.10
-2
-3,8549.10
-6
3,1880.10
-8
C
5
H
6
O
2
l 1
72,353 9,3499.10
-1
-2,4272.10
-3
2,5437.10
-6
Selisih produk-reaktan
-1 30,960
0,09125 -0,007689
-0,000005499 Sumber: Yaws, Thermodynamic chemical data
Untuk T
am
= 375,5 K = 30,960 + 0,09125 x 375,5 + -0,0076893 x 4
x 375,5
2
– 298 x 453 + -0,000005499 298 x 453
ΔC
pmh
= -115,122 kJmol
o
K ΔHrx
= -74,6+ -115,122 x 543 - 298
ΔHrx =
-17.918,51 kJmol Fasa uap
Reaksi yang terjadi :
C
5
H
4
O
2
g + H
2
g C
5
H
6
O
2
g Furfural Hidrogen Furfuril alkohol
Nilai ΔH°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat
dilihat sebagai berikut:
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tabel II.5 Nilai ΔH°f proses hidrogenasi uap
Komponen ΔH°f, kJmol
C
5
H
4
O
2
g -151
H
2
g C
5
H
6
O
2
g -211,8
Sumber: Yaws, Thermodynamic chemical data
ΔH°r 298 K = ΔH°f produk - ΔH°f reaktan = [
ΔH°f
C
5
H
6
O
2
g
] – [ΔH°f
C
5
H
4
O
2
g
+
H
2
g
] = [-211,8
– -151] kJmol = -60,8 kJmol
Karena nilai ΔH°r 298 K negatif, maka reaksi bersifat eksotermis Untuk panas reaksi pada suhu 463 K
ΔH
o
463 K = ΔH
298
+ ΔC
pmh
ΔT Smith, pers. 4.21
Komponen Koefisien
A B
C D
C
5
H
4
O
2
g 1
15,470 2,9835.10
-1
-1,9177.10
-5
-1,4621.10
-7
C
5
H
6
O
2
g 1
-7,696 5,5491.10
-1
-4,9754.10
-4
2,3193.10
-8
H
2
g 1
25,399 2,9906.10
-2
-3,8549.10
-5
-1,7825.10
-8
Selisih produk-reaktan
-1 2,233
-0,01569 0,000861
-0,000009154 Sumber: Yaws, Thermodynamic chemical data
Untuk T
am
= 380,5 K
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
= 2,233 + -0,01569 x 370,5 + 0,0008613 x 4 x 370,5
2
– 298 x 443 + -0,000009154 298 x 443
ΔC
pmh
= -96,743 kJmol
o
K ΔHrx
= -60,8 + 96,743 x 443 - 298
ΔHrx =
-14.088,355 kJmol
B.3 Tinjauan termodinamika berdasarkan energi Gibbs ΔG
o
Energi Gibbs standar menunjukkan spontan atau tidak spontannya suatu reaksi kimia.
ΔG
o
bernilai positif + menunjukkan bahwa reaksi tersebut tidak dapat berlangsung secara spontan, sehingga dibutuhkan energi tambahan
dari luar. Sedangkan ΔG
o
bernilai negatif - menunjukan bahwa reaksi tersebut dapat berlangsung secara spontan dan hanya sedikit membutuhkan
energi. Oleh karena itu, semakin kecil atau negatif ΔG
o
maka reaksi tersebut akan semakin baik karena untuk berlangsung spontan energi yang dibutuhkan
semakin kecil.
B.3.1 Disproposionasi aldehida dengan NaOH
Reaksi yang terjadi :
2C
5
H
4
O
2
l + NaOHl C
5
H
6
O
2
l + C
5
H
3
O
3
Nal Furfural hidroksida Furfuril alkohol Asam furat
Nilai ΔG°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat dilihat
pada Tabel II.6. sebagai berikut :
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tabel II.6 Nilai ΔG°f proses disproposionasi aldehida
Komponen ΔG°f, kJmol
C
5
H
4
O
2
l -102,87
NaOHl -419,2
C
5
H
6
O
2
l -154
C
5
H
3
O
3
Nal -275,8
Sumber: Yaws, Thermodynamic chemical data
ΔG° 298 K = ΔG°f produk - ΔG°f reaktan = [
ΔG°f
C
5
H
6
O
2
l
+
C
5
H
3
O
3
Nal
] – [ 2 x ΔG°f
C
5
H
4
O
2
l
+
NaOHl
] = [ -154 + -275,8 ]
– [ 2 x -102,87 + -419,2 ] = +195,14 kJmol
Karena nilai ΔG° 298 K positif, maka reaksi bersifat tidak spontan. Untuk energi Gibbs pada suhu
ΔG
o
343 K
= A T-To + T
2
-T
o 2
+ T
3
-T
o 3
+ T
4
-T
o 4
= -91,231 343-298 + -0,058462343
2
-298
2
+ - 0,00023343343
3
-298
3
+ 0,00000236674343
4
- 298
4
= +322 ,098 Kjkmol = Aln T
– ln T
o
+ BT-T
o
+ T
2
- T
o 2
+ T
3
- T
o 3
= -91,231ln 343-ln 298+ -0,05846343-298+ - 0,00023342343
2
-298
2
+ 0,00000236673343
3
-298
3
= +21,355 kjkmol dT
R Cp
R
T T
o
T dT
R Cp
R
T T
o
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
T R
o
G
= +187 + 322,098-343+187-195,14298 -21,355 = +54 kjkmol
B.3.2 Proses Hidrogenasi
Reaksi yang terjadi fasa uap :
C
5
H
4
O
2
g + H
2
g C
5
H
6
O
2
g Furfural Hidrogen Furfuril alkohol
Nilai ΔG°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat dilihat
pada tabel berikut :
Tabel II.7 Nilai ΔG°f proses hidrogenasi uap
Komponen ΔG°f, kJmol
C
5
H
4
O
2
g -102,87
H
2
g C
5
H
6
O
2
g -154
Sumber: Yaws, Thermodynamic chemical data
ΔG° 298 K = ΔG°f produk - ΔG°f reaktan = [
ΔG°f
C
5
H
6
O
2
g
] – [ΔG°f
C
5
H
4
O
2
g
+
H
2
g
] = [-154 - -102,87] kJmol
= -51,13 kJmol Karena nilai ΔG° 298 K negatif, maka reaksi bersifat spontan
Untuk energi Gibbs pada suhu ΔG
o
443 K T
dT R
Cp RT
T G
H T
dT R
Cp R
H G
T T
o T
R o
T R
o T
T T
R o
T R
o
o o
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
= A T-To + T
2
-T
o 2
+ T
3
-T
o 3
+ T
4
-T
o 4
= 2,233 443-298 + -0,015692443
2
-298
2
+ - 0,0076893443
3
-298
3
+ -0,000009154 4443
4
- 298
4
= -89,398 Kjkmol = Aln T
– ln T
o
+ BT-T
o
+ T
2
- T
o 2
+ T
3
- T
o 3
= 2,233ln 443-ln298+ -0,01569443-298+ - 0,0076892 443
2
-298
2
+ -0,0000091543443
3
- 298
3
= -17,323 kjkmol
= -60,8+-89,398-443-60,8--51,13298--17,323 = -141,390 kjkmol
Reaksi yang terjadi fasa cair :
C
5
H
4
O
2
l + H
2
g C
5
H
6
O
2
l Furfural Hidrogen Furfuril alkohol
Nilai ΔG°f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat dilihat
pada tabel berikut : dT
R Cp
R
T T
o
T dT
R Cp
R
T T
o
T dT
R Cp
RT T
G H
T dT
R Cp
R H
G
T T
o T
R o
T R
o T
T T
R o
T R
o
o o
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tabel II.8 Nilai ΔG°f proses hidrogenasi cair
Komponen ΔG°f, kJmol
C
5
H
4
O
2
l -134,14
H
2
g C
5
H
6
O
2
l -206,5
Sumber: Yaws, Thermodynamic chemical data
ΔG° 298 K = ΔG°f produk - ΔG°f reaktan = [
ΔG°f
C
5
H
6
O
2
l
] – [ΔG°f
C
5
H
4
O
2
l
+
H
2
g
] = [-206,5
– -134,14] kJmol = -71,46 kJmol
Karena nilai ΔG° 298 K negatif, maka reaksi bersifat spontan. Untuk energi Gibbs pada suhu
ΔG
o
453 K = A T-To + T
2
-T
o 2
+ T
3
-T
o 3
+ T
4
-T
o 4
= 30,960453-298+0,091252453
2
-298
2
+- 0,0076893453
3
-298
3
+-0,0000054994453
3
- 298
3
= -102,472 kjkmol = Aln T
– ln T
o
+ BT-T
o
+ T
2
- T
o 2
+ T
3
- T
o 3
= 30,960ln453-ln298+0,09125453-298+ -0,0076892453
2
-298
2
+ -0,0000054993453
3
-298
3
= -31,889 kjkmol
= -74,5+-102,472-453-74,5--71,46298--31,889 = -149,704 kjkmol dT
R Cp
R
T T
o
T dT
R Cp
R
T T
o
T dT
R Cp
RT T
G H
T dT
R Cp
R H
G
T T
o T
R o
T R
o T
T T
R o
T R
o
o o
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung
Berikut matrik dalam mempertimbangkan pemilihan metode yang akan digunakan:
Tabel II.9 Matrik pemilihan proses
No Parameter
Diproposinasi dengan NaOH
Hidrogenasi Fasa cair
Hidrogenasi fasa uap
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11 Temperatur reaksi
Tekanan operasi Fasa reaksi
Konversi Katalis
Kemurnian produk Jenis reaktor
Keuntungan Panas reaksi
ΔH Energi Gibbs ΔG
o
Produk samping 70
o
C 10 atm
Cair-Cair 50
- 97
BatchCSTR - 1,493kg produk
-41 +26.302,615 kJmol
+54 kJmol -
150-250
o
C 10-29 atm
Cair-Gas Hingga 99
Copper, nickle, titanium
90 Autoclave
1,7347 kg produk 137
-17.918,51 kJmol -149,704 kJmol
Methylfuran 170-250
o
C 1-5 atm
Vapor-Gas 80-99
Copper, nickle, titanium
99 Fixed bed multitube
1,7347 kg produk 137
-14.088,355 kJmol -141,390 kJmol
-
Berdasarkan matrik metode proses hidrogenasi di atas, maka di pilih proses hidrogenasi dengan katalis Copper oxide CuO pada fasa uap untuk
memproduksi furfuril alkohol dari furfural danhidrogen karena pertimbangan memberikan kondisi operasi yang relatif aman dan kemurnian yang dihasilkan
lebih baik dari metode yang lain.
Prarancangan Pabrik Furfuril Alkohol dari Furfural dan Hidrogen Kapasitas 20.000 TonTahun Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung