Upload
jordy-tjhin
View
12
Download
10
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Journal of Research
Citation preview
SIMULASI DEHIDROGENASI KATALITIK
ETILBENZENA DENGAN MENGGUNAKAN KATALIS
BESI OKSIDA (REAKTOR ADIABATIK)
Aditya Putranto, I Gede Pandega W., Jordy
Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik Parahyangan
Jl. Ciumbuleuit 94, Bandung 40141, Indonesia, Telp: (022) 2032655
Email: [email protected]
Intisari
Tujuan penelitian ini adalah mengetahui kondisi-kondisi optimum untuk perolehan stirena, selain itu juga
mempelajari simulasi dengan perangkat lunak dalam menentukan kondisi optimum dari pembuatan stirena.
Metode penelitian yang dilakukan adalah simulasi reaksi dehidrogenasi etilbenzena yang dilakukan dalam
reaktor unggun tetap dengan menggunakan Aspen Plus®. Model matematika reaktor unggun tetap
diasumsikan sebagai pseudohomogenous model.Variasi kondisi operasi yang digunakan adalah variasi
rasio S/EB (steam per etilbenzena) , tekanan reaktor, dan temperatur masukan reaktor.
Berdasarkan hasil percobaan, didapatkan bahwa semakin tinggi temperatur maka konversi etilbenzena
akan semakin tinggi. Sedangkan, semakin tinggi rasio steam/EB maka yield stirena semakin tinggi, namun
semakin rendah tekanan operasi maka yield stirena akan menurun. Dari pengamatan pada simulasi
terdapat bahwa ada interaksi antara rasio S/EB dengan temperatur. Konversi etilbenzena optimum
didapatkan pada keadaan tekanan 2 bar, temperatur 1000 K dan rasio S/EB 10, sedangkan yield stirena
optimum didapatkan pada tekanan 1,5 bar, temperatur 900 K, dan rasio S/EB 12.
Kata kunci : dehidrogenasi, etilbenzena, katalitik, stirena..
Abstract
The purpose of this research is to determine the optimum conditions for the yield of styrene, while also
studying the use of a software to determine the optimum conditions of manufacture of styrene. The
research method is utilizing Aspen Plus® for reaction of dehydrogenation of ethylbenzene conducted in a
fixed bed reactor, started with model validation, continued with process simulation. The fixed bed reactor
operating conditions are assumed to follow pseudohomegenous model. Variables studied in this study are
the S/EB (steam/ethylbenzene) ratio, reactor pressure, and the inlet temperature of reactor.
Based on results from the experiment, it was found that the higher the temperature, the higher the
conversion of ethylbenzene. Meanwhile, the higher the ratio of steam/EB, the higher the yield styrene.
However, lower operating pressure will increase the yield of styrene. Based on the simulation it is
observed that, there is an interaction between the ratio of S/EB with temperature. More over, the optimum
conversion of ethylbenzene is obtained at a pressure of 2 bar , at temperature 1000 K and the ratio of S/EB
10, while the optimum yield of styrene is obtained at a pressure of 1,5 bar, at temperature of 900 K, and
the ratio of S/EB 12.
Keywords: dehydrogenation, ethylbenzene, catalytic, styrene.
PENDAHULUAN
Stirena adalah anggota dari kelompok aromatik
monomer tak jenuh yang mempunyai rumus molekul
C6H5C2H5 dan mempunyai nama lain cinnomena.
Teknologi pembuatan monomer stirena pada mulanya
kurang diminati sebab produk polimer yang dihasilkan
rapuh dan mudah patah, kemudian baru pada tahun
1937 pabrik Badische Aniline Soda Fabrics (BASF)
memperkenalkan terobosan baru dalam bidang
teknologi pembuatan styrene monomer dengan proses
dehidrogenasi dari bahan baku etilbenzena. Keduanya
memproduksi stirena dengan kemurnian yang tinggi
yang dapat menjadi polimer yang stabil dan tidak
berwarna. Sejak perang dunia II stirena menjadi
sangat penting karena kebutuhan akan karet sintetis
semakin meningkat, sehingga dibuatlah produk stirena
secara komersial dalam skala besar. Sejak itu produksi
stirena menunjukkan peningkatan yang pesat dan
karena kebutuhan akan stirena terus meningkat, maka
dewasa ini semakin dikembangkan proses
pembuatannya yang lebih efisien dan modern. (Denis,
J. and C. William, 2005)
Dari tahun ke tahun kebutuhan stirena di Indonesia
semakin meningkat,begitu juga dengan produksi
stirena di Indonesia. Kebutuhan tersebut diperkirakan
akan meningkat pada tahun-tahun mendatang dengan
semakin berkembangnya industri pengolahan stirena.
Berdasarkan perkiraan dari PT.Chandra Asri
Petrochemical Tbk. salah satu perusahaan produsen
stirena terbesar di Indonesia, konsumsi stirena di
Indonesia terus meningkat seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 1.
Gambar 1 Grafik Supply,Demand, and Trade dari
Stirena Indonesia
(PT.Chandra Asri Petrochemical Tbk.)
Simulasi dengan menggunakan perangkat lunak
komputer (Aspen Plus®) perlu dilakukan untuk
menentukan kondisi-kondisi optimum tersebut,
sehingga jumlah produk stirena dapat meningkat
dengan menggunakan kondisi-kondisi optimum yang
didapatkan dari hasil simulasi tersebut.
METODOLOGI
Dalam simulasi dehidrogenasi katalitik pembentukkan
stirena dengan katalis besi oksida ini diperlukan
metode penelitian. Metode-metode penelitian yang
diperlukan, yaitu: Studi literatur dan simulator Aspen
Plus®, pembuatan dan validasi model proses, dan
simulasi proses.
Reaksi dehidrogenasi katalitik pembuatan stirena ini
dilakukan pada reaktor unggun diam atau fixed bed
reactor. Untuk langkah awal, studi terhadap sifat-sifat
fisik dan kimia etilbenzena dan stirena dilakukan.
Perangkat lunak yang digunakan untuk
menyimulasikan sistem ini adalah Aspen Plus®,
dengan alasan bahwa Aspen Plus®
merupakan
merupakan suatu program simulasi yang
menggunakan hubungan antara besaran fisika seperti
neraca massa, neraca panas, kesetimbangan
termodinamika, persamaan kinetika untuk
memprediksi performa suatu proses dalam hal ini
reaksi dehidrogenasi katalitik pembuatan stirena dari
etilbenzena. Aspen Plus® juga dilengkapi dengan
pustaka komprehensif model unit operasi, seperti
peralatan proses untuk padatan, cairan, serta gas,
selain itu pada Aspen Plus®
juga tersedia sifat-sifat
fisik dan kimia dari senyawa-senyawa yang akan
disimulasikan.
Model dari reaktor unggun tetap yang diperoleh dari
literatur selanjutnya akan digunakan untuk validasi.
Model yang akan digunakan dalam penelitian ini akan
dipilih sehingga model sesuai dengan kondisi nyata
pada industri. Model yang digunakan adalah
pseudohomogenous model.(Mousavi et al, 2012) Jika
hasil dari model proses telah sama atau telah sangat
dekat dengan data pada tabel validasi, maka model
dikatakan valid dan simulasi proses dapat dimulai.
Simulasi proses dapat dilakukan jika model yang
dihasilkan telah cukup akurat atau sudah mendekati
kondisi aktualnya sesuai yang didapatkan dari data
literatur, dengan kata lain model tersebut dikatakan
valid. Tujuan dari simulasi proses ini adalah untuk
mengetahui kondisi-kondisi operasi optimum
pembuatan stirena melalui reaksi katalitik etilbenzena.
Beberapa variabel yang divariasikan, yaitu tekanan
reaktor 1,5 bar, 2 bar, dan 2,5 bar ; temperatur
masukan reaktor 800 K, 900 K, dan 1000 K; serta
rasio S/EB 8, 10, dan 12. Setelah simulasi selesai
dilakukan, maka dimulailah analisa dari hasil yang
didapatkan tersebut.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi dimulai dengan melakukan validasi model
dengan menggunakan data literatur terlebih dahulu.
Setelah melakukan validasi model dengan data dari
literatur, didapatkan ketidakvalidan model untuk data
nilai konstanta Arhenius (k), sehingga dilakukan trial
& error untuk mendapatkan data tersebut.
Berdasarkan trial % error yang dilakukan didapatkan
nilai k seperti pada Tabel 1.
Tabel 1 Nilai k dari Trial & Error
No. Reaksi k
1 C6H5CH2CH3 C6H5CHCH2+ H2 15000
2 C6H5CHCH2+ H2 C6H5CH2CH3 6,89 10-6
3 C6H5CH2CH3 C6H6+C2H4 1,95 107
4 C6H5CH2CH3+H2 C6H5CH3+CH4 2,8 10-4
5 2H2O + C2H4 2CO + 4H2 1,0 10-4
6 H2O + CH4 CO + 3H2 1,0 10-5
7 H2O + CO CO2 + H2 5,82 10-12
Hasil validasi model beserta % error yang didapatkan
dengan menggunakan data pada tabel 1 tersebut,
disajikan pada Tabel 2 berikut.
Tabel 2 Hasil Validasi Model dengan trial & error
Zat Parameter Simulasi Model % error
Etilbenzena Laju Molar Out Konversi
18,60 kmol/jam 49,56 % 4,38 %
Stirena Laju Molar Out Yield % error
14,79 kmol/jam 40,12 % 4,98 %
Benzena 1,43 kmol/jam 3,87 % 4,81 %
Toluena 2,05 kmol/jam 5,56 % 1,01 %
Pada simulasi proses untuk menentukan kondisi
konversi etilbenzena optimum, hanya digunakan
variasi temperatur saja (berdasarkan perhitungan efek).
Dari simulasi penentuan kondisi konversi etilbenzena
optimum, didapatkan hasil seperti Gambar 2.
Gambar 2 Grafik Simulasi Konversi Etilbenzena
berdasarkan Variasi Temperatur
Pada simulasi proses untuk menentukan kondisi yield
stirena optimum, digunakan semua variasi, yaitu
temperatur, tekanan, dan rasio S/EB (berdasarkan
perhitungan efek). Dari simulasi penentuan yield
stirena optimum, didapatkan hasil seperti Gambar 3, 4,
dan 5.
Gambar 3 Hasil Simulasi Yield Stirena P= 1,5 bar
Gambar 4 Hasil Simulasi Yield Stirena P= 2 bar
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Ko
nve
rsi E
tilb
en
zen
a
800K
900K
1000K
Gambar 5 Hasil Simulasi Yield Stirena P= 2 bar
Dua kondisi optimum yang didapatkan adalah kondisi
saat konversi etilbenzena optimum dengan konversi
78,51 % dan kondisi saat yield stirena optimum
dengan yield 35,41%. Kondisi-kondisi tersebut
disajikan pada Tabel 3.
Tabel 3 Kondisi Optimum dari Hasil Simulasi
Kondisi S/EB P (bar) T (K)
Konversi EB Optimum 10 2 1000
Yield Stirena Optimum 12 1.5 900
Dari dua kondisi optimum tersebut dilakukan
perhitungan Gross Profit Margins (GPM) untuk
menentukan kondisi mana yang lebih optimum dari
segi ekonomis. Dari hasil perhitungan, didapatkan
GPM seperti pada Tabel 4.
Tabel 4 Perhitungan GPM Kondisi Optimum
Kondisi GPM (US$/tahun)
Konversi EB Optimum 2.187.986
Yield Stirena Optimum 2.889.074
Berdasarkan kedua hasil perhitungan GPM tersebut,
ternyata kondisi saat yield stirena maksimum
memberikan nilai GPM lebih tinggi dibandingkan
dengan GPM saat konversi etilbenzena dengan selisih
701.087,9 US$. Hal ini menandakan bahwa, dengan
yield stirena yang maksimum maka akan lebih
menguntungkan pabrik secara ekonomis.
KESIMPULAN
1. Semakin tinggi temperatur, konversi
etilbenzena semakin besar.
2. Semakin tinggi temperatur, yield stirena
semakin kecil.
3. Semakin tinggi rasio S/EB , yield stirena
semakin besar.
4. Terdapat interaksi antar variabel temperatur
dengan rasio S/EB pada tekanan 1,5 bar dan
2 bar.
5. Kondisi optimum secara ekonomis adalah
kondisi yield stirena maksimum dengan
kondisi tekanan 1,5 bar, temperatur 900 K ,
dan rasio S/EB 12.
SARAN
1. Penelitian selanjutnya meneliti mengenai
daur ulang etilbenzena yang tidak terkonversi
dan unit-unit pemisahannya.
2. Karena validasi model dilakukan berdasarkan
trial & error nilai k, peneliti selanjutnya
dapat meninjau hal ini lebih dalam.
DAFTAR PUSTAKA
Denis, J. and C. William (2005). Ullmann’s
Encylopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH
Verlag Gmbh and Co.
Fogler H.S.Elements of Chemical Reaction
Engineering,Prentice Hall International Series,3rd
Edition, 2000.
Hirano, T., Active phase in potassium-promoted iron
oxide catalyst for dehydrogenation of ethylbenzene.
Applied Catalysis., 1986. 26(1-2):81-90.
Montgomery, D. C.,(2000), Design and Analysis of
Experiments, Fifth Edition, John Wiley & Sons, New
York, NY.
Mousavi, S. M., et al. (2012). "Modeling and
Simulation of Styrene Monomer Reactor:
Mathematical and Artificial Neural Network Model."
International Journal of Scientific & Engineering
Research 3(3).
Muhler, M., et al. (1989). "The nature of the active
phase of the iron/potassium catalyst for
dehydrogenation of ethylbenzene." Catalysis Letters
4(2): 201-210.
Newman, R., Styrene Catalyst Developments.
Hydrocarbon Engineering, 2004(11): p. 4.
Othmer, K. (1992). Encyclopedia of Chemical
Technology. New York Wiley-Interscience. 22: 956-
994.