makalah Reaktif distilation

Bab I Pendahuluan

Dalam suatu proses pembuatan produk kimia di prabik sering kita jumpai proses kimia meliputi dua tahap. Tahap pertama dimana reaktan direaksikan dalam sutu reactor sehingga terjadi reaksi dan menghasilkan produk. Tahap kedua yaitu proses purifikasi produk yang pada umumnya melalui distilasi. Keadaan ini jelas tidak ekonomis, untuk itu kemudian muncul pemikiran bagaimana cara agar proses reaksi dan purifikasi produk dapat dilakukan dalam satu tahap sehingga biya produksi dapat ditekan. Oleh karena itulah kemudian munncul suatu proses yang dinamakan reaksi distilasi.

Reaksi distilasi merupakan proses satu tahap, dimana reaksi dan distilasi terjadi dalam satu tempat kolom distilasi tunggal. Prinsip dari reaksi distilasi ini adalah mereaksikan reaktan dalam suatu stage dengan katalis dalam kolom kemudian produk yang dihasilkan langsung terpisah karena terjadi perbedaan tekanan uap atau perbedaan titik didih. Pemgambilan produk yang terbentuk dari reaksi mengakibatkan keseimbangan bergeser ke arah pembentukan produk sehingga konversi akan meningkat.

Aplikasi dari penggunaan reaksi distilasi ini adalah dalam pembuatan etilene glikol. Reaktan yaitu etilen oxide dan air dimasukkan ke dalam kolom dalam kondisi saturated liquid. Kolom dioperasikan pada tekanan atmosperik dengan menggunakan reboiler parsial dan kondenser total dengan total refluks. Etilen glikol didapat pada dasar kolom dan konversi mencapai 99,7%.

BAB II Pembuatan Etilene Glicol

2.1. reagen properties

1. etylene oxide

Properties
Molecular formula	C2H4O
Molar mass	44.05 g mol−1
Appearance	colorless gas
Density	0.882 g/mL, 7.360 lbs/gallon
Melting point	−111.3 °C
Boiling point	10.7 °C
Solubility in water	miscible

2.Etylene Glicol

Properties
Molecular formula	C2H4(OH)2
Molar mass	62.068 g/mol
Density	1.1132 g/cm³
Melting point	−12.9 °C (260 K)
Boiling point	197.3 °C (470 K)
Solubility in water	Miscible with water in all proportions.
Viscosity	16.1 mPa s [1]

2.2. Reaktif Distilasi

Reaktif distilasi merupakan proses kombinasi antara reaksi kimia dan separasi (distilasi ) yang terjadi secara simultan dalam suatu kolom distilasi tunggal. Dimana produk yang terbentuk langsung dipisahkan secara distilasi. Misalnya suatu reaksi reversible mengikuti persamaan : A + B ↔ C + D (eksotermis)

Dimana titik didih komponen secara berurutan adalah B, D, C, dan D. Flowshet cara konvensional dapat dilihat pada gambar di bawah (a). Umpan A dan B masuk reaktor kemudian produk dipisahkan melalui distilasi sementara sisa reaktan direcycle kembali ke reaktor. Proses pemisahan akan semakin kompleks jika terdapat azeotrop. Gambar (b) di bawah menunjukkan alternatif proses melalui reaktif distilasi. Kolom reaktif distilasi terdiri dari reactive section yang berada di tengah kolom dengan non reactive section rectifying. Stripping section pada top dan botton. Non reactive section rectifying berfungsi sebagai tempat untuk recovery reaktan yang tidak bereaksi dari aliran produk. Pada reaktive section selain terjadi reaksi, pemisahan produk juga terjadi secara simultan. Berdasarkan prinsip keseimbangan, maka kesetimbangan akan bergeser ke pembentukan produk sehingga konversi meningkat. Selain itu hal ini mencegah terjadinya reaksi samping antara produk dengan reaktan. Dengan menggunakan proses reaktif distilasi ini konversi yang dicapai mendekati 100%

Kelebihan reaktif distilasi

1. simple design sehingga mengurangi capital cost

2. konversi mendekati 100%. Dapat mengurangi biaya untuk recycle

3. selektivitas meningkat. Pengambilan produk dapat mencegah terjadinya reaksi samping.

4. untuk menghasilkan konversi yang sama, RD membutuhkan lebih sedikit katalis

5. menghindari terjadinya azeotrop

6. heat integration

7. mengurangi hilangnya panas.

Syarat dilakukannya RD

1. T reaksi ≈ T distilasi

2. produk merupakan lowest boiling point atau highest boiling point

3. katalis stabil

4. tidak terjadi panas yang ekstrem

2.3. Aplikasi RD dalam pembuatan Etilen Glicol

Proses yang sering dilakukan dalam pembuatan etilen glikol adalah dengan mereaksikan etilen oxide dengan air (hidrolisis). Reaksi yang terjadi merupakan reaksi irreversible.

C₂H₄O (g) + H₂O (l) → C₂H₄(OH)₂

Salah satu proses konvensional yang sering dilakukan adalah dengan proses scientific design atau proses hidrasi etilen oxide dengan air dalam fasa cair secara non katalitik. Proses dilakukan dengan mereaksikan etilen oxide dan air dalam reactor plugflow secara adiabatic non-isotermal dengan suhu masuk 152^oC dan suhu keluar reactor 200^oC pada tekanan 16 atm. Kendala yang terjadi adalah terbentuknya produk samping yaitu dietilen glikol yang terjadi karena reaksi samping antara etilen oxide dan etilene glikol.

C₂H₄(OH)₂ + C₂H₄O → DEG

Dan reaksi samping antara etilen oxide dengan dietilen glikol membentuk trietilen glikol.

C₂H₄(OH)₂ + DEG → TEG

Konsatanta kecepatan reaksi pembentukan DEG tiga kali lebih besar daripada konstanta kecepatan reaksi pembentukan Etilen Glicol. Untuk mencegah terjadinya produk samping maka digunakan air berlebih dengan perbandingan antara air dan etilen oxide 20:1 sehngga etilen oxide cenderung akan bereaksi dengan air membentuk etilen glikol daripada bereaksi dengan produk (etilen glikol). Hal ini mengakibatkan produk keluar reaktor menjadi encer sehingga dalam proses ini produk keluaran reactor telebih dahulu diumpankan kedlam evaporator triple effect untuk memekatkan larutan. Produk keluaran evaporator selanjutnya masuk ke kolom stripper untuk menghilangkan uap air, baru kemudian masuk kedalam kolom ditilasi untuk memisahkan etilen glikol dengan produk smapingnya. Produk yang dihasilkan pada proses ini mencapai 90-90,5% etilen glikol dan 9-10% DEG. Selektivitas 0,89

Tinjauan Thermodinamika

Reaksi antara etiel oxide dan air untuk membentuk etilen glikol berlangsung secara eksotermis. Untuk menentukan apakah reaksi reversible atau irreversible maka perlu dicari harga konstanta kesetimbangan.

AG = -RT ln K

AG = ∑Agf produk -∑Agf reaktan

AG = ∑Agf EG -∑ (Agf EO +Agf H₂O)

= (-77,25 – (- 2,83 – 56,687 )) kkal/gmol

= -17,733 kkal/gmol

Maka ln Ko = -AG/RT  i7,733/(1,987 x 298) =29,95

Sehingga K pada suhu operasi 473 K

Ln K/Ko = -AH(T-To)/R(T.To)

Ln K/1,02x10¹³ = -(- 21,8)x1000x(473-298)/1,987(298x473)

= 13,62  jadi K = 8,4 x 10¹⁸

Dengan demikian reaksi yang terjadi adalah reaksi irreversible

Tinjauan Kinetika

Persamaan kecepatan reaksi antara etilen oxide dan air membentuk etilen glikol adalah C₂H₄O (g) + H₂O (l) → C₂H₄(OH)₂

Karena air dibuat berlebih maka reaksi dianggap orde satu dan yang berpengaruh adalh konsentrasi etilen oxide.

-rA = k.C_A

Dimana -rA : kecepatan reaksi C_A : konsentrasi etilen oxide

k : konstanta kecepatan reaksi

Banyaknya kendala yang ada pada proses konvensional dan proses tersebut dianggap kurang ekonomis ( sistem separasi yang kompleks) maka dikembangkanlah proses reaktif distilasi. Dimana etilen oxide dan air dimasukkan dalam kolom distilasi tunggal.

Tabel 2.1. Sieve Tray Specification for Ethylene Glycol Reactive Distilation Colum

	Configuration
Type of tray	Sieve
Column diameter [m]	1,7
Total tray area [m2]	2,27
Number of liquid flow passes	1
Tray spacing [m]	0,7
Liquid flow path length [m]	1,28
Active area/total tray area	0,86
Hole diameter [m]	0,0045
Total hole area/total tray area	0,0858
Weir length [m]	0,07
Column diameter	0,895
Weir height [m]	0,08
Downcomer clearance [m]	0,01

Kolom terdiri dari sepuluh stage (termasuk reboiler parsial dan kondenser total). Umpan masuk dalam kondisi cair jenuh. Air masuk kolom pada stage ke-2 dari puncak kolom. Sementara etilen oxide masuk kolom pada stage ke-2, 3, 4, 5, dan 6 di bawah umpan air masuk. Hal ini dikarenakan etilen oxide mudah menguap (boiling point=10,3^oC). Kolom dioperasikan pada tekanan 1 atmosper. Untuk mencegah terjadinya reaksi samping dan untuk meningkatkan konversi maka digunakan kondensor total dengan total refluks. Reaksi terjadi pada stage 2,3,4,5,6 dimana di stage ini terdapat katalis. Reaksi berlangsung secara eksotermis.

C₂H₄O (g) + H₂O (l) → C₂H₄(OH)₂ -21,8 kkal/gmol

Panas yang dihasilkan dari reaksi ini digunakan sebagai tenaga pemisah (separating agent). Produk yang dihasilkan secara simultan terpisah karena perbedaan tekanan uap atau perbedaan titik didih. Dimana air yang tersisa akan menuju atas kolom dan diembunkan pada kondensor kemudian diumpankan kembali ke kolom (total refluks). Dengan cara ini maka di dalam kolom terdapat salah satu reaktan berlebih (air) sehingga akan meningkatkan konversi etilen oxide (pereaksi pembatas) menjadi etilen glikol. Sementara itu etilen glikol yang terbentuk akan menuju bawah kolom (komponen dengan titik didih tertinggi) sehingga dapat menghindari reaksi samping dengan etilen oxide membentuk DEG.Dalam proses ini membutuhkan control suhu yang baik sehingga suhu reaksi dan suhu distilasi dapat terjaga.

Kelebihan proses pembuatan etilen glikol secara reaksi distilasi dengan proses konvensional :

1. Design lebih simple karena hanya menggunakan satu kolom reaktif distilasi

2. Pemurnian produk langsung terjadi didalam kolom reaktif distilasi secara simultan, sementara dalam proses konvensional digunakan evaporator triple effect dan kolom distilasi

3. Proses reaktif distilasi dilakukan pada tekanan atmosperic sementara pada proses konvensional tekanan operasi tinggi 14 – 22 atm

4. Produk samping yaitu DEG dan TEG dapat dminimalisasi, konversi mendekati 100 %.

5. Kehilangan panas (energi) dapat diminimalisasi

6. Dengan kelebihan-kelebihan diatas maka reaktif distilasi lebih ekonomis