Memahami Batu Arang Batu Bara: Pembentukan, Sifat, dan Teknik Distilasi
Batu Arang Batu Bara dan Proses Distilasinya
Batu arang batu bara, juga dikenal sebagai tawar mentah, adalah sampingan yang dihasilkan selama pengkarbonan suhu tinggi batubara koksi untuk produksi koks metalurgi dalam tanur koks sampingan. Ini adalah cairan hitam, viskus, terkadang dalam bentuk semi-padam, dengan bau khas, yang mengkondensasi bersama ‘gas-liquor’ (amoniakal liquor) saat produk volatil dari karbonisasi batubara koksi diturunkan suhunya. Batu arang bersifat asam dan tidak larut dalam air. Ini terdiri terutama dari campuran kompleks hidrokarbon aromatik cincin tercondensi. Ini dapat mengandung senyawa fenol, basa nitrogen aromatik (N2) dan turunan alkilnya, serta hidrokarbon paraffin dan olefin.
Dalam proses karbonisasi batubara, komponen tawar keluar dari tanur koks dalam bentuk uap, bersama sedikit karbon bebas (C) dalam keadaan halus sekali. Tawarmenyusut di saluran hidrolik, kondensor, dan pemisah, dalam keadaan cair, pada saat yang sama dengan pembentukan amoniakal liquor. Tawar yang terbentuk di saluran hidrolik tentu saja lebih kaya pada produk volabel dibandingkan dengan yang terbentuk di kondensor dan pemisah, dan karena itu jauh lebih kental dari yang terakhir.
Hasil normal batu arang batubara selama proses karbonisasi sekitar 4 %. Batu arang memiliki gravitasi spesifik biasanya dalam rentang 1.12 hingga 1.20, tetapi secara ekstensif dapat mencapai 1.25. Ini tergantung pada suhu karbonisasi. Tawar dengan gravitasi spesifik lebih rendah umumnya dihasilkan ketika suhu karbonisasi rendah digunakan. Viskositas tawar terpengaruh secara serupa. Tawar yang lebih berat mengandung lebih sedikit benzol dibandingkan tawar yang lebih ringan, dan lebih banyak karbon tetap. Jenis bahan baku dan suhu karbonisasi mempengaruhi komposisi kimia, dan oleh karena itu, kualitas tawar.
Batu arang mengandung lebih dari 348 jenis senyawa kimia yang sangat berharga. Mereka adalah senyawa aromatik (benzen, toluen, xilena, naftalena, dan antraksena dll.), senyawa fenol (fenol, kresol, xilenol, katekols, dan resorsinol, dll.), senyawa nitrogen heterociclik (piridin, kuinolin, iso kuinolin, dan indol, dll.), dan senyawa oksigen heterociclik (dibenzofuran, dll.), yang semuanya telah digunakan sebagai bahan baku atau bahan perantara di berbagai industri kimia (sebagai anti-oksidan, anti-septik, resin, bahan penglembut dalam industri plastik, cat, parfum, dan obat-obatan dll.).
Sehubungan dengan efek suhu karbonisasi pada konstitusi tawar, ditemukan bahwa yang dihasilkan pada suhu rendah menghasilkan pada distilasi, selain fenol dari seri asam karbolik, fenol dari seri yang berbeda yang perilaku kurang asam dan kemungkinan dari tipe kresol dan gaiacol. Juga, ada hasil naftalena dan hidrokarbon benzen yang lebih kecil, dan persentase besar hidrokarbon dari seri paraffin dan olefin. Alih-alih sebagian besar N2 yang terjadi dalam bentuk basa piridin, ia muncul dalam bentuk anilin dan homolognya. Jumlah C bebas juga kecil. Di sisi lain, tawar suhu tinggi, yaitu yang dihasilkan pada panas karbonisasi batubara yang tinggi, menghasilkan pada distilasi hanya jejak hidrokarbon paraffin, hidrokarbon yang mendominasi adalah dari seri benzen, naftalena, dan antraksena. N2 terutama terjadi dalam bentuk basa piridin, dan fenol terdiri terutama dari asam karbolik dan homolognya. Persentase C bebas umumnya tinggi.
Batu arang yang biasanya dapat distilasi pada tekanan atmosfer mendidih hingga sekitar 400 deg C dan terutama mengandung hidrokarbon aromatik. Ini termasuk (urut berdasarkan fraksi distilasi) (i) benzen, toluen dan isomera xilena, tri- dan tetrametilbenzen, indena, hidrindena (indan), dan kumarona, (ii) senyawa polar, termasuk asam tawar (fenol dan kresol) dan basa tawar (piridin, pikolin (metil-piridin) dan lutidin (di-metil-piridin), (iii) naftalena, terkontaminasi dengan jumlah kecil tetapi signifikan tio-naftalena, indena dan senyawa lain, (iv) isomera metil-naftalena, (v) bifenil, asenaftena dan fluorena, (vi) antraksena dan fenantrena, dan (vii) pirosa dan flortena.
Tawar juga secara mekanis menahan sejumlah air (sekitar 4 % rata-rata), yang sangat tidak menyenangkan selama proses distilasi karena menyebabkan ‘bumping’ dan oleh karena itu perlu dihilangkan terlebih dahulu dengan penyelepan yang lama dalam pemisah (dekanter tawar), pada suhu sedikit lebih tinggi, yang membuat tawar lebih cair. Air yang naik ke atas dihilangkan dengan cara normal.
Pengeringan Batu Arang Batu Bara
Salah satu kesulitan terbesar yang dihadapi selama distilasi tawar adalah eliminasi air, yang ada dalam proporsi yang bervariasi. Tawar umumnya dibiarkan menyusut dalam tangki besar, dari dasarnya dipompa ke pabrik distilasi tawar. Kandungan airnya dikurangi ke tingkat di bawah 5 %. Beberapa tawar bahkan tidak dapat dibebaskan sebagian dari air dengan cara ini, karena emuls terbentuk, dan tidak ada pemisahan bahkan setelah menunggu lama. Tawar dengan air tinggi umumnya mengandung persentase besar C bebas, dan kesulitan yang dialami dengan tawar individu dalam memisahkan air dengan hanya menyusut hampir dapat diambil sebagai ukuran kandungan C bebasnya. Biaya untuk mendistilasi air biasanya sangat besar.
Pengeringan tawar juga dapat dilakukan dengan cara mekanis, tetapi pemisahan mekanis memiliki nilai sedikit kecuali jika kuantitas kecil yang harus ditangani. Sentrifugasi juga dapat digunakan untuk memisahkan tawar dan liquor, dan perbedaan gravitasi spesifik membuat proses ini sangat layak. Campuran dimasukkan ke dalam mesin pada sekitar 50 deg C, dan tawar, yang lebih berat, dengan cepat pergi ke periferi mesin, sementara liquor tetap di dalam. Dua cairan diambil melalui pipa yang dimasukkan ke dalam massa berputar pada kedalaman yang sesuai. Tawar yang telah dikeringkan mengandung kurang dari 1 % air. Metode ini dapat digunakan sangat efektif dengan campuran tawar air yang teremulsi.
Metode pemisahan kimia telah dicoba, tetapi tidak ada yang memiliki kepentingan praktis. Dalam salah satu metode tersebut, tawar berair dirawat dengan asam krom dan sulfat, ketika panas yang dihasilkan selama oksidasi mendistilasi air dan nafta tanpa membusa.
Praktik universal adalah memanaskan tawar berair dengan uap langsung, atau spiral uap, atau api. Uap langsung sebelumnya digunakan cukup luas untuk distilasi primer tawar, tetapi sekarang jarang digunakan. Dalam kasus ini, tentu saja, uap super panas digunakan, dan bersama dengan air beberapa nafta yang lebih volabel distilasi, meninggalkan tawar kental yang berguna untuk pekerjaan jalan, vernis, kertas atap, dll.
Rencana yang biasanya diadopsi dalam metode distilasi tawar yang lebih awal untuk pemisahan air adalah mengisi tawar still hingga ketinggian tertentu, dan memanaskan isinya hingga hampir 100 deg C, ketika air mulai mendidih. Pada tahap ini pemakaian api dihentikan, dan jika diperlukan, cairan dibiarkan menyusut untuk waktu singkat. Ditemukan bahwa hampir semua air sekarang telah terpisah, membentuk lapisan di atas tawar. Sebuah keran kecil dipasang di sisi still pada ketinggian yang tepat, sehingga sebagian besar air dapat diangkut. Hasil lebih baik diperoleh jika pipa ayun dipasang dengan tongkat naik dan turun yang terhubung padanya dan membesar keluar dari atas still melalui kelenjar. Dengan cara ini, sebagian besar air dapat dipisahkan sehingga jumlah yang perlu distilasi kecil.
Proses Distilasi
Proses distilasi fraksional digunakan untuk distilasi batu arang batubara. Distilasi fraksional tawar merujuk pada proses di mana komponen dalam campuran kimia dipisahkan dengan memanfaatkan perbedaan titik didih mereka. Distilasi batu arang dilakukan terutama untuk menghasilkan benzol, nafta, kreosot, naftalena, antraksena, asam karbolik dan kresil, piridin dan pekat.
Tujuan distilasi tawar adalah untuk (i) mengeringkan tawar di kolom pengeringan, (ii) menghapus pekat dari tawar yang sudah dikeringkan di kolom pekat dan (iii) memisahkan minyak tawar di kolom fraksionasi. Karena kualitas batu arang bergantung pada proses karbonisasi batubara dan karena ada banyak senyawa kimia yang tersedia dalam batu arang, desain dan komposisi pabrik distilasi tawar bervariasi dengan jenis tawar dan senyawa yang perlu distilasi. Oleh karena itu, sangat jarang dua pabrik distilasi tawar sama persis.
Berbagai fraksi batu arang dapat dipulihkan dengan distilasi. Proses distilasi memberikan berbagai produk kimia berharga. Sisa distilasi adalah pekat batu arang, yang kemudian diproses menjadi pekat batu arang dengan sifat kimia dan fisik yang diinginkan. Tujuan utama proses distilasi batu arang adalah untuk menghasilkan sejumlah produk asam tawar dari tawar mentah.
Jumlah fraksi, dan ukuran fraksi dll., yang harus diambil saat tawar distilasi bergantung pada banyak faktor. Kualitas tawar memainkan peran besar. Juga, jenis pabrik yang tersedia untuk distilasi adalah faktor penting. Nilai pasar produk juga penting.
Biasanya, perbedaan titik didih dari berbagai fraksi digunakan untuk ekstraksi mereka. Ketika tawar dipanaskan untuk mengekstrak berbagai komponen tawar, ekstraksi yang terjadi dijelaskan di bawah ini.
Umumnya fraksi pertama yang diekstrak mengandung amoniakal liquor, dan nafta, yang adalah campuran benzen, toluen, xilena, dan piridin. Rentang titik didih dari 80 deg C hingga sekitar 140 deg C, dan rentang gravitasi spesifik 0.87 hingga 0.95. Jumlah air tergantung pada jumlah dalam tawar asli, dan apakah telah diambil sebagian sebelum distilasi. Ia terpisah dengan mudah dari nafta, dan diambil dari dasar, dan dikirim langsung ke pabrik amonia.
Perhatian yang baik diperlukan dalam mendapatkan fraksi pertama, karena pembusuran sangat prevalen, terutama dalam tawar dengan kandungan C bebas yang tinggi. Titik ketika bahaya ini lewat dapat dengan mudah diperhatikan oleh kebisingan yang didengar di dalam still, dikenal sebagai ‘rattles’. Ketika hampir semua air telah hilang, titik air mengkondensasi di dalam bagian atas still dan sesekali jatuh kembali ke dalam cairan panas di bawahnya, untuk segera berubah menjadi uap lagi dengan kekuatan hampir meledak, dengan resulting noise berdesis.
Fraksi kedua dikenal sebagai fraksi minyak ringan yang mendidih dari sekitar 140 deg C hingga 200 deg C. Ini memiliki rentang gravitasi spesifik sekitar 0.95 hingga 1. Ini mengandung hidrokarbon yang lebih tinggi dari seri benzen seperti mesitilena, kumena, beberapa naftalena, juga fenol, dan homolog yang lebih tinggi dari piridin. Di banyak pabrik distilasi, fraksi ini tidak dipisahkan, tetapi campuran fraksi pertama dan kedua diambil bersama-sama.
Fraksi ketiga dikumpulkan hanya untuk mendapatkan fenol dalam keadaan sekecil mungkin, dan oleh karena itu disebut fraksi minyak karbolik atau minyak tengah. Ini mendidih antara 200 deg C dan 240 deg C dan memiliki gravitasi spesifik 1 hingga 1.025, dan mengandung fenol, kresol dan asam hidroksil yang lebih tinggi, banyak naftalena dan hidrokarbon kreosot. Dalam distilasi fraksi ini, perhatian besar diperlukan untuk memastikan air kondensor cukup panas, sehingga kristalisasi naftalena tidak terjadi di spiral. Air dingin harus dimatikan di tengah fraksi kedua, dan jika air pendingin tidak panas cukup cepat, uap harus dimasukkan ke dalam kondensor.
Fraksi minyak karbolik ini tidak dipisahkan, ketika tawar mengandung jumlah terlalu kecil. Kadang-kadang ditemukan lebih ekonomis untuk mendistilasi ulang fraksi kreosot.
Fraksi keempat dikenal sebagai fraksi minyak kreosot. Ini adalah fraksi terbesar dari semua fraksi dan mengandung naftalena dan minyak berat, yang adalah hidrokarbon aromatik dengan kandungan C dan hidrogen (H2) yang tinggi, dan kresol serta homolog fenol lainnya. Titik didih dalam rentang sekitar 240 deg C hingga 280 deg C, dan gravitasi spesifik dalam rentang 1.025 hingga 1.065.
Fraksi kelima ditandai oleh warna khasnya, dan oleh karena itu disebut fraksi minyak hijau, minyak kuning, atau minyak antraksena. Gravitasi spesifiknya 1.065 hingga 1.1, dan titik didih berkisar dari 280 deg C ke atas hingga akhir distilasi. Ini mengandung hidrokarbon aromatik yang lebih tinggi, antraksena, fenantrena, juga karbazol dll.
Banyak upaya telah dilakukan untuk secara besar-besaran meningkatkan jumlah fraksi yang diambil dari tawar dengan ide memisahkan produk yang lebih baik. Semua ini gagal, karena distilat yang diperoleh tidak lebih murni, banyak campuran azetrop kompleks yang terbentuk. Lagi, tidak ada yang dihemat, karena banyak fraksi harus dicampur kembali untuk perlakuan dalam proses berikutnya.
Pabrik Distilasi Tawar
Seperti yang dinyatakan sebelumnya, desain dan komposisi pabrik distilasi tawar bergantung pada jenis tawar yang akan distilasi dan senyawa yang akan diekstrak. Oleh karena itu, desain dan komposisi pabrik distilasi tawar bervariasi dari lokasi ke lokasi. Sebuah pabrik distilasi tawar tipis saat ini dijelaskan di bawah ini.
Ini terdiri dari berbagai bagian yaitu (i) bagian distilasi tawar, (ii) bagian pencucian soda kautik, (iii) bagian pengemasan minyak, (iv) bagian springing, dan (v) bagian pencetakan ulang. Diagram blok pabrik distilasi tawar ini diberikan dalam Fig 1.
Fig 1 Diagram alir blok pabrik distilasi tawar tipis
Tawar mentah yang disimpan pada suhu tinggi dalam tangki penyimpanan ditarik melalui filter tawar mentah dan dicampur dengan soda kautik (NaOH) yang dipompa dari tangki soda kautik oleh pompa dosing. Campuran dipompa melalui pemanam uap tawar dan pemanas pra yang dipanaskan uap ke dasar kolom pengeringan. Di dalam kolom tawar mentah dikontak dengan aliran tawar yang sudah dikeringkan panas yang relatif besar. Campuran azetrop air dan minyak menguap dan pergi ke atas kolom dan dikondensasi dalam kondensor minyak ringan. Sebagian minyak ringan azetrop dikirim kembali ke kolom sebagai reflux dan bagian yang tersisa dikirim ke kolom distilasi azetrop. Fraksi dasar kolom pengering dipompa dengan laju tinggi melalui penghemat pipa-still dan dipanaskan. Fraksi dasar ini adalah tawar yang sudah dikeringkan, sebagian dikirim kembali ke bagian bawah kolom.
Di kolom pekat tawar yang sudah dikeringkan dicampur dengan aliran pekat circulasi panas yang relatif besar. Minyak yang lebih volabel dalam tawar menguap dan naik melalui kolom. Aliran stripping diinjeksi ke dalam kolom untuk menjalankan operasi. Peqat mentah diambil dari dasar kolom oleh pompa circulasi pekat dan dipanaskan oleh pemanas pipa-still. Sebagian pekat ini dimasukkan ke atas kolom untuk kontak dengan tawar yang sudah dikeringkan.
Bagian volabel bersama dengan uap stripping dipulihkan dari kolom pekat dan dipisahkan menjadi fraksi minyak ringan dan air, fraksi minyak tengah, dan fraksi minyak berat. Fraksi minyak ringan dan air digabungkan dengan aliran yang sama dari bagian atas kolom pengeringan dan dikirim ke kondensor minyak ringan dan kemudian ke dekanter. Minyak tengah mengalir dengan gravitasi melalui pendingin minyak tengah baik ke tangki penampung minyak tengah atau langsung ke wadah pencampuran di bagian pencucian soda kautik. Minyak tengah dapat dipindahkan dari tangki penampung ke bagian soda kautik sesuai kebutuhan.
Minyak tengah dari bagian distilasi tawar dikontak secara bertolak belakang dengan aliran larutan NaOH 10 %. Sistem terdiri dari tiga wadah pencampuran dan tiga pemisah, terletak secara bergantian. Minyak tengah, yang telah dibebaskan dari asam tawarnya, mengalir dengan gravitasi dari atas pemisah ke tangki tengah. Larutan soda kautik, yang terutama adalah larutan fenolat natrium, setelah kontak dengan minyak mengalir dengan gravitasi dari dasar pemisah ke tangki fenolat.
Larutan fenolat natrium mengandung jumlah kecil minyak tengah, yang perlu dihilangkan untuk mendapatkan kualitas asam tawar yang baik. Larutan fenolat natrium dalam tangki penampung dipompa melalui pemanam atas ke atas kolom stripping fenolat natrium. Uap stripping diperkenalkan di dasar kolom yang memisahkan minyak tengah dari larutan fenolat natrium. Uap atas memanaskan larutan fenolat natrium yang masuk dan menjadi dingin. Larutan fenolat natrium yang bersih dipulihkan dari dasar kolom stripping dan dikirim ke bagian springing melalui pendingin.
Tujuan bagian springing adalah untuk memulihkan asam tawar dari larutan fenolat natrium dengan springing dengan gas kaya karbon dioksida (CO2) dalam serangkaian dua kolom terisi secara bertolak belakang. Gas dilewatkan ke atas melalui larutan fenolat natrium yang menurun di kolom pertama, di mana karbonat natrium (Na2CO3) terbentuk. Dasar kolom pertama diperkenalkan ke atas kolom kedua di mana aliran kembali dikontak dengan CO2 secara bertolak belakang. Larutan Na2CO3 dikirim ke pemisah dari dasar kolom. Asam tawar mentah dikumpulkan dan disimpan dalam tangki penampung asam tawar. Gas kaya CO2 terus dihembuskan melalui tangki penampung asam tawar mentah untuk mengurangi kandungan alkali dan air asam tawar.
Di bagian pencetakan ulang, larutan Na2CO3 dari bagian springing dikonsentrasikan dengan kapur yang telah dibakar keras untuk menghasilkan NaOH.
Pemulihan Asam Tawar
Asam tawar basah mentah yang dipulihkan dari pabrik springing mengandung sedikit air dan pekat. Ia dipompa ke atas kolom pengeringan yang beroperasi di bawah vakum, yang dipelihara oleh sistem ejector. Campuran azetrop air dan fenol dipisahkan dari asam tawar dan dihilangkan sebagai uap atas. Asam tawar kering yang diperoleh sebagai produk dasar dikirim ke still depikting yang beroperasi di bawah vakum tinggi. Asam tawar mentah menguap dan dikondensasi dalam kondensor. Asam tawar mengalir ke tangki penampung yang dilengkapi dengan spiral uap untuk mencegah penggenegan asam tawar. Peqat fenol dikumpulkan di dasar still, dicampur dengan minyak berat dan dikirim ke tangki penyimpanan, dilapisi uap untuk memelihara pekat dalam keadaan mengalir bebas. Asam tawar mentah dari tangki dipompa ke unit distilasi primer yang beroperasi di bawah vakum tinggi. Selama distilasi, asam tawar mentah dipisahkan menjadi tiga fraksi yaitu (i) fenol mentah sebagai produk atas, (ii) kresol mentah sebagai aliran samping, dan (iii) xilenol mentah/asam tawar dengan titik didih tinggi (HBTA) sebagai produk dasar.
Fenol mentah yang dikumpulkan dalam tangki dari kolom ini dipompa ke kolom vakum setelah dipanaskan dalam still. Fenol murni dikumpulkan di kondensor atas. Sebagian dikirim ke kolom sebagai reflux. Bagian lain dipompa ke tangki penyimpanan. Sisa kolom ini dicampur dengan kresol mentah dalam penyimpanan.
Kresol mentah dari tangki penyimpanan dipompa dari tangki penyimpanan ke dalam still untuk pemanasan awal dan kemudian distilasi vakum dalam kolom. Produk atas dari kolom ini adalah fenol, yang dikirim ke tangki penyimpanan fenol mentah. Fraksi samping pertama adalah o-kresol, yang berikutnya adalah campuran m- dan p-kresol, dan produk dasar adalah campuran xilenol mentah/HBTA yang dikirim ke tangki penyimpanan xilenol/HBTA.
Distilasi batch vakum lainnya dilakukan untuk memulihkan produk xilenol dan HBTA. Xilenol mentah dipompa dari tangki penyimpanan ke still pemanas dan dikirim ke kolom distilasi vakum tinggi. Empat potongan distilasi yang membutuhkan tiga pengaturan kolom yang berbeda. Potongan pertama adalah campuran m- dan p-kresol, potongan kedua adalah xilenol campuran, potongan ketiga adalah campuran xilenol dan HBTA, dan potongan keempat dan terakhir atau sisa adalah HBTA.
