BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Asam Akrilat Asam akrilat adalah senyawa organik dengan rumus C 3 H 4 O 2 yang dikenal dengan nama lain acroleic acid, 2-propenoic acid, vinilformic acid, propene acid dan ethylenecarboxylic acid. Asam ini merupakan asam karboksilat yang paling sederhana yang terdiri dari gugus vinil terhubung langsung ke terminal asam karboksilat. Berupa cairan tak berwarna yang memiliki bau tajam atau khas yang larut dalam air, alkohol, eter, dan kloroform. Lebih dari satu miliar kilogram asam akrilat yang diproduksi setiap tahunnya (Anonim, 2012). Asam akrilat merupakan bahan kimia industri yang penting karena merupakan bahan kimia intermediate yang banyak digunakan dalam proses-proses produksi pada industri dan produk-produk konsumen. Ada dua penggunaan utama untuk asam akrilik. Yang pertama adalah dengan menggunakan asam akrilik sebagai intermediate bahan kimia dalam produksi ester akrilat dan resin. Ester akrilat meliputi etil akrilat, butil akrilat, metil akrilat, dan 2- etilheksil akrilat. Mereka kemudian dipolimerisasi dan menjadi bahan dalam formulasi cat, pelapis, tekstil (tenun dan non-woven), perekat, polis, dan plastik. Metil akrilat juga digunakan dalam pembuatan vitamin B 1. Penggunaan kedua asam akrilat adalah sebagai sebuah blok bangunan dalam produksi polimer asam poliakrilat. Polimer-polimer ini merupakan jenis cross-linked poliacrilat dan absorben dengan kemampuan untuk menyerap dan mempertahankan lebih dari seratus kali berat mereka sendiri. Mereka digunakan untuk membuat popok, dan produk kesehatan feminin. Asam akrilat juga digunakan dalam produksi polimer dan deterjen dalam produksi flokulan yang digunakan dalam pengelolaan air limbah pabrik (Solventis,2010). 2.2 Proses-Proses Umum Pembuatan Asam Akrilat Pembuatan asam akrilat secara umum, yaitu: 1. Reaksi Stoikiometri Karbonil

2 Reaksi sangat cepat pada tekanan atmosfer dan suhu ringan. Hidrogen yang ditunjukkan dalam persamaan yang menyertainya tidak muncul dalam bentuk gas tetapi dikonsumsi oleh reaksi samping. 2. Reaksi Karbonil Bahan baku dasar dalam penyusunan asam akrilat dengan reaksi karbonil adalah asetilena karbon monoksida (diberikan sebagai atau dalam bentuk karbonil nikel), dan air. 3. Etilen Cyanohidrin Proses ini dilakukan dengan mereaksikan etilen dengan asam sianida (HCN) menggunakan katalis basa. Selanjutnya dilakukan hidrolisis dengan asam kuat. C 2 H 4 O + HCN HOCH 2 CH 2 CN CH 2 =CHCO 2 H Namun dalam perkembangannya, proses ini tidak digunakan kembali karena alasan penanganan limbah HCN dan asam kuat (Mc.Ketta, 1978). 4. Metode Propiolactone Metode komersial didasarkan pada polimerisasi propiolactone dan distilasi polimer ini untuk membentuk asam akrilat. 5. Karbonil Reaksi Katalitik: Reaksi katalitik membutuhkan suhu tinggi dan tekanan superatmospheric. Garam nikel atau kompleks daripadanya digunakan sebagai katalis. 6. Metode Propylene Proses baru ini melibatkan oksidasi dari propilen menjadi asam hydroxy propionic: Oksida nitrogen atau asam nitrat bertindak sebagai katalis dalam reaksi. Setelah dehidrasi menghasilkan asam akrilat. Alternatif lain adalah oksidasi katalitik menjadi akrolein, CH 2 CHCHO, dan kemudian menjadi asam akrilat dengan oksigen dan katalis logam tertentu seperti Mo, Co, atau Fe. 7. Metode Vinyl Grignard Sintesis yang menarik ini melibatkan penggunaan karboksilasi reagen Grignard terkenal untuk membentuk asam akrilat (Prasad dan Kumar, 2008). 2.3 Sifat Sifat Bahan Baku dan Produk Sifat-Sifat Bahan Baku A. Propilen 1. Berat molekul : 42gr/mol

3 2. Titik didih : 225,4 K (-47,7 0 C) 3. Titik beku : 87,9 K 4. Temperature kritis : 365 K 5. Tekanan kritis : 4,6 MPa 6. Volume kritis : 181 cm 3 /mol 7. Densitas cairan pada 223K : 0,612 gr/cm 3 8. Entalpi pembentukan : 20,42 kj/mol 4 9. Wujud : gas (Kirk- Orthmer, 1998) B. Nitrogen (N 2 ) 1. Berat molekul : 28,0134 gram/mol 2. Fasa cair : densitas cairan (1,013 bar pada titik didih) : 808,607 kg/m 3 titik didih (1,013 bar) : 195,9 0 C 3. Titik kritis : suhu kritis: C tekanan kritis : 33,9999 bar 4. Fasa gas : tidak berwarna, tidak berbau densitas (1,013 bar pada titik didih) : 4,61kg/m 3 densitas (1,013 bar dan 15 0 C) : 1,185 kg/m 3 faktor kompresibilitas (1,013 bar dan 15 0 C) : 0,9997 volume spesifik (1,013 bar dan 21 0 C) : 0,862 m 3 /kg 5. Kelarutan dalam air : (1,013 bar dan 0 0 C) : 0,0234 vol/vol 6. Konsentrasi dalam udara : 78,08 % vol (Air liquide, 2009; Air Products and Chemicals, Inc., 1994) C. Oksigen (O 2 ) 1. Kondisi fisik pada 20 0 C : gas 2. Warna : gas tidak berwarna 3. Berat molekul : 32 gram/mol

4 4. Titik leleh (0 0 C) : Titik didih (0 0 C) : Temperatur kritis (0 0 C) : Densitas relatif, gas (udara=1) : 1,1 8. Densitas relatif, cairan (air=1) : 1,1 9. Kelarutan dalam air (mg/l) : Kisaran flammability (% vol dalam udara) : oksidator (Air Liquide Australia Limited, 2010) Sifat-Sifat Produk A. Air (H 2 O) 1. Berat molekul : 18 gram/mol 2. Rumus molekul : H 2 O 3. Bentuk fisik : cairan jernih, tidak berwarna 4. Bau : tidak berbau 5. Kelarutan : sempurna (100%) 6. Spesifik graviti : 1,00 7. ph : 7 8. % volatil 21 0 C (70F) : Titik didih : C (212F) 10. Titik leleh : 0 0 C (32F) 11. Densitas uap : tidak dipakai (udara=1) 12. Tekanan uap : 17, C (68F) (Mallinckrodt Baker Inc, 1999) B. Karbon dioksida (CO 2 ) 1. Kondisi fisik pada 20 0 C : liquefied gas 2. Warna : tidak berwarna 3. Bau : tidak memiliki karakteristik peringatan dalam hal bau 4. Berat molekul : 44 gram/mol 5. Titik leleh (0 0 C) : -56,6 6. Titik didih (0 0 C) : -78,5 (s)

5 7. Temperatur kritis (0 0 C) : Tekanan uap (20 0 C) : 57,3 bar 9. Densitas relatif, gas (udara=1) : 1, Densitas relatif, cairan (air=1) : 1, Kelarutan dalam air (mg/l) : 2000 (Air Liquide Australia Limited, 2010) C. Asam Asetat (CH 3 COOH) 1. Berbentuk cairan tidak berwarna atau kristal 2. Bersifat higroskopis 3. Berat molekul : 60,05 gr/mol 4. Spesific gravity : 1,049 20/4 5. Melting point : 16,7 0 C 6. Boiling point : 118,1 0 C 7. Keasaman (pka) : 4,76 pada 25 0 C (Perry s Chemical Engineers Handbook, 2008) D. Akrolein (C 3 H 4 O) 1. Berbentuk cairan tidak berwarna atau kekuning-kuningan. 2. Berbau tajam dan pedas 3. Larut dalam pelarut-pelarut organic ( alkohol, keton, benzene, dll) 4. Berat molekul : 56,06 g/mol 5. Spesific gravity : 1,049 20/4 6. Melting point : -87,7 0 C 7. Boiling point : 52,6 0 C 8. Density at 20 0 C : 0,840 g/cm 3 9. Kelarutan dalam air pada 25 0 C : 2,12 x 10 6 mg/l (Anonim, 2007) E. Asam Akrilat (C 3 H 4 O 2 ) 1. Berbentuk cairan tidak berwarna. 2. Berbau tajam dan pedas 3. Mudah terbakar 4. Berat molekul : 72,064 g/mol 5. Suhu kritis : C

6 6. Tekanan kritis : 56,6 bar 7. Viskositas 25 0 C : 1,149 mpa.s 8. Boiling point : 52,6 0 C 9. Density at 30 0 C : 1,04 g/ml (Budavari, 1996) 2.4 Pemilihan Proses Berbagai metode untuk pembuatan asam akrilat telah disebutkan di atas. Cara yang menarik untuk dikomersialkan harus memperhatikan biaya bahan baku dan pemanfaatan yang rendah, investasi dan biaya operasi tidak berlebihan, dan biaya pembuangan limbah yang minimal. Peninjauaan waktu beberapa tahun ke depan untuk melakukan proses pengembangan dan perencanaan konstruksi penting dilakukan dalam periode yang memungkinkan ketersediaan bahan baku hidrokarbon yang berubah dengan cepat dan secara signifikan. Biaya gas alam diperkirakan meningkat ketika pasokan menurun. Pasokan asetilen sedikit dengan meningkatnya biaya dalam dekade berikutnya kecuali dikembangkan teknologi baru dengan memanfaatkan batubara. Oleh karena itu, pembuatan asam akrilat dengan metode asetilena akan semakin tidak ekonomis. Biaya etilen, tergantung pada minyak mentah yang diperkirakan meningkat, walaupun tidak tajam. Propilen merupakan produk sampingan dari pembuatan etilen dalam volume besar dengan bahan baku minyak bumi. Dari beberapa bahan baku yang digunakan, pemanfaatan propilen akan lebih ekonomis dibandingkan dengan penggunaan bahan kimia lainnya (polipropilen, akrilonitril, propilen oksida, isopropanol). Oleh karena itu, meskipun biaya dari propilena diperkirakan akan meningkat, pastinya akan berada pada tingkat yang lebih lambat dari kenaikan untuk salah satu bahan baku lainnya. Proses yang paling ekonomis untuk pembuatan asam akrilat didasarkan pada oksidasi dua tahap fase uap propilen menjadi asam akrilik. Proses oksidasi propilena menarik karena ketersediaan katalis sangat aktif dan selektif dan biaya yang relatif rendah dari propilena (Prasad dan Kumar, 2008). 2.5 Deskripsi Proses

7 Berdasarkan uraian sebelumnya maka digunakan proses oksidasi propilen dengan 2 tahapan reaksi hingga menghasilkan asam akrilat. Pada reaksi 1, propilen dioksidasi menghasilkan akrolein dengan produk samping air (H 2 O), asam akrilat (C 3 H 4 O 2 ), karbondioksida (CO 2 ) dan asam asetat (CH 3 COOH). Selanjutnya, pada reaksi 2 akrolein dioksidasi menghasilkan asam akrilat dengan produk samping asam asetat (CH 3 COOH) dan karbondioksida (CO 2 ). Reaktor oksidasi (I) yang digunakan adalah catalytic fixbed reactor dengan kondisi operasi suhu C dan tekanan 5 atm. Catalytic fixbed reactor dapat didefinisikan sebagai suatu tube silindrikal yang dapat diisi dengan partikel-partikel katalis. Selama operasi, gas akan melewati tube dan partikel-partikel katalis, sehingga akan terjadi reaksi. Catalytic fixbed reactor adalah reaktor yang dalam prosesnya mempunyai prinsip kerja pengontakan langsung antara pereaktan dengan partikel-partikel katalis. Bahan baku berupa propilen, udara, dan steam dengan perbandingan 1:7:0,746. Propilen yang disimpan dalam fasa cair (30 0 C, 13 atm) disesuaikan dengan tekanan operasi (-4,63 0 C, 5 atm), saturated steam (151,8 0 C, 5 atm), udara yang mengandung 21 % oksigen dan nitrogen 79 % (30 0 C, 1 atm) dikompres hingga tekanan operasi (250,6 0 C, 5 atm) kemudian dicampur pada mixing point I (M-101) dengan keluaran suhu 72,5 0 C dan tekanan 5 atm. Campuran gas tersebut dipanaskan dalam heat exchanger (E-101) kemudian diumpankan ke reaktor 1 (R-101). Berikut ini adalah reaksi yang terjadi di reaktor 1: C 3 H 6 + O 2 C 3 H 4 O + H 2 O (reaksi utama) C 3 H 6 +3/2O 2 C 3 H 4 O 2 + H 2 O (reaksi samping) C 3 H 6 + 5/2 O 2 C 2 H 4 O 2 + CO 2 + H 2 O (reaksi samping) Keoptimalan hasil reaksi oksidasi ini sangat dipengaruhi oleh penggunaan katalis yang sesuai. Katalis yang digunakan pada reaktor I (R-101) adalah molybdenum bismuth menghasilkan konversi propilen secara keseluruhan 100 % dengan konversi membentuk akrolein 70% dan 11% membentuk asam akrilat. Selanjutnya, produk dari reaktor 1 diturunkan suhunya hingga 30 0 C dengan cooler (HE-103) untuk dipisahkan di knock out drum (SP-101). Knock out drum memisahkan campuran uap (O 2, N 2, CO 2 ) dan cairan (H 2 O, C 3 H 4 O, C 3 H 4 O 2,

8 CH 3 COOH) dengan prinsip kerja yang memanfatakan gaya gravitasi mengakibatkan cairan jatuh ke bawah, sedangkan uap bergerak ke atas pada laju desain minimum entrainment butiran cairan ke dalam uap Cairan hasil bawah dari knock out drum dicampur dengan udara pada mixing point II menghasilkan kondisi suhu 44 0 C dan tekanan 5 atm. Kemudian campuran dipanaskan pada heat exchanger (E-102) yang memanfaatkan suhu keluaran reaktor I (R-101) hingga kondisi operasi reaktor II (R-102) dengan suhu C dan tekanan 5 atm. Pada reaktor 2 berlangsung 2 reaksi, yakni : C 3 H 4 O + 1/2 O 2 C 3 H 4 O 2 (reaksi utama) C 3 H 4 O + 3/2 O 2 C 2 H 4 O 2 + CO 2 (reaksi samping) Pada reaksi kedua, katalis yang digunakan adalah molybdenum vanadium menghasilkan konversi akrolein 100 % dengan yield asam akrilat 97,5 %. Kedua tahapan reaksi bersifat eksotermis sehingga air pendingin diperlukan pada masingmasing reaktor untuk menjaga agar suhu pada reaktor konstan. Produk dari reaktor kedua berupa asam akrilat (C 3 H 4 O 2 ), asam asetat (C 2 H 4 O 2), air (H 2 O), nitrogen (N 2 ), oksigen (O 2 ), dan karbodioksida (CO 2 ) diturunkan suhunya hingga 30 0 C pada cooler (E-105) untuk dipisahkan pada knock out drum (SP-102). Cairan hasil bawah dari knock out drum (H 2 O, CH 3 COOH, C 3 H 4 O 2 ) dipanaskan pada heat exchanger (E-104) sebelum dipisahkan pada menara destilasi (D-101). Perbedaan komposisi fasa cair dan fasa uap setiap zat dalam campuran pada saat kesetimbangan atau perbedaan titik didih (boiling point)/tekanan uap (vapor pressure) setiap zat dalam campuran pada kondisi operasi alat (Walas, 1988). Perpindahan yang terjadi saat campuran mencapai kesetimbangan, zat dengan komposisi fasa cair yang lebih banyak akan berada pada bagian bottom sedangkan zat dengan komposisi fasa uap yang lebih banyak akan berada di bagian atas (menguap) (Geankoplis, 1977). Produk bottom kolom destilasi I (D-101) berupa asam akrilat 99,98 % diturunkan suhunya hingga 30 0 C pada cooler (E-106) untuk disimpan dalam tangki penyimpanan produk (TT-101). Sedangkan produk atas kolom destilasi (H 2 O, CH 3 COOH, C 3 H 4 O 2 ) dipisahkan kembali di menara destilasi (D-102). Produk bottom kolom destilasi II (D-102) berupa asam asetat 95 % diturunkan suhunya hingga 30 0 C untuk disimpan dalam tangki penyimpanan produk (TT-102).

9 Sedangkan produk atas berupa air yang mengandung 0,03 % asam asetat dan 0, % asam akrilat dialirkan untuk diolah di utilitas.