TUGAS MAKALAH POTK

REACTIVE DISTILLATION(DISTILASI REAKTIF)

2010

1

I. PENGERTIAN

Proses distilasi reaktif merupakan proses dimana reaktan direaksikan dan komponenkomponen hasil langsung dipisahkan, yang akan menghemat energi (untuk pemanasan) dan bahan. Atau dengan kata lain merupakan penggabungan antara proses reaksi dan proses pemisahan dalam satu unit proses. Dengan proses distilasi reaktif dapat menghemat biaya investasi dan memperoleh kemurnian produk yang lebih tinggi. Teknik ini sangat berguna untuk reaksi kesetimbangan terbatas seperti reaksi esterifikasi dan hidrolisis ester. Konversi dapat ditingkatkan jauh melampaui apa yang diharapkan oleh kesetimbangan karena penghilangan terus menerus produk reaksi dari zona reaktif. Ini membantu mengurangi biaya modal dan investasi dan dapat menjadi penting bagi pembangunan berkelanjutan karena konsumsi sumber daya yang lebih rendah.

Gambar 1. Skema Reactive Distillation

Kondisi di kolom reaktif adalah suboptimal baik sebagai reaktor kimia dan sebagai kolom distilasi , karena kolom reaktif menggabungkan keduanya. Pengenalan sebuah proses pemisahan in-situ di zona reaksi atau sebaliknya mengarah ke interaksi kompleks antara kesetimbangan uapcair , kecepatan transfer massa, difusi dan kinetika kimia, yang menimbulkan tantangan besar untuk desain dan sintesis sistem ini. Side reactor, dimana sebuah kolom terpisah mengumpankan2

sebuah reaktor dan sebaliknya, lebih baik untuk beberapa reaksi, jika kondisi yang optimal distilasi dan reaksi berbeda terlalu banyak. Biasanya peralatan distilasi reaktif terdiri dari kolom reaktif, dengan feed input, secara langsung terpasang kolom stripping dan enriching dengan outputnya. Beberapa senyawa yang selama ini sudah diproduksi dengan proses reaktif destilasi dan memberikan keuntungan yang cukup besar adalah Metil Asetat dan Metyl Tertier Butyl Ether (MTBE) (Taylor dan Krishna, 2000). Selain itu aplikasi teknologi reaktif distilasi juga berhasil digunakan dalam proses produksi methyl tert-buthyl ether (MTBE), hidrogenasi senyawa aromatik, hidrodesulfurisasi, isobutylene dan etil benzen. (Harmsem, 2007). Kesesuaian reactive distillation untuk reaksi tertentu tergantung pada berbagai faktor seperti volatilitas dari reaktan dan produk bersama dengan reaksi feasible dan suhu distilasi. Oleh karena itu, penggunaan reactive distillation untuk setiap reaksi mungkin tidak feasible. Distilasi reaktif dapat digunakan pada beberapa reaksi berikut: Asetilasi Kondensasi aldol Alkilasi Dehidrasi Esterifikasi Hidrolisis Isomerisasi Oligomerisasi Transesterifikasi

Misalnya, n-Butil asetat,merupakan bahan kimia penting di industri dengan aplikasi yang luas sebagai pelarut serbaguna,yang diproduksi dengan cara esterifikasi asam asetat dengan n-butanol pada katalis asam yang sesuai. Alkohol ini sedikit larut dalam air dan ester hampir tidak larut. Fitur lain yang menarik dari sistem ini adalah bahwa hal itu terkait dengan pembentukan minimum boiling ternary azeotrop ester, alkohol dan air, yang heterogen di alam. Oleh karena itu, dalam suatu jenis kolom distilasi reaktif yang terdiri dari kedua zona reaktif dan non-reaktif, yang azeotrop heterogen atau mendekati komposisi azeotrop dapat diperoleh sebagai produk distilat.3

Selain itu, fase air yang terbentuk setelah kondensasi uap hampir air murni. Tergantung pada kebutuhan, salah satu fase dapat ditarik sebagai produk dan fase lainnya dapat didaur ulang/recycle kembali sebagai refluks. Ester yang murni,misalnya ester butil asetat, menjadi komponen paling volatil dalam sistem, dijadikan sebagai produk bawah. II. KEUNTUNGAN DISTILASI REAKTIF Penggunaan teknologi distilasi reaktif pada suatu reaksi akan mempercepat reaksi mencapai kesetimbangan. Untuk beberapa proses kimia, karena distilasi reaktif merupakan penggabungan antara reaksi dan pemisahan dalam satu unit proses, sehingga distilasi reaktif memberikan beberapa keuntungan, yaitu:

Meningkatkan kecepatan overall dan efisiensi. Produk yang dihasilkan mempunyai harga konversi yang tinggi. Produk yang dihasilkan mempunyai harga kemurnian yang tinggi. Produk yang dihasilkan mempunyai selektivitas yang tinggi ;mengurangi penggunaan bahan baku dan produk samping. Mengurangi biaya produksi; mengurangi penggunaan peralatan, penggunaan energi dan penanganan. Lebih sedikit limbah dan produk samping. Meningkatkan kualitas produk - bahan kimia karena lebih sedikit terkena panas, mengurangi kesempatan terjadinya degradasi.

III. CONTOH PENGGUNAAN 1. Pembuatan Biodiesel Salah satu cara untuk memproduksi biodiesel adalah dengan esterifikasi asam lemak yang terkandung dalam minyak nabati. Komponen terbesar pada minyak nabati adalah trigliserida yang merupakan ikatan asam lemak jenuh dan tak jenuh. Tiap jenis minyak nabati mengandung komposisi asam lemak yang berbeda-beda. Sebagai contoh minyak sawit mengandung asam lemak jenuh dan tak jenuh dalam jumlah yang sama. Kandungan asam lemak terdiri dari asam oleat 42%, asam linoleat 9%, asam palmitat 43%, asam stearat 4%, dan asam miristat 2% (Baileys, 1996).4

Asam lemak diproduksi dari hidrolisis minyak nabati. Asam lemak dan ester asam lemak adalah produk yang terpenting dari bahan kimia oleochemical. Berbeda dengan minyak nabati yang mengandung bermacam-macam senyawa trigliserida, penggunaan asam lemak memungkinkan untuk memproduksi ester asam lemak dengan satu jenis senyawa tertentu misalnya hanya ester C12-C16 dan C18-C22. Produksi ester di dunia pada tahun 1990 sekitar 450.000 ton dan diperkirakan kecepatan kenaikannya sekitar 2,4% per tahun (Hunter et al, 1998). Beberapa penggunaan ester asam lemak antara lain digunakan dalam industri cat, kosmetik, sabun, farmasi, makanan, dan biodiesel sebagai bahan bakar untuk mensubstitusi petroleum diesel. Esterifikasi pada dasarnya adalah reaksi yang bersifat reversibel dari asam lemak dengan alkil alkohol membentuk ester dan air adalah sebagai berikut:

Reaksi esterifikasi adalah reaksi endotermis. Proses ini berlangsung dengan katalis asam antara lain H2SO4, H3PO4, dan asam sulfonat. Untuk mengarahkan reaksi ke arah produk alkil ester, salah satu reaktan, biasanya alkohol diberikan dalam jumlah yang berlebihan dan air diambil selama reaksi. Umumnya pengambilan air dilakukan secara kimia, fisika dan pervorasi (Vieville et al, 1993). Teknologi distilasi reaktif juga telah dikembangkan dalam teknologi pembuatan biodiesel, dan lebih efisien dibanding proses transesterifikasi. Asam oleat dikonversi menjadi produk biodiesel di unit reaksi dengan penambahan alkohol dan katalis, kemudian dimurnikan di unit pemisahan. Dengan penggunaan teknologi distilasi reaktif, metanol yang digunakan juga bisa direcycle kembali untuk menjadi reaktan sehingga lebih ekonomis. Pemakaian bahan baku asam lemak merupakan alternatif untuk meningkatkan efisiensi produksi biodiesel. Asam oleat merupakan salah satu dari asam lemak yang dapat digunakan sebagai bahan baku alternatif pada proses produksi biodiesel yang memiliki harga yang jauh lebih murah jika dibandingkan dengan minyak nabati. Alternatif proses ini akan mengurangi biaya produksi5

pembuatan biodiesel dibandingkan jika menggunakan minyak nabati, selain itu juga dengan penggunaan asam oleat menjadi biodiesel bisa meningkatkan nilai guna dari asam oleat itu sendiri. Contoh metode pembuatan (skala laboratorium) Alat distilasi reaktif yang digunakan misalnya jenis batch reative distillation. Alat terdiri dari tiga bagian reaktor batch yang juga berfungsi sebagai reboiler dan kolom distilasi packing. Reaktor yang juga berfungsi sebagai reboiler dilengkapi dengan pemanas dan pengaduk dan termokopel untuk menjaga kestabilan temperatur pada kisaran 2C dari temperatur reaksi. Alat distilasi dilengkapi dengan kondensor. Reaktan berupa asam oleat dan metanol dan katalisator dimasukkan dalam reaktor pada temperatur ruang. Kondisi start up tercapai saat kondisi reaktor dan distilasi pada temperatur yang diinginkan tercapai. Setelah kondisi operasi yang diinginkan tercapai, sampel diambil pada interval 15 menit, untuk dianalisa kadar biodiesel dan berat biodiesel. Variabel percobaan pada penelitian ini meliputi rasio asam oleat:metanol, temperatur, serta berat katalisator. Produk yang dihasilkan berupa biodiesel dan hasil sampingnya air. Setelah dipisahkan biodiesel dan hasil sampingnya dan sisa reaktan yang tidak bereaksi, kemudian biodiesel dicuci dengan air panas dan dikeringkan (di-oven). Biodiesel murni yang dihasilkan dianalisa untuk menentukan konversinya. Hasil biodiesel yang diperoleh juga dianalisa dengan metode ASTM untuk menentukan karakteristik sebagai bahan bakar disel Biodiesel yang telah dihasilkan ini kemudian dianalisa untuk menentukan konversinya. Hasil biodiesel yang diperoleh juga dianalisa dengan metode ASTM untuk menentukan karakteristik sebagai bahan bakar diesel (Kusmiyati,2008). 2. Reaksi Asam Asetat dan Metanol menghasilkan Metil Asetat Distilasi reaktif digunakan dalam reaksi reversible, fasa cair. Jika satu atau lebih produk dihilangkan, maka lebih banyak produk yang dihasilkan berdasarkan Asas Le Chatelier. Menghilangkan satu atau lebih produk ialah salah satu prinsip dibalik distilasi reaktif. Campuran reaksi dipanaskan dan produknya dididihkan, namun harus diperhatikan agar reaktan tidak mendidih sebelum produknya.Contoh, distilasi reaktif dapat digunakan dalam penghilangan asam asetat dalam air. Asam asetat adalah produk samping (by product) di beberapa reaksi, dan 6

berguna dalam beberapa hal. Turunan asam asetat digunakan dalam makanan, farmasetika, obat-obatan, dan solven. Namun dapat menjadi polutan dalam air buangan yang harus dihilangkan.

Kecepatan Reaksi

Dari persamaan: , karena pada distilasi reaktif, salah satu produk langsung dihilangkan menyebabkan konsentrasi dari produk yang dihilangkan menjadi sangat kecil. Akibatnya, reaksi kebalikannya berkurang dan lebih banyak produk terbentuk.

Neraca Mol dan Neraca Massa Menghilangkan komponen juga mempengaruhi neraca mol. Jika D adalah komponen yang dihilangkan, neraca molnya menjadi:

7

Neraca massanya menjadi:

substitusi dengan persamaan:

menghasilkan:

dengan mengasumsi densitas konstan maka:

Tanpa distilasi reaktif

Asam asetat akan dihilangkan dengan mereaksikannya dengan methanol dalam reactor semibatch berisi katalis. Neraca Mol8

Neraca Massa

Kecepatan reaksi

9

Dapat menggunakan Ordinary Differential Equation solver seperti Polymath untuk model reaksi ini. Misal persamaan yang digunakan dan grafik (sumber: http://www.engin.umich.edu):

.

Setelah 120 menit, hasilnya 116 mol asam asetat keluar reactor dari asalnya 300 mol.10

Konversinya sebesar 61.3 %.

Dengan distilasi reaktif,hanya metil asetat yang menguap

Persamaan reaksi:

Persamaan neraca mol,neraca massa, dan kecepatan reaksinya adalah: Neraca Mol Neraca Massa

11

Kecepatan Reaksi

Persamaan kecepatan penguapan (evaporation rate) metil asetat:

FMeAc

Rate dimana Methyl Acetate dihilangkan dari campuran reaksi dengan penguapan

XMeAc

Fraksi mol campuran reaksi methyl acetate

Pv MeAc

Tekanan uap methyl acetate saat suhu reaksi

12

PTotal

Tekanan total sistem

FTotal

Rate dimana udara digelembungkan lewat reactor. Karena spesies menguap, dikumpulkan dalam gelembung udara.

Kemudian menghitung tekanan uap methyl acetate. Dari Perry's Chemical Engineering Handbook, dapat dikembangkan persamaan :

dan untuk metil asetat:

Tekanan kritis dan suhu diperlukan untuk mencari tekanan reduksi dan suhu terdapat dalam CRC Handbook of Chemistry and Physics: Tc = 506.5 K, dan Pc = 4750 kPa. Dengan polymath, persamaan dan grafiknya (sumber: http://www.engin.umich.edu)::

13

Grafik:

14

Pada kasus ini, hanya 18 mol asam asetat yang keluar, menghasilkan konversi 94 %. Ini jauh lebih baik dibanding kasus tanpa distilasi reaktif. Sebagai catatan, pada riilnya, produk lainnya juga ikut menguap, tidak hanya metil asetat seperti pada perhitungan ini.

Gambar 2. Metil Asetat dari Asam Asetat dan Metanol

15