BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Stirena Stirena berasal dari nama pohon styrax yang menghasilkan getah (resin kapur barus) yang diekstrak dalam bentuk stirena. Kandungan stirena yang rendah terdapat secara alamiah pada tumbuh tumbuhan dan beragam jenis makanan antara lain buah buahan, sayuran, kacang kacangan, minuman, dan daging. Produksi stirena berkembang secara pesat terutama di Amerika Serikat dari tahun 194 an sejak diperkenalkannya stirena sebagai bahan baku utama untuk produksi karet sintetis. Adanya kandungan grup vinil memungkinkan stirena untuk berpolimerisasi. Produk produk komersial dari stirena antara lain polistirena, Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), resin Styrene Acrylonitrile (SAN), lateks Styrene Butadiene, Styrene Butadiene Rubber (SBR), SIS (Styrene Isoprene Stirena), S EB S (Styrene Ethylene / Butylene Styrene), S DVB (Styrene Divinylbenzene) dan resin poliester tidak jenuh. Material material ini digunakan secara komersil dalam produksi karet, plastik, insulasi, fibreglass, pipa, peralatan kapal dan otomotif, tempat / wadah makanan, dan lain lain (Wikipedia, 21). Pembuatan senyawa stirena dilakukan melalui proses dehidrogenasi etilbenzen. Reaktor yang digunakan adalah reaktor multi bed dengan suhu operasi 6 C dan tekanan 1 bar (Chaniago, 29). Reaksinya dehidrogenasi stirena : Fe 2 O 3 C 6 H 5 CH 2 CH 3 C 6 H 5 CHCH 2 + H 2 etilbenzen stirena hidrogen Reaksi samping : C 6 H 5 CH 2 CH 3 C 6 H 6 + C 2 H 4 etilbenzen benzen etilen C 6 H 5 CH 2 CH 3 + H 2 C 6 H 5 CH 3 + CH 4 etilbenzen hidrogen toluene metana 2 H 2 O + C 2 H 4 2 CO + 4 H 2 air etilen karbon monoksida hidrogen

2 H 2 O + CH 4 CO + 3 H 2 air metana karbon monoksida hidrogen H 2 O + CO CO2 + H 2 air karbon monoksida karbon dioksida hidrogen (Said,dkk., 1993) Pemurnian stirena harus dilakukan melalui proses destilasi fraksionasi dalam kolom destilasi. Hal ini dikarenakan stirena dan etilbenzen memiliki titik didih yang hampir berdekatan yaitu 145 C untuk stirena dan 136 C untuk etilbenzen. (Wikipedia, 21). 2.2 Kegunaan Stirena Stirena secara luas digunakan untuk polimerisasi menghasilkan beragam polimer antara lain polistirena yang dikenal juga dengan nama Expanded Polystyrene Foam (EPS), Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), resin Styrene Acrylonitrile (SAN), lateks Styrene Butadiene, Styrene Butadiene Rubber (SBR), SIS (Styrene Isoprene Stirena), S EB S (Styrene Ethylene / Butylene Styrene), S DVB (Styrene Divinylbenzene) dan resin poliester tidak jenuh. Polimer dari bahan stirena bahan digunakan sebagai bahan dasar pembuatan karet, plastik, insulasi, fibreglass, pipa, peralatan kapal dan otomotif, tempat / wadah makanan, pelapis kertas, matras busa, dan lain lain. Akan tetapi, penggunaan polimer dari stirena pada industri makanan mulai berkurang seiring dengan penemuan dari Departemen Kesehatan Amerika Serikat yang mengindikasikan bahwa stirena mempunyai efek karsinogenik terhadap tubuh manusia dan dalam jumlah banyak beracun terhadap saluran pencernaan, ginjal, dan saluran pernafasan manusia (Wikipedia, 21). Adapun beberapa kegunaan polimer dari stirena dalam industri adalah sebagai berikut : Tabel 2.1 Kegunaan polimer stirena dalam berbagai industri Polimer Kegunaan 1. Polystirena - Bahan pembuatan foam - Bahan packaging pada industri makanan - Bahan pengerat pada kertas - Bahan pembuatan piringan CD

3 2. Acrylonitrile Butadiene Stirena (ABS) - Bahan pembuatan pipa - Bahan pembuatan komponen elektronik - Bahan pembuatan komponen otomotif 3. Stirena Acrylonitrile (SAN) - Bahan pembuatan keperluan rumah tangga - Bahan packaging kosmetik - Bahan pembuatan komponen otomotif 4. Lateks Stirena Butadiene - Bahan pembuatan carpet backing - Bahan pembuatan paper coating - Bahan pembuatan foam matress - Bahan adhesif (pengerat) 5. Stirena Butadiene Rubber (SBR) - Bahan pembuatan ban - Bahan pembuatan selang - Bahan pembuatan sepatu - Bahan adhesif (pengerat) 6. Resin poliester tidak jenuh - Bahan pembuatan plastik fibreglass - Bahan pembuatan alat alat perkapalan - Bahan pembuatan alat alat konstruksi - Bahan pembuatan komponen otomotif 2.3 Sifat Sifat Bahan Baku, Bahan Pembantu dan Produk Sifat-Sifat Bahan Baku (Etilbenzen) Etilbenzen merupakan sumber utama bagi produksi stirena secara komersil. Hampir semua pabrik penghasil stirena di dunia menggunakan etilbenzen sebagai bahan bakunya. Proses pembuatan stirena dari etilbenzen dalam skala besar dilakukan melalui proses dehidrogenasi etilbenzen dengan menggunakan katalis Shell 15 (campuran

4 Fe 2 O 3, Cr 2 O 3, dan K 2 CO 3 ) dalam kondisi isothermal di dalam reaktor multi bed (Ullman, 25). Fe 2 O 3 C 6 H 5 CH 2 CH 3 C 6 H 5 CHCH 2 + H 2 etilbenzen stirena hidrogen Sifat sifat fisika etilbenzen (Perry, 1999) : 1. Berat molekul : 16,167 gr/gmol 2. Densitas pada 25 C :,8671 gr/ml 3. Titik didih pada 1 atm : 136,19 C 4. Titik beku pada 1 atm : -94,975 C 5. Spesifik graviti : 1, (4 C) 6. Indeks bias pada 2 C : 1, Viskositas pada 25 C :,64 cp 8. Panas pembentukan pada 25 C : -12,456 J/mol. K 9. Panas penguapan pada 25 C : 42,226 J/mol. K 1. Entropi pembentukan : 255,2 J/mol. K 11. Temperatur kritis : 343,5 C 12. Tekanan kritis : 3,71 MPa 13. Volume kritis : 374 ml/mol Sifat sifat kimia etilbenzen: 1. Reaksi dehidrogenasi dengan katalis Fe2O3 pada suhu tinggi menghasilkan stirena. Fe 2 O 3 C 6 H 5 CH 2 CH 3 C 6 H 5 CHCH 2 + H 2 etilbenzen stirena hidrogen 2. Reaksi hidrogenasi dengan bantuan katalis Ni, Pt, atau Pd menghasilkan etil sikloheksan. Ni C 6 H 5 CH 2 CH 3 + 3H 2 C 6 H 11 C 2 H 5 etilbenzen hidrogen etil sikloheksan 3. Reaksi oksidasi dengan bantuan katalis KMnO 4 dan K 2 Cr 2 O 7 membentuk asam benzoat.

5 KMnO 4 / K 2 Cr 2 O 7 C 6 H 5 CH 2 CH 3 + O n C 6 H 5 COOH + CO 2 etilbenzen oksigen asam benzoat karbon dioksida 4. Mengalami proses halogenasi dengan bantuan panas atau cahaya. 2 C 6 H 5 CH 2 CH 3 + Cl 2 C 6 H 5 CH-ClCH 3 + C 6 H 5 CH 2 Cl etilbenzen klorin 2-kloro-2-feniletana 1-kloro-feniletana Sifat-Sifat Bahan Pembantu (Katalis Shell 15) Katalis Shell 15 adalah katalis yang berwujud padat dan berbentuk pelet. Katalis Shell 15 merupakan campuran Fe 2 O 3, Cr 2 O 3, dan K 2 CO 3 dengan komposisi 84,3 % Fe 2 O 3, 2,4 % Cr 2 O 3, dan 13,3 % K 2 CO 3. Sifat sifat katalis Shell 15 : 1. Wujud : padat 2. Bentuk : pelet 3. Komposisi : 84,3 % Fe 2 O 3, 2,4 % Cr 2 O 3, 13,3 % K 2 CO 3 4. Bulk Density : 2146,27 kg/cm 3 5. Diameter : 4,7 mm 6. Porositas :, Sifat-Sifat Produk (Stirena) Stirena adalah senyawa organik aromatis yang mempunyai rumus kimia C 6 H 5 CH=CH 2 dan mempunyai massa molar 14,15 gram/mol. Stirena merupakan hidrokarbon siklik berbentuk cair, tidak berwarna, beraroma dan dapat menguap dengan cepat. Stirena monomer dipolimerisasi untuk menghasilkan beberapa polimer antara lain polystirena, Acrylonitrile Butadiene Stirena (ABS), resin Stirena Acrylonitrile (SAN), lateks Stirena Butadiene, Stirena Butadiene Rubber (SBR), SIS (Stirena Isoprene Stirena), S EB S (Stirena Ethylene / Butylene Stirena), S DVB (Stirena Divinylbenzene) dan resin poliester tidak jenuh. Sifat-sifat fisika stirena : 1. Berat molekul : 14,15 gr/mol 2. Titik didih : 145 C 3. Titik beku : 3,6 C

6 4. Densitas pada 2 C :,959 gram/ml 5. Indeks bias : 1, Temperatur kritis : 369 C 7. Tekanan kritis : 3,81 MPa 8. Viskositas pada 2 C :,763 cp 9. Tekanan uap pada 2 C : 5 mmhg (Perry, 1999) Sifat-sifat kimia stirena : o 1. Entalpi pembentukan standar pada ΔH f 298 : 12,456 kj/mol 2. Panas penguapan pada 25 C : 428,44 J/gr. K 3. Reaksi pembentukan stirena : Fe 2 O 3 C 6 H 5 CH 2 CH 3 C 6 H 5 CHCH 2 + H 2 etilbenzen stirena hidrogen 4. Reaksi polimerisasi membentuk polystirena terjadi sangat cepat. n C 6 H 5 CHCH 2 stirena (Wikipedia, 21) (C 6 H 5 CHCH 2 ) n polystirena 2.4 Proses Pembuatan Stirena Secara umum terdapat dua proses pembuatan stirena yaitu : 1. Dehidrogenasi Katalitik Dehidrogenasi katalitik adalah reaksi langsung dari etilbenzen menjadi stirena, cara ini adalah proses pembuatan stirena monomer yang banyak dikembangkan dalam produksi komersial. Reaksi terjadi pada fase uap dimana steam melewati katalis padat. Katalis yang digunakan adalah Shell 15, yang terdiri dari campuran besi sebagai Fe 2 O 3, kromium sebagai Cr 2 O 3 dan potasium sebagai K 2 CO 3. Reaksi bersifat endotermis dan merupakan reaksi kesetimbangan. Sedangkan reaktornya dapat bekerja secara adiabatis dan isothermal.

7 Reaksi yang terjadi : C 6 H 5 CH 2 CH 3 C 6 H 5 CH = CH 2 + H 2 Yield rendah jika reaksi ini tanpa menggunakan katalis. Temperatur reaktor C pada tekanan atmosfer. Pada saat kesetimbangan konversi etilbenzen berkisar antara 5 7% dengan yield % (Ullman, 25). 2. Oksidasi Etilbenzen Proses ini ada 2 macam yaitu dari Union Carbide dan Halogen International. Proses dari Union Carbide mempunyai 2 produk yaitu stirena dan acetophenon. Proses ini menggunakan katalis asetat diikuti dengan reaksi reduksi menggunakan katalis kromium besi tembaga kemudian dilanjutkan reaksi hidrasi alkohol menjadi stirena dengan katalis Titania pada suhu 25 C. Reaksi yang terjadi berturut turut adalah sebagai berikut : C 6 H 5 CH 2 CH 3 + O 2 C 6 H 5 COCH 3 + H 2 O C 6 H 5 COCH 3 + H 2 O C 6 H 5 CH (OH )CH 3 C 6 H 5 CH(OH)CH 3 C 6 H 5 CH = CH 2 + H 2 O Kehilangan proses ini adalah terjadinya korosi pada tahap oksidasi dan produk yang dihasilkan 1% lebih kecil dibandingkan reaksi dehidrogenasi. Proses Halogen International menghasilkan stirena dan Propyleneoxide, yaitu proses mengoksidasi etilbenzen menjadi Ethylbenzene Hidroperoxide kemudian direaksikan dengan propylene membentuk propyleneoxide dan α-phenil-ethylalkohol kemudian didehidrasi menjadi stirena. 2.5 Deskripsi Proses Dari beberapa uraian proses pembuatan stirena tersebut diatas, maka akan dirancang pabrik stirena monomer melalui proses dehidrogenasi katalitik menggunakan katalis Shell 15 dengan alasan sebagai berikut : 1. Proses dehidrogenasi adalah proses yang paling sederhana. 2. Proses dehidrogenasi katalitik yang paling banyak dipakai secara komersial.

8 3. Tidak menimbulkan korosi. 4. Hasil samping berupa toluen dan benzen bisa dijual sehingga dapat menambah keuntungan. Deskripsi proses dalam proses pembuatan stirena yaitu sebagai berikut : Bahan baku etilbenzen dipompakan ke dalam mixer (M 1) dan bercampur dengan etilbenzen recycle dari kolom destilasi. Kemudian etilbenzen dipompakan ke dalam unit vaporizer (V 1) bertekanan 1 atm. Suhu keluaran dari vaporizer adalah 424,1 K. Dari vaporizer, bahan baku diumpankan ke dalam furnace (F 1) untuk mengubah uap jenuh etilbenzen menjadi gas etibenzen pada suhu 873 K. Steam bertekanan rendah yang dihasilkan dalam boiler juga diumpankan ke dalam furnace dan keluar dari furnace pada suhu 993 K dan tekanan 1,5 atm. Setelah itu, umpan etilbenzen dialirkan ke dalam reaktor (R 1) dan dicampurkan dengan steam. Steam pada proses ini berfungsi untuk mencegah terjadinya kerak pada reaktor dan menggeser kesetimbangan reaksi ke arah produk. Reaktor yang digunakan adalah reaktor dengan dua buah bed dimana katalis Shell 15 berbentuk pelet tersusun pada bagian bed reaktor. Proses dehidrogenasi dari etilbenzen berlangsung pada temperatur 873 K dan tekanan 1 atm. Reaksi yang terjadi di dalam reaktor (R 1) adalah sebagai berikut : C 6 H 5 CH 2 CH 3 C 6 H 5 CHCH 2 + H 2 etilbenzen stirena hidrogen Reaksi samping : C 6 H 5 CH 2 CH 3 C 6 H 6 + C 2 H 4 etilbenzen benzen etilen C 6 H 5 CH 2 CH 3 + H 2 C 6 H 5 CH 3 + CH 4 etilbenzen hidrogen toluen metana 2 H 2 O + C 2 H 4 2 CO + 4 H 2 air etilen karbon monoksida hidrogen H 2 O + CH 4 CO + 3 H 2 air metana karbon monoksida hidrogen

9 H 2 O + CO CO2 + H 2 air karbon monoksida karbon dioksida hidrogen Keluaran dari reaktor akan menghasilkan produk utama stirena, produk samping berupa benzen, toluen, karbon dioksida, dan hidrogen serta etilbenzen sisa reaksi dan air dalam fasa gas pada suhu 78,8 K dan tekanan 1 atm. Campuran ini kemudian dilewatkan ke WHB dan vaporizer hingga suhu produk menjadi 489,5 K. Setelah itu, produk dialirkan ke cooler IV (CL 4) untuk mengurangi beban panas drum separator. Drum separator (DS 1) digunakan untuk memisahkan campuran dari gas hidrogen dan karbon dioksida. Keluaran drum separator menyisakan produk stirena, benzen, etilbenzen sisa reaksi, toluen, dan air pada suhu 373,8 K. Setelah dari drum separator, produk diumpankan ke dalam dekanter (DK 1) untuk mengeluarkan semua air dari campuran. Kemudian campuran benzen, toluen, stirena dan etilbenzen ini didestilasi melalui 3 tahapan destilasi. Pada kolom destilasi 1 (D 1), akan didapatkan stirena dengan kemurnian 99,81 % pada produk bawah kolom destilasi. Etilbenzen yang didapatkan pada produk bawah kolom destilasi 2 (D 2) kemudian diumpankan kembali ke dalam mixer. Sedangkan, pada kolom destilasi 3 (D 3) akan didapatkan benzen pada produk atas kolom dan toluen pada produk bawah kolom.

10 Recycle Feed Gas Inert (H 2 & CO 2 ) Tangki Mixer Reaktor Drum Dekanter Kolom Kolom Penampung Separator Destilasi I Destilasi II Vaporizer Furnace Air (H 2 O) Produk Stirena Benzen Kolom Destilasi III Toluen Gambar 2.1 Diagram Alir Proses

11

12 Air Pendingin FG FLOWSHEET PRA RANCANGAN PABRIK STIRENA DARI ETILBENZEN MELALUI PROSES DEHIDROGENASI KATALITIK MENGGUNAKAN KATALIS SHELL 15 DENGAN KAPASITAS 1. TON/TAHUN 13 F-1 C-1 C-2 C V-1 U FUEL TC 5 CC AC-1 CC AC-2 CC AC-3 TC R-1 Steam D-1 P-4 12 P-6 D-2 D-2 14 D-3 P-8 16 CL TC WHB M T - 1 FC FC 7 TC RE H CL-1 TC CL-4 P T-2 RE - 2 RE-3 CL T-3 T-4 P-1 P-2 DS-1 6 P-5 C P-7 P-9 KONDENSAT PC 8 DK-1 AIR PENDINGIN BEKAS Air Umpan Boiler 9 Laju Alir (kg/jam) KOMPONEN Etilbenzen Benzen Toluen ,927 35,12 35, ,927 35,12 35, ,394 35,12 35, ,77 339, , ,77 339, ,974 7,717 66,68 47, ,54 273, ,539 22, , ,63 517, ,453 1, , ,833 1,485 1,92 516,53 272,971 1,33 Stirena 39, , ,133 29, , ,715 31,686 39,523 1,162 1,162 H2O 59734, , , , ,33 H2 CO2 323, , , ,266 Total 144, , , , , ,56 919, , , , , , , ,661 52, ,31 Temperatur, T ( o C) , ,8 1,8 1,8 1,8 1, ,6 136,7 12, Tekanan, P (atm) P-3 DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN DIAGRAM ALIR PABRIK STIRENA DARI ETILBENZEN MELALUI PROSES DEHIDROGENASI KATALITIK MENGGUNAKAN KATALIS SHELL 15 DENGAN KAPASITAS 8. TON / TAHUN Skala : Tanpa Skala Tanggal Tanda Tangan Digambar Nama : Maggie Junialie NIM : 6458 Diperiksa / 1.Nama : Dr. Ir. Iriany, MSi NIP : Disetujui 2.Nama : Ir. Renita Manurung, MT NIP :