BAB II
STUDI KELAYAKAN AWAL
2.1 Pemilihan Proses
Dalam proses pembuatan asetat anhidrat terdapat tiga varian tahapan proses yang dapat dilakukan, yaitu oksidasi asetildehid, karbonilasi methanol, dan proses ketena. Sebelum melakukan proses produksi, maka dilakukan seleksi proses terlebih dahulu untuk menghasilkan produk yang diinginkan. Adapun beberapa macam proses yang dapat digunakan untuk memproduksi asetat anhidrat, sebagai berikut :
2.1.1 Oksidasi Asetaldehid
Asetat Anhidrat dapat diproduksi dengan metode oksidasi langsung dari asetaldehid menggunakan bahan baku pelarut asam asetat. Produksi asetat anhidrat dengan asetaldehid dilangsungkan menggunakan 1 reaktor dan 4 kolom pemisahan.
Pada proses tersebut terbentuk senyawa intermediate asam asetat. Proses utama yang berlangsung adalah reaksi oksidasi asetaldehid hingga terbentuk asetat anhidrat. Proses reaksi oksidasi asetaldehid dapat dilihat melalui persamaan 2.1 sampai 2.3 berikut. Pada proses tersebut terbentuk senyawa intermediate asam asetat.
CH3CHO + O2 → CH3COOOH ….. (2.1) CH3COOOH + CH3CHO → CH3COOOCH(OH)CH3 ….. (2.2)
CH3COOOCH(OH)CH3 → (CH3CO)2O + H2O ….. (2.3) Dalam hal ini, asetaldehid teroksidasi membentuk peroxyacetic acid. peroxyacetic acid ini akan bereaksi lagi membentuk acetaldehyde monoperoxyacetate.
(Kurniawan, 2004) Proses oksidasi asetaldehid tersebut dikembangkan oleh Hoechst-Knapsack.
Selanjutnya, proses ini dikembangkan lebih lanjut oleh Shawingan dimana campuran tembaga (Cu) dan kobalt (Co) asetat digunakan sebagai katalis. Proses ini merupakan proses terbaru menghasilkan konversi asetat anhidrat paling tinggi.
Block flow diagram dari proses produksi asetat anhidrat melalui oksidasi asetaldehid dapat dilihat pada Gambar 2.1 sebagai berikut.
Gambar 2. 1 Diagram Alir Blok Proses Oksidasi Asetaldehid
Proses reaksi ini diperoleh dari paten US Patent 4,252,983. Reaktor terdiri dari reaktor fase cair dan unit pemisah. Awalnya, umpan berupa oksigen dan asetaldehid masuk ke reaktor bersamaan dengan katalis Cu dan Co asilat. Pelarut yang digunakan pada reaksi ini adalah asam ester karboksilat alifat. Temperatur reaksi dijalankan pada suhu 62°C hingga mencapai suhu 90°C dan reaksi dijalankan selama 20 menit. Seluruh produk reaksi, beserta diluen dan katalis kemudian dialirkan ke separator dan tempat distilasi.
Pada proses distilasi ini, dihasilkan produk atas berupa asetaldehid sisa, asam aseter karboksilat, dan air. Produk bawah dari proses ini adalah campuran asam asetat-asetat anhidrat dan larutan katalis yang kemudian akan dipisahkan lebih lanjut pada tempat evaporasi. Di tempat evaporasi ini, maka akan didapatkan 2:12 rasio berat antara distilat asam asetat-asetat anhidrat banding bottom larutan katalis.
Produk distilat kolom distilasi pertama juga dipisahkan lebih lanjut menggunakan separator. Asetaldehid sisa dan pelarut ester karboksilat di recycle kembali ke dalam reaktor.
Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam perancangan proses ini antara lain adalah membuat desain reaktor agar oksigen dapat masuk melalui beberapa bukaan yang berbeda. Kandungan oksigen masuk tidak boleh lebih dari 5% volume.
Melalui metode proses ini, didapat konversi lebih dari 95% asetaldehid dengan yield asetat anhidrat dan asam asetat dengan kemurnian sekitar 60%. Produk akhir ini akan diolah lebih lanjut untuk menghasilkan kemurnian yang diinginkan.
2.1.2 Karbonilasi Metanol
Asetat Anhidrat dapat dibuat dengan cara karbonilasi metanol dengan cara yang sama dengan karbonilasi metil asetat menjadi asam asetat. Produksi
karbonilasi metanol untuk membentuk asetat anhidrat merupakan salah satu metode pembuatan yang paling terbaru dikembangkan. Proses ini secara komersial paling besar dikembangkan oleh BASF. Produksi ini melibatkan karbonilasi dengan bantuan katalis rhodium chloride trihydrate, metil iodida, bubuk logam kromium, dan sebuah alumina pendukung atau sebuah kompleks nickel carbonyl dengan triphenylphospine, dan chromium hexacarbonyl (Kurniawan, 2004). Pada umumnya katalis yang digunakan, yaitu dalam bentuk garam iodida atau broida.
Proses ini didukung dengan mulai meningkatnya perhatian global akan produksi karbon monoksida dan sampuran karbon monoksida-hidrogen. Untuk proses reaksi karbonilasi metanol dapat dilihat pada persamaan 2.4 sampai 2.6 sebagai berikut.
CH3OH + CO → CH3COOH ….. (2.4)
CH3COOH + CH3OH → CH3COOCH3 + H2O ….. (2.5) CH3COOCH3 + CO → (CH3CO)2O ….. (2.6) Umpan dari proses produksi ini adalah metanol dan karbon monoksida.
Proses awal dimulai dari metanol dikarbonilasi hingga membentuk asam asetat.
Asam asetat ini akan direaksikan dengan metanol untuk menghasilkan metil asetat yang dikarbonilasi lebih lanjut untuk menjadi asetat anhidrat.
Berdasarkan paten EP0132391A2 proses tersebut telah dikembangkan lebih lanjut, dimana proses pemisahan antara metil asetat dengan air cukup sulit akibat terbentuknya azeotrope. Melalui paten tersebut, asam asetat yang terbentuk dari karbonilasi direaksikan dengan metil iodida hingga terbentuk metil asetat. Dengan mereaksikan asam asetat dengan metil iodida, maka pembentukan air dapat dihindari. Metil iodida merupakan produk intermediate yang didapat dengan menggunakan katalis Rhodium Iodida. Proses karbonilasi metanol untuk membentuk produk asetat anhidrat dapat dilihat pada Gambar 2.2 berikut.
Gambar 2. 2 Diagram Alir Blok Proses Karbonilasi Metanol
Proses dimulai dengan mengumpankan karbon monoksida dan asam asetat ke reaktor karbonilasi bersamaan dengan metil iodide dan recycle asam asetat.
Produk hasil reaksi tersebut kemudian dipisahkan menjadi 2 aliran. Aliran dengan titik didik lebih tinggi terdiri dari asetat anhidrat serta sebagian asam asetat diumpankan ke kolom distilasi. Pada kolom distilasi ini, asam asetat sisa dipisahkan pada bagian atas sementara produk asetat anhidrat diambil sebagai produk bawah.
Aliran dengan titik didih lebih rendah, terdiri dari karbon monoksida, hidrogen iodida, metil iodida, dan asam asetat sisa diumpankan ke scrubber. Pada scrubber ini karbon monoksida dipisahkan sebagai produk atas dan diumpankan kembali ke dalam reaktor karbonilasi. Sementara itu, metil iodida dan asam asetat sisa dipisahkan dibagian bawah dan dikembalikan juga ke dalam reaktor 2.
Ditengah scrubber, hidrogen iodide diambil dan diumpankan ke unit iodinasi dimana senyawa tersebut direaksikan dengan metanol untuk menghasilkan metil iodida dan air. Metil iodida ini kembalikan lagi ke unit scrubber.
Reaksi karbonilasi paling efektif dilakukan pada fase cair di suhu 250°C dan tekanan 25 bar. Karbon monoksida yang digunakan harus memiliki tingkat kemurnian yang cukup tinggi.
2.1.3 Metode Ketena
Metode ketena adalah proses pembuatan dengan produk intermediate berupa ketena dengan bahan baku asam asetat. Proses ini melibatkan dehidrasi asam asetat menjadi ketena, kemudian reaksi antara ketena dan asam asetat tersebut menjadi asetat anhidrat. Untuk memperoleh produk asetat anhidrat harus melalui
beberapa tahapan proses reaksi kimia, persamaan reaksi kimia tersebut dapat dilihat pada persamaan 2.7 sampai 2.9 sebagai berikut.
CH3COOH → CH2CO + H2O ….. (2.7) CH3COOH → CH4 + CO2 ….. (2.8) CH3COOH + CH2CO → (CH3CO)2O ….. (2.9) Pada metode ketena ini, reaksi tersebut dapat berlangsung menggunakan trietil fosfat sebagai katalis. Dalam perancangan proses produksi, dapat dibagi menjadi 2 tahapan, yaitu proses pembentukan ketena dan proses pembentukan asetat anhidrat dengan mereaksikan ketena dengan asam asetat. Berdasarkan paten US Patent 3,378,583 terdapat block flow diagram proses pembuatan ketena yang dapat dilihat pada Gambar 2.3 sebagai berikut.
Gambar 2.3 Diagram Alir Blok Proses Pembuatan Ketena
Secara garis besar, proses tersebut melibatkan dehidrasi termal dari asam asetat pada suhu yang tinggi hingga membentuk ketena dan air. Kemudian. Produk didinginkan untuk memisahkan ketena dan air. Proses dimulai dengan melakukan evaporasi terlebih dahulu pada asam asetat hingga suhu 90°C. Sebelum uap asam asetat masuk ke dalam reaktor, uap dipanaskan terlebih dahulu hingga mencapai suhu 225°C. Reaksi dehidrasi dijalankan pada suhu 500°C-1000°C dan menggunakan tekanan 300 mmHg sampai menghasilkan ketena dan air. Produk hasil reaksi langsung didinginkan hingga seluruh air dan asam asetat terkondensaasi.
Untuk proses pembentukan asetat anhidrat dari reaksi antara ketena dengan asam asetat diperoleh dari paten US Patent 8,653,303 B2 dapat lihat pada Gambar 2.4 sebagai berikut.
Gambar 2. 4 Diagram Alir Blok Proses Pembuatan Asetat Anhidrat
Berdasarkan proses ini, ketena dalam bentuk fase gas telah diproduksi dari reaksi sebelumnya dialirkan menuju kolom absorbsi bersamaan dengan asetat anhidrat. Aliran asetat anhidrat sebagian dicampur kembali dengan asam asetat dan di recycle, kemudian sebagiannya lagi diambil sebagai produk. Ketena yang belum bereaksi pada kolom absorbsi mengalir dari atas dan dialirkan ke reaktor berikutnya. Pada paten yang diambil tersebut, reaktor yang digunakan adalah liquid ring vacuum compressor. Ketena tersebut bereaksi lagi dengan asam asetat untuk menghasilkan asetat anhidrat. Produk asetat anhidrat, asam asetat sisa, serta gas tambahan dialirkan ke tangki fluida dimana terjadi pemisahan antara gas dengan campuran asam asetat-asetat anhidrat. Campuran ini dialirkan kembali sebagai aliran recycle ke liquid ring vacuum compressor. Hasil tingkat kemurnian produk asetat anhidrat yang diperoleh dapat mencapai 95%. Untuk mendapatkan tingkat kemurnian yang lebih tinggi, pada proses tersebut dapat menggunakan unit pemisah berupa unit distilasi.
Dari beberapa proses yang ada, dapat dibandingkan macam-macam proses untuk menghasilkan 81.000 ton asetat anhidrat yang dapat dilihat pada Tabel 2.1 dibawah ini.
Tabel 2. 1 Data Perbandingan Varian Proses Kriteria Oksidasi
Asetaldehid Karbonilasi
Metanol Ketena
Bahan Baku Asetaldehid Metanol dan Karbon
Monoksida Asam Asetat
Katalis Cu dan Co Rhodium-
Iodida/Nikel Trietil Fosfat
Konversi 60%
(US Patent 4,252,983)
(EP0132391A2) 60%
(US Patent 98%
3,378,583) Ketersediaan
Bahan Baku Tersedia di PT.
Indo Acidatama
Tersedia di PT.
Kaltim Methanol dan Impor dari
Singapura
Tersedia di PT.
Indo Acidatama dan BP PETRONAS Acetyls Malaysia Kompleksitas
Sistem
1 Reaktor dan 4 Pemisah (5 alat
utama)
3 Reaktor dan 2 Pemisah (5 alat
utama)
2 Reaktor dan 2 Pemisah (4 alat
utama)
2.2 Justifikasi Proses
Berdasarkan proses yang telah diuraikan pada Tabel 2.1 mengenai data perbandingan untuk beberapa varian proses, maka proses yang dipilih untuk mengolah asetat anhidrat adalah Metode Ketena. Pertimbangan dalam pemilihan proses tersebut, yaitu berdasarkan nilai konversi produk yang dihasilkan tinggi serta memiliki susunan kompleksitas sistem yang cukup baik dan lebih sederhana.
Pada pembuatan asetat anhidrat dengan proses metode ketena menggunakan asam asetat sebagai bahan baku dan trietil fosfat sebagai katalis. Proses yang terjadi pada pembuatan asetat anhidrat adalah pirolisis. Secara garis besar, proses dibagi menjadi beberapa tahapan, yaitu :
1. Tahap persiapan bahan baku 2. Tahap reaksi
3. Tahap pemisahan dan pemurnian produk
2.2.1 Tahap Persiapan Bahan Baku
Pada unit persiapan bahan baku, asam asetat disimpan pada tangki penyimpanan asam asetat (T-101) dan bahan untuk penunjang proses produksi berupa katalis trietil fosfat (TEP) yang disimpan pada (T-102) sebagai tangki penyimpanan katalis. Proses produksi asetat anhidrat dimulai dengan mengalirkan umpan asam asetat ke vaporizer (E-101) dengan tujuan untuk mengubah fase dari cair menjadi gas dengan menggunakan steam sebelum direaksikan ke dalam reaktor. Asam asetat keluar menjadi fase gas memiliki suhu 117,76°C dan tekanan 1 atm. Sebelum masuk ke reaktor, asam asetat gas dicampurkan dengan trietil fosfat (TEP) yang bersifat sebagai katalis reaksi perengkahan asam asetat. pada mixing point (MP-101) untuk mempermudah proses pencampuran. Kemudian, umpan campuran dialirkan masuk ke dalam reaktor (R-101) yang merupakan reaktor untuk tempat proses pirolisis untuk menghasilkan produk ketena dalam bentuk fase gas.
Reaktor (R-101) dikondisikan pada keadaan vakum dengan tekanan 0,15 atm untuk memaksimalkan konversi dan yield produk ketena pada reaksi perengkahan asam asetat.
2.2.2 Tahap Reaksi
Proses pirolisis dilakukan pada reaktor 1 (R-101). Reaksi perengkahan pada reaktor 1 (R-101) bersifat endotermis, sehingga perlu diberikan diberikan sumber pemanas agar reaksi dapat terus berjalan. Sumber panas yang digunakan untuk menjaga suhu reaktor (R-101) pada suhu 750°C adalah panas hasil pembakaran gas alam pada furnace. Pipa-pipa pada reaktor (R-101) dipanaskan langsung udara hasil pembakaran gas alam. Reaksi perengkahan ini adalah reaksi yang menghasilkan 2 mol produk untuk setiap mol umpan yang digunakan seperti reaksi yang dapat dilhat sebagai berikut.
CH3COOH → CH2CO + H2O
Untuk menggeser reaksi ke sebelah kanan, reaksi dilakukan pada kondisi vakum. Kondisi vakum dapat dilakukan dengan menggunakan liquid ring vacuum pump (K-101) pada keluaran reaktor. Setelah itu, produk yang dihasilkan mengalami proses pendinginan pada effluent cooler (E-102). Effluent reaktor kemudian didinginkan lebih lanjut setelah vacuum pump hingga suhu aliran
menjadi 30°C agar dapat memisahkan asam asetat sisa cair yang terbentuk dari gas ketena pada separator (V-101) yang memiliki tekanan 1 atm.
Aliran cair campuran asam asetat dengan air dipompa (P-103) dan dipanaskan terlebih dahulu. Aliran ini dipanaskan sebelum dialirkan ke water stripper (C-102). Pada water stripper (C-102), air dipisahkan dari campuran air dan asam asetat sebagai distilat kolom distilasi. Tekanan kolom yang digunakan adalah 1 atm pada kondensor dan 1 atm pada reboiler.
Asam asetat produk bawah dari water stripper (C-102) memiliki suhu 118°C kemudian didinginkan pada cooler (E-108), kemudian gas ketena keluaran atas dari separator vessel (V-101) juga dipanaskan pada heater (E-109). Kedua aliran tersebut kemudian diumpankan ke dalam reaktor (R-102) pada suhu 80°C dengan tekanan 1 atm untuk menghasilkan produk berupa asetat anhidrat melalui reaksi eksoterm. Reaksi yang terjadi pada reaktor 2 (R-102) adalah sebagai berikut.
CH3COOH + CH2CO → (CH3CO)2O
Reaksi antara gas ketena dengan asam asetat cair diasumsikan berjalan sebagai reaksi kesetimbangan. Sehingga, untuk menghasilkan yield asetat anhidrat yang tinggi, suhu reaktor juga perlu dijaga. Reaksi yang terjadi di reaktor (R-102) dijaga suhunya 80°C dengan menggunakan pendingin cooling water pada koil.
2.2.3 Tahap Pemurnian Produk
Produk yang keluar dari reaktor 2 (R-102) berupa fase cair dan gas, dimana keluaran reaktor yang berbentuk gas dialirkan ke flare untuk membuang gas dekomposisi, seperti CH4 dan CO2 dari aliran produk. Hasil produk asetat anhidrat berupa fase cair akan dipanaskan terlebih dahulu menggunakan heater (E-110) sebelum dialirkan ke kolom distilasi. Kemudian, umpan dialirkan ke kolom distilasi (C-102) untuk dilakukan proses pemurnian agar mendapatkan tingkat kemurnian yang cukup tinggi. Pada kolom distilasi, umpan masuk pada suhu 86°C dengan kondisi operasi tekanan 0,2 atm. Dalam kolom distilasi dihasilkan pemurnian produk asetat anhidrat sebesar 99%-mol yang keluar sebagai hasil produk bawah kolom distilasi (C-102) dengan suhu 91°C. Produk bawah tersebut, kemudian didinginkan hingga suhu 30°C untuk disimpan ke dalam tangki penyimpanan produk (T-103)
2.3 Spesifikasi Bahan dan Produk
Adapun spesifikasi bahan baku utama, bahan baku pendukung, dan spesifikasi produk yang dihasilkan adalah sebagai berikut.
2.3.1 Spesifikasi Bahan Baku Utama
Untuk memproduksi asetat anhidrat, bahan baku utama yang dibutuhkan adalah larutan asam asetat (CH3COOH). Asam Asetat merupakan suatu larutan yang dapat menyebabkan iritasi. Pada Tabel 2.1 berikut merupakan spesifikasi yang dimiliki oleh bahan baku pembuatan asetat anhidrat.
Tabel 2. 2 Tabel Spesifikasi Asam Asetat (C2H4O2)
No. Spesifikasi Nilai
1. Rumus Molekul C2H4O2
2. Fase Cair
3. Warna Tidak Berwarna
4. Bau Menyengat
5. Berat Molekul 60,052 g/mol
6. Kemurnian 99,8 %wt
7. Impurities 0,02% wt H2O
8. Kelarutan Dalam Air (25°C) Larut
9. Distributor Bahan Baku BP PETRONAS Acetyls
10. Harga $ 651,00/ton
(Perry, 1997) 2.3.2 Spesifikasi Bahan Pendukung
Adapun bahan pendukung pada proses ini adalah Trietil Fosfat yang digunakan sebagai katalis untuk menghasilkan produk Asetat Anhidrat. Trietil Fosfat merupakan cairan yang bersifat korosif, sehingga dapat memberikan dampak iritasi pada kulit dan mata. Spesifikasi dari katalis trietil fosfat dapat dilihat pada Tabel 2.3 sebagai berikut
Tabel 2. 3 Tabel Spesifikasi Trietil Fosfat (C6H15O4P)
No. Spesifikasi Nilai
1. Rumus Molekul C6H15O4P
2. Fase Cair
3. Warna Tidak Berwarna
5. Berat Molekul 182,156 g/mol
7. Densitas (20°C) 1,069 kg/m3
8. Kelarutan Dalam Air (25°C) Larut
9. Distributor Katalis Zhang JiaGang YaRui Chemical Co., Ltd, China
10. Harga $ 1.755,35/ton
(MSDS Triethyl Phosphate PubChem) 2.3.3 Spesifikasi Produk
Asetat Anhidrat (C4H6O3) atau bisa disebut dengan asetil asetat adalah asam karboksilat anhidrat yang merupakan turunan dari asam asetat. Asetat anhidrat adalah satu satu anhidrat asam yang paling sederhana. Untuk proses pengolahan anhidrat pada umumnya menggunakan metode ketena. Penggunaan di industri kimia, asetat anhidrat ini digunakan sebagai larutan untuk proses reaksi sintesis organik (Kirk Othmer, 1981).
Gambar 2. 5 Struktur Molekul Asetat Anhidrat
Berdasarkan produk utama yang dihasilkan dari pabrik ini adalah asetat anhidrat. Maka, terdapat spesifikasi dari asetat anhidrat pada Tabel 2.4 berikut.
Tabel 2. 4 Tabel Spesifikasi Asetat Anhidrat (C4H6O3)
No. Spesifikasi Nilai
1. Rumus Molekul C4H6O3
2. Fase Cair
3. Warna Tidak Berwarna
4. Bau Menyengat
5. Berat Molekul 102,09 g/mol
6. Densitas (20°C) 1,082 kg/m3
7. Laju Alir 1190,5 kg/jam
8. Kemurnian 99,5 %wt
9. Kelarutan Dalam Air (20°C) Larut
10. Harga $ 2.308,00/ton
(Kirk Othmer, 1981)
