BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DESKRIPSI PROSES

(1)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA DAN DESKRIPSI PROSES

2.1 Butinediol

1,4-butinediol merupakan suatu senyawa organik dengan rumus molekul HOCH2C≡CCH2OH dengan berat molekul 86,09 g/mol. Butinediol tidak berwarna

dalam cairan dan bewarna kuning dalam bentuk kristal. Densitas butinediol 1,2 g/cm3, titik lebur butinediol 52-550C, dan titik didih butinediol 2380C. Temperatur kritis butinediol pada fase cair 57,840C, dan volume kritis 4,100707 ft3/lbmol. Butinediol dalam fase cair memiliki kemurnian 55% C4H6O2 (butinediol), 40% H2O

(air) dan 5% CH3OH (metanol). Daya larut butinediol dalam 100 gr air adalah 374

gr, sehingga butinediol bersifat higrokopis. Spesifik gravity adalah 1,0691. Butinediol dalam bentuk kristal dapat mudah larut dalam air, larutan asam, alkohol dan aseton, tetapi tidak dapat larut dalam eter atau hidrokarbon. Butinediol beracun, dan memiliki sifat kimia dari alkohol primer dihidroksi yang mempunyai kemampuan membuat reaksi tambahan, butinediol bersifat korosif dan dapat membuat iritasi pada kulit dan mata. Nama lain dari butinediol adalah 1,4 dihidroksi 2 butin 1,4 diol, 2 butinediol dan bis (hidroksi metil) asetilen. (Anonimb,2010)

Secara kimia, butinediol dikarakterisasikan dengan adanya dua gugus alkine dan dua gugus hidroksil seperti pada Gambar 2.1

Gambar 2.1 Struktur Butinediol (Anonimb, 2010)

(2)

Gambar 2.2 Rumus molekul butinediol (Anonimb, 2009)

Butinediol dapat diproduksi dengan sintesis Reppe, dengan reaktan formaldehid dan asetilen:

2 CH2O + HCCH → HOCH2CCCH2OH

formaldehid Asetilen Butinediol

Butinediol banyak digunakan pada industri pembuatan butanediol, tetrahidrofuran, pirolidin dan beberapa produk lain. Butinediol juga dapat digunakan untuk konversi eter dengan etylene oxida pada proses brominasi, bahan-bahan pelindung untuk alat pabrik, pestisida, bahan tambahan pada industri cat, tekstil bahan pencerah warna, bahan pengawet, bahan pembersih, bahan anti karat, dan manghambat pelapisan nikel. Selain itu butinediol juga digunakan dalam pembuatan agen perlindungan tanaman, pestisida, resin sintetik. (Chemicalland2, 2008).

2.2 Spesifikasi Bahan Baku

Bahan baku utama dari proses pembuatan C4H6O2 (butinediol) ini adalah

C2H2 (asetilen) dan HCHO (formaldehid). HCHO (formaldehid) yang digunakan

mempunyai komposisi HCHO (formaldehid), H2O (air), metanol (CH3OH). Dalam

pembuatan butinediol digunakan katalis padat Cu2C2 (tembaga asetilid). Dalam

reaksi samping terdapat propargil alkohol yang dapat di produksi menjadi butinediol jika di reaksikan dengan formaldehid.

(3)

2.2.1 Asetilen (C2H2)

Senyawa asetilen adalah senyawa kimia dengan formula C2H2. Asetilen

adalah hidrokarbon dengan ikatan alkalin yang sederhana. Asetilen adalah gas yang tidak bewarna dan mudah terbakar dengan bau mirip bawang putih. Asetilen adalah gas sintetis yang diproduksi dari reaksi Kalsium karbida dengan air, dan disimpan dalam silinder yang berisi cairan Aseton. Asetilen banyak digunakan untuk pemotongan besi, pengelasan dan juga untuk mempercepat matangnya buah-buahan. Tabel 2.1 Sifat fisika Asetilen:

Molekul Formula H – C ≡ C – H

Rumus Kimia C2H2

Berat Molekul 26,04 Kg/Kmol

Titik Didih -83,80 °C ( 1 atm)

Titik leleh -80,75 °C ( 1 atm)

Temperatur kritis 35,15 °C

Tekanan kritis 60,59 atm

Volume kritis 1,809446 ft3/lbmol

ΔH0 f 97.484,57 Btu/lbmol ΔG0 f 89.939,46 Btu/lbmol Densitas 0,377 g/cm3 Viskositas 0,0815 cp Fase Gas

warna tidak berwarna

Sifat Berbau

Kemurnian 99,40 % w C2H2 0,5 % w N2 0,1 % w H2

Spesifik gravity 60 F 0,7906 Kelarutan dalam air ( 25 °C ) 0,94 % w

Pelarut organik : aceton, benzene,chloroform, eter

Sinonim : Asetilen, Ethine, Welding Gas, Narcilen,

Vinilen

(4)

2.2.2 Formaldehid (HCHO)

Formaldehid adalah suatu bahan kimia dengan rumus umum HCHO atau CH2O. formaldehid yang juga disebut metanal yang merupakan aldehida yang

berbentuk gas. Pada suhu normal dan tekanan atmosfer formaldehid berada dalam bentuk gas yang tidak berwarna yang berbau sangat merangsang, beracun, mudah larut dalam air dengan berat molekul 30,03 g/mol. Formaldehid dalam bentuk padat disebut trioksan (CH2O)3 yaitu bentuk polimer ada formaldehid, dengan formaldehid

8 -100 unit, tetapi pada suhu 1500C formaldehid akan terkomposisi menjadi metanol dan karbon monoksida. Formaldehid dapat dihasilkan dari membakar bahan yang mengandung karbon, misalnya: asap knalpot kendaraan, kebakaran hutan, asap tembakau, dan lain-lain. Formaldehid dalam kadar kecil sekali juga dihasilkan seperti metabolit kebanyakan organisme, termasuk manusia.

Formaldehid awalnya disintesa (dibuat) oleh kimiawan asal Rusia Aleksander Butlerov tahun 1859, tapi diidentifikasi oleh Hoffman tahun 1867. Formaldehid memiliki banyak nama, seperti : formalin, formol, metil aldehid, metilen oksida, paraforin, tri oxane, formoform.

Tabel 2.2 Sifat Fisika Formaldehid:

Molekul Formula H2-C=O

Rumus Kimia CH2O

Titik Didih -19,15 °C ( 1 atm)

Titik leleh -92,00 °C ( 1 atm)

Temperatur kritis 134,85 °C ( 1 atm)

Fase Gas ΔH0 f - 49827,84 Btu/lbmol ΔG0 f - 47248,31 Btu/lbmol Kemurnian 30 % CH2O 55 % H2O 15 % CH3OH Specific gravity 0,815

(5)

Kelarutan dalam air ( 20 °C ) 0,55 %

Densitas 0,376 g/mL

Viskositas 0,1154 cP

Pelarut organic Ether, alcohol, azeton, benzene

Sinonim Formik aldehid, metanal, aldehid,

metilen oxide

(Anonimd, 2010)

2.2.3 Katalis Tembaga asetilid (Cu2C2)

Tembaga asetilid adalah senyawa kimia inorganik. Tembaga asetilid mudah panas dan mudah meledak dan lebih sensitif dari perak asetilid.

Tabel 2.3 Sifat Fisika katalis Tembaga Asetilid:

Rumus Molekul Cu2C2

Fasa Padat

Berat molekul 151,11 g/mol

Densitas 4,620 g/cm3

(Anonimc, 2008)

2.2.4 Metanol (CH3OH)

Metanol, juga dikenal sebagai metil alkohol, wood alcohol atau spiritus, adalah senyawa kimia dengan rumus kimia CH3OH. Ia merupakan bentuk alkohol

paling sederhana. Pada keadaan metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan daripada etanol). Metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan sebagai bahan additif bagi etanol industri. Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri. Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara. Setelah beberapa hari, uap metanol tersebut akan teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air.

(6)

Rumus Kimia CH3OH

Densitas 0,787 g/cm3

Viskositas 0,538 cP

Titik Didih 64,65 °C (1 atm)

Titik Leleh -97,68 °C ( 1 atm)

Fase Cair

Kemurnian > 99 % CH3OH < 1 % H2O

Specific gravity 0,712

Temperatur kritis 239,49°C ( 1 atm)

Volume kritis 118 liter/kmol

(Anonime, 2008)

2.2.5 Air (H2O)

Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H2O, satu molekul air

tersusun atas dua atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Air bersifat tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 100 kPa (1 bar) and temperatur 273,15 K (0 °C). Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang penting, yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia lainnya, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak macam molekul organik. Air sering disebut sebagai pelarut universal karena air melarutkan banyak zat kimia. Air berada dalam kesetimbangan dinamis antara fase cair dan padat di bawah tekanan dan temperatur standar. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan sebagai sebuah ion hidrogen (H+) yang berasosiasi (berikatan) dengan sebuah ion hidroksida (OH-).

Tabel 2.5 Sifat Fisika Air:

Berat molekul 18,016 gr/gmol

(7)

Titik didih 100°C (1 atm)

Densitas 1 gr/ml (4°C)

Spesifik gravity 1,00 (4°C)

Indeks bias 1,333 (20°C)

Viskositas 0,8949 cP

Kapasitas panas 1 kal/gr

Panas pembentukan 80 kal/gr

Panas penguapan 540 kal/gr

Temperatur kritis 374°C

Tekanan kritis 217 atm

(Anonimg, 2010)

2.3 Spesifikasi produk

2.3.1 Butinediol (C4H6O2)

Butinediol merupakan senyawa organik yang merupakan alkuna dan suatu diol. Butinediol merupakan kristal kuning yang larut dalam air dan etanol.

Butinediol dapat diproduksi dalam sintesis Reppe, di mana formaldehid dan asetilen adalah reaktan:

2 CH2O + HCCH → HOCH2CCCH2OH

Formaldehid Asetilen Butinediol

Beberapa metode produksi yang dipatenkan menggunakan katalis tembaga bismut dilapisi bahan inert. Rentang suhu normal untuk reaksi ini adalah 900C sampai 1500C, tergantung pada tekanan yang digunakan untuk reaksi yang bisa berkisar 1-20 bar.

Butinediol banyak digunakan pada industri pembuatan butanediol, tetrahidrofuran, pirolidone dan beberapa produk lain. Butinediol juga dapat

(8)

digunakan untuk konversi eter dengan etylene oxide pada proses brominasi, bahan-bahan pelindung untuk alat pabrik, pestisida, bahan-bahan tambahan-bahan pada industri cat dan textil. Butinediol juga digunakan untuk bahan pencerah warna, bahan pengawet, bahan pembersih, bahan anti karat, dan manghambat pelapisan nikel. (Chemicalland21.com)

Tabel 2.6 Sifat Fisika Butinediol:

Molekul Formula HO-CH2-C≡C-CH2-OH

Rumus Kimia C4H6O2

Titik Didih 238 °C ( 1 atm)

Titik leleh 57,84 °C ( 1 atm)

Temperatur kritis 421,85 °C (1 atm)

Fase - 50730,86 Btu/lbmol ΔH0 f C4H6O2 Cair ΔG0 f C4H6O2 -18056,75 Btu/lbmol Kemurnian 55 % C4H6O2

Daya larut dalam 100 gr air 374 gr

Specific gravity ( 60 F ) 1,0691

Sinonim 1,4 dihydroxy 2 butyne,2butyne

(Anonima, 2010)

2.3.2 Propargil Alkohol (C3H4O)

Propargil alkohol, atau 2-propyn-1-ol, merupakan senyawa organik yang merupakan alkohol sederhana berisi gugus fungsional alkuna. Alkohol Propargil adalah cairan kental yang jelas tak berwarna yang larut dengan air dan pelarut organik yang paling polar. Propargil alkohol tidak larut dalam kebanyakan pelarut

(9)

hidrokarbon. Propargil alkohol berbau seperti geranium Pelargonium. Propargil alkohol dapat dipolimerisasi dengan baik pada saat panas atau basa. Propargil alkohol digunakan sebagai inhibitor korosi, larutan logam yang kompleks, stabilisasi pelarut dan aditif brightener elektroplating. Propargil alkohol juga digunakan sebagai intermediate dalam sintesis organik. Propargil alkohol mengiritasi kulit dan selaput lendir.

Tabel 2.7 Sifat Fisika Propargil Alkohol : Molekul formula

Rumus Kimia C3H4O

Densitas 0,945 g/cc

Viskositas 2,4603

Titik Didih 14-115 °C ( 1 atm)

Nama dalam IUPAC 2-Propyn-1-ol

(Anonimg, 2010)

2.4 Reaksi Pembentukan Butinediol

Reaksi utama pembentukan butinediol dari asetilen dan formaldehid dikenal sebagai reaksi reppe. Disebut reaksi reppe karena reaksinya ditemukan oleh Walter Reppe. Walter Reppe menemukan bahwa asetilen dapat bereaksi pada tekanan tinggi dengan katalis logam berat menghasilkan senyawa-senyawa yang penting dalam industri.

2.5 Proses Pembuatan Butinediol

Proses pembuatan butinediol pada umumnya diproduksi dalam dua cara, yaitu sintesis pada tekanan rendah dan sintesis pada tekanan tinggi.

(10)

Produksi butinediol pada tekanan rendah berlangsung pada tekanan sekitar 2 atm dan temperatur sekitar 80-110oC. Beberapa reaktor berpengaduk disusun secara seri supaya konversi yang diharapkan menjadi tinggi.

Asetilen direaksikan dengan formaldehid dengan bantuan katalis tembaga asetilid pada reaktor pertama, dimana asetilen yang tidak bereaksi akan direcycle

kembali. Kemudian hasil reaksi akan dilanjutkan ke reaktor berikutnya dengan penambahan asetilen kembali. Asetilen yang tidak bereaksi akan direcycle kembali seperti pada reaktor pertama. Proses ini dilakukan selanjutnya sampai diperoleh %yield pembentukan butinediol sekitar 20-60%, dan propargil alkohol sekitar 0,3-3%. Proses pemurnian hasil dilakukan dengan filtrasi katalis untuk digunakan kembali. Katalis yang hilang selama proses sekitar 2% per hari (Prater, 1978).

2.5.2 Sintesis pada Tekanan Tinggi

Pada prinsipnya proses pembuatan butinediol dilaksanakan dengan cara etinilasi yaitu dengan mereaksikan asetilen dan formaldehid dengan katalis tembaga asetilid (Cu2C2). Secara stoikiometri pembentukan butinediol mengikuti persamaan :

C2H2 + 2 CH2O HOCH2CCCH2OH

Asetilen Formaldehid Butinediol

Proses ini disebut dengan proses Reppe. Reaksi lain yang mungkin terjadi , yaitu : C2H2 + CH2O C3H4O

Asetilen Formaldehid Propargil Alkohol

Reaksi ini dapat dilakukan di dalam reaktor berpengaduk. Reaksi berlangsung pada kondisi suhu 115-135°C dan tekanan 2-8 atm. Konversi butinediol yang dihasilkan dapat mencapai 75-95% (Moore, 1964).

Dalam pembuatan Buinediol, Formaldehid yang digunakan berupa cairan, katalis berupa padatan, dan asetilen berupa cairan. Katalis yang biasa digunakan adalah metal asetilid, terutama yaitu Copper Acetylide / Tembaga Asetilid (Cu2C2). Recovery dapat katalis mencapai 97-99% (Moore, 1964). Proses pemurnian

(11)

produk dimulai dari recycle asetilen dengan separator, penyisihan katalis pada sentrifugasi, dan destilasi butinediol sehingga kemurnian butinediol yang dihasilkan akan lebih tinggi.

Melihat gambaran umum proses pembuatan butinediol diatas, untuk tekanan rendah, konversi butinediol yang dihasilkan 20-60 %, tekanan 2 atm, temperatur 80-1100C sedangkan pada sintesis tekanan tinggi komversi butinediol yang dihasilkan 75-95 %, tekanan 2-8 atm dan suhu 115-135 0C, maka pemilihan proses didasarkan pada konversi dan kemurnian produk yang tinggi yaitu proses pembuatan butinediol pada tekanan tinggi.

2.6 Deskripsi Proses

Pembuatan butinediol dari asetilen dan formaldehid dilaksanakan dalam dua tahap yakni:

2.6.1 Proses Pembuatan Butinediol

Proses pembuatan butinediol dilaksanakan dengan cara etinilasi yaitu dengan mereaksikan asetilen dan formaldehid dengan katalis tembaga asetilid (Cu2C2). Gas

asetilen dari tangki penyimpanan (TK-113) yang telah dikompres akan dilewatkan melalui heater (E-119) untuk menaikkan temperaturnya sampai 1200C dan pada tekanan 5 atm sebelum masuk ke reaktor (R-210).

Larutan formaldehid (dengan konsentrasi formaldehid 40%, methanol 12%, air 48%) dari tangki penyimpanan (TK-111) dan katalis padat tembaga asetilid (Cu2C2) berukuran 300 mesh dari tangki penyimpanan (TK-112) akan dialirkan

menuju tangki pencampuran (M-110) yang dioperasikan dengan tekanan 1 atm dan temperatur 300C. Hasil campuran berupa slurry kemudian akan dilewatkan melalui

heater (E-118) untuk menaikkan temperatur sampai 1200C. Jumlah katalis dalam

umpan slurry sekitar 10%(%-berat) dari larutan formaldeid.

Asetilen cair dan slurry dialirkan kedalam reaktor (R-210) dengan reaksi sebagai berikut:

(12)

Perbandingan mol umpan formaldehid dengan asetilen yaitu 2:1. Reaksi terjadi pada suhu 120 0C dan pada tekanan 5 atm, dimana konversi formaldehid menjadi butinediol sebesar 90 % dan waktu tinggal 2 jam. Konversi formaldehid menghasilkan propargil alkohol sebesar 4%.

Reaksi yang terjadi yaitu eksoterm, dengan jenis reaktor yang digunakan yaitu reaktor tangki berpengaduk. Aliran keluaran reaktor berisi asetilen sisa, formaldehid sisa, butinediol, propargil alkohol, metanol, air, dan katalis tembaga asetilid (Cu2C2).

2.6.2 Proses Pemurnian Butinediol

Proses pemurnian produk dilakukan mulai dari alur keluaran dari reaktor yang terlebih dahulu diturunkan tekanannya sampai 1 atm kemudian dilewatkan melalui cooler (E-221) untuk diturunkan suhunya sampai 400C, kemudian dilewatkan menuju knock out drum (F-310) pada kondisi operasi 1 atm dan suhu 40oC. Asetilen yang tidak bereaksi pada reaktor akan terpisah dan direcycle ke mix point I (MP-101) untuk digunakan kembali.

Aliran bawah knock out drum (F-310) yang telah dipisahkan gas asetilennya kemudian dilewatkan menuju alat disk sentrifuge (CF-320) dimana katalis akan di

recovery kembali. Recovery katalis yang dihasilkan sebesar 99%. Katalis yang telah

diperoleh akan dialirkan ke mix point II (MP-102) untuk digunakan kembali. Sisa katalis yang tidak dapat direcovery dibuang ke unit pengolahan limbah diutilitas. Waktu tinggal dalam disk centrifuge (CF-320) ini 2 jam dengan temperatur 400C dan tekanan 1 atm.

Aliran keluaran dari disk centrifuge (CF-320) yang telah dipisahkan katalisnya, akan dipompakan menuju heater (E-323) untuk menaikkan temperaturnya

butinediol Katalis Cu2C2 Propargil alkohol Katalis Cu2C2

(13)

sampai suhu 122,380C yang kemudian dialirkan menuju unit destilasi (D-330) yang dioperasikan pada tekanan 2 atm pada suhu 122,380C. Unit destilasi (D-330) akan memisahkan butinediol dari propargil alkohol dan larutan formaldehid yang berisi metanol, formaldehid, dan air berdasarkan perbedaan titik didih. Produk butinediol akan diperoleh pada alur bawah diteruskan ke cooler (E-341) dimana terjadi penurunan suhu butinediol sampai temperatur lelehnya pada suhu 540C. Butinediol yang telah diturunkan temperaturnya akan mengalami pembentukan butiran di dalam

prilling tower (TK-340) pada suhu 300C dengan menggunakan rotating prilling

bucket yang dikontakkan dengan udara dingin. Butiran butinediol yang keluar dari

prilling tower diangkut dengan belt conveyor (C-343) ke tangki penyimpanan produk

(TK-344). Untuk alur atas yang mengandung propargil alkohol dan larutan formaldehid sisa kemudian akan didinginkan terlebih dahulu untuk dialirkan menuju tangki penyimpanan sementara (TK-338) untuk diolah pada unit pengolahan limbah.

(14)

Cu2C2 HCHO TK-113 P-116 E-119 TK-112 TK-111 C-115 P-114 P-117 E-118 F-310 CF-320 P-322 E-323 D-330 P-331 P-335 E-332 E-333 TK-334 C-343 TK-344 TK-340 TK-338 E-341 1 6 9 Steam Air Pendingin E-337 3 4 E-211 23 24 25 26 27 29 30 31 32 34 33 36 38 40 39 37 35 LC M-110 FC L I P I R-210 C-321 P-311 20 JB-342 P-336 P-339 JC-312 7 12 13 14 16 18 19 FC FC FC FC FC FC FC FC LI LI LI TI PC FC LC TC TC TC TC TC TC TC PC PI FC FC FC LC PC PC TC TC LC FC C2H2 Udara bekas Udara masuk 55 8 17 21 2 10 11 15 22 28 41 Universitas Sumatera Utara