BAB II DESKRIPSI PROSES
2.1 Spesifikasi Bahan Baku, Bahan Pendukung, dan Produk 2.1.1 Spesifikasi Bahan Baku
1. Gas klor
Rumus Molekul : Cl2
Berat Molekul : 71
Fase : Cair
Kemurnian : 99,9%
Impuritas : 0,1 % H2
2. Karbon Monoksida
Rumus Molekul : CO Berat Molekul : 28
Fase : gas
Kemurnian : 99%
Impuritas : 1% H2
2.1.2 Spesifikasi Bahan Pendukung 1. Katalis Karbon
Bentuk : Butiran
Diameter : 0,5 mm
Specific surface : 1000 m2/g
2.1.3 Spesifikasi Produk 1. Fosgen
Rumus Molekul : COCl2
Berat Molekul : 99
Fase : Cair
Kemurnian : 99%
Impuritas : 1% Cl2
2.2. Konsep Dasar Proses 2.2.1 Dasar Reaksi
Reaksi yang terjadi antara karbon monoksida dan gas klorin membentuk fosgen adalah sebagai berikut:
+ →
Mekanisme reaksi katalitik fosgen melibatkan reaksi antara karbon monoksida (CO) dan gas klor (Cl₂) dengan bantuan katalis karbon aktif. Proses ini berlangsung dalam beberapa tahap:
1. Adsorpsi: Molekul karbon monoksida dan klor diadsorpsi pada permukaan katalis karbon aktif.
2. Reaksi Kimia: Di permukaan katalis, karbon monoksida bereaksi dengan klor untuk membentuk fosgen (COCl₂). Katalis membantu menurunkan energi aktivasi sehingga reaksi dapat berlangsung lebih efisien.
3. Desorpsi: Fosgen yang terbentuk dilepaskan dari permukaan katalis dan dikumpulkan sebagai produk akhir.
2.2.2 Kondisi Operasi
Rekasi pembentukan fosgen terjadi pada suhu 70oC – 200oC dengan tekanan atmosferis. Pada suhu 200oC reaksi sudah mencapai konversi maksimal sehingga reaksi pada suhu yang lebih tinggi akan kurang efisien.
2.3 Tinjauan Termodinamika 2.3.1 Panas Reaksi ( Hr)Δ
Panas reaksi atau entalpi reaksi (ΔHr) menunjukkan jumlah energi yang dilepaskan atau diserap selama reaksi kimia berlangsung pada tekanan tetap. Nilai ini penting untuk mengetahui apakah reaksi bersifat eksotermis (melepaskan panas) atau endotermis (menyerap panas). Panas reaksi (ΔHr) digunakan untuk menentukan jenis reaksi.
Perhitungan panas reaksi pada suhu standar (298 K):
Reaksi :
Tabel II.1 Harga ΔH°f masing-masing komponen (Yaws, 2003)
Komponen ΔHof ( kJ/mol )
CO -110,5
Cl2 0
COCl2 -220,9
(Smith, Van Ness dan Abbot, 2005) Komponen ΔHf°298 (kJ/mol) Cp (J/mol·K) ΔHf°423 (kJ/mol)
CO –110.5 29.1 –110.5 + 29.1×125 = –106.9
Cl₂ 0 33.9 0 + 33.9×125 = 4.24 → = 4.2
COCl₂ –220.9 81.3 –220.9 + 81.3×125 = –210.7
∆Hr,423 = (Hf,423 COCl2) - (Hf,423 CO +Hf,423 Cl2) = ( -210,7 ) – ( -102,7 ) kJ/mol
= -108 kJ/mol
Karena harga ΔHr298 negatif, maka reaksi bersifat eksotermis.
2.3.2 Energi Bebas Gibbs ( GΔ o)
Energi bebas Gibbs (ΔG) menggambarkan potensi spontanitas dari suatu reaksi pada tekanan dan suhu tetap. Jika ΔG bernilai negatif, maka reaksi tersebut terjadi secara spontan; sebaliknya, jika positif maka reaksi tidak spontan.
Tabel II.3 Harga ΔG°f masing-masing komponen (Yaws, 2003)
Komponen ΔGof ( kJ/mol )
CO -137,2
Cl2 0
COCl2 -205,1
(Smith, Van Ness dan Abbot, 2005) Komponen ΔGof ( kJ/mol ) S° (J/mol·K) ΔGf,423 ( kJ/mol )
CO -137,2 197,7 -190,5
Cl2 0 223,1 0
COCl2 -205,1 283,5 -330,5
ΔG423K = ΔGf,423 produk – ΔGf,423 reaktan
=(-330,5) – (-190,5) kJ/mol = -140 kJ/mol
Didapat ΔGo < 0 sehingga reaksi dapat berlangsung secara spontan
2.3.2 Konstanta Kesetimbangan Reaksi
Konstanta kesetimbangan merupakan parameter penting dalam termodinamika yang menunjukkan derajat kecenderungan reaksi kimia untuk berpindah ke arah produk pada kondisi tertentu.
Dari Smith Van Ness (2005), persamaan (13.11b) : ln K423 = −ΔG0
RT
= −−140000 J/mol 8,314 J/mol.K x 423 K = 39,6
K423 = 2,12 x 1017
Dari Smith Van Ness (2005), persamaan (13.15) ln
(
KK298)
=−Δ HR 298×(
T1−T1ref)
Pada suhu 125oC (398 K) besarnya konstanta kesetimbangan dapat dihitung sebagai berikut:
ln
(
KK298)
=−Δ HR 298×(
T1−T1ref)
ln
(
1,52 × 10K 12)
=−(-69500 kJ/ k mol)8,314 kJ/ k mol.K ×
(
3981 −2981)
Kln
(
1,52 × 10K 12)
=−7,048lnK= -7,05 + 28,05
K = 1,3188 x 109
2.3.4 Nilai Konversi Kesetimbangan
Untuk mendapatkan nilai konversi kesetimbangan, diperlukan nilai konstanta kesetimbangan reaksi (K)
Reaksi : CO(g) + Cl2(g) → COCl2(g)
m : CA0 CB0
r : CA0.XA CA0.XA CA0.XA
- s : CA0 (1-XA) CB0 CA0.XA CA0.XA
K= [CO Cl2] [CO][Cl2]
K= CA0. XA
(CA0
(
1−XA)
)(CB0−CA0. XA)K= XA
(
1−XA)
)CA0(CB0CA0−XA)
Dengan,
K = 1,3188 x 109 CB0
CA0=1 Maka,
1,3188x109= XA
(
1−XA)
(1−XA)Didapat nilai XA seberar : XA1 = 0,9999 (memenuhi)
XA1 = 1,00003 (tidak memenuhi)
Didapat nilai konversi kesetimbangan sebesar 99,99%
2.4 Tinjauan Kinetika
Jelaskan persamaan kecepatan reaksi yang terjadi beserta konstanta kecepatan rea ksinya. Jelaskan juga kondisi (suhu, tekanan, jenis dan jumlah katalis, perbandingan reaktan, kecepatan pengadukan atau yang lainnya) yang sesuai dengan persamaan kecepa tan reaksi dan konstanta kecepatan reaksi tersebut. Informasi ini berdasarkan referensi.
2.5 Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses 2.5.1. Diagram Alir Kualitatif dan Kuantitatif
Diagram alir kualitatif dan kuantitatif digabung dan disajikan dalam sebuah diag ram blok (kotak). Diagram ini dilengkapi dengan data kualitatif dan kuantitatif, baik arus bahan maupun kondisi operasi setiap arus atau alat. Penyusunan diagram alir ini wajib mengikuti kaidah diagram blok.
Persamaan reaksi yang terjadi di suatu alat wajib ditulis di dalam kotak alat itu.
Gambar 2.1 Contoh Diagram Alir Kualitatif dan Kuantitatif
2.5.2 Diagram Alir Proses
Diagram alir proses atau process engineering flow diagram (PEFD) merupakan diagram dengan simbol alat standar (reff. Turton & Sinnott). Diagram ini yang ditampilkan dan dijelaskan saat ujia n pendadaran. Maka PEFD disusun dengan prinsip memudahkan untuk dibaca. Tanda panah dan huruf harus berukuran cukup besar dan terbaca tanpa memperbesar gambar. Garis arus utama dibuat lebih tebal. Ukuran alat dalam PEFD tidak harus proporsional dengan dimensi alat. Diagram ini di lengkapi dengan:
1. alat transportasi bahan,
2. alat penukar panas dan informasi suhu baik arus pendingin maupun pemanas di sekitar alat wajib ditulis.
3. sistem pengendalian tekanan, suhu, atau level secara sederhana, 4. nomor arus, serta kondisi operasi.
5. keterangan arus dan simbol gambar.
6. arus bahan baku wajib di sebelah kiri proses utama.
7. arus produk dan arus yang dibuang ditulis di sebelah kanan proses utama.
8. kotak pengesahan diletakkan di kanan bawah.
9. Kotak berisi keterangan simbol alat diletakkan di bagian kanan atas
10. Tabel neraca massa diletakkan di bagian bawah (dengan huruf yang mudah dibaca).
Contoh pemberian informasi arus:
2.5.3 Tahapan Proses
Tahapan proses merupakan narasi dari diagram alir proses.
2.6 Neraca Massa dan Neraca Panas 2.6.1 Neraca Massa
Sajikan tabel neraca massa keseluruhan bagian proses pabrik (mengacu diagram alir kuantitatif atau PEFD), dan bukan neraca massa setiap alat. Neraca massa setiap alat sudah disajikan dalam diagra m alir kualitatif dan kuantitatif.
Tabel 2.1 Contoh Tabel Neraca Massa
Tabel 2.2 Jumlah Arus Input dalam Neraca Massa Total Pabrik Kompone
n
Input (kg/jam)
Arus 1 Arus 2 Arus 4 Arus 5 Arus 7 Arus 10 Arus 23 Arus
27 Arus H2O 11,7339 1.351,543 185,51 11,33 40.598,10 6.976,80 16,628 0,688 67,46828
H2O2 - - 185,51
6 - - - -
H2SO4 - - - 618,18
1 - - - - -
NaCIO3 1.161,660
- - - -
NaOH - - - 68,15 -
Udara
Pengering - - - 875,20 - -
Subtotal 1.173,394 1.351,546 371,03
3 629,51
2 40.598,10
6 6.976,80
7 891,83
5 68,84
5 67,468
Total 52.128,5492
Tabel 2.3 Jumlah Arus Output dalam Neraca Massa Total Pabrik
Komponen Output
(kg/jam)
Arus 8 Arus 11 Arus 12 Arus 14 Arus 22 Arus 24 Arus 25
O2 - - 174,414
9 - - - -
ClO2 122,2321 606,9823 6,1311 - - - -
H2O (g) - - 8,9213 1.734,814
4 - 27,8035 -
H2O (l) 40.598,089
6 6.967,902
8 - - 108,487
7 - 0,8796
H2O2 - - - - 0,1703 - 0,0189
NaCIO3 - - - - 1,0657 - 0,1184
Na2SO4 - - - - 16,7485 - 878,561
Udara 3
Pengering - - - 875,206
7 -
Subtotal 40.720.321
7 7.575,757
0 189,467
3 1.734,814
4 126,254
9 903,010
3 879,578
Tota 2
l 52.128.54
92
Selanjutnya, lakukan analisis kebutuhan bahan baku spesifik terhadap massa produk utam a.
Misal produk utama adalah arus nomor 11, maka:
Dan bahan baku lainnya.
Kemudian lakukan analisis banyaknya limbah atau produk samping spesifik yang dihasilkan pabrik, yaitu dengan menghitung banyaknya yang dihasilkan per kilogram produk utama yang dihasilkan.
Berdasarkan data kebutuhan spesifik bahan baku dan data limbah atau produk lain spesifik, buatlah pembahasan yang sederhana dan logis.
2.6.2. Neraca Panas
Sajikan tabel neraca panas keseluruhan bagian proses pabrik (mengacu PEFD), dan bukan neraca panas setiap alat. Contoh:
Tabel 3.1 Neraca Panas Total di Sekitar Pabrik
No. Arus / nama alat Input (kJ/jam) Output (kJ/jam)
1. Q1 1.533,7639
2. Q2 28.319,9660
3. Q4 4.398,2979
4. Q5 4.659,8496
5. Q7 876.184,4638
6. Q10 150.570,7958
7. Q27 197.786
8. Q28 1.413.71159
9. Arus Steam E 4.443.366,7163
10. Arus Steam HE-02 64.481,0400 11. Qreaksi R (ekso,
dibangkitkan) 2.520.191.2060
12. Qpelarutan AB -
0,0155
13. Q8 889.026,2439
14. Q11 152.475,2773
15. Q12 933,892
16. Q14 544.476,28894
17. Q22 2.481.0572
18. Q24 108.787.1149
19. Q25 49.406,2049
20. Arus Pendingin Reaktor 2.249.218.2271
21. Arus Pendingin HE-01
70.890,5117
22. Qlaten E 3.803.819,3655
23. Qkonveksi FC-01 223.805,3981
Tota
l 8.095.319,5821 8.095.319,5821
Tabel ini bermanfaat untuk menentukan kebutuhan energi berupa steam yang harus disuplai dari utilitas dan/atau bahan bakar yang diberikan ke unit proses.
Contoh perhitungan kebutuhan spesifik energi (berasal dari steam utility) terhadap massa produk utama yang dihasilkan:
Di Bab Utilitas, perhitungan kebutuhan spesifik massa steam, massa bahan bakar, serta energi listrik dievaluasi dengan cara yang analog, yaitu dinyatakan dalam rasio terha dap massa produk utama pabrik.
2.7 Tata Letak Peralatan dan Pabrik 2.7.1. Tata Letak Peralatan
Desain tata letak alat proses (area proses alat yang ada di PEFD) mengikuti data dim ensi hasil desain alat yang telah dilakukan. Tata letak alat ini digunakan sebagai dasar pe rancangan alat transportasi padatan maupun fluida (pompa dan kompresor). Skala dan ara h mata angin wajib dicantumkan.
2.7.2 Tata letak Pabrik
Desain tata letak pabrik dilakukan setelah area proses diketahui. Maka, tata letak peralata n proses wajib dirancang terlebih dahulu. Luasan tanah area proses harus sama dengan luasan tata letak peralatan. Luasan tata letak pabrik digunakan dalam evaluasi ekonomi, yaitu luasan tanah yang harus dibeli. Skala dan arah mata angin wajib dicantumkan.
