BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Phthalic Acid Anhydride (1,2-benzenedicarboxylic anhydride) Phthalic acid anhydride pertama kali ditemukan oleh Laurent pada tahun 1836 dengan
reaksi oksidasi katalitis ortho xylene atau naphthalene (proses Gibbs). C 8 H 10 + 4.5 O 2 → C 6 H4 (CO) 2 O + 2 H2 O + 2CO 2 C 6 H 4 (CH3 ) 2 + 3 O 2 → C 6 H4 (CO) 2 O + 3 H2 O
Gambar 2.1. Struktur atom phthalic acid anhydride
Phthalic acid anhydride adalah padatan tidak berwarna (kristal) yang terdiri dari campuran organik dengan rumus kimia C 8 H4 O 3 , terutama digunakan sebagai bahan baku pada industri pembuatan plastik. Phthalic acid anhydride bersifat stabil, mudah terbakar, juga bersifat hydrolysis dan alcoholysis, di mana jika dihidrolisis dengan air panas akan menghasilkan ortho phthalic. Reaksi ini merupakan reaksi reversible, di mana phthalic acid anhydride akan terbentuk kembali dengan pemanasan hingga 1800C. Reaksi alcoholysis adalah dasar pembentukan phthalate esters yang secara luas telah digunakan pada proses plasticizers. Pada tahun 1980-an kira-kira 6.5×109 kg jenis ester telah diproduksi di dunia dan semakin meningkat setiap tahunnya. Proses dimulai dengan mereaksikan phthalic acid anhydride dengan alkohol. C 6 H 4 (CO) 2 O + ROH → C 6 H 4 (CO 2 H)CO 2 R Reaksi berikutnya adalah reaksi esterifikasi dengan air sebagai produk samping. C 6 H 4 (CO 2 H)CO 2 R + ROH
C 6 H 4 (CO 2 R) 2 + H2 O
Produk utama dari reaksi ini adalah bis (2-ethylhexyl) phthalate (DEHP), yang merupakan bahan baku pada pembuatan polyvinyl chloride. Pada proses pembuatan plastik, ester ini ditambahkan untuk meningkatkan fleksibilitasnya tanpa mengurangi kekuatan plastik tersebut. (www.wikipedia.com, 2008). Industri lain yang menggunakan phthalic acid anhydride sebagai bahan baku adalah industri cat dan pernis. Di mana alkyd resin dihasilkan dengan mereaksikan phthalic acid anhydride dengan minyak dammar (CARB, 2000).
2.2.
Ortho Xylene (1,2-Dimethylbenzene)
Universitas Sumatera Utara
Ortho xylene adalah salah satu isomer xylene selain meta xylene dan para xylene yang merupakan kelompok derivat persenyawaan benzene, dimethylbenzene.
Gambar 2.2. Struktur atom xylene Ortho xylene, sama seperti isomernya yang lain, berwujud cairan tidak berwarna dengan aroma manis dengan rumus kimia C 8 H10 . Banyak digunakan sebagai pelarut dalam industri resin, cat dan pernis, lem, karet, sebagai osilator kristal, parfum, farmasi, kulit dan insektisida. Ortho xylene sangat mudah menguap, bersifat racun, mudah terbakar, dan banyak berikatan dengan bensin. Selain itu, pada konsentrasi tertentu ortho xylene merupakan pelarut bagi beberapa jenis plastik, karet dan berbagai polimer lain. Ortho xylene terbentuk secara alami bersamaan dengan pembentukan minyak bumi seperti minyak tanah, ter kayu, dan aspal cair. Ortho xylene juga terbentuk dari hasil pembakaran, kebakaran hutan dan asap pabrik merupakan sumber penghasil ortho xylene dalam jumlah yang cukup besar. Ortho xylene merupakan produk antara dalam banyak industri bahan kimia. Salah satu industri yang menggunakan ortho xylene sebagai bahan bakunya adalah industri pembuatan phthalic acid anhydride, di mana ortho xylene dioksidasi dengan bantuan katalis vanadium pentoxide. Sifat toxic pada ortho xylene menyebabkan iritasi pada mata, hidung dan kerongkongan (www.wikipedia.com, 2008).
2.3. 2.3.1.
Sifat Fisika dan Kimia Phthalic Acid Anhydride -
Fasa
: padat
-
Berat molekul
: 148 gr/mol
-
Titik didih
: 295 0C
-
Melting point
: 131 0C
-
Densitas
: 1,53 gr/cm3
-
Flash point
: 152 0C
-
Kelarutan
-
Kemurnian
: larut dalam 162 bagian air, 125 bagian carbon disulfide, larut sempurna dalam benzene panas : 99,9 % (www.wikipedia.com, 2008)
Universitas Sumatera Utara
2.3.2.
Ortho Xylene -
Fasa
: cair
-
Berat molekul
: 106 gr/mol
-
Titik didih
: 144 0C
-
Melting point
: -25 0C
-
Densitas
: 0,88 gr/mL
-
Viskositas
: 812 cP pada 20 0C
-
Flash point
: 17 0C
-
Specific gavity
: 0,7894
-
Specific heat
: 2510,4 J/kg 0K
-
Panas pembentukan
: 2005,8 kJ/mol
-
Tekanan Uap
: 4,4 kPa
-
Temperatur kritis
: 235,2 0C
-
Tekanan kritis
: 4760 kPa
-
Kelarutan
: larut dalam air, alkohol, ether, aseton dan benzene
-
Kemurnian
: > 98 % (www.wikipedia.com, 2008)
2.3.2.
Oksigen -
Fasa
: gas
-
Berat molekul
: 32 gr/mol
-
Titik didih
: -182,95 0C
-
Melting point
: -218,79 0C
-
Densitas
: 1,429 gr/mL
-
Specific heat
: 0,8 g/100 mL air
-
Panas pembentukan
: 0,444 kJ/mol
-
Panas penguapan
: 6,82 kJ/mol
-
Temperatur kritis
: 154 0K
-
Tekanan kritis
: 5,043 Mpa (www.wikipedia.com, 2008)
2.4.
Proses Pembuatan Phthalic Acid Anhydride Proses pembuatan phthalic acid anhydride yang dikenal pada saat ini ada dua jenis, yaitu :
2.4.1.
Pembuatan phthalic acid anhydride dengan proses oksidasi naphthalene Bahan baku naphthalene dipanaskan dengan heater hingga temperatur 500 0C dan tekanan 3,2 bar untuk diumpankan ke reaktor. Reaksi yang terjadi adalah : 2 C 10 H8 + 9 O 2
C 8 H4 O 3 + 4 H2 O +
4 CO 2
Universitas Sumatera Utara
Reaksi oksidasi naphthalene berlangsung pada temperatur 500 0C dan tekanan 3,2 bar membentuk phthalic acid, air dan karbondioksida. Crude phthalic acid yang dihasilkan dari reaktor ini didinginkan dalam cooler yang selanjutnya dialirkan menuju flash drum untuk memisahkan karbondioksida. Crude phthalic acid yang masih mengandung air selanjutnya dimurnikan di dalam kolom destilasi. Phthalic acid anhydride yang merupakan produk bawah kolom destilasi mempunyai kemurnian sebesar 97,8 % sedangkan air merupakan produk atas kolom destilasi. (Diaoye, 2007). 2.4.2.
Pembuatan phthalic acid anhydride dengan proses oksidasi ortho xylene. Bahan baku ortho xylene dengan temperatur 30 0C dan tekanan 1,013 bar dari tangki penyimpanan ortho xylene dipompakan ke vapuorizer untuk menguapkan ortho xylene pada temperatur 150 0C dan tekanan 1,4 bar untuk kemudian dipompakan ke furnace untuk dipanaskan hingga temperatur
350 0C dan tekanan 2,2 bar.
Udara pada temperatur 30 0C dan tekanan 1,013 bar dialirkan dengan kompresor ke furnace untuk dipanaskan hingga temperatur 350 0C dan tekanan 2,2 bar. Uap ortho xylene dan udara diumpankan ke reaktor dengan kondisi operasi temperatur 350 0C, tekanan 2,2 bar dan konversi 99 % dengan reaksi sebagai berikut : C 8 H 10 + 3 O 2 V2O5
C 8 H4 O 3 + 3 H2 O
Panas reaksi dari reaktor disirkulasi dengan air pendingin untuk menjaga reactor dalam kondisi isothermic. Produk dari reaktor berupa uap phthalic acid, oksigen sisa, nitrogen dan air didinginkan pada kondensor parsial dan selanjutnya dialirkan ke knock out drum. Phthalic acid selanjutnya dialirkan ke spray dryer dengan kemurnian 99,8 % (UNEP, 2007).
2.5.
Pemilihan Proses Perbandingan kedua jenis proses yang ada diperlihatkan pada tabel 2-1 berikut ini.
Tabel 2-1 Perbandingan proses pembuatan phthalic acid anhydride Oksidasi Naphthalene*
Oksidasi Ortho xylene**
Bahan baku : Naphthalene dan udara
Bahan baku : Ortho xylene dan udara
Konversi : 85 %
Konversi : 99 %
Kemurnian : 97,8 %
Kemurnian : 99,8 %
Proses menghasilkan karbondioksida
Proses tidak menghasilkan karbondioksida
Sumber : * UNEP ( 2007) ** Diaoye (2007)
Universitas Sumatera Utara
Berdasarkan data pada tabel 2-1 di atas maka pada pra perancangan pabrik pembuatan phthalic acid anhydride dipilih proses oksidasi ortho xylene. Proses ini didasarkan atas beberapa pertimbangan, sebagai berikut : a.
Konversi dan kemurnian produk yang dihasilkan lebih tinggi dibandingkan proses oksidasi naphthalene.
b.
Proses tidak menghasilkan karbondioksida.
c.
Nilai jual produk lebih ekonomis karena kemurniannya lebih tinggi.
2.6.
Deskripsi Proses Pra rancangan pabrik pembuatan phthalic acid anhydride dengan proses oksidasi ortho
xylene secara garis besar dapat dikelompokkan dalam empat tahapan proses, yaitu : 1.
Proses persiapan bahan baku
2.
Proses reaksi pembentukan phthalic acid
3.
Proses pemisahan phthalic acid
4.
Proses pengeringan phthalic acid
2.6.1.
Proses Persiapan Bahan Baku Bahan baku ortho xylene (C 8 H10 ) dengan kondisi temperatur 30 0C dan tekanan 1,013 bar disimpan pada tangki bahan baku (T-701). Selanjutnya ortho xylene dipompakan ke vapuorizer (E-701) untuk diuapkan hingga temperatur 150 0C dan tekanan 1,4 bar yang kemudian dipompakan ke furnace (H-701) untuk dipanaskan hingga temperatur 350 0C dan tekanan 2,2 bar. Bahan bakar yang dipergunakan pada furnace adalah liquid natural gas. Selanjutnya gas buang pembakaran pada furnace dipergunakan untuk memanaskan air untuk menghasilkan steam pada unit waste heat boiler. Udara pada temperatur 30 0C dan tekanan 1,013 bar dari blower
(B-701) dialirkan
dengan kompresor (CP-701) ke furnace (H-701) untuk dipanaskan hingga temperatur 350 0
2.6.2.
C dan tekanan 2,2 bar.
Proses Reaksi Pembentukan Phthalic Acid Uap ortho xylene dan udara yang berasal dai furnace (H-701) diumpankan ke reaktor (R701) dengan kondisi operasi temperatur 350 0C dan tekanan 2,2 bar di mana reaktor dalam kondisi isothermic. Pada proses ini dipergunakan katalis vanadium pentoxide untuk mempercepat reaksi dan menghasilkan konversi produk sebesar 99 % dengan reaksi sebagai berikut C 8 H 10 + 3 O 2 V2O5
C 8 H4 O 3 + 3 H2 O
Pada reaksi ini produk reaktor berupa campuran antara phthalic acid, oksigen sisa, nitrogen dan air pada temperatur 350 0C dan tekanan 2,2 bar. Reaksi pada reaktor merupakan reaksi exothermic di mana reaksi pembentukan phthalic acid dari oksidasi ortho xylene menghasilkan panas yang cukup tinggi. Agar panas reaksi dapat
Universitas Sumatera Utara
dikendalikan dengan sempurna sesuai dengan kondisi operasi maka diperlukan media pendingin, yaitu dowterm. Dalam proses ini dowterm yang dipakai adalah air pendingin. Panas reaksi yang dihasilkan dari reaktor diserap oleh media pendingin (dowterm). 2.6.3.
Proses pemisahan Phthalic Acid Produk dari reaktor (R-701) berupa phthalic acid, ortho xylene sisa, oksigen sisa, nitrogen dan air dialirkan ke kondersor parsial (E-703) untuk mengubah sebagian fasa produk dari uap menjadi cairan dengan menurunkan temperatur hingga 150 0C dan tekanan 1,7 bar. Campuran uap (ortho xylene sisa, oksigen sisa, nitrogen dan air) dan cairan (phthalic acid) selanjutnya dialirkan ke tangki knock out drum (SC-701) untuk memisahkan uap dari cairan.
2.6.4.
Proses Pengeringan Phthalic Acid Cairan Phthalic Acid dari knock out drum (SC-701) diumpankan ke spray dryer (DE-701) untuk dikeringkan sekaligus membentuk butiran kristal phthalic acid anhydride. Kristal phthalic acid anhydride yang telah kering selanjutnya dialirkan menggunakan screw conveyor (CS-701) menuju silo. Produk phthalic acid anhydride yang memiliki kemurnian 99,8 % ini selanjutnya disimpan dalam silo (S-701).
Universitas Sumatera Utara
Air pendingin
Keterangan gambar : T-701 : Tangki Ortho xylene E-701 : Vapourizer H-701 : Furnace B-701 : Blower CP-701 : Kompresor R-701 : Reaktor E-703 : Kondensor parsial SC-701 : Knock out drum BE-701 : Spray dryer CS-701 : Screw conveyor S-701 : Silo
Steam from WHB
3
1
TC
L1
FC
6
Uap panas ke WHB
7 8
P-01 T-701
E-701
E-703
L1
TC
4 PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
9 5
11
2
SC-701 Liquid natural gas H-701
DE-7
01
R-701
PRA RANCANGAN PABRIK PEMBUATAN PHTHALIC ACID ANHYDRIDE DENGAN METODE OKSIDASI ORTHO XYLENE DENGAN KAPASITAS 120.000 TON/TAHUN
12 10 B-701 CP-701
CS-701
Skala : Tanpa Skala
FC
Tanggal
Tanda Tangan
Digambar Nama : Freddy R. J. Sinaga NIM : 050425012 Diperiksa/ 1. Nama : Dr. Ir. Fatimah, MT Disetujui NIP : 132 095 301 2. Nama : Ir. Hamidah Harahap, MSc NIP : 132 126 839 S-701
Kondensat to WHB Air pendingin sisa
Universitas Sumatera Utara
