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 + H2O CH3OOCCH2OH + H2 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.
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
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.
2.2Teori 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.
- 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)
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)
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.
2.3Bahan 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 samar-samar. 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:
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.
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).
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 0.488
−21.0 0.394
0 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.
Tabel 2.3 Sifat Dari Gas Etilen Oksida Sifat Dari Gas Etilen Oksida Suhu ( K ) Entropi [J/(mol·K)] Panas pembentukan ( kJ/mol ) Energi pembebasan ( kJ/mol ) Viskositas ( Pa·s ) Konduktivitas termal [ W/(m·K) ] Kapasitas panas [J/(mol·K)] 298 242.4 −52.63 −13.10 N/A N/A 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 61.71 500 274.0 −59.62 15.82 15.4 0.038 75.44 600 288.8 −62.13 31.13 18.2 0.056 86.27 700 302.8 −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 bahan-bahan 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).
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
2.4Produk 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
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
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.
Komponen air ( % Wt ) Tekanan uap, dalam kPa pada suhu
65,1 oC 77,7 oC 90,3 oC 0 0,30 0,52 1,20 10 6,61 11,65 19,73 20 11,30 19,68 33,01 30 14,70 25,45 42,49 40 17,10 29,68 49,37 50 18,81 32,92 54,60 60 20,16 35,58 58,87 70 21,45 37,92 62,60 80 22,98 40,05 65,98 90 25,08 41,91 68,93 100 28,04 43,34 71,10
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 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 CH2O2 + 2H2O
Etilen glikol bereaksi dengan 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
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
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 Analyzed items Unit MEG DEG TEG
1 Appearance - clear clear clear
2 Purity %wt 99,8 99,7 99,5
3 Color before heating APHA 5 max 10 max 50 max
4 Specific Gravity 20/20 - 1,1151-1,1156 1,1175-1,1195 1,1124- 1,1126
5 Water %wt 0,05 max 0,05 max 0,05 max
6 Acidity (as acetic acid) ppm wt 10 max 50 max 50 max
7 Aldehyde ( as
formaldehyde) ppm wt 8 max - -
8 Chloride (as Cl) ppm wt 0,1 max - -
9 Iron (as Fe) ppm wt 0,1 max - -
10 MEG content %wt - 0,05 max -
11 DEG content %wt 0,05 max - 0,5 max
12 TEG content %wt - 0,05 max -
13 PEG content %wt - - 0,5 max
Sumber : (log sheet PT. Polychem Indonesia Tbk, 2012)
2.5Proses 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.
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).
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,
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.
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)
