Sintesis Metanol

I.                   Pendahuluan

Metanol juga dikenal sebagai metil alkohol, wood alcohol atau spiritus, adalah senyawa kimia dengan rumus kimia CH₃OH. Metanol merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada "keadaan atmosfer" ia berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan daripada etanol). Ia digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan sebagai bahan additif bagi etanol industri.

Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri. Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara. Setelah beberapa hari, uap metanol tersebut akan teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air.

Reaksi kimia metanol yang terbakar di udara dan membentuk karbon dioksida dan air adalah sebagai berikut:

2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O

Api dari metanol biasanya tidak berwarna. Oleh karena itu, kita harus berhati-hati bila berada dekat metanol yang terbakar untuk mencegah cedera akibat api yang tak terlihat. Karena sifatnya yang beracun, metanol sering digunakan sebagai bahan additif bagi pembuatan alkohol untuk penggunaan industri. Metanol kadang juga disebut sebagai wood alcohol karena ia dahulu merupakan produk samping dari distilasi kayu. Saat ini metanol dihasilkan melului proses multi tahap. Secara singkat, gas alam dan uap air dibakar dalam tungku untuk membentuk gas hidrogen dan karbon monoksida; kemudian, gas hidrogen dan karbon monoksida ini bereaksi dalam tekanan tinggi dengan bantuan katalis untuk menghasilkan metanol. Tahap pembentukannya adalah endotermik dan tahap sintesisnya adalah eksotermik.

Kegunaan

Metanol digunakan secara terbatas dalam mesin pembakaran dalam, dikarenakan metanol tidak mudah terbakar dibandingkan dengan bensin. Metanol juag digunakan sebagai campuran utama untuk bahan bakar model radio kontrol, jalur kontrol, dan pesawat model.

Salah satu kelemahan metanol jika digunakan dalam konsentrasi tinggi adalah sifat korosif terhadap beberapa logam, termasuk aluminium. Metanol, meskipun merupakan asam lemah, menyerang lapisan oksida yang biasanya melindungi aluminium dari korosi:

6 CH3OH + Al2O3 → 2 Al(OCH3)3 + 3 H2O

Ketika diproduksi dari kayu atau bahan oganik lainnya, metanol organik tersebut merupakan bahan bakar terbaharui yang dapat menggantikan hidrokarbon. Namun mobil modern pun masih tidak bisa menggunakan BA100 (100% bioalkohol) sebagai bahan bakar tanpa modifikasi. Metanol juga digunakan sebagai pelarut dan sebagai antibeku, dan fluida pencuci kaca depan mobil.

Penggunaan metanol terbanyak adalah sebagai bahan pembuat bahan kimia lainnya. Sekitar 40% metanol yang ada diubah menjadi formaldehid, dan dari sana akan dihasilkan berbagai macam produk seperti plastik, plywood, cat, peledak, dan tekstil.

Senyawa kimia lainnya yang merupakan turunan dari metanol adalah dimetil eter, yang telah menggantikan klorofluorokarbon sebagai bahan campuran pada aerosol, dan asam asetat. Dimetil eter juga dapat dicampur dengan gas alam terkompresi (LPG) untuk memanaskan masakan, dan juga bisa digunakan sebagai bahan bakar pengganti diesel.

Dalam beberapa pabrik pengolahan air limbah, sejumlah kecil metanol digunakan ke air limbah sebagai bahan makanan karbon untuk denitrifikasi bakteri, yang mengubah nitrat menjadi nitrogen.

II.                Proses Produksi Metanol

Saat ini, gas sintesis umumnya dihasilkan dari metana yang merupakan komponen dari gas alam. Terdapat tiga proses yang dipraktekkan secara komersial, yaitu :

•  Reforming

•  Kompresi dan Sintesis

•  Distilasi

a.       Reforming

Istilah " steam-hydrocarbon reforming" mengacu pada reaksi endotermik antara uap dan metana (atau alkana lain) yang menghasilkan karbon monoksida, karbon dioksida dan hidrogen. Reaksi dilakukan dalam tanur (furnace) pada suhu tinggi dengan katalis nikel dalam tabung. Panas pembakaran memasok panas untuk reaksi endotermis:

                       Ni/800⁰ C

CH₄ + H₂O                         CO + 3H₂                         ΔrH = 206 kJ mol^-1

Reaksi ini, umumnya dinamakan steam-methane reforming atau SMR, merupakan reaksi endotermik dan limitasi perpindahan panasnya menjadi batasan dari ukuran reaktor katalitik yang digunakan.

Metana juga dapat mengalami oksidasi parsial dengan molekul oksigen untuk menghasilkan gas sintesis melalui reaksi kimia berikut:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Reaksi ini adalah eksotermik dan panas yang dihasilkan dapat digunakan secara in-situ untuk menggerakkan reaksi steam-methane reforming. Ketika dua proses tersebut dikombinasikan, proses ini disebut sebagai autothermal reforming. Rasio CO and H2 dapat diatur dengan menggunakan reaksi perpindahan air-gas (the water-gas shift reaction):

                       Ni/800⁰ C

CO + H₂O                          CO₂ + H₂                          ΔrH = 206 kJ mol^-1

Dengan demikian produk-produk dari reaksi reforming ("gas sintesis") mencakup karbon oksida dan hidrogen serta metana yang tidak bereaksi, nitrogen, dan uap. Panas yang digunakan untuk menghasilkan uap tekanan tinggi; memanaskan air umpan boiler, dan untuk memasok panas ke bagian distilasi. Beberapa panas, yang tidak dapat dipulihkan, ditolak untuk atmosfer (udara pendingin) dan sistem air pendingin. Setelah pendinginan, uap dalam gas reforming terkondensasi dan didaur ulang untuk pengolahan air.

Limbah gas buang meninggalkan tungku lebih dari 1000 °C. Dalam rangka meningkatkan efisiensi dan mengurangi polusi termal, gas buang yang digunakan untuk menghasilkan dan tekanan tinggi uap, panas reaktan (uap dan hidrokarbon), dan panas udara pembakaran ke tungku.

b.      Kompresi dan Sintesis

"sintesis gas" dari steam reforming ini kemudian dikompresi dalam kompresor sentrifugal. Sebuah turbin yang menarik daya dari sistem uap tekanan tinggi kompresor ini. Ekstraksi uap dari turbin digunakan dalam reaksi reformasi dan drive turbin lainnya dalam proses.

Gas sintesis yang dikompresi masuk reaktor konverter yang mengandung katalis seng tembaga dan reaksi sintesis terjadi, menurut persamaan:

 2H₂ + H₂O                        CH₃OH                ΔrH = -92 kJ mol^-1

Reaksi ini sangat eksotermik dan ini kelebihan panas digunakan untuk memanaskan air umpan boiler dan untuk pra-panas gas reaktan. Karena reaksi eksotermik, suhu rendah mendukung  untuk konversi metanol. Pada sisi lain, laju reaksi meningkat dengan meningkatnya suhu. Tekanan juga akan mempengaruhi posisi kesetimbangan, dengan pembentukan tekanan mendukung peningkatan metanol. Kondisi final yang digunakan melibatkan katalis tembaga oksida berbasis di sekitar 5 MPa (50 atmosfer) tekanan dan sekitar 270 ^oC.

Seperti karbon monoksida digunakan dalam reaksi sintesis metanol, pergeseran reaksi gas air membalikkan lebih banyak produksi karbon monoksida:

2H₂ + H₂O                         CH₃OH                ΔrH = +41 kJ mol^-1

Reaksi-reaksi ini bergabung untuk menghasilkan sekitar 40% dari konversi karbon oksida untuk metanol melewati masing-masing melalui reaktor. Setelah meninggalkan reaktor campuran gas didinginkan dan metanol dan embun air keluar. Gas yang tersisa dikembalikan ke circulator, dicampur dengan masuk dikompresi sintesis gas dan didaur ulang melalui konverter metanol.

Oleh karena itu, reaksi keseluruhan dengan metanol yang dihasilkan dari gas sintesis dapat diringkas ke dalam persamaan berikut:

                                 Cu-Zn

CO₂ + CO + 5H₂                           2 CH₃OH  + H₂O + Panas           

Fitur dari reaksi steam reforming dan reaksi sintesis metanol adalah bahwa untuk setiap tiga mol gas hidrogen diproduksi di alat steam reforming, hanya dua mol yang digunakan dalam gas daur ulang dikembalikan ke converter metanol dan campuran harus dibersihkan untuk membuang kelebihan ini. Saat ini pembersihan ini digunakan sebagai bahan bakar dalam pembaharu, tetapi potensi untuk menggunakan hidrogen sebagai bahan baku untuk reaksi lain (misalnya produksi amonia, pengurangan biji besi) harus dicatat.

Hal ini juga harus dicatat bahwa meskipun katalis konverter sangat spesifik dalam memproduksi metanol, beberapa reaksi samping terjadi yang menghasilkan alkohol tinggi (etanol, propanol, butanol) dan alkana. Ini dapat diringkas:

                                    

nCO2 + 2(n-¹/₂) H₂                        C_nH_2nOH   + (n-1)H₂O

nCO + CH₃OH + 2nH₂                             C_nH_2n+3OH + nH₂O

Metanol mentah ini mengandung berbagai macam kotoran yang harus dihilangkan untuk menghasilkan metanol dari kualitas kelas kimia. Teknik yang digunakan untuk pemurnian yaitu distilasi.

c.       Distilasi

Sistem distilasi terdiri dari sebuah kolom ekstraksi, kolom penyulingan, dan kolom recovery. Langkah pertama adalah penghapusan kotoran volatile dan gas terlarut termasuk karbon dioksida, karbon monoksida, hidrogen, nitrogen, aseton, eter, ester dan volatil (alkana sampai dekana) yang dilakukan dalam kolom ekstraksi. Suhu dalam kolom dijaga serendah mungkin untuk mencegah kehilangan metanol yang signifikan oleh penguapan.