PIK 2 Bab 5 Hidrogenasi

Bahan Ajar Proses Industri Kimia II - 91

H I D R O G E N A S I

A. PENGERTIAN

Yaitu proses menggunakan H2 untuk mengolah suatu zat. Biasanya digunakan

katalis untuk mempermudah reaksi. Proses ini mempunyai lapangan yang luas

dalam industri.

Menurut macamnya, ada:

1. Hidrogenasi biasa

Yaitu untuk memasukkan H2

Mengganti O2 dengan H2

2. Hidrogenalisa

Disini juga digunakan H2 diikuti pemecahan rantai. Rantai yang dipecah, yaitu:

C – C

C – S

C – N

C – O

3. Sintesa hidrokarbon

Membuat hidrokarbon rantai panjang dari molekul kecil-kecil, misalnya:

CO + H2 Proses Fisher & Tropisch rantai panjang

Olefin tidak rangkap (stabil)

B. KEGUNAAN/MANFAAT

Pemakaian dalam industri:

1. Bahan dasar arang batu

Penggunaan arang batu sebagai bahan bakar, pengawasan suhu dan

mempertahankan agar suhu konstan, sulit dilakukan. Maka arang batu dijadikan

hidrokarbon cair dengan hidrogenasi biasa atau hidrogenalisa. Makin muda

arang batu maka proses makin mudah. Hal ini banyak dijalankan di negara-

negara yang tidak mempunyai sumber minyak tanah. Di Amerika Serikat tidak


dijalankan karena masih ada sumber minyak tanah tetapi di laboratorium

dijalankan untuk mengikuti perkembangan di negara lain.

Teer juga dapat dihidrogenasi untuk menjadi hidrokarbon cair bahkan lebih

mudah karena kandungan atom H-nya lebih banyak.

2. Bahan baku minyak tanah

a. Hidrogenasi untuk mengubah olefin yang rantainya panjang dan bahan yang

stabil, misalnya:

octane + H2 oktan

hexene + H2 hexane

b. Untuk mengadakan hidrogenalisa, yaitu:

- untuk memecah hidrokarbon yang rantainya panjang menjadi molekul

kecil

- untuk membersihkan hidrokarbon dari kotoran-kotoran yang

mengganggu dengan memecahkan ikatan C – N; C – S; S dan N yang

merupakan kotoran.

3. Industri yang mengolah minyak dari tumbuhan dan binatang

a. Hidrogenasi untuk menghilangkan ikatan rangkap agar minyak lebih stabil

Ikatan rangkap bila berikatan dengan O2 --> asam lemak bebas (tengik).

Misalnya untuk pembuatan margarin, minyak harus dihidrogenasi lebih dulu

karena akan dicampur air (yang ada O2 nya) untuk dijadikan emulsi.

Dimantapkan dengan emulgator kemudian ditambah vitamin dan zat rasa.

b. Hidrogenasi pada minyak untuk mendapatkan alkohol yang rantainya

panjang.


H2C – OC – OR

H C – OC – OR1

H2C – OC – OR2

O

O

O

R C – OH +

OCH2OH

CHOH

CH2OH

gliserol

H2O

Katalis

R C – OH + H2 R CH2OH (alkohol jenuh) + H2O

O

R CH2 OH + H2SO4 R CH2 O SO3H + H2Oesterifikasi

R CH2 O SO3H + NaOH R CH2 – OSO3Na + H2O (bahan detergen)

4. Sintesa hidrokarbon

Olefin Pada industri minyak tanah untuk mendapat hidrokarbon

H2, CO rantai panjang. Dikenal antara lain proses OXO

C. ZAT-ZAT PEREAKSI

Zat-zat yang dihidrogenasi:

1. Alkana rantai panjang – terjadi hidrogenalisa:

suhu harus >

tekanan harus >

H2 harus >

2. Olefin

Yang rantainya panjang, dijenuhkan dengan alkana.

C8H16 + H2 C8H18

P = 100 atm

t = 100 – 150 oC


3. Acetilen

Dihidrogenasi menjadi ethylene

HCCH + H2 H2C = CH2

Ethylene reaktif, dapat dipolimerisasikan (bahan dasar polimer)

Agar produk yang dihasilkan bukan alkana maka:

- Suhu dan tekanan rendah

- H2 terbatas

Katalisator dipakai yang sudah diracuni (misal uap Hg, sulfida)

4. Senyawaan yang mengandung karbonil (C=O)

R – C – H + H2 alkohol primer

R – C – R1 + H2 alkohol sekunder

CO + H2 hasil bermacam-macam tergantung katalisator yang dipakai.

R – C – OH + H2 RCH2OH + H2O

R – C – OR1 + H2 RCH2OH + R1OH

R – C – Cl + H2 RCH2OH + HCl

P, T

O

O

O

O

O

5. Karbohidrat: melalui hidrogenalisa gliserol + glikol

6. Aromatik: senyawa aromatik ini stabil karena mengalami resonansi

benzene + H2 sikloheksane


D. KINETIKA REAKSI

r = k (RH) (H2)

Cara memperbesar r

Untuk memperbesar r (kecepatan reaksi) maka usaha-usaha yang dilakukan adalah

sebagai berikut:

1. (H2) >

2. RT

E

eAk

. (persamaan Arhenius)

3. T>, sesuai dengan persamaan Arhenius, makin tinggi suhu, k makin besar,

r makin besar. Hal ini bertentangan dengan tinjauan konversi, maka:

K masih cukup besar

k masih cukup besar

4. Katalisator untuk memperkecil E. Adanya katalisator sangat mempengaruhi

hasil.

CO + H2 alkana

CO + H2 alkohol

Katalisator:

Harus mempunyai luas permukaan yang sebesar-besarnya. Biasanya dibuat

dengan reaksi kimia. Yang dibuat dengan mengikir kurang baik karena luas

permukaan kurang besar.

Misalnya:

Katalisator Ni dengan mengikir kurang baik maka dibuat dengan mereduksi NiO

– hasilnya berpori-pori – luas permukaan besar. Katalisator harus dicegah dari

bahaya peleburan katalis dan keracunan katalisator. Ini dapat bila katalisator itu

murni, biasanya katalis yang murni ini kurang aktif. Dipakai campuran logam-

logam yang sama-sama bersifat katalisator. Misalnya:

Ni campur Cr


Jenis-Jenis Katalisator:

1. Katalisator yang kuat: Co, Ni, Fe

Kuat memasukkan H2 sebanyak-banyaknya. Untuk menghidrolisa, rantai

pecah, H mengisi rantai yang putus.

2. Katalisator sedang: Cu, Cr2O3, ZnO, MnO2

H2 yang dimasukkan tidak banyak

3. Katalisator dengan sifat khusus

a. Yang mempunyai sifat khusus untuk mengadakan kondensasi

(penggabungan mol kecil-kecil).

Katalis ini termasuk no. 2, ditambah zat yang mampu mengadakan

kondensasi, misal: Na2CO3, CaCO3, BaCO3.

b. Dehidrasi (melepaskan H2O)

Katalisator ini sama dengan no. 1 ditambah zat yang mampu menarik

air, misalnya: Al2O3, SiO2, P2O5, W2O3.

4. Sulfida-sulfida

Keaktifan dari katalisator ini rendah tetapi tahan racun. Untuk dehigrogenasi

zat-zat yang mengandung racun katalisator, misalnya: MoS, dipakai untuk

menghilangkan S dan N dari senyawa.

Racun katalisator adalah zat yang mengurangi keaktifan katalisator.

Peracunan dapat secara:

a. Fisis, misalnya: As, Hg dan C

b. Kimia, misalnya: C, S dan O

C dapat dihilangkan dengan mengoksidasi

O dapat dihilangkan dengan mereduksi


E. TERMODINAMIKA

RCH = CH2 + H2 RCH2 – CH3

Yang terjadi pemecahan rantai, reaksi eksotermis.

RT

FK

ln

ΔF dicari sebagai berikut:

4

1000

Jumlah atom C

100oC

CnH2n

CnH2n+2

ΔF/C

(kal./grat C)

Misal ΔFf C4H10 = 4 (grat C/gmol C4H10) (100 kal/grat C)

ΔFf C4H10 = 4.000 kal/gmol C4H10

Dari grafik terlihat, bahwa tenaga bebas dari alkana selalu < olefin, maka pada

suhu tersebut olefin mudah dijadikan alkana.

Contoh lain:

Pada suhu 400oC, besar kemungkinan pada suhu tersebut alkana rantai panjang

berubah menjadi alkana rantai pendek dan olefin.

Misalnya:

C6H14 C3H8 + C3H6


3 6

9700

9000

6700

CnH2n

CnH2n+2

Jumlah atom C

C6H14 C3H8 + C3H6

ΔFf = 3(9700) + 3(6700) - 6(9000)

= -4800

Ada penurunan ΔF berarti reaksi

tersebut mudah terjadi.

Karena: ∆Ff = -4.800 (keluar panas)

111

146

6383

3,36

ln

Jumlahn

P

HCn

HCnHCnK

K

RT

FK

Jumlah atom C Jumlah atom C

∆F/C ∆F/C100

oC 400

oC

aldehyd

aldehyd alkohol

alkohol


ΔF/C ΔF/C

Jumlah atom C ToC

400oC

100oC

Panas pembentukan

CO

RC – OH

O

Usaha untuk memperbesar hasil:

CO + 2H2 CH3OH

2

2

23

2

2

2

3

211

2

2

3

P

JumlahnHnCOnKOHCHn

P

Jumlahn

HnCOn

OHCHnK

Jumlahn

P

HnCOn

OHCHnK

Untuk memperbesar n CH3OH

Jika K tetap pada suhu tertentu, sehingga faktor-faktor yang perlu diatur adalah

sebagai berikut:

1. H2 diperbanyak

Dalam industri penambahan H2 harus diperhitungkan, karena jika H2 terlalu

banyak dapat terjadi kemungkinan terjadinya zat lain bukan CH3OH. Maka pada

pembuatan CH3OH tidak ditambah H2-nya.


2. Tekanan (P) dinaikkan

Hanya untuk reaksi yang hebat sekali (yang memerlukan pemecahan rantai dan

H2 harus banyak). Untuk reaksi lain hal ini tidak perlu. Bahkan pada hidrogenasi

yang terbatas (selektif) maka P rendah, misalnya:

HCCH + H2 H2C = CH2 (ethylene)

Jika tekanan tinggi yang terjadi bukan ethylene, tetapi etana.

3. n jumlah harus kecil

Inert dihindarkan supaya tidak ada.

4. no (mol awal) tidak ada

5. Suhu (T) diturunkan, karena hidrogenasi biasanya eksotermik, maka penurunan

suhu menaikkan konversi.

F. CONTOH DALAM INDUSTRI

1. Hidrogenasi Minyak/Lemak

Untuk menghilangkan ikatan rangkap (supaya stabil)

- C = C - + H2 - CH2 – CH2 –

Disini hidrogenasi hanya untuk menghilangkan ikatan rangkap saja, maka:

P tidak boleh terlalu tinggi ( 200 psi)

T tidak boleh terlalu tinggi (100 – 250oC)

H2 tidak boleh terlalu banyak

Katalisator yang dipakai Ni

Pencampuran harus sebaik-baiknya dan recycle harus berhati-hati.


cair

cair

H2

2. Hidrogenasi Terhadap Asam Organik

RCOOH + 2H2 2H2

RCH2OH + H2O

Kondisi operasi:

Suhu: 300-400oC

Tekanan: 3000 psig

Jumlah H2 banyak

Katalisator: Na dalam alkohol

Karena harus memutus ikatan rangkap dan melepaskan air, sehingga syarat lebih

berat.

Katalisator: Na – Ni.

Alat harus lebih kuat. Yang banyak diolah dengan cara ini yaitu minyak kelapa.

Alkohol rantai panjang sulfatasi bahan pencuci sintetik.

3. Hidrogenasi Minyak Berat (Rantai Panjang)

Ada dua tahap:

1. Hidrogenasi untuk menghilangkan kotoran.

2. Hidrogenasi untuk memecah rantai.


Keduanya termasuk hidrogenalisa

a. Merupakan hidrotreating, yaitu menghilangkan kotoran-kotoran S, N, O dan

ikatan rangkap.

Yang meninggalkan warna.

b. Dalam industri dikenal dengan katalitic reforming.

- C – C – C – C -

Biasanya hidrotreating dulu, baru katalitik reforming sehingga demikian racun

katalisator dapat dihindarkan/dihilangkan.

Kondisi operasi hidrotreating:

Suhu sekitar 300-400 oC

Tekanan sekitar 500-1000 psi.

H2 cukup banyak

Katalisator: Ni, S, Mo, S, Sb, S.

Kondisi operasi katalitik reforming

Suhu sekitar 430-500 oC

Tekanan sekitar 1000 psi.

H2 100% lebih banyak dari hidrotreating

Katalisator: Ni

4. Hidrogenasi Terhadap Teer

Proses ini dibagi menjadi dua tingkatan.

a. Hidrogenasi fase cair dengan katalisator sulfida untuk menghilangkan kotoran.

b. Hidrogenalisa; rantai panjang menjadi rantai pendek.

Dua tingkatan tersebut dapat dijadikan satu tingkatan tetapi katalisatornya harus

tahan racun, misalnya MoS atau MoO.

Kondisi operasi : T 450-500 oC

P 250 atm

H2 banyak.


Jika dimulai dari arang batu. Arang batu adalah zat padat (kadar H2-nya rendah),

maka hidrogenasi dijalankan dalam 2 tingkatan

a. Fase cair

b. Fase gas

Arang batu dilembutkan, ditambah posting oil (minyak pembuat pasta), kemudian

ditambah katalis, MoS atau Fe2O3, baru H2.

Baru dipanaskan perlahan-lahan, supaya tidak terjadi cokes.

Kondisi operasi : T 450 oC : Hidrogenasi

P 700 atm : Fase padat-cair

Mula-mula arang batu membengkak, kemudian hancur dan mencair. Dari fase cair

ini kemudian diproses menjadi gas.

Kondisi operasi : T 350-400 oC : Hidrogenasi

P 200 atm : Cair-gas

5. Synthesa Hidro-Karbon

CO + H2 Hasil bermacam-macam.

Produk yang dihasilkan tersebut biasanya hanya dikenal sifat fisiknya saja.

Yang berpengaruh dalam hal ini:

- Perbandingan H2 dan CO (kadang-kadang ditambah olefin).

- Katalisator

- Tekanan

- Suhu

Proses Fisher & Tropisch: untuk menghilangkan alkohol rantai panjang dan alkana.

CO + H2 PnitridaFc ,alkohol

CO + H2 PCOFe ,: hidrokarbon campuran.

Proses O X O: hasil alkohol dan aldehid

CO + Olefin + H2 CZnOCu o300,&

CH3OH

Tekanan 3000-4000 psig, untuk menghindari hasil samping.

PIK 2 Bab 5 Hidrogenasi

Documents

Transcript of PIK 2 Bab 5 Hidrogenasi