PERANCANGAN PROSES KIMIA

Pembuatan EtilBenzena dari Etil dan Benzena

Disusun Oleh

Nama NIM

Riduan Situmorang 1209065029

Shabrina Iswari Adani 1209065040

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MULAWARMAN

SAMARINDA

2014

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Sejarah Proses

Etil benzena adalah senyawa kimia organik yang merupakan hidrokarbon aromatik

(HC). Penggunaan utama adalah dalam industri petrokimia sebagai senyawa antara untuk

produksi stirena, yang pada kemudian digunakan untuk membuat polistiren, bahan plastik

yang umum digunakan. Meskipun sering hadir dalam jumlah kecil dalam minyak mentah,

etil benzena diproduksi dalam jumlah massal dengan menggabungkan benzena

petrokimia dan ethylene dalam kimia asam-katalis reaksi. Etil benzena juga merupakan

bahan dalam beberapa pembuatan cat. Etil Benzena digunakan hampir secara eksklusif

sebagai perantara (intermediet) dalam produksi styrene monomer. Etil benzena dihasilkan

oleh alkilasi fase cair atau alkilasi fase uap dari benzena dengan etilena. Produksi

komersial dimulai pada 1930 dan telah berkembang lebih dari 23 juta metrik per tahun

(MTA).

Alkilasi dari HC dengan olefin dengan katalis AlCl3 pertama kali dipraktekkan oleh

M.Balsohn pada tahun 1879. Namun, Charles Friedel & M. James Crafts lah yang

memelopori banyak penelitian alkilasi & katalis AlCl3. Beberapa abad kemudian, proses

yang dikerjakan menggunakan reaksi kimia klasik Friedel-Crafts tetap menjadi sumber

dominan pembuatan EB. Etil benzena pertama kali diproduksi pada skala komersial pada

tahun 1930 oleh Dow Chemical di Amerika Serikat dan oleh BASF di Republik Federal

Jerman. Sampai 1980-an, hampir semua etil benzena diproduksi dengan katalis

aluminium klorida menggunakan mekanisme reaksi Friedel-Crafts. Beberapa produk EB

menggunakan katalis Fridal-Crafts yang berbeda, yaitu trifluriede boron. Sejumlah kecil

EB juga dihasilkan sebagai produk dari campuran aliran xilena menggunakan proses

distilasi yang sangat intensif. Pada 1980, fasilitas komersial pertama menggunakan proses

berbasis zeolit. Proses zeolit didasarkan pada uap-fase reaktor pada temperatur lebih dari

4000C. Pada suhu ini, reaksi seperti isomerisasi / cracking dan transfer hidrogen

menghasilkan beberapa produk yang terkontaminasi produk EB. Untuk mengurangi

produk samping pembentukan dilakukan dengan mengubah kondisi reaksi, tetapi tidak

sampai munculnya fase cair yaitu proses beroperasi pada suhu yang lebih rendah dari

2700C dan menunjukkan bahwa proses dengan katalis zeolit benar-benar mampu

memproduksi EB dengan kemurnian tinggi. Kemurnian zeolit tinggi pertama berdasarkan

teknologi yang dikembangkan oleh UOP dan ABB Lummus Global, dimulai pada tahun

1990.

Industri benzena-Styrene Etil relatif tidak berkembang hingga Perang Dunia 2.

Permintaan yang luar biasa untuk SBR sintetis selama perang dunia membuat perbaikan

teknologi dipercepat dan kapasitas ekspansi yang luar biasa. Upaya perang yang sangat

besar menyebabkan pembangunan beberapa pabrik skala besar, mengubah produksi

stirena dengan cepat ke dalam suatu industri raksasa. Pada tahun 1965, 10% dari produksi

Etil Benzena berasal dari fraksi super campuran aliran xylene yang dihasilkan oleh

katalitik reforming nafta. Pada tahun 1986, kapasitas produksi dunia tahunan sebesar 14x

106 t. EB pertama kali diproduksi pada skala komersial pada tahun 1930 oleh Dow

Chemical di Amerika Serikat dan oleh BASF di Federal Republik Jerman.

Sejarah dalam pembuatan Etil Benzene dari awal sampaiyang paling modern dapat

dijelaskan dengan beberapa macam proses sebagai berikut:

1. Proses AlCl3 (tahun 1930 an)

Proses ini dikembangkan oleh Dow Chemical, Mobil badger, dan

Mosanto. Proses ini terjadi pada fase cair dengan katalis AlCl3 reaksi alkalisasi

Lebih cepat dibandingkan dengan reaksi transakilasi sehingga keduanya dilakukan

dalam 2 buah reaktor yang terpisah dan kondisi operasi yang berbeda. Reaksi

alkalasi dijalankan pada suhu 300 - 350˚C dan tekanan 70 – 150 psig. Komposisi

aliran utama berupa aromatik cair, gas etylen, dan fase cair dari katalis kompleks

mengandung faktor korosif tinggi, sehingga diperlukan pemilihan konstruksi alat

yang benar – benar tepat. Yield yang diperoleh cukup besar yaitu 98 – 99%.

2. Proses Alkar

Proses ini dikembangkan oleh UOP dengan katalis BF3 dan berlangsung

pada fase gas. Proses ini sangat peka terhadap air karena akan menyebabkan

adanya reaksi dengan BF3 sehingga akan mengurangi aktifitasi katalis. Sebagai

umpan reaktor adalah bezen dan etilen yang sudah diproses sehingga bebas air dan

katalis BF3 dengan tekanan yang cukup tinggi yaitu 500 psig. Yield yang

diperoleh bisa lebih dari 99%.

3. Proses Zeolite (tahun 1980)

Merupakan proses yang dikembangkan oleh UOP / mobil bagger /

mosanto. Proses ini berlangsung pada fase cair dengan menggunakan katalis

zeolite fixed bed. Yeild yang diperoleh 99%.

4. Proses Lummus

Proses ini merupakan modifikasi dari proses AlCl3. Proses ini tidak

memerlukan sistem recovery katalis dan sangat aman bagi lingkungan. Proses

alkilasi berlangsung pada fase cair di dalam reaktor fixed bed multi bed dengan

kondisi 100 - 200˚C dan tekanan 35 atm. Produksi yang dihasilkan mempunyai

kemurnian yang cukup tinggi yaitu 99%.

5. Proses ABB Lummus (Tahun 1990-an)

Proses ini merupakan proses paling baru yang dikembangkan oleh ABB

Lummus dan merupakan modifikasi dari proses AlCl3. Proses ini tidak

memerlukan sistem recovery katalis dan sangat aman bagi lingkungan. Proses

alkalasi berlangsung pada fase gas dengan kondisi reaktor 350 - 450˚C dan

tekanan 3 – 30 brg sedangkan katalis yang digunakan adalah zeolite. Proses ini

menggunakan bahan baku etilen yang mempunyai kemampuan rendah.

BAB 1

PERANCANGAN PROSES

1.1 Sifat fisika

1.1.1. Sifat fisika bahan baku

a. Benzene

Bentuk (30 ºC, 1 atm) : Cairan

Warna : Tidak berwarna

Bau : Khas

Densitas (25 ºC), kg/m3 : 0,8737

Titik didih (1 atm), ºC : 80,100 ºC

Kemurnian, min : 99 % (mol)

Impuritas, maks : Toluen 1 % (mol)

b. Ethylene

Bentuk (-99 ºC, 3 atm) : Cairan

Warna : Tidak berwarna

Bau : Khas

Densitas (25 ºC), kg/m3 : 20,270

Titik didih (1 atm), ºC : -103,71 ºC

Kemurnian, min : 99,5 % (mol)

Impuritas, maks : Etana 0,20 % (mol)

Metana 0,30 % (mol)

c. Spesifikasi Bahan Pembantu / Katalis

Jenis : Zeolit

Bentuk : Spherical

Diameter, mm : 3

Bulk Densitas, kg/m3 : 990

Porositas : 0,34

Umur, tahun : 2

1.1.2. Sifat Fisika Produk

a. Spesifikasi Produk Ethylbenzene

Bentuk (30 ºC, 1 atm) : Cairan

Warna : Tidak berwarna

Bau : Khas

Densitas (25 ºC), kg/m3 : 0,8626

Kemurnian, min : 99,90 % (berat)

Impuritas, maks : Benzen 0,01 % (berat)

Toluen 0,09 % (berat)

1.2 Sifat Kimia

1.2.1 Sifat kimia bahan baku

a. Sifat Kimia Benzene

Substitusi

Dalam kondisi yang sesuai, satu atau lebih atom hydrogen pada

benzene dapat digantikan dengan atom halogen ataupun gugus seperti

nitro, sulfonat, dan sebagainya.

Oksidasi

Benzene dapat dioksidasi menjadi produk-produk yang berlainan.

Dengan oksidator seperti permangat atau asam krmat benzene

teroksidasi menjadi air dan CO2. Reaksi yang paling penting adalah

oksidasi katalitik benzene menjadi maleat anhidrid dan produk

samping.

Reduksi

Benzene dapat direduksi menjadi sikloheksana. Pada suhu kamar,

benzene dapat dihidrogenasi dengan katalisator Nikel, kecepatan

hidrogenasi akan menjadi tiga kali lipat dengan naiknya suhu 20-50⁰C.

Pirolisa

Jika benzene dilewatkan red hot iron tube atau dalamtemperatur tinggi

akan menghasilkan senyawa diphenil dengan katalis vanadium. Pada

temperature diatas 750⁰C benzene akan terdekomposisi menjadi

karbon dan hydrogen.

Halogenasi

Produk sustitusi maupun adisi dapat diperoleh dengan halogenasi

benzene. Klorobenzen maupun bromobenzen dapat diperoleh dengan

mereaksikan klorin maupun bromine dengan benzene menggunalkan

katalisator FeCl3. Klorobenzen diproduksi secara komersial dengan

melewatkan klorin kering dalam benzene dengan adanya katalisator

molybdenum klorida.

Nitrasi

Benzene direaksikan dengan asam nitrat dan asam sulfonat pada

temperatur 50-70⁰C menjadi mono derivat dengan yield mencapai

98%. Tetapi jika benzene direaksikan dengan campuran asam nitrat

dan mercuri palmiat akan diperoleh nitro phenol.

Alkilasi

Alkil benzene seperti etil benzene dan cumen diproduksi secara

komersial dengan mereaksikan benzene dengan etilen dan propilen

baik dalam fase uap maupun fase cair. Katalis yang digunakan adalah

AlCl3, BF3, atau zeolit.

b. Sifat Kimia Etil

Polimerisasi

Etilen dapat bergabung dengan etilen yang lain membentuk molekul

yang lebih besar (polimer) dengan cara memutus ikatan rangkapnya.

Molekul yang terbentuk terdiri dari 1000 sampai 8 juta molekul etilen.

Reaksi yang terjadi :

n(CH2=CH2) → (….CH2-CH2…..)n

Hidrogenasi

Etilen dapat diubah menjadi ethane melalui proses hidrogenasi

langsung dengan katalisator Nikel pada temperatur 300⁰C

Reaksi yang terjadi :

CH2=CH2 + H2 → CH3 – CH3

Reaksi ini juga dapat berlangsung pada suhu kamar dengan

menggunakan katalisator platina/palladium.

Adisi

Penambahan brom pada senyawa berikatan rangkap menghasilkan

dibromida sehingga senyawa baru menjadi jenuh. Reaksi juga dapat

digunakan untuk mengidentifikasi adanya ikatan rangkap yang ditandai

dengan hilangnya warna coklat dari larutan brom. Reaksi yang terjadi :

CH2 = CH2 +Br2 → CH2 – CH2

CH2 CH2

Etilen juga dapat diadisi dengan reaksi sebagai berikut :

CH2 = CH2 + HI → CH3 – CH2I

CH2 = CH2 + HOCl → CH2 – CH2

OH Cl

CH2 = CH2 + H2SO4 → CH3 – CH2 – OSO3H

Alkilasi

Reaksi alkilasi Friedel – Craft sangat efektif untuk mereaksikan etilen

dengan benzene menggunakan katalisator AlCl3. Tekanan dan

temperatur operasi tergantung dari proses yang dipakai. Pada

pembuatan etil benzene secara konvensional, temperatur yang

digunakan adalah 100⁰C. Reaksi yang terjadi :

C6H6 + C2H4 → C6H5C2H5

Etilen juga dapat dialkilasi dengan hidrokarbon parafin misalnya iso

butane menghasilkan 2,3 dimetil butana. Reaksi yang terjadi :

(CH3)3CH + CH2CH2 → (CH3)2CHCH(CH3)2

c. Sifat Kimia EtilBenzene

Oksidasi etil benzena dengan agen pengoksidasi yang berbeda akan

menghasilakn produk yang berbeda-beda pula, misalnya hidroperoksida,

asetofenon, dan sejumlah kecil etil alkohol, atau bahkan asam benzoat.

1.3 Dasar Reaksi

Proses pembuatan etil benzene dari benzene dan etilen merupakan proses alkilasi

benzene pada fase gas yang dilakukan di dalam reactor fixed bed multi tube sehingga

menghasilkan produk etil benzene. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

Reaksi utama:

C2H4 + C6H6 C6H5C2H5

Reaksi samping:

2 C2H4 + C6H6 C6H4(C2H5)2

Dietil benzene yang terjadi kemudian direaksikan dengan benzene menjaadi etil

benzene di dalam reaktor transalkilasi. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

C6H6 + C6H4(C2H5)2 2 C6H5C2H5

1.4 Mekanisme Reaksi

Reaksi yang terjadi pada proses fase cair menurut Kirk Othmer ( 1981) sebagai

berikut :

C6H6 + C2H4 C6H5CH2CH3

Pada proses Monsanto yang telah dikembangkan menggunakan dua reaktor. Pada

reaktor pertama terjadi reaksi alkilasi antara benzen dengan etilen pada tekanan lebih

rendah dibandingkan pada proses fase gas, yaitu 70-150 psig dan temperature 300-350

0F. Perbandingan mol benzen dan etilen dalam reactor adalah 3:1 sampai 5:1. (Kirk

Othmer). Perbandingan AlCl3 dan C2H4 adalah 0,001-0,0025. Pada reaktor transalkilasi

terjadi reaksi antara benzen sisa dan polietilbenzen yang direcycle. Produk keluar reaktor

transalkilasi selanjutnya dikirim ke Neutralizer untuk menghilangkan HCl dan katalis

yang terdapat didalam produk reaktor.Setelah produk yang keluar bebas dari impurities

produk dipisahkan dengan tiga menara distilasi, Kolom pertama, benzene di recycle untuk

dikembalikan ke reactor alkilasi. Pada kolom kedua menghasilkan produk etilbenzen.

Produk atas dari kolom ketiga adalah polyetilbenzen dan tars, yang dapat digunakan

sebagai bahan bakar. Karena kebutuhan katalis sangat sedikit, maka tidak dibutuhkan

regenerasi katalis. Jadi garam-garam yang dihasilkan dari Neutralizer sistem bisa

langsung dibuang dan dikirim ke sistem pengolahan limbah. Produk keluar kolom

distilasi kemurniannya minimum 99,7 % berat. (Faith Keyes)

Reaksi yang terjadi pada proses Alkar menurut Kirk Othmer ( 1981) sebagai berikut

C6H6 + C2H4 → C6H5C2H5

½ C6H6 + C2H4 → ½ C6H4 ( C2H5)2

Reaksi yang terjadi pada proses Mobil Badger adalah sebagai berikut :

C6H6 + C2H4 → C6H5CH2CH3

C6H5CH2CH3 + C2H4 → C6H4(C2H5)2

C6H4(C2H5)2 + C6H6 → 2C6H5CH2CH3

Proses reaksi berjalan pada tekanan 20-30 bar, temperatur 300-500 0C dan rasio

antara benzen dan etilen sebesar 8:1.Konversinya bisa mencapai 85-90%.

1.5 Data Termodinamika

Data

Termodinamika

Senyawa yang digunakan

Etil Benzene EtilBenzene

ΔHof 298 82.930 29.920 52.510

ΔGof 298 129.665 130.890 60.460

Molar Mass 78.114 106.167 28.054

ω 0.210 0.303 0.087

Tc 562.2 617.2 282.3

Pc 48.98 36.06 50.40

Zc 0.271 0.263 0.281

Vc 259 374 131

Tn 353.2 409.4 169.4

1.6 Data Toksik

a. Data Toksik Etil

Efek kronis pada manusia

Efek karsinogenik: Kelas A4 (Tidak diklasifikasikan untuk manusia atau

hewan.) Oleh ACGIH, Kelas 3 (Tidak diklasifikasikan untuk manusia.) Oleh

IARC. Dapat menyebabkan kerusakan pada organ berikut: paru-paru, jantung,

jaringan otot.

Efek beracun lainnya pada manusia

Tidak ada informasi spesifik yang tersedia mengenai efek beracun lainnya dari

bahan ini untuk manusia.

b. Data Toksik Benzene

Rute masuk: Terserap melalui kulit. Kontak dengan kulit. Kontak mata.

Terhirup.

Efek kronis pada Manusia:

Efek karsinogenik: Kelas A1 Oleh ACGIH. Menyebabkan kerusakan pada

organ berikut: darah, sumsum tulang, sistem saraf pusat (SSP), hati, Sistem

urin.

Efek toksik lainnya pada Manusia:

Sangat berbahaya dalam kasus inhalasi. Berbahaya dalam kasus kontak kulit

(iritan, permeator), menelan.

Keterangan khusus pada Efek kronis pada Manusia:

Dapat menyebabkan efek merugikan reproduksi (kesuburan wanita,

Embriotoksik dan / atau foetotoxic pada hewan) dan cacat lahir. dapat

mempengaruhi materi genetik (mutagenik). Dapat menyebabkan kanker

(tumorigenic, leukemia)) Manusia: melewati sawar plasenta, terdeteksi di susu

ibu.

Keterangan khusus pada Efek toksik lainnya pada Manusia:

Efek Akut Kesehatan: Kulit: Menyebabkan gangguan pada kulit. Hal ini dapat

diserap melalui kulit dan mempengaruhi hati, darah, metabolisme, dan sistem

kemih. Mata: Menyebabkan gangguan mata. Inhalasi: Menyebabkan saluran

pernapasan dan iritasi selaput lendir. Dapat diserap melalui paru-paru. Dapat

mempengaruhi perilaku dan sistem saraf Peripheral (mengantuk, kelemahan

otot, anestesi umum, dan gejala lain yang mirip dengan konsumsi), saluran

pencernaan (mual), metabolisme darah, sistem kemih. Tertelan: Mungkin

berbahaya jika tertelan. Dapat menyebabkan iritasi saluran pencernaan

termasuk muntah. Dapat mempengaruhi perilaku dan sistem saraf Peripheral

(kejang-kejang, kejang, tremor, iritabilitas, Stimulasi awal CNS diikuti oleh

depresi, kehilangan koordinasi, pusing, sakit kepala, lemah, pucat, flushing),

respirasi (sesak napas dan penyempitan dada), sistem kardiovaskular, dan

darah.

c. Data Toksik EtilBenzene

Rute masuk: Terserap melalui kulit. Terhirup.

Efek kronis pada Manusia:

Efek karsinogenik: Klasifikasi 2B (Kemungkinan untuk manusia.) Oleh IARC.

Efek mutagenik: mutagenik untuk sel somatik mamalia. Mutagenik untuk

bakteri dan / atau ragi. Dapat menyebabkan kerusakan pada organ berikut:

sistem saraf pusat

Efek toksik lainnya pada Manusia:

Berbahaya dalam menelan, inhalasi. Sedikit berbahaya jika terjadi kontak kulit

(iritan, permeator).

Keterangan khusus pada Efek kronis pada Manusia:

Dapat menyebabkan efek reproduksi yang merugikan dan cacat lahir

(teratogenik). Dapat mempengaruhi materi genetik (mutagenik).

Keterangan khusus pada Efek toksik lainnya pada Manusia:

Efek akur Kesehatan: Kulit: Dapat menyebabkan iritasi kulit ringan. Hal ini

dapat diserap melalui kulit. Mata: Kontak dengan uap atau cairan dapat

menyebabkan iritasi mata parah tergantung konsentrasi. Hal ini juga dapat

menyebabkan konjungtivitis. Di uap tingkat pemaparan dari 85-200 ppm, itu

agak dan transiently mengiritasi mata; 1000 ppm menyebabkan iritasi lebih

lanjut dan robek; 2000 ppm iritasi segera dan parah dan robek. Inhalasi:

Paparan tinggi konsentrasi dapat menyebabkan hidung, selaput lendir dan

iritasi saluran pernafasan dan juga dapat mengakibatkan penyempitan dada

dan, kesulitan bernapas, gagal napas, dan bahkan kematian. Hal ini juga dapat

mempengaruhi perilaku / Central Nervous System.

1.7 Data Harga

No Nama Bahan

Harga per Kg

2013 2014

1. Ethyl $ 1.3535 $ 1.4205

2. Benzen $ 1.3288 $ 1.3200

3. EthylBenzene $ 25.3333 $ 42.2857

DAFTAR PUSTAKA

Nunulasa. 2011. "Proses Etilbenzen". http://nunulasa.wordpress.com/2011/03/09/proses-

etilbenzen/, diakses pada 26 September 2014.

Perry, Robert. H. 2008. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook 8th edition. The McGraw-

Hill Companies, Inc.

Smith, J.M., Van Ness, H.C. 2005. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics

7th Edition. The McGraw-Hill Companies, Inc.

Speight, James G. 2002. Chemical and Process Design Handbook. The McGraw-Hill

Companies, Inc.