PROSES PEMBUATAN TRINITROBENZENE

by: Yonase

Trinitro benzene (TNB) dibuat dari reaksi antara asam nitrat dengan benzene, dengan reaksi :

Asam nitrat + benzene  mononitrobenzene (MNB) + H2O, konversi benzene: 80%

Asam nitrat + MNB  Dinitrobenzene (DNB) + H2O, konversi MNB: 70%

Asam nitrat + DNB  TNB + H2O, konversi DNB: 70%

(anggap seluruh reaksi pada 60 degC dan 1 atm)

Reaksi dilakukan secara bertahap pada fase cair, diketahui :

*MNB,DNB,TNB dapat saling melarutkan, densitas<

*Air dan asam nitrat dapat saling melarutkan, densitas>

* MNB,DNB dan TNB tidak saling melarutkan dengan air dan asam nitrat.

*Benzene larut dalam semuanya.

Rancanglah rangkaian proses/peralatan yang bisa digunakan untuk memproduksi TNB tersebut!

Data urutan titik didih (titik didih semakin kebawah semakin besar)

HNO3

C6H6

H2O

MNB

DNB

TNB

PEMBUATAN TRINITROBENZENE

Dalam pembuatan produk Trinitrobenzene (TNB) yang menggunakan bahan baku benzene (C₆H₆) yang direaksikan dengan asam nitrat (HNO₃) membutuhkan tiga tahapan reaksi pada fasa cair. Yang berarti memerlukan 3 reaktor antara lain :

1. Mononitrobenzene (MNB)

Dalam memproduksi Mononitrobenzene (MNB) diperlukan satu buah reaktor batch yang dilengkapi dengan stirrer (pengaduk) dengan maksud memaksimalkan kontak reaksi yang merata dikarenakan dalam reaksinya, konversi benzene = 80% atau di tulis :

asam nitrat + benzene ==> MNB + H₂O

Pertama-tama bahan baku benzene dan asam nitrat dimasukkan ke dalam reaktor yang dilengkapi dengan sistem jacket yang dapat memberikankan panas sekaligus dapat menyerap panas dari reaktor karena dalam pencampuran asam nitrat dengan benzene akan bereaksi pada temperatur 60⁰C dan pada tekanan 1 atm. Setelah waktu reaksi cukup produk akan di alirkan melalui valve pada bagian bawah reaktor berdasarkan grafitasi dan dengan menambah sedikit tekanan yang diumpankan melalui bagian atas reaktor sehingga waktu transfer lebih effisien menuju dekanter. Hasil reaksi yang terdiri dari MNB dan air akan dipisahkan didekanter berdasarkan berat jenisnya sehingga air akan dialirkan pada bagian bawah dekanter karena seperti diketahui densitas air lebih besar. Sedangkan untuk MNB yang mempunyai densitas lebih kecil akan dialirkan melalui bagian atas dekanter. Sehingga pada dekanter ini harus dilengkapi sensor level yang dapat membaca densitas air sehingga apabila pada dekanter kandungan airnya sudah melebihi level yang diinginkan maka valve yang digunakan untuk mengalirkan MNB akan terbuka. Hasil MNB yang masih mengandung benzene di masukkan kedalam kolom distilasi untuk memisahkan benzene dari MNB karena benzene ini dapat larut dalam MNB. Dengan mengatur kolom distilasi pada titik didih benzene diharapkan benzene akan menguap dan keluar dari kolom distilasi pada bagian atas sedangkan untuk produk MNB akan dialirkan pada bagian bawah kolom distilasi.

Dengan penambahan sistem reflux diharapkan produk yang dihasilkan akan lebih maksimal yaitu pada bagian atas kolom distilasi atau keluaran untuk benzene di tambahkan alat penukar panas dengan harapan hasil kondensasi yang masih mengandung MNB akan di proses ulang di kolom distilasi begitu juga dengan bagian bawah kolom distilasi hasil dari MNB sebagian akan dipanaskan dan akan di kembalikan ke kolom distilasi untuk di proses ulang.

2. Dinitrobenzene (DNB)

Untuk memproduksi Dinitrobenzene (DNB) pada dasarnya sama dengan dalam memproduksi MNB. Yaitu dengan menggunakan satu buah reaktor batch berpengaduk dan reaksinya seperti berikut :

asam nitrat + MNB ==> DNB + H₂O

dengan bahan baku MNB yang di reaksikan dengan asam nitrat akan menghasilkan DNB dan air. Proses reaksinya dan peralatan yang digunakan sama dengan dalam pembuatan MNB.

3. Trinitrobenzene (TNB)

Begitu juga dalam pembuatan Trinitrobenzene (TNB) pada dasarnya proses dan peralatan yang digunakan sama dengan dalam pembuatan MNB dan DNB, hanya ditambahkan satu tangki untuk menampung produk TNB ini yang selanjutnya bisa dikirim kepada pelanggan. Adapun reaksinya adalah sebagai berikut :

asam nitrat + DNB ==> TNB + H₂O

4. AIR

Hasil reaksi masing-masing produk diatas selain produk yang diinginkan juga menghasilkan produk yang tidak diinginkan, yaitu berupa air yang masih mengandung unreacted bahan baku yang masih mengandung asam nitrat karena antara air dengan asam nitrat saling melarutkan.. Air ini didapat dari pemisahan pada bagian bawah dekanter. Dari masing-masing hasil pemrosesan diatas dapat dijadikan satu untuk dimasukkan kedalam kolom distilasi untuk memisahkan antara air dengan asam nitrat berdasarkan titik didihnya. Untuk asam nitrat karena titik didihnya lebih kecil dari air maka akan dikeluarkan melalui bagian atas kolom distilasi yang dilengkapi dengan kondenser. Hasil kondenser akan direflux dengan dimasukkan ke kolom distilasi kembali. Dan bagian bawah kolom distilasi dihasilkan air murni karena dibagian ini juga dilengkapi penukar panas dengan tujuan uap ini merupakan asam nitrat dan dikembalikan ke kolom distilasi. Dan air murni bisa digunakan kembali sebagai steam setelah di panaskan dengan boiler yang nantinya dapt digunakan untuk memberikan panas pada masing-masing kolom distilasi.

Polimerisasi

A. Bahan Baku

Pembuatan lateks sintesis terjadi didalam batch reaktor. Bahan mentah utamanya adalah styrene, butadiene dan acrylonitrile, bersama-sama dengan berbagai macam minor additive. Bahan-bahan mentah tersebut dicampur dan kemudian dimasukkan kedalam reaktor dimana reaksi polimerisasi yangterkontrol terjadi.

Reaksi tersebut dinamakan “Emulsion Polimeritation”, karena monomer-monomer styrene, butadiene dan acrylonitrile terdispersi dalam air dengan menggunakan emulsifying agent dan pengadukan yang efektif.

Polimerisasi kemudian dikembangkan di dalam masing-masing partikel monomer/polimer memakai initiator. Partikel lateks dibuat bertumbuh menjadi sebesar ukuran yang sudah ditentukan terlebih dahulu, membentuk rantai polimer yang rumit dengan cross lingking dan branching.

Setelah reaksi selesai , campuran lateks dan air dikirim melalui sebuah recovery system, dimana bahan-bahan mentah yang tidak bereaksi dan air dipisahkan dan kemudian dikembalikan ke tangki-tangki penyiapan umpan (feed preparation). Lateks kemudian didinginkan dan disaring, dan dikirim kefasilitas penyimpanan dimana dia akan dikirim ke pelanggan dalam drum, tote atau melalui road tanker.

B. Polymer

Pembuatan lateks menggunakan jenis polimerisasi radikal bebas. Tahap pertama dalam peristiwa polimerisasi jenis ini adalah tahap inisiasi. Tahap inisiasi meliputi pembentukan senyawa radikal bebas untuk memulai polimerisasi monomer. Tahap inisiasi diperlihatkan pada persamaan 1 dan 2

I-I ===> 2I* (1)

I* + M ===> IM* (2)

I merupakan inisiator sedangkan M adalah monomer. Inisiator umumnya berupa senyawa peroksida, yang dapat menghasilkan radikal bebas melalui dekomposisi termal karena memiliki ikatan kimia yang relatif lemah.

Tahap propagasi melibatkan reaksi petumbuhan rantai polimer akibat penambahan unit monomer secara terus menerus. Tahap ini dapat dilihat pada persamaan 3

IM_N* + M ===> IM_N+1* (3)

Sedangkan tahap terminasi atau tahap penghentian pembentukan rantai polimer dapat berlangsung melalui dua mekanisme, yaitu melalui mekanisme perpindahan elektron bebas (chain transfer) atau melalui terminasi bimolekuler. Mekanisme perpindahan elektron bebas melibatkan senyawa yang bertindak sebagai agen perpindahan atau chain transfer agent (CTA), seperti terlihat pada persamaan 4

IM_N* + CTA ===> IM_N + CTA* (4)

senyawa mercaptan berantai panjang biasa digunakan sebagai CTA.

Terminasi bimolekuler atau mutual termination dapat terjadi melalui reaksi disproporsionasi maupun melalui kombinasi. Disproporsionasi terjadi apabila dua radikal polimer bereaksi dimana salah satu radikal tereduksi dan yang lainnya teroksidasi, seperti terlihat pada persamaan 5. Sedangkan kombinasi terjadi apabila dua unit radikal polimer bersatu membentuk satu unit polimer ( lihat persamaan 6). Umumnya proses kombinasi ini dapat meningkatkan berat molekul polimer.

M_N* + M_N* ===> M_N(+H) + M_N(-H) (5)

M_N* + M_N* ===> M_N - M_N (6)

Penyelesaian Kasus Perancangan

Dalam suatu perancangan tak jarang kita jumpai persoalan-persoalan dalam teknik kimia yang penyelesaiannya membutuhkan suatu analisa sistem. Yang di modelkan dalam suatu bentuk matematika sehingga memudahkan kita untuk menyelesaikan persoalan tersebut. Salah satunya jika diketahui jumlah persamaan lebih sedikit dibandingkan dengan jumlah variabel. Sering kita jumpai adalah dengan sebutan Derajad Kebebasan (F) dimana Derajad Kebebasan sama dengan Jumlah variabel, atau dalam bentuk matematikanya :

F = M – N

Dimana : F = Derajad kebebasan

M = Jumlah variabel

N = Jumlah persamaan

Contoh :

2P + 2Q + 4K + 5S = 10

P – Q + 3K + 10S = 50

Berarti,

Terdiri dari : 4 variabel, dan 2 persamaan

Jadi,

F = M – N adalah 4 - 2 = 2

Derajad kebebasan atau sering juga disebut Variabel Perancangan yang kalau dalam jumlah banyak atau lebih dari 2, dapat dilakukan suatu optimasi sehingga variabel ini dapat dihitung secara matematis.

Contoh kasus :

Dari hasil analisa neraca massa dan neraca panas, diperoleh persamaan-persamaan sebagai berikut :

1. Q = U A  TLMTD

2.  TLMTD = (T1 – T4) – (T2 – T3)

ln T1-T4

T2-T3

3. W1 = W2

4. W3 = W4

5. Q = W1 Cp (T1 – T2)

6. Q = W3 Cp (T4 – T3)

7. U = (W1, W2, W3, W4, T1, T2, T3, T4, k)

Dengan :

k = jenis HE

Q = panas yang ditransfer

A = luas transfer panas

W1, W2, W3, W4 = kecepatan massa fluida arus W1, W2, W3, W4

T1, T2, T3, T4 = suhu arus 1, 2, 3, 4

 TLMTD = log mean temperatur difference

Jenis variabel ada 14 yaitu = Q, U, A,  TLMTD , T1, T2, T3, T4, W1, W2, W3, W4, Cp, k

F = variabel – persamaan= 14 - 7= 7

Jika diketahui :

W1 = 1000

T1 = 200

T2 = 100

T3 = 60

Cp = 1

Total : 14 variabel

12 persamaan

F = 14 – 12 = 2 == > ada 2 variabel perancangan,

1 buatan = k

Variabel

perancangann

 persamaan-persamaan  state variabel

(dari hasil hitungan)

1 buah lagi ditentukan dengan suatu cara yang disebut “Structural array”

Langkah-langkah yang dilakukan :

1. Tuangkan variabel dan persamaan dalam suatu tabel

Persamaan  baris

Variabel  kolom

2. beri tanda silang (X) pada baris dan kolom dimana variabel tercantum pada persamaan tersebut.

3. beri tanda untuk variabel yang sudah diketahui nilainya (data + variabel yang sudah diketahui)

misalnya : tanda O = data

tanda = variabel dipilih

4. hapus kolom untuk variabel yang sudah diketahui pada no.3 atau yang sudah diberi tanda silang (X) atau tanda .

5. beri tanda coret pada kolom yang hanya mempunyai 1 buah tanda X.

6. beri tanda coret pada baris yang ada tanda X pada no.5

7. beri tanda coret pada kolom yang mempunyai 2 buah tanda X.8. beri tanda coret pada baris yang ada tanda X pada no.7

9. beri tanda coret pula pada kolom dan baris yang mempunyai 3 buah tanda X.

W3 = variabel perulangan = 1200 (harus ditentukan)

Algoritma perhitungan : dimulai dengan pencoretan terakhir, VII  I

VII = Q dihitung dari persamaan 5)

Q = W1 Cp (T1 – T2)

Q = 1200 . 1 (200 – 100)

Q = 120.000

VI = T4 dihitung dari persamaan 6)

Q = W3 Cp (T4 – T3)  T4 = __Q__ + T3

W3 Cp

= _120000 + 60

1200 1

T4 = 160

V = W4 dihitung dari persamaan 4)

W3 = W4

W4 = 1200

IV = W2 dihitung dari persamaan 3)

W1=W2

W2 = 1000

III =  TLMTD dihitung dari persamaan 2)

 TLMTD = (T1 – T4) – (T2 – T3)

ln T1-T4

T2-T3

 TLMTD = (200 – 160) – (100 – 60)

ln 200-160

100-60

 TLMTD = (40) – (40)

ln 40

40

II = U dihitung dari persamaan 7)

U = (W1, W2, W3, W4, T1, T2, T3, T4, k)

I = A dihitung dari persamaan 1)

Q = U A  TLMTD  A = __Q____

U  TLMTD