Prarancangan Pabrik Asam Benzen Sulfonat dari Benzen dan Asam Sulfat Dengan Kapasitas Ton/Tahun BAB I PENGANTAR

(1)

Antonius Nurcahyo Wibowo (10/297961/TK/36481) Filoyak Josua Sinaga (10/302024/TK/37254)

1 BAB I

PENGANTAR

A. Latar Belakang

Indonesia merupakan salah satu negara berkembang yang mempunyai potensi yang sangat besar pada berbagai bidang, salah satunya pada bidang industri. Dunia industri yang sampai saat ini terus berkembang pesat seiring dengan banyaknya kebutuhan dan besarnya jumlah penduduk di Indonesia mendorong masing-masing industri untuk mengembangkan teknologi proses dan memperbanyak kapasitas untuk mencukupi kebutuhan penduduk di Indonesia. Bahan-bahan berbasis sintesis kimia merupakan salah satu sektor kebutuhan manusia yang terus semakin meningkat. Pemenuhan kebutuhan berbasis sintensis kimia ini, tak lepas dari peran produk-produk intermediate yang merupakan bahan baku dari sebagian besar produk kimia. Salah satu dari produk intermediate yang dapat diolah menjadi berbagai produk kimia adalah asam benzen sulfonat.

Benzene sulfonic acid, atau dalam Bahasa Indonesia dikenal dengan

asam benzen sulfonat adalah salah satu senyawa organik yang memiliki rumus molekul C6H6SO3. Senyawa ini dapat disintesis dengan proses

sulfonasi benzen (C6H6). Asam benzen sulfonat umumnya digunakan sebagai

bahan baku dari produk-produk sintesis kimia lainnya, sehingga asam benzen sulfonat sering disebut sebagai intermediate product. Asam benzen sulfonat paling banyak digunakan sebagai bahan baku pembuatan fenol dan

recorcinol. Selain fenol dan recorcinol, asam benzen sulfonat juga dapat

digunakan sebagai bahan baku produk farmasi, katalis, perwarna, serta dapat digunakan sebagai resin.

Manfaat asam benzen sulfonat sebagai intermediate product yang tentu sangat banyak dibutuhkan ini, ternyata tidak diimbangi dengan produksi bahan tersebut didalam negeri, dikarenakan belum adanya pabrik di Indonesia yang menghasilkan asam benzen sulfonat. Di sisi lain, kebutuhan akan asam

(2)

2 benzen sulfonat semakin meningkat setiap tahunnya, terlihat dari kebutuhan impor Indonesia yang cenderung semakin meningkat

Kebutuhan impor akan asam benzen sulfonat di Indonesia menurut Data Badan Statistik, Yogyakarta mengenai “Statistik Perdagangan Luar Negeri”, kebutuhan asam benzen sulfonat setiap tahunnya pada tahun 2004 sampai tahun 2009 secara berturut-turut adalah sebesar 29.012,720 ton/tahun, 31.026,783 ton/tahun, 35.591,876 ton/tahun, 35.340,930 ton/tahun, 37.428,956 ton/tahun, dan 38.763,270 ton/tahun. Oleh karena itu, mengingat kebutuhan impor yang sangat tinggi di Indonesia akan produk asam benzen sulfonat, maka dengan berdirinya pabrik ini diharapkan semakin memacu pertumbuhan industri lain yang memerlukan bahan dasar asam benzen sulfonat, sehingga dapat memenuhi kebutuhan pasar dalam negeri, bahkan tidak menutup kemungkinan dapat meningkatkan pendapatan negara melalui ekspor asam benzen sulfonat.

Dalam pertimbangan diatas, maka sangatlah tepat sekarang ini bagi para investor untuk menanamkan modalnya untuk mendirikan pabrik asam benzen sulfonat di Indonesia. Selain pertimbangan diatas, pendirian pabrik ini juga didasarkan pada hal-hal sebagai berikut :

1. Menciptakan lapangan kerja baru, yang berarti turut mengurangi jumlah pengangguran di Indonesia.

2. Memacu pertumbuhan industri-industri baru yang menggunakan bahan baku asam benzen sulfonat.

3. Mengurangi ketergantungan pada negara asing.

4. Meningkatkan lapangan pendapatan negara dari sektor industri, serta menghemat devisa negara.

(3)

3 B. Tinjauan Pustaka

a. Proses Sulfonasi

Sulfonasi merupakan reaksi substitusi dari group sulfonic acid (-SO3H) dengan senyawa organik. Reaksi sulfonasi merupakan reaksi yang

bersifat eksotermis sehingga dibutuhkan pendingin untuk mengambil panas selama reaksi berlangsung. Pada reaksi ini juga dibutuhkan pengadukan yang baik (Speight, 2002). Sebagai contoh pada pembentukan senyawa asam benzen sulfonat yang berasal dari reaksi antara benzen dan asam sulfat.

Reaksi yang terjadi pada sulfonasi benzen adalah reaksi antara benzen dengan asam sulfat atau oleum menghasilkan asam benzen sulfonat dan air. Air yang terbentuk akan mengencerkan asam sulfat atau oleum dan menurunkan laju reaksi, sampai pada konsentrasi asam sulfat sekitar 90 persen, maka reaksi akan berhenti. Hal ini dapat diatasi dengan cara menguapkan air yang terbentuk sehingga konsentrasi asam dapat tetap terjaga dan reaksi dapat terus berjalan dengan konversi yang dihasilkan lebih optimal (Foster, 1997).

b. Pemilihan Proses

Pemilihan proses sulfonasi yang dilakukan tergantung dari banyak faktor. Hal yang sangat penting adalah bergantung dari produk yang diinginkan dan kualitas produknya. Selain itu, faktor yang lain adalah kapasitas produksi yang diinginkan. Apabila kapasitas produksi yang diinginkan kecil, lebih cocok menggunakan proses batch, tetapi jika kapasitas produksinya besar maka lebih cocok menggunakan proses kontinyu. Selain itu, biaya bahan baku juga menjadi salah satu pertimbangan dalam memilih proses. Faktor penting lainnya dalam pemilihan proses sulfonasi adalah biaya peralatan proses.(Foster, 1997).

(4)

4 Pertimbangan penggunaan bahan baku untuk proses sulfonasi benzen adalah sebagai berikut

1. Penggunaan oleum

Reaksi dijalankan dengan reaktan benzen dan oleum (fuming sulfuric acid) secara elektrofilik dimana gugus elektrofilik SO3 akan menyerang gugus benzen membentuk asam benzen

sulfonat. Penggunaan oleum kurang disukai karena sifat oleum yang sangat reaktif sehingga reaksinya sulit dikontrol. Reaksinya yang sangat eksotermis menghasilkan panas yang sangat besar, mencapai 380 kJ/kg SO3 akibatnya banyak zat organik membentuk

arang ketika bereaksi dengan SO3 murni (Foster, 1997).

(Solomons, 2011) Gambar 1.1. Mekanisme Reaksi Sulfonasi Benzen

Menggunakan Oleum

2. Penggunaan asam sulfat.

Pada dasarnya mekanisme reaksi dengan menggunakan asam sulfat sama dengan menggunakan oleum. Pada penggunaan asam sulfat elektrofilik hadir dalam bentuk SO3 pula, dimana SO3

dihasilkan dari reaksi kesetimbangan H2SO4. Penggunaan asam

sulfat akan mengurangi resiko yang dapat ditimbulkan dari penggunaan SO3.

(5)

5 (Solomons,2011)

Gambar 1. 2. Mekanisme Reaksi Sulfonasi Benzen Menggunakan Asam Sulfat

Dalam hal ini reaksi desulfonasi benzen dapat terjadi apabila konsentrasi air yang terbentuk tinggi. (Foster,1997). Dari kedua proses diatas, dipilih proses dengan reaktan asam sulfat

terkonsentrasi dengan alasan asam sulfat lebih mudah

penanganannya dibanding oleum.

Salah satu masalah yang tidak diinginkan dari proses sulfonasi diatas adalah adanya produk samping, seperti diphenyl

sulfone. Produk samping ini akan dihasilkan, jika digunakan sulfonating agent yang terlalu berlebih, jika menggunakan sulfonating agent terlalu sedikit, maka kecepatan reaksi proses akan

berkurang.

Ada beberapa cara yang bisa digunakan untuk

(6)

6 a) Meningkatkan konsentrasi asam sulfat

Semakin tinggi konsentrasi asam sulfat, semakin menggeser kesetimbangan ke arah produk. Tetapi apabila jumlahnya terlalu berlebih, dapat merugikan karena akan terjadi reaksi samping berupa diphenyl sulfone.

b) Mengusir salah satu produk hasil

Biasanya produk hasil yang dihilangkan atau diminimalisasi adalah H2O. Air yang dihasilkan selama reaksi sulfonasi harus

dikurangi karena dengan berlebihnya air dalam sistem dapat mengakibatkan kecepatan reaksi sulfonasi menjadi berkurang dan apabila konsentrasi air yang dihasilkan tinggi dapat mengakibatkan terjadinya desulfonasi benzen (Speight,2002).

c) Suhu proses dijaga sesuai kondisi operasi

Hal ini dilakukan karena reaksinya bersifat eksotermis sehingga selama reaksi berlangsung akan menghasilkan panas yang dapat menurunkan konversi ke arah produk. Oleh karena itu suhu proses dijaga dengan menggunakan pendingin sesuai kondisi reaksinya.

Berdasarkan journal dan patent penelitian yang ada, proses sulfonasi benzen dapat dilakukan dengan beberapa cara antara lain :

(7)

7 Proses ini dilakukan dengan cara mengontakkan benzen dengan

sulfonating agent pada reaktor 1 (suhu proses dijaga 70-80oC, 1 atm ), kemudian hasil dialirkan ke reaktor 2 dengan menjaga suhu reaktor antara 150-170oC, setelah itu dialirkan lagi ke reaktor 3 yang dioperasikan pada suhu 150-170o_{C dengan kondisi tekanan atmosferis}

(Molinari, 1954). Benzen dan oleum dipompakan secara simultan ke dalam sejumlah reaktor yang dirangkai seri. Reaktor mempunyai pengaduk dan saling terkoneksi satu dengan yang lain dengan overflow

pipe sehingga reaction mixture dapat mengalir dari satu reaktor ke

reator setelahnya. Reaktor bagian awal didinginkan sedangkan lainnya dipanaskan. Asam sulfat berlebih yang tersisa dapat dinetralkan dengan sodium sulfat atau larutan sodium hidroksida (Ullmann, 2005).

2. Reaktor Sieve Tray dengan kondisi tekanan dan suhu tinggi yaitu sekitar 170-180oC dan tekanan 15 atm.

Reactive distillation biasanya dilakukan pada reaksi fase cair reversible. Pada reaksi reversible, titik kesetimbangan bergeser ke kiri

ketika produk sudah terbentuk. Namun jika satu atau lebih produk diambil maka kesetimbangan akan cenderung bergeser ke kanan (produk lebih banyak terbentuk). Pengambilan produk-produk yang dihasilkan (secara distilasi) dari reactive zone untuk menggeser kesetimbangan kearah produk merupakan prinsip dari reactive

distillation. Benzen diumpankan ke reaktor sieve tray dibagian bawah

pada kondisi cair, sedangkan asam sulfat diumpankan ke reaktor di bagian atas. Pada suhu 170 o C benzen otomatis menguap kemudian bereaksi dengan asam sulfat membentuk asam benzen sulfonat yang menjadi hasil bawah serta sisa asam sulfat, sedangkan benzen dan air berada pada fase uap menjadi hasil atas, setelah itu benzen diumpankan kembali ke reaktor setelah melalui proses pemisahan untuk menghilangkan air (Molinari, 1954).

(8)

8 Pada reaktor gelembung berpenganduk, reaksi yang terjadi adalah reaksi gas-cair, dimana asam sulfat berada dalam fasa cair dan benzen berada dalam fasa gas/ uap. Uap benzen masuk reaktor pada bagian bawah reaktor melewati sparger yang akan membentuk uap benzen

menjadi gelembung-gelembung kecil, yang berguna untuk

meningkatkan luas kontak benzen dengan asam sulfat. Reaktor gelembung berpengaduk dilengkapi dengan pengaduk dengan harapan luas permukaan interfase menjadi lebih besar sehingga gas akan lebih mendifusi dan reaksi akan lebih cepat terjadi. Kelebihan dari reaktor ini adalah konstruksinya mudah, transfer massanya baik dan mempunyai luas interfacial yang cukup besar. Kekurangan dari reaktor ini adalah tidak bisa digunakan pada tekanan tinggi. Reaktor gelembung berpengaduk umumnya digunakan pada reaksi dimana langkah yang mengontrol adalah di fase cair atau dengan kata lain, untuk reaksi yang berjalan lambat. Reaksi terjadi pada suhu 150o C dan tekanan 2.5 atm dengan konversi 50% atas dasar benzen, tidak terjadi reaksi samping (Crooks and White, 1950). Selain itu penelitian yang telah dilakukan oleh Takenaka menyebutkan bahwa reaksi yang terjadi berjalan sangat lambat dibandingkan dengan transfer massanya, sehingga yang mengontrol adalah reaksi kimianya.

Berdasarkan dari pertimbangan ketiga reaktor diatas, maka dipilih reaktor gelembung berpengaduk, dikarenakan reaksinya berjalan sangat lambat sehingga butuh pengadukan untuk mempercepat reaksinya. Berdasarkan kondisi operasi (150o_{C dan 2,5 atm) yang ada}

dipatent, reaksi berjalan 2 fase dengan umpan benzen akan berada pada fase uap sedangkan umpan asam sulfat berada pada fase cair. Penggunaan Reactive Distillation tidak dipilih karena kondisi operasinya terlalu ekstrim sehingga lebih sulit untuk mengontrol reaksinya serta biaya instalasi yang mahal.

(9)

9 Jenis reaktor yang dipilih adalah agitated tank reactor/ Continuos Stirred Tank Reactor/ RATB dengan mempertimbangkan hal-hal sebagai berikut :

1. Reaksi adalah reaksi eksotermis, sehingga dengan adanya pengadukan diharapkan transfer panas akan lebih merata.

2. Dengan adanya pengadukan diharapkan akan membentuk luas permukaan interfase yang lebih besar sehingga gas akan lebih mudah mendifusi dan reaksi akan lebih cepat terjadi.

3. Dengan adanya pengadukan, maka diharapkan konsentrasi larutan di setiap titik adalah sama (homogen)

c. Benzen

Benzen merupakan senyawa aromatik yang jernih, tidak berwarna, yang memiliki sifat volatile dan flammable. Benzen memiliki rumus molekul C6H6. Benzen terdiri dari 92,3% atom karbon dan 7,7 % atom hidrogen

(persen berat). Nama lain dari benzen adalah benzol, phenyl hydride,

phene, benzole, cyclohexatriene. Pada umumnya, commercial grade

benzen memiliki kemurnian 50% hingga 100% (EPA, 1998). Kelarutan benzen dalam air sangat kecil, benzen larut dalam pelarut organik seperti alkohol, ether,acetone, carbon tetrachloride, carbon disulfide, dan acetic

acid. Benzen memiliki tingkat flammability, volatility, dan toxicity,

sehingga butuh penanganan yang baik dalam transportasi maupun dalam penyimpananya. Benzen disimpan dalam tangki tertutup rapat dan tersegel, jauhi dari sumber panas, hindari terkena sinar matahari secara langsung maupun sumber panas tertentu. Diusahakan benzen selalu tersimpan dalam kontainer yang dingin, dan di area yang cukup

(10)

10 sirkulasinya. Jika terjadi kebocoran, sesegera mungkin ditangani dan menyerap benzen yang tertumpah dengan pasir kering, dan jangan menyentuh benzen yang tertumpah tersebut, karena menyebabkan iritasi. Jika terjadi kebakaran kecil maka gunakan dry powder untuk mematikannya, jika terjadi kebakaran besar , gunakan alcohol foam, water

spray, atau fog. Penanganan benzen harus dilengkapi dengan personal protectitive equipment seperti googles, gloves, vapour respirator untuk

menghindari terhirupnya uap benzen. d. Asam sulfat

Asam sulfat merupakan senyawa kimia yang memiliki rumus molekul H2SO4. Asam sulfat tidak berwarna, jernih, dan memiliki sifat sangat

korosif. Asam sulfat memiliki kelarutan yang tinggi dalam air, tetapi tidak larut dalam metanol, diethyl eter, dan n-octanol. Karena asam sulfat memiliki karakteristik senyawa yang sangat korosif, hindari kontak dengan kulit, mata, maupun terhirup. Untuk penyimpanannya, asam sulfat selalu tersimpan dalam kontainer kering yang tertutup rapat. Hindari dari material organik, metal, asam-asam ,alkali, dan air (uap air). Asam sulfat disimpan dalam bahan yang tahan korosi, seperti metallic atau coated

fiberboard. Jika terjadi kebocoran , serap asam sulfat dengan pasir kering,

dan hindari air di sekitar kontainer asam sulfat. Untuk penanganannya harus selalu menggunakan personal protective equipment.

e. Asam benzen sulfonat

Asam benzen sulfonat biasanya digunakan sebagai katalis dalam memproduksi furan dan phenolic resin serta biasanya termasuk bahan

(11)

11 baku dalam produksi phenol dan recorcinol. Asam benzen sulfonat memiliki rumus molekul C6H6SO3. Asam benzen sulfonat larut dalam air,

metanol, n-octanol, tetapi tidak larut dalam diethyl eter. Kenampakan dari asam benzen sulfonat dapat dianalogikan seperti padatan lilin putih dapat berbentuk bola atau lembaran kristal putih. Asam benzen sulfonat memiliki freezing/melting point pada 45-50o C. Pada umumnya spesifikasi pasar dari asam benzen sulfonat memiliki kemurnian 93-98%. Asam benzen sulfonat merupakan senyawa yang korosif, sehingga dalam penyimpanannya harus dalam kontainer yang tahan korosi, seperti iron

drum yang dilapisi dengan polyethylene. Kontainer harus dalam keadaan

tertutup dan dijaga agar tetap kering. Hindari dari panas sumber pengapian. Kontainer harus dalam suasana dingin mendapat sirkulasi udara yang baik.

C. Kapasitas Produksi

Kebutuhan benzenesulfonic acid di Indonesia dapat diukur oleh besarnya kebutuhan impor di Indonesia yang cenderung semakin meningkat. Menurut Data Badan Statistik, Yogyakarta mengenai “Statistik Perdagangan Luar Negeri”, kebutuhan asam benzen sulfonat setiap tahunnya pada tahun 2004 sampai tahun 2009 secara berturut-turut adalah sebesar 29.012,720 ton/tahun, 31.026,783 ton/tahun, 35.591,876 ton/tahun, 35.340,930 ton/tahun, 37.428,956 ton/tahun, dan 38.763,270 ton/tahun. Oleh karena itu, mengingat kebutuhan impor yang sangat tinggi di Indonesia akan produk asam benzen sulfonat maka dengan berdirinya pabrik ini diharapkan semakin memacu pertumbuhan industri lain yang memerlukan bahan dasar asam benzen sulfonat, sehingga dapat meningkatkan pendapatan negara melalui ekspor asam benzen sulfonat ini, serta memenuhi kebutuhan pasar di dalam negeri.

(12)

12 Pabrik benzenesulfonic acid dari benzen ini akan didirikan pada tahun 2018 agar Indonesia dapat memenuhi kebutuhan dalam negerinya sendiri sehingga tidak perlu mengimpor dari luar negeri. Berdasarkan metode regresi linier, pada tahun 2018, kebutuhan pasar Indonesia akan asam benzen sulfonat mencapai 54.839,919 ton/tahun. Oleh karena itu diambil kapasitas pabrik 60.000 ton/tahun.

Pabrik ini akan dibangun di wilayah Tuban, Jawa Timur dengan pertimbangan kedekatan lokasi dengan sumber bahan baku, pelabuhan, dan sumber air utilitas. Selain itu Tuban menjadi sentra Industri di Jawa Timur yang semakin meningkat termasuk industri farmasi yang banyak ditemukan disana. Bahan baku benzen diproduksi oleh PT. Petrochina dan PT. Trans Pacific Petrochemical Indotama (PT. TPPI) yang berlokasi di Tuban, Jawa Timur, selain itu benzen juga diproduksi oleh PT. Pertamina UP IV di Cilacap. Sedangkan asam sulfat dapat diperoleh dari PT. Liku Telaga, PT. Smelting Corporation dan PT. Petrokimia Gresik yang berlokasi di Gresik, Jawa Timur. Selain itu di lokasi tersebut terdapat sumber utilitas yang diperlukan dalam operasional pabrik yaitu air laut dari Laut Utara Jawa.