STUDI KINETIKA REAKSI DAN KESETIMBANGAN CAIR-CAIR DALAM RANGKA PRODUKSI α-TERPINEOL DARI TERPENTIN DENGAN DISTILASI REAKTIF

HERTI UTAMI,S.T.,M.T, Prof. Ir. Wahyudi Budi Sediawan, S.U.,Ph.D

2014 | Disertasi | S3 Teknik Kimia

Terpentin Indonesia mengandung 65-85% α-pinene, 1% camphene, 1-3% β-pinene, 10-18% 3-carenedan limonene 1-3%. Untuk meningkatkan nilai ekonomi terpentin, α-pinenedapat dihidrasi dalam larutan asam menjadi α-terpineol. Disertasi ini menyajikan hasil percobaan sintesis α-terpineol secara batchdan kesetimbangan fasa cair-cair sistem α-pinene, α-terpineol, asam khloroasetat dan air. Model kinetika reaksi heterogen dan model kesetimbangan cair-cair dikembangkan berdasar data percobaan yang diperoleh juga dilaporkan. Selanjutnya berdasarkan model kinetika dan kesetimbangan fasa tersebut, dikembangkan model matematis yang bisa dipakai untuk perhitungan peralatan distilasi reaktif untuk produksi α-terpineolpada skala industri. Pada percobaan studi kinetika reaksi, terpentin sebanyak volum tertentu dituang ke dalam reaktor batch labu leher tiga yang dilengkapi dengan pendingin balik, termometer dan pengaduk kemudian dipanaskan hingga mencapai suhu reaksi. Variabel yang dipelajari adalah suhu, perbandingan mol katalis dan α-pinene, serta kecepatan pengadukan. Model kinetika heterogen diajukan untuk menggambarkan proses hidrasi α-pinenetersebut. Reaksi hidrasi adalah reaksi bolak balik. Dari hasil perhitungan diperoleh hubungan antara konstanta kecepatan reaksi (k1untuk reaksi ke kanan; k 2untuk reaksi ke kiri) dengan suhu. Pada studi kesetimbangan fasa cair-cair dengan komponen yang terdiri dari α-pinene, α-terpineol, asam khloroasetat, dan air dilakukan percobaan pada suhu 28 o C dan 80 o C, tekanan atmosferis. Campuran komponen dengan perbandingan tertentu diaduk selama 30 menit dalam wadah tertutup. Selanjutnya dekantasi dilakukan selama 2 jam hingga terjadi kesetimbangan fasa dan terbentuk dua lapisan. Masing-masing komposisi kedua fasa dianalisis dengan menggunakan Gas Chromatograph. Data-data eksperimen tersebut kemudian dikorelasikan dengan model koefisien aktivitas Non Random Two Liquid(NRTL) dan Universal Quasi Chemical(UNIQUAC). Pada sistem kuarterner, α-pinene+ α-terpineol+ asam khloroasetat dan air, untuk model NRTL dengan α=0,16 dan α=0,26 telah mengkorelasikan data kesetimbangan cair-cair pada suhu 80 o C dengan RMSD sebesar 1,9066% dan 1,5099%. Pada studi kasus distilasi reaktif untuk sintesis α-terpineol dari terpentin, reaksi kimia dan pemisahan berlangsung secara simultan dalam satu unit alat distilasi reaktif. Untuk desain alat distilasi reaktif, simulasi dilakukan dengan menggunakan data kinetika dan data kesetimbangan fasa yang sudah diperoleh pada langkah sebelumnya, dan dipelajari pengaruh parameter reflux ratiodan posisi umpan masuk terhadap konversi α-pinene menjadi α-terpineol. Pada kapasitas produk α-terpineol 1.000 ton/tahun atau 900,414 mol/jam, berdasar simulasi yang dikembangkan, dengan jumlah stage sebanyak 11 stage dengan reflux ratio sebesar 5 diperoleh konversi 53,26%. Reaksi terjadi pada bagian setelah stage umpan hingga bagian bawah kolom, dan konversi tertinggi sebesar 87,33% dicapai saat feed stage untuk umpan 1 (F1) sebanyak 5.328,2 mol/jam masuk pada stage ke 3 dan umpan 2 (F 2) sebanyak 45.052,6 mol/jam masuk stage ke 8, dan pada kondisi ini diperoleh beban reboiler minimum.

Indonesian turpentine contains 65-85% α-pinene, 1% camphene, 1-3% β-pinene, 10-18% 3-carene and limonene 1-3%. In order to obtain morevaluable products, α-pinene can be hydrated in dilute acid solutions to produce α-terpineol. In this dissertation, the experimental results of α-terpineol synthesis in batch reactor and liquid-liquid equilibrium of system containing α-pinene, α-terpineol, chloroacetic acid and water are presented. A heterogeneous kinetics and liquid-liquid equilibrium models developed based on the experimental data obtained are also reported. Furthermore, based on the kinetics and equilibrium models obtained, the developed mathematical models that can be used to calculate the reactive distillation equipment for α-terpineol production at industrial scale are then described. In the experimental kinetics study, turpentine was poured into a batch reactor (three-necked flask) equipped with condenser, thermometer and stirrer, then warmed up to the desired temperature. The study investigates the effects of temperature, the mol ratio of chloroacetic acid to α-pinene, and the stirring rate. A heterogeneous kinetics model was proposed to quantitatively describe the hydration process of α-pinene. It turned out that the hydration reaction is reversible. The results showed that the relationship between the reaction rate constants (k1 for forward reaction; k2for backward reaction) and the temperatures (T). The liquid-liquid equilibrium data of system containing α-pinene, α-terpineol, chloroacetic acid and water were determined experimentally at the temperatures of 28 o C and 80 o C and atmospheric pressure. The mixture was stirred for about 30 min,then it was left for about 2 h for complete phase separation. The composition of both phases was analyzed by using a Gas Chromatograph. The experimental data were correlated by considering both NRTL and UNIQUAC activity coefficient models. In quaternary system, of α-pinene + α-terpineol + chloroacetic acid + water, the NRTL model (α= 0.16; α=0.26) correlated the LLE data at the temperature of 80 o C with RMSD of 1.9066% and 1.5099%, respectively. In reactive distillation, the chemical reaction andseparation by distillation were carried out simultaneously in one unit. For design of the reactive distillation study of α-terpineol production from turpentine, this process was simulated. Effect of the main parameters that included reflux ratio, and feed stage number on the conversion of α-pinene to α-terpineol were simulated. Simulation to produce α-terpineol of 1,000 tons/year (900.414 mol/hr) using 11 plate distillation column and reflux ratioof 5 gave the conversion of 66.44%. The reaction took place at under feed plate to the bottom of column. The conversion of 87.33% was reached for feed 1 (F1 ) of 5,328.2 mol/hr entered to stage of 3 and feed 2 (F 2) of 45,052.6 mol/hr entered to stage of 8. In this condition was the minimum reboiler duty.

Kata Kunci : Terpentin Indonesia mengandung 65-85% α-pinene, 1% camphene, 1-3% β-pinene, 10-18% 3-carenedan limonene 1-3%. Untuk meningkatkan nilai ekonomi terpentin, α-pinenedapat dihidrasi dalam larutan asam menjadi α-terpineol. Disertasi ini menyajikan