Kimia vs. teknik kimia

Oleh: Heru Setyawan

Dalam artikel “Sejarah Singkat Teknik Kimia” disebutkan bahwa ilmuwan kimia memahami kimia dan percabangannya tetapi kurang dalam keterampilan proses. Ilmuwan kimia lebih banyak bekerja dalam skala laboratorium, sedangkan insinyur kimia berusaha mewujudkan temuan di laboratorium menjadi operasi skala besar yang menguntungkan di industri.

Untuk menunjukkan perbedaan profesi kimia dan teknik kimia dengan lebih jelas, pandang sintesa gliserol monooleat (GMO) dengan reaksi gliserol (G) dan asam oleat (AO) dengan keberadaan katalis resin penukar kation H+ (RH). Di laboratorium, 5 g asam oleat, 28 g gliserol dan 1 g katalis dimasukkan ke dalam reaktor kaca, dan dipanaskan dalam bak minyak panas. Campuran kemudian diaduk dengan pengaduk mekanik dan dipanaskan sambil direfluks selama 1,5 jam. Bahan dibiarkan menjadi dingin dan GMO dipisahkan. Hasil yang bagus mungkin bisa menghasilkan 4-5 g GMO. Larutan sisa dibuang ke saluran pembuangan.

Sekarang pandang sebuah proses industri dimana beberapa gram diganti dengan berton-ton.

Pertama penyimpan yang tepat (katakan untuk produksi 1 bulan) harus disediakan untuk bahan baku. Dalam hal ini, gliserol dan asam oleat adalah cairan dan harus disimpan dalam tangki tertutup; resin penukar ion adalah padatan yang harus disimpan dalam silo. Cara memasukkan ke reaktor harus disediakan, pipa dan pompa untuk gliserol dan asam oleat dan pengangkut ulir untuk resin. Insinyur kimia akan menghitung ukuran dan daya yang dibutuhkan dan menetapkan bahan konstruksi yang sesuai.

Reaktor sekarang bisa berisi lebih dari 50 ton asam oleat dan bahan lain. Sebuah pengaduk harus dirancang dan kebutuhan dayanya harus dihitung untuk memberikan pencampuran yang diperlukan. Pemanasan dan pendinginan dianggap gratis di laboratorium, tetapi tidak di industri. Insinyur kimia pertama harus menghitung jumlah panas yang ditambahkan dan dibuang, kemudian merancang cara yang cocok untuk melakukan ini, barangkali dengan mengalirkan kukus (steam) melalui jaket luar bejana untuk memanaskan. Mereka mungkin akan memutuskan untuk memompa campuran reaksi ke bejana lain untuk didinginkan. Resin padat harus disaring, mungkin dengan filter, dan GMO yang dihasilkan harus dipisahkan, mungkin dengan kolom distilasi atau alat pemisahan lain, yang ini juga harus dirancang. Proses distilasi memakai energi sangat besar.

Akan tetapi, ada lebih dari 100 ton limbah yang tidak bisa dibuang begitu saja ke saluran pembuangan. Limbah akan mengandung gliserol dan asam oleat yang tidak bereaksi dan 1 ton katalis yang harus diambil kembali dan didaur ulang. Jadi, akan ada serangkaian peralatan lain untuk menghemat biaya bahan kimia dan menyelamatkan lingkungan. Pelarut selain air biasanya didaur ulang dengan distilasi, tetapi air juga digunakan kembali dan didaur ulang sehemat mungkin.

Proses bisa berlangsung secara batch atau kontinyu. Untuk operasi kontinyu, khususnya ketika jumlah produksi besar, upaya akan dilakukan untuk mengurangi jumlah energi yang digunakan dan jumlah limbah yang dibuang.

Jadi, insinyur kimia berusaha untuk merancang proses seekonomis mungkin. Ini artinya bahwa seluruh rantai produksi harus direncanakan dan dikendalikan sebaik mungkin dengan mempertimbangkan biaya. Seorang insiyur kimia dapat menyederhanakan atau merumitkan proses untuk alasan ekonomi. Sebagai contoh, reaktor amoniak dioperasikan pada tekanan tinggi, meskipun operasinya lebih sulit dan berbahaya, karena amoniak lebih mudah terbentuk dari unsur komponennya pada tekanan tinggi. Sebaliknya, reaksi dengan hasil rendah dapat didaur ulang secara kontinyu, yang akan menjadi kompleks, pekerjaan yang sulit jika dikerjakan di laboratorium. Bukan sesuatu yang tidak biasa membangun 6 langkah, atau bahkan 12 langkah, evaporator untuk memanfaatkan kembali energi penguapan untuk keuntungan ekonomi. Sebaliknya, ilmuwan kimia menguapkan cuplikan dalam satu tahap.

Proses sendiri-sendiri yang digunakan oleh insinyur kimia disebut satuan operasi dan terdiri atas operasi reaksi kimia, perpindahan momentum, panas dan massa. Tiga hukum fisika dasar yang melandasi perancangan teknik kimia adalah kekekalan massa, kekekalan momentum dan kekekalan energi. Dalam kurikulum pendidikan teknik kimia mata kuliah yang membahas materi tersebut disebut Azas Teknik Kimia. Pergerakan massa dan energi di sekitar proses kimia dievaluasi menggunakan neraca massa dan neraca energi yang bisa diberlakukan untuk seluruh pabrik, satu satuan operasi atau bagian kecil dari peralatan. Untuk melakukan itu, insiyur kimia memakai prinsip termodinamika, kinetika reaksi dan fenomena perpindahan. Pekerjaan mengerjakan neraca ini sekarang dibantu dengan simulator proses seperti Aspen Hysys, Aspen Plus, ChemCad, dan sebagainya.