Teknik Kimia PDF

Preview

Summary

MODUL PLPG TEKNIK KIMIA KONSORSIUM SERTIFIKASI GURU dan UNIVERSITAS NEGERI MALANG Panitia Sertifikasi Guru (PSG) Rayon 115 2013 KATA PENGANTAR Buku ajar dalam bentuk modul yang relatif singkat tetapi komprehensif ini diterbitkan untuk membantu para peserta dan instruktur dalam melaksanakan kegiatan ...

Description

MODUL PLPG

TEKNIK KIMIA

KONSORSIUM SERTIFIKASI GURU dan UNIVERSITAS NEGERI MALANG Panitia Sertifikasi Guru (PSG) Rayon 115 2013

KATA PENGANTAR Buku ajar dalam bentuk modul yang relatif singkat tetapi komprehensif ini diterbitkan untuk membantu para peserta dan instruktur dalam melaksanakan kegiatan Pendidikan dan Latihan Profesi Guru (PLPG). Mengingat cakupan dari setiap bidang atau materi pokok PLPG juga luas, maka sajian dalam buku ini diupayakan dapat membekali para peserta PLPG untuk menjadi guru yang profesional. Buku ajar ini disusun oleh para pakar sesuai dengan bidangnya. Dengan memperhatikan kedalaman, cakupan kajian, dan keterbatasan yang ada, dari waktu ke waktu buku ajar ini telah dikaji dan dicermati oleh pakar lain yang relevan. Hasil kajian itu selanjutnya digunakan sebagai bahan perbaikan demi semakin sempurnanya buku ajar ini. Sesuai dengan kebijakan BPSDMP-PMP, pada tahun 2013 buku ajar yang digunakan dalam PLPG distandarkan secara nasional. Buku ajar yang digunakan di Rayon 115 UM diambil dari buku ajar yang telah distandarkan secara nasional tersebut, dan sebelumnya telah dilakukan proses review. Disamping itu, buku ajar tersebut diunggah di laman PSG Rayon 115 UM agar dapat diakses oleh para peserta PLPG dengan relatif lebih cepat. Akhirnya, kepada para peserta dan instruktur, kami sampaikan ucapan selamat melaksanakan kegiatan Pendidikan dan Latihan Profesi Guru. Semoga tugas dan pengabdian ini dapat mencapai sasaran, yakni meningkatkan kompetensi guru agar menjadi guru dan pendidik yang profesional. Kepada semua pihak yang telah membantu kelancaran pelaksanaan PLPG PSG Rayon 115 Universitas Negeri Malang, kami menyampaikan banyak terima kasih.

Malang, Juli 2013 Ketua Pelaksana PSG Rayon 115

Prof. Dr. Hendyat Soetopo, M. Pd NIP 19541006 198003 1 001

BAHAN AJAR PLPG SMK KIMIA – INDUSTRI

Oleh: Dr. Sutrisno, M.Si. Drs. Ridwan Joharmawan, M.Si. Dr. Fauziatul Fajaroh, M.S. Dra. Hayuni Retno Widarti, M,Si. Dra. Surjani Wonorahardjo, Ph.D. Dr. Aman Santosa, M.Si. Neena Zakia, S.Si., M.Si. Direview dan diolah kembali oleh: Dr. Sutrisno, M.Si.

UNIVERSITAS NEGERI MALANG Panitia Sertifikasi Guru (PSG) Rayon 115 2012

Pengantar dari Penyusun Puji syukur dipanjatkan ke hadirat Allah s.w.t atas tersusunnya karya tulis ini yakni sebuah Buku Ajar sebagai Bahan Pendidikan dan Pelatihan Profesi Guru untuk“SMK Kimia Industri”. Buku ini sengaja disusun dengan pola yang relatif khusus dan spesifik, yakni berfokus pada uraian ringkas atas konsepkonsep dasar kimia di sekolah, khususnya untuk pembelajaran di Sekolah Menengah Kejuruan (SMK) Kimia Industri. Hal ini dikarenakan untuk buku teks maupun buku ajar sejenis yang bersifat universal sebagaimana umumnya isi sebuah buku telah banyak berkembang. Buku ajar ini mencoba untuk mendekati dengan lebih fokus, dengan harapan dapat digunakan oleh peserta Pendidikan dan Pelatihan Profesi Guru (PLPG) atau yang sejenis dan para fasilitator untuk tujuan yang sama dengan lebih mudah dan terarah, khususnya yang diselenggarakan oleh Universitas Negeri Malang. Isi dari buku ini sangat berbeda dengan buku ajar maupun buku teks tentang Ilmu Kimia pada umumnya. Buku ajar “SMK Kimia Industri” ini tersusun dalam 11 bagian dan merupakan karya tulis yang dikembangkan oleh Tim Dosen Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Malang seperti yang tercantum dalam halaman sampul buku ajar ini. Selanjutnya naskah tersebut ditelaah, direview, dan ditata oleh Dr. Surisno, M.Si. sehingga terwujudlah seperti yang ada seperti ini. Kesemuanya diharapkan dapat membantu para pengguna untuk mencapai maksud dan tujuan masing-masing. Semoga karya yang sederhana dapat bermanfaat bagi para pengguna dan pembaca. Saran dan kritik untuk perbaikan penyusunan buku ajar sejenis sangat diharapkan dari pembaca. Malang, Juni 2012

Penyusun

DAFTAR ISI Bagian

Halaman

Bagian 1

Diagram alir proses indusrti

1-1 s.d 1-10

Bagian 2

Grinding dan sizing

2-1 s.d 2-6

Bagian 3

Penukar panas sederhana

3-1 s.d 3-6

Bagian 4

Ekstraksi

Bagian 5

Absorpsi dan adsorpsi

Bagian 6

Resin Penukar Ion

6.1 s.d 6.10

Bagian 7

Proses Elektrolisis

7-1 s.d 7-9

Bagian 8

Evaporasi

8-1 s.d 8-11

Bagian 9

Filtrasi

9-1 s.d 9-11

Bagian 10

Pengolahan Limbah Cair

Bagian 11

Proses Sublimasi

11-1 s.d 11-8

Bagian 12

Destilasi

12-1 s.d 12-7

Bagian 13

Proses Pencampuran (Mixing) Bahan

13-1 s.d 13-5

4.1 s.d 4-10 5.1 s.d 5-9

10-1 s.d 10-12

Kimia Bagian 14

Kimiawi Biodiesel

14-1 s.d 14-8

Bagian 1: DIAGRAM ALIR PROSES INDUSTRI 1. Deskripsi Isi: Bagian 1 mengenai Diagram Alir Proses Industri yang membahas tentang aliran materi proses fisika dan reaksi kimia industri pengolahan air, pengolahan air, industri kertas, industri pupuk, dan industri pupuk. 2. Kompetensi: Menguasai konsep-konsep dasar tentang aliran materi proses fisika dan reaksi kimia industri pengolahan air, pengolahan air, industri kertas, industri pupuk, dan industri pupuk. 3. Tujuan: Setelah mempelajari modul ini, peserta diharapkan mampu menguasai konsep dasar tentang aliran materi proses fisika dan reaksi kimia industri pengolahan air, pengolahan air, industri kertas, industri pupuk, dan industri pupuk.

I. URAIAN SINGKAT A. Aliran Materi Proses Fisika dan Reaksi Kimia Industri Pengolahan Air Air mentah dari berbagai tempat tempat dapat mempunyai sifat-sifat bakterologis, biologis, fisik dan kimawi berbeda-beda maka tidak mungkin menetapkan cara penanganan atau kombinasi proses penanganan secara umum akan digunakan pada semua kondisi. Untuk mengolah air mentah akan dilakukan pengolahan dalam tiga metode pengolahan: Pengolahan secara fisika, secara kimia, dan secara biologi. Di antara pengolahan secara fisika adalah melalui proses adsorpsi, biasanya dengan karbon aktif, dilakukan untuk menghilangkan bau dan menyisihkan senyawa aromatik (misalnya fenol) dan senyawa organik terlarut lainnya, terutama jika diinginkan untuk menggunakan kembali air buangan tersebut, sedangkan untuk menghilangkan kation digunakan adsorben ion exchange.

Kimia SMK Industri:Diagram Alir Proses Industri PLPG-2012 Rayon 115 UM

1- 1

Keterangan: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Pompa air Bak umpan Pipa influen Bak pengatur debit Pipa overflow Pipa menuju ke kolom Flowmeter Kolom adsorpsi Bak Penampung efluen

a. b. c. d. e. f. g. h.

Kran pengatur 1 Kran pengatur 2 Kran pengtaur 3 Outlet sampel h1 Outlet sampel h2 Outlet sampel h3 Outlet sampel h4 Outlet sampel h5

= = = = =

20 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm

Gambar 1.1. Peralatan Adsorpsi secara kontinyu B. Aliran Materi Proses Fisika dan Reaksi Kimia Industri Soda Proses pembuatan Natrium karbonat ada dua macam yaitu secara sintetik dan alami. Secara sintetik terdiri atas proses Le Blanc dan Solvay sedangkan secara alami disebut sebagai proses Natural, proses ini tdk dilakukan di Indonesia. 1. Proses Le Blanc Kerak garam (salt cake)

Karbon dan gamping Reaksi :

Pemanggangan Pengerasan

2NaCl(s)+H2SO4(l) ⇔ NaHSO4(s) + 2HCl(g)

Abu hitam

Na2SO4(s) + 4C(s) ⇔ Na2S(s) + 4 CO(g) Na2S(s) + CaCO3(s) ⇔ Na2CO3(s) + CaS(s)

Gasifikasi Pemekatan

Pengeringan

Na2CO3 Gambar 1.2. Diagram alir proses produksi natrium karbonat

Kimia SMK Industri:Diagram Alir Proses Industri PLPG-2012 Rayon 115 UM

1- 2

2. Proses Solvay Proses Solvay menggunakan brine (NaCl), batu kapur (CaCO3), sebagai bahan baku dan menggunakan ammonia sebagai reagen siklus. Adapun reaktor yang digunakan adalah Packed tower. CaCO3 → CaO + CO2 …..……… (1) CaO + H2O → Ca(OH)2 .………… (2) NaCl + H2O + NH3 ↔ NaCl + NH4OH ..………… (3) 2 NH4OH + CO2 ↔ (NH4)2CO3 + H2O ..………… (4) (NH4)2CO3 + CO2 + H2O ↔ 2 NH4HCO3 ………… (5) 2 NH4HCO3 + 2 NaCl ↔ 2 NaHCO3 + 2 NH4Cl ………… (6) 2 NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2 ………… (7) Jika dibandingkan antara proses Le Blanc dan Solvay, maka proses Solvay lebih menguntungkan dikarenakan proses Solvay berjalan pada suhu rendah, reaksi berjalan pada fase cair-gas, konversi yang dihasilkan besar, dan Natrium yang dihasilkan lebih berkualitas. By-product yang dihasilkan dari proses Solvay dapat dijual kembali. C. Aliran Materi Proses Fisika dan Reaksi Kimia Industri Kertas Kertas dibuat dari pulp kayu dengan pencampuran bahan kimia untuk mendapatkan kualitas kertas yang baik. Adapun bahan mentah yang diolah adalah : Lembaran pulp ( LBKP dan NBKP), Broke yaitu kertas reject yang diolah kembali, bahan tambahan seperti : CaCO3, dyes, Cationic Starch, dsb. Proses pembuatan kertas digambarkan dalam bentuk diagram alir seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. 1. Pulping, proses pembuburan dengan alat yang disebut pulper. 2. Cleaning, proses pembersihan bubur serat yang telah dihancurkan dalam pulper. 3. Refining,

proses

penggilingan

bubur

serat

lebih

lanjut

untuk

menghasilkan bubur serat yang lebih halus. 4. Mixing,

pencampuran bahan atau bubur serat dan aditif. Bahan

penunjang bubur kertas yaitu, cationic starch. Penambahan aditif untuk mengikat ion – ion kertas agar jaringan kertasnya kuat. 5. Blending, proses pengadukan campuran bubur serat yang akan dikirim ke proses pembentukan kertas. Pada bagian ini kekentalan bubur serat dikontrol oleh alat yang dinamakan CRC (Consistence Recording Controller).

Kimia SMK Industri:Diagram Alir Proses Industri PLPG-2012 Rayon 115 UM

1- 3

6. Beating dan pemurnian, proses awal yang digunakan untuk memperbaiki kekuatan dan sifat fisik dari kertas yang diinginkan, dan untuk mempengaruhi tingkah laku kertas selama berada dalam tahap proses pembentukan lembaran dan pengeringan tujuan proses ini adalah juga untuk menambah luas permukaan fiber dan pelarutan. Pulp dan Broke

7. Pembentukan

Kertas

(Formasi), terjadi

karena bantuan gravitasi dan daya hisap. Tujuan dari proses ini adalah pembentukan

Pulping  Cleaning  Refining

kertas (web) dengan serat distribusi yang merata dengan air.

Proses

menghilangkan 90-95% pengurangan

kadar

air

dilakukan dengan pengepresan basah (wetpressing) 8. Pengeringan,

Penghilangan

air

dengan

proses evaporasi. Untuk memasok panas Mixing Refining  Blending 

dibutuhkan urutan-drum uap panas, sering disebut

sebagai

pengeringan

kaleng.

Pengeringan oleh penguapan adalah proses intensif energi.



Forming

9. Finishing, dikenal dengan Sizing, Sizing adalah proses untuk menjadikan bahan fiber menjadi kertas dan lebih tahan rusak

Drying

dari berbagai cairan, khususnya air. Damar

Refining  Finishing 

adalah bahan terbanyak yang digunakan

 Kertas

sebagai zat pembantu proses ini, selain itu, dapat digunakan juga bahan seperti pati, lem, kasein, resin sintetis, dan turunanturunan selulosa lainnya.

Gambar 1.3. Diagram alir proses pembuatan kertas D. Aliran Materi Proses Fisika dan Reaksi Kimia Industri Pupuk Potassium Sulphate (ZK) atau biasa disebut Sulphate of Potash (SOP) digunakan sebagai pupuk yakni sumber senyawa kalium dan sulfur pada tanaman perkebunan seperti rami, kapas, dan tembakau. Bahan baku sulfat alami untuk pembuatan ZK yang berasal dari pertambangan antara lain

Kimia SMK Industri:Diagram Alir Proses Industri PLPG-2012 Rayon 115 UM

1- 4

adalah lanbeinite (K2SO4.2MgSO4), leonite (K2SO4.MgSO4.4H20), schoenite (K2SO4.MgSO4.6H2O), dan glaserite (K3Na(SO4)2). Proses Produksi ZK dengan Dekomposisi KCl dengan Na2SO4 Bahan baku pembuatan pupuk ZK adalah Sodium Sulphate Na2SO4. Diagram alir proses ditampilkan pada Gambar 2.4.

Gambar 1.4. Diagram alir proses produksi ZK dengan melalui dekomposisi KCl dengan Na2SO4 Penjelasan Proses: Bahan baku yang digunakan adalah sodium sulphate baik dalam bentuk anhydrous (Na2SO4) maupun dalam bentuk hydrated (Na2SO4.10H2O). Selain itu digunakan juga potassium chloride (KCl) dalam bentuk larutan pada temperatur 20 – 25ºC. Umpan KCl, Na2SO4, dan recycle mother liquor yang mengandung kristalin glaserite K3Na(SO4)2 dan KCl, serta kondensat hasil kondensasi dari uap evaporator diumpankan ke reaktor. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: 4Na2SO4 + 6KCl -> 2K3Na(SO4)2 + 6NaCl 2KCl + 2K3Na(SO4)2 -> 4K2SO4 + 2NaCl Kimia SMK Industri:Diagram Alir Proses Industri PLPG-2012 Rayon 115 UM

1- 5

Rasio mol Na2SO4 : KCl dibuat sangat berlebih yakni antara 1 : 6 sampai 1 : 10 untuk mendapatkan konversi yang tinggi (96 – 99%), sedangkan untuk rasio mol ZK : Na2SO4 dijaga 2 : 1. Setelah bereaksi di reaktor, produk ZK dipisahkan di filter dan selanjutnya mother liquor yang terbentuk diuapkan di unit konsentrasi 2 tingkat secara bertahap dan diikuti dengan proses kristalisasi pada temperatur rendah (2ºC) untuk tahap 1. Setiap mother liquor yang sudah terpisah baik di tahap 1 maupun 2 akan dipisahkan di filter untuk selanjutnya di-recycle kembali ke reaktor, sedangkan uap dari unit konsentrasi akan dikondensasikan terlebih dahulu dan selanjutnya dikirim ke reaktor. Adapun spesifikasi produk ZK adalah sebagai berikut: K2SO4

:

96%-w. E. Aliran Materi Proses Fisika dan Reaksi Kimia Industry Bahan Pelapis Bahan-bahan inti yang digunakan dalam pembuatan cat terdiri dari padatan (solids) dan cairan (liquids). Dengan bagian padatan tersebut tertahan (tersuspensi) dalam porsi cairan atau carrier. Solids atau padatan adalah bahan yang tertinggal di permukaan setelah bagian liquids menguap.

Solids terdiri dari beberapa material, setiapnya didesain untuk menghasilkan beberapa properti dari cat, namun yang utama adalah pigmen (pewarna) dan binder (perekat). Untuk lebih mudah memahami bahan penyusun cat, maka bahan penyusun cat ini diklasifikasi menjadi empat bagian besar yaitu carrier/pembawa, pengikat/pembentuk lapisan film, pigmen, dan aditif. Proses produksi cat melalui beberapa proses, yaitu pre-mixing, grinding, letdown, filtering, color matching, dan packaging. Pre-mixing yaitu proses pencampuran awal dimana bagian padat dari cat seperti pigmen dan extender/filler didispersikan ke pelarutnya dengan tambahan aditif yang sesuai seperti dispersing agent dan wetting agent. Pada proses grinding partikel-partikel pigmen dihaluskan dengan mesin giling/grinder agar ukuran partikel menjadi lebih kecil dan diperoleh kehalusan dan warna yang diinginkan. Kemudian selanjutnya adalah proses finishing yang meliputi letdown, filtering, color matching sampai packaging. Pada proses ini cat diatur Kimia SMK Industri:Diagram Alir Proses Industri PLPG-2012 Rayon 115 UM

1- 6

kekentalannya,

ditambahkan

zat

aditif,

disaring

dari

kotoran

saat

pengadukan, disesuaikan dan dipilah-pilah warnanya, dan pada akhirnya di kemas.

Gambar 2.5. Diagram alir proses pembuatan cat

II. LATIHAN PEMECAHAN MASALAH 1. Apakah fungsi menara adsorpsi dalam pengolahan air ? 2. Apakah fungsi adsorben arang aktif dalam menara adsorpsi? 3. Apakah manfaat natrium karbonat di dalam industri? 4. Mengapa proses solvay lebih ramah lingkungan dibandingkan proses Le bLanc? 5. Apa yang dimaksud dengan proses pulping? 6. Apa yang menjadi bahan baku pembuatan kertas? 7. Apa fungsi pupuk ZK? 8. Jelaskan diskripsi uraian proses kimia dan fisika yang terjadi pada grinding pada proses pembuatan cat.

III. RANGKUMAN Untuk mengolah air mentah akan dilakukan pengolahan dalam tiga metode pengolahan: (a) Pengolahan secara fisika ; (b) Pengolahan secara kimia; dan (c) Pengolahan secara biologi. Di dalam pengolahan secara fisika digunakan menara adsorbsi untuk menghilangkan bau dengan adsorben karbon aktif dan atau menukar kation dengan ion exchange. Proses yang terjadi pada industri soda ada 3 macam:Proses Le Blanc, Sovay dan Natural.

Kimia SMK Industri:Diagram Alir Proses Industri PLPG-2012 Rayon 115 UM

1- 7

Proses pembuatan kertas adalah sebagai berikut: pulping, cleaning, refining, mixing, blending, forming, drying, finisihing. Pupuk ZK dibuat dengan bahan baku sodium sulfst baik yang anhydrous maupun hidrated, dan KCl. Umpan KCl, Na2SO4, dan recycle mother liquor yang mengandung kristalin glaserite K3Na(SO4)2 dan KCl, serta kondensat hasil kondensasi dari uap evaporator diumpankan ke reactor. Proses pembuatan cat mempunyai tahapan sebagai berikut: Proses produksi cat melalui beberapa proses, yaitu pre-mixing, grinding, let-down, filtering, color matching, dan packaging.

IV. TUGAS 1. Deskripsikan diagram alir pada proses pengolahan air di dalam menara adsorpsi. 2. Bandingkan antara proses Le Blanc dengan Solvay manakah yang lebih menguntungkan dari sisi ekonomi dan lingkungan. 3. Jelaskan proses pembuatan bubur kertas. 4. Buatlah reaksi kimia pada proses pembuatan pupuk ZK. 5. Jelaskan diskripsi uraian proses kimia dan fisika yang terjadi pada mixing pada proses pembuatan cat. 6. Jelaskan diskripsi uraian proses kimia dan fisika yang terjadi pada Matching pada proses pembuatan cat.

V. SOAL-SOAL 1. Menghilangkan bau dan senyawa organik dari turunan aromatic maka adsorben jenis apakah yang diperlukan? 2. Untuk menghilangkan kation dalam air maka adsorben jenis apakah yang digunakan dalam menara adsorpsi? 3. Diskripsikan diagram alir proses le Blanc di atas. 4. Diskripsikan proses pembuatan industry soda proses solvay. 5. Bagaimana proses refining? 6. Apa tujuan Proses Beating dan pemurnian? 7. Bahan baku pupuk ZK dapat diperoleh sebagai hasil samping dari beberapa proses produksi pada industri apa saja? 8. Apa hasil samping dari proses produksi ZK? 9. Jelaskan diskripsi uraian proses kimia dan fisika yang terjadi pada pre mixing pada proses pembuatan cat. Kimia SMK Industri:Diagram Alir Proses Industri PLPG-2012 Rayon 115 UM

1- 8

VI. KUNCI JAWABAN 1. Arang aktif. 2. Ion exchange. 3. Proses ini didasarkan atas pemanggangan salt cake (kerak garam) dengan karbon dan gamping di dalam tanur putar dan sesudah itu mengeraskan hasilnya dengan air. Produk kasar dari reaksi ini disebut black ash (abu hitam). Pengerasan dilakukan pada waktu dingin, pada pengerasan ini berlangsung hidrolisis sebagian sulfida. Ini kemudian diubah lagi menjadi karbonat melalui pengolahan dengan gas yang mengandung karbon dioksida yang berasal dari tanur abu hitam. Larutan natrium karbonat yang dihasilkan, dipekatkan sehingga menghasilkan Natrium karbonat yang kemudian dikeringkan atau dikalsinasi. 4. Proses Solvay menggunakan brine (NaCl), batu kapur (CaCO3), sebagai bahan baku dan menggunakan ammonia sebagai reagen siklus. Adapun reaktor yang digunakan adalah Packed tower. Natrium karbonat yang dihasilkan berupa light sodium carbonat dan dense sodium carbonat sesuai dengan kebutuhan pabrik yang menggunakannya. 5. Refining adalah proses penggilingan bubur serat lebih lanjut untuk menghasilkan bubur serat yang lebih halus. Setelah itu bubur serat tersebut diolah kembali dengan cara dipotong dan digiling dengan menggunakan 2 buah pisau pemotong yang berbentuk disc plate. 6. Tujuannya :untuk memperbaiki kekuatan dan sifat fisik dari kertas yang diinginkan, dan untuk mempengaruhi tingkah laku kertas selama berada dalam tahap proses pembentukan lembaran. Selain itu, proses ...