BAB III
BAHAN KIMIA DARI BATUBARA
Kebanyakan bahan kimia dari batubara pada mulanya diperoleh melalui proses distilasi destruktif, yang menghasilkan terutama bahan-bahan aromatik. Beberapa tahun terakhir ini, sebagian besar zat aromatik, terutama benzena, toluena, xilena, naftalena dan metilnaftalena didapat dari pengolahan minyak bumi. Dengan semakin majunya penerapan konversi batubara secara kimia, lebih banyak lagi jenis bahan kimia yang bisa dibuat dari batubara. Batubara merupakan bahan bakar penting di Amerika Serikat, tetapi petrokimia merupakan sumber bahan baku dasar penting di industri, seperti industri zat warna, obat-obatan, pestisida dan elastomer serta bahan plastik. Batubara merupakan cadangan bahan baku yang mendapat perhatian dan terbesar di dunia. Batubara juga merupakan bahan sumber energi yang murah untuk pemanasan maupun pembangkit tenaga yang diperlukan untuk suatu proses.
3.1. DISTILASI DESTRUKTIF BATUBARA
Bila batubara dipirolisis atao didistilasi dengan memanaskannya tanpa kontak dengan udara, ia akan terkonversi menjadi zat padat, zat cair dan gas. Jumlah dan sifat produk yang dihasilkan bergantung pada suhu pirolisis serta jenis batubara yang digunakan. Dalam praktek biasa, suhu tanur kokas dijaga di atas 900oC, tetapi bisa juga berkisar antara 500oC sampai 1000oC. Produk utamanya (menurut beratnya) adalah kokas. Jika unit itu menggunakan suhu antara 450 sampai 700oC, proses itu disebut karbonisasi suhu rendah ( low-temperature carbonization), jika suhu di atas 900oC disebut karbonisasi suhu tinggi (high-temperature carbonization). Pada karbonitasi suhu rendah jumlah gas yang dihasilkan kecil, sedangkan
zat cairnya agak banyak, sedangkan karbonitasi suhu tinggi hasil gas lebih banyak dan zat cairnya sedikit.
Karbonitasi suhu rendah menghasilkan zat cair yang sangat berbeda dari yang dihasilkan pada karbonitasi suhu tinggi, walaupun batubara yang digunakan sama. Zat cair hasil karbonitasi suhu rendah mengandung lebih banyak asam ter dan basa ter dari pada zat cair karbonitasi suhu tinggi. Pada karbonitasi suhu tinggi, zat cair yang dihasilkan adalah air, ter, dan minyak ringan mentah. Produk gasnya berupa hidrogen, metana, etilena, karbon monoksida, karbon dioksida, hidrogen sulfda, amonia dan nitrogen. Produk lain selain kokas dikelompokkan sebagai bahan kimia batubara atau hasil-sampingan.
Distilasi destruktif batubara atau karbonitasi batubara, merupakan contoh yang mencolok mengenai konversi kimia atau proses pirolisis. Teori kimia pirolisis batubara menunjukkan langkah-langkah dekomposisi sebagai berikut :
1. Bila suhu dinaikkan, ikatan karbon-karbon alifatik putus lebih dahulu. Reaksi ini mulai berlangsung pada suhu di bawah 200oC.
2. Berikutnya, hubungan karbon-hidrogen putus pada suhu kurang lebih 600oC.
Tabel 3.1. Bahan Kimia dari Batubara
Gambar 3.2. Contoh pirolisis batubara (menurut Fuchs dan Sanhoff)
3.1.1. Sejarah
Kokas menjadi barang dagangan dari Cina lebih dari 2000 tahun yang lalu, dan pada Zaman Tengah digunakan untuk keperluan rumah tangga. Namun, pembuatan kokas dalam tanur baru pertama kali dilakukan pad tahun 1620. Sampai pertengahan abad ke-19, ter batubara dan produk yang berasal dari ter batubara masih dianggap sebagai limbah. Sintesis zat warna dari ter batubara oleh Sir William Perkins (1956) menyebabkan permintaan ter batubara melonjak sehingga bahan itu menjadi komersial dan nilainya terus meningkat. Dengan penemuan zat warna ungu cerah (mauve) pada waktu mencoba melakukan sintesis membuat kinina zat warna ter batubara. Pada tahun 1972, percobaan untuk membuat gas dari batubara pertama kali berhasil dilakukan oleh William Murdoch, sehingga penerangan jalan di London dapat dilakukan dengan gas pada tahun 1812. Tanur-baterai semet solvay yang pertama dibangun pada tahun 1883 di Syracause, New York.
3.1.2. Penggunaan dan Ekonomi
sampingan (by-product oven). Tabel 4.2 merupakan data mengenai bahan aromatik mentah dari batubara dan migas (petroleum). Sampai beberapa tahun terakhir ini bahan aromatik mentah dan senyawa-senyawa murni yang didapat dari bahan aromatik itu hampir seluruhnya berasal dari ter batubara. Dewasa ini, dengan banyaknya aromatik yang dihasilkan industri migas, hasil utama dari distilasi penyedap bau, wangi-wangian, resin, bahan kimia karet serta ribuan produk lain yang banyak digunakan di zaman kita.
3.2. PROSES KOKAS BATUBARA
3.2.1. Proses Kokas Hasil Sampingan
Tanur kokas hasil sampingan berupa ruang sempit, panjangnya kira-kira 11-12m, tingginya 4m, dengan lebar yang sempit dari 0,4 sampai 0,6m pada satu ujungnya dan 0,35 sampai 0,4 pada ujung yang satu lagi. Tanur ini diisi dengan 15-25 t (t=1000 kg) batubara dan digunakan untuk mengkarbonisasi batubara dalam jumlah besar dan disusun seperti baterai 10 sampai 100 buah tanur. Susunan umum operasi tanur kokas hasil-sampingan dengan perlengkapannya dan peralatan pengolahan awal hasil sampingnya, disajikan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Proses tanur kokas hasil sampingan
Gambar 3.4. Kombinasi oven batuhan diferensial rendah underjet Kopper buka dengan sirkulasi gas buang.
masing-masing dapat menampung muatan dari satu tungku. Kokas itu didinginkan mendadak, dengan siraman air, sehingga menjadi dingin dan tidak terbakar. Di Uni Soviet dan Jepang ada juga pabrik menggunakan dingin-kejut kering atau kuens kering (dry quenching) yang dapat memulihkan sebagian dari kalor sensibel.
Gambar 3.5. Diagram penyulingan amonia
Gambar 3.3 dapat dibagi menjadi beberapa langkah, yang masing-masing menunjukkan aliran bahan ke berbagai peralatan yang kemudian dilakukan perlakuan fsika atau konversi kimia. Gambar 3.3 lalu dibagi atas urutan berkut :
- batubara diangkut, dihancurkan dan diayak
- batubara dimuat ke dalam tanur panas yang kosong
- batubara mengalami transformasi kimia menjadi kokas dan bahan menguap melalui proses pirolisis
- kokas panas disorong keluar dari tanur didinginkan mendadak (kuens), lalu diangkut.
- produk distilasi yang dapat dikondensasi dicairkan dan dikumpulkan di dalam induk hidrolik.
- gas busuk didinginkan, diekstraksi, amonia dipisahkan dari gas sebagai amonium sulfat
menggunakan pemanasan radiasi. Pipa pemasukan ter mentah dapat dilihat pada bagian kanan bawah. Ter itu disaring dan dipompa melalui penukar kalor uap-ter, ekonomisator, penukar kalor pitch (gala) ter dan ke puncak bagian sepertiga bawah kolom distilasi dan keluar di bawah, lalu masuk melalui pompa sirkulasi ke pemasak pipa itu lagi (di mana ter mentah digabung denga 4 sampai 5 bagian pitch daur ulang dan terakhir ke puncak kolom distilasi). Uap hasil distilasi dipanasi dipanasi lebih lanjut, lalu keluar dari puncak kolom distilasi jenis piring dan masuk ke dasar kolom fraksinasi jenis sungkup gelembung dan dipisah menjadi empat fraksi, 1, 2, 3, 4 dan residu 5 yang keluar di bawah kolom distilasi. Pitch hasil 6 mengalir berjenjang dari puncak kolom distilasi melalui bagian yang mendapat perlakuak uap (steaming) yang dipanasi lebih lanjut sehingga diperoleh pitch dengan kekerasan yang diinginkan dan untuk mengeluarkan minyak yang dapat menguap dengan titik didih tinggi, dari pitch itu. Pitch itu ditarik dari atas bagian tengah kolom distilasi dan dibawa ke penimbunan, melalui penukar kalor pitch-ter.
Produknya ialah :
demikian mencegah terjadinya perengkahan termal dan penguapan di dalam pipa pemasak.
Tanur koppers-Becker merupakan tanur cerobong vertikal yang paling banyak digunakan di Amerika Serikat. Gambar penampang tegaknya terlihat pada Gambar 3.4. Semua tanur ini berjenis regenerasi dan masing-masing mempunyai regenerator kalor, biasanya dari sisi ke bawah dari sisi yang satu lagi dan keluar melalui regenerator bawah. Aliran udara dan gas buang di bolak-balik dari sisi yang satu ke yang lain setiap setengah jam.
3.2.2. Pengumpulan Bahan Kimia Batubara
Campuran gas yang keluar dari tanur terdiri dari gas permanen yang menjadi gas batubara tanur kokas murni yang dijadikan bahan bakar, bersama uap air yang dapat dikondensasi, ter, minyak ringan, aprtikel padat, debu batubara, hidrokarbon berat dan senyawa karbon kompleks. Produk-produk penting yang dapat diambil dari uap, seperti benzena, toluena, xilena, minyak kreosot, kresol, asam kresilat, naftalena, fenol, xilol, piridina, kuilonina dan pitch sedang dan keras yang dapat digunakan sebagai bahan perekat (bider) elektrode, terjalan, atau pitch untuk atap. Masih banyak lagi bahan kimia yang terkandung dalam jumlah besar dan menunggu penggunaan yang penggumpulannya memungkinkan secara ekonomis. Gas mentah dari saluran induk dilewatkan ke kondensor primer dan pendingin pada suhu kira-kira 75oC. Di sini gas itu didinginkan dengan air sampai suhunya menjadi 30oC. Gas itu dibawa ke kipas pembuang yang lalu memapatkan gas itu. Pada waktu kompresi, suhu gas naik sampai 50oC. Gas itu lalu dialirkan ke ekstraktor gas, tempat gas itu terlempar keluar karena bertumbukan dengan permukaan logam. Di pabrik-pabrik yang lebih baru, ekstraktor ter gas itu membawa tiga perempat dari amonia dan 95 persen dan minyak ringanyang semula ada di dalam gas yang keluar dari tanur.
di dalam alat sentrifugasi, dimasukkan ke dalam kantong-kantong yang beratnya 50 kg.
Gas yang keluar dari saturator suhunya kira-kira 60oC dan dibawa ke pendingin atau kondensor akhir, tempat gas itu dibasuh dengan air sampai suhunya menjadi 25oC. Selama pendinginan itu, selama naftalena terpisah dan terbawa oleh air buang, kemudian dikumpulkan kembali. Gas itu lalu dimasukkan ke dalam pembasuh dengan minyak ringan atau bensol (Gambar 3.3) dengan medium absorbennya, suatu fraksi minyak berat yang dikenal sebagai minyak jerami (straw oil) atau kadang-kadang minyak ter batubara, dan disirkulasi pada 25oC. Minyak jerami disemprotkan dari puncak menara absorpsi sedangkan gas mengalir dari bawah ke atas. Pembasuh (scrubber) biasanya mempunyai isian (packing) logam yang fungsinya untuk memperluas permukaan kontak, di masa lalu untuk itu digunakan kisi-kisi kayu. Minyak jerami menyerap minyak ringan sebanyak 2 sampai 3 persen beratnya dengan efesiensi penyingkiran kira-kira 95% dari uap minyak ringan yang terdapat di dalam gas.
Prosedur lain menggunakan amonium fosfat untuk menyerap amonia NH4H2PO4 menyerap ammonia dan membentuk fosfat yang lebih basa seperti (NH4)2HPO4 dan (NH2)3PO4 yang kemudian dikembalikan ke bentuk semula denga uap air yang membebaskan amonia. Cara ini dilakukan dalam proses Phosam. Dalam siklus
modern yang dilengkapi dengan kolom fraksionasi (Gambar 3.6 dan 3.8) untuk distilasi pertama. Hasilnya biasanya masih harus difraksionasi secara lebih tajam dengan tumpang tindih yang minimum. Proses ini juga harus ekonomis dari segi termal dan tanurnya (Gambar 3.6 dan Gambar 3.9 ) dirancang dan dikonstruksi sedemikian rupa sehingga hanya memerlukan perbaikan kecil, demikian pula penggunaan bahan bakarnya. Produknya kecil-kecil, tidak ada yang lebih dari 0,5 % ter mentah.
Gambar 3.8. Kolom distilasi fraksionasi (tinggi 45 m) di Clairton, Penn., untuk memproduksi benzena, toluena dan
xilena berkualitas tinggi. 3.3.1. Metode Distilasi
1. Pemasak tumpak (batch still) 10.000 sampai 30.000 L (kuno, tetapi masih ada beberapa yang beroperasi), banyak mengalami penyempurnaan dan digunakan untuk produk akhir khusus, seperti email pipa (Gambar 3.9).
2. Pemasak kontinu, dengan satu kolom distilasi dan menggunakan arus samping (Gambar 3.9).
3. Pemasak kontinu dengan beberapa kolom dengan pendidih ulang (reboiler, Gambar 3.8). Operasinya disempurnakan dengan mengadakan sirkulasi residu.
Distilasti ter batubara mentah sebagaimana biasanya diperoleh dan produk-produk yang didapatkan. Persen hasil yang dinyatakan dalam ukuran kotak menunjukkan nilai rata-rata atas dasar ter semula. Hasil ini berbeda-beda tergantung pada kondisi dan jenis batubara. Batubara lain yang mempunyai graftas spesifk 1.1 sampai 1.2 menghasilkan analisis sebagai berikut : benzol dan toluol (benzena dan toluena mentah) 1%, minyak ringan lain 0,7%, fenol 0,3%, naftalena 4,3%, minyak kreosot 28,3%, antarasena 0,3% dan pitch 64,8%.
3.3.2. Produk Distilasi
Praktek modern, misalnya penggunaan pemasak pipa dan kolom fraksionasi, dapat menghasilkan fraksi dengan potongan tajam yang biasanya tidak memerlukan pemurnian lagi. Gambar 3.6 menunjukkan fraksi yang diperoleh dari distilasi biasa, yang sesuai dengan ter batubara dan kondisinya.
2. Minyak tengahan atau minyak kreosot, biasanya adalah fraksi dari 200 sampai 205oC, yang mengandung naftalena, fenol dan kresol. Naftalena diendapkan keluar dengan mendinginkannya, dipisahkan dengan sentrifugasi dan dimurnikan dengan sublimasi. Setelah naftalena dikeluarkan, fenol dan asam ter lainnya diperoleh melalui ekstraksi dengan larutan soda kaustik 10% dan netralisasi atau dengan mengeluarkannya (springing) dengan karbon dioksida. Produk-produk itu lalu difraksionasi dengan distilasi.
4. Minyak antarasena, biasanya fraksi dari 300 samapi 350oC. Minyak ini dicuci dengan berbagai pelarut untuk memisahkan fenantrena dan karbazol, zat padat yang tersisa adalah antarasena.
Tabel 3.5. Contoh komposisi minyak ringan dari gas.
3.2.3. Berbagai Penggunaan Ter Batubara
Sebagian besar ter batubara yang dihasilkan masih digunakan sebagai bahan bakar. Ter batubara juga digunakan untuk jalan dan atap. Untuk itu, ter didistilasi sampai mulai terjadi komposisi termal. ”Ter dasar” (base tar) ini diminyaki kembali (diencerkan) dengan minyak kreosot sehingga mengering dengan cepat. Ter itu juga dipakai untuk impregnasi lahan dan kertas agar kedap air.
3.2.4. Fraksionasi dan Pemurnian Bahan Kimia Ter Batubara
Karena ketatnya persaingan bahan kimia aromatik yang berasal dari migas, minat terhadap bahan aromatik batubara sementara ini agak berkurang. Pada waktu yang lalu ter batubara merupakan satu-satunya sumber piridina, tetapi naiknya permintaan dewasa ini banyak dipenuhi dengan proses sintesis yang menggunakan aldehid dan amonia. Hal yang sama terjadi pula pada fenol. Di Eropa tempat yang banyak mengandung batubara dan sedikit migas, perhatian terhadap bahan padat yang bisa diperoleh dari ter batubara. Produk yang berpotendi paling besar adalah fenantrena (bahan yang nomor dua terbanyak terdapat di dalam ter batubara) yang menurut perkiraan Franck ada 250.000 t yang dapat dipulihkan setiap tahun di dunia barat jika cara pemakaian yang menguntungkan bisa ditemukan. Perkiraan ini didasarkan atas pemulihan total 107 t ter batubara denagn hasil 50%. Antarakuinon adalah bahan dasar zat warna, tetapi sekarang lebih murah bila disentesis dari ftalax anhidrid daripada mengoksidasi antarasena.
3.4. BATUBARA MENJADI BAHAN KIMIA
bergeser dari instansi pemerintah ke swasta setelah kekhawatiran krisis energi mulai berkurang. Krisis energi pada tahun 1973 dan 1974, meningkatnya kebutuhan AS akan bahan bakar dan melonjaknya harga minyak sampai empat kali, telah memperbaiki posisi batubara terhadap minyak sebagai bahan baku. Perubahan ekonomi minyak ke batubara memerlukan investasi besar untuk pabrik-pabrik yang jauh lebih besar dari investasi yang ada sekarang di industri migas.
