BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DESKRIPSI PROSES 2.1 Sodium Stirena Sulfonat Sodium stirena sulfonat merupakan senyawa jenis polimer turunan dari stirena yang mudah larut dalam air, tidak larut dalam alkohol konsentrasi rendah dan berbentuk kristal halus berwarna putih. Sodium stirena sulfonat atau sering disebut SSS mempunyai rumus molekul C 8 H 7 SO 3 Na dan berat molekul 206,2 g/gmol. (Wikipedia, 2010). Pembuatan sodium stirena sulfonat dari -haloethylaryl diproduksi melalui dua tahap proses, yaitu proses sulfonasi dan dehidrogenasi. Pada awalnya, proses sulfonasi terjadi dengan mereaksikan sulfur trioksida dengan -haloethylaryl yang menghasilkan -haloethylaryl sulfonic acid dan senyawa alkali yang akan didehidrogenasi sehingga menghasilkan senyawa vinylaryl sulfonic acid (Kirk & Othmer, 1967). Beberapa kekurangan dari proses ini antara lain : 1. Produk samping berupa sulfone yang terbentuk relatif banyak, dan produk samping ini tidak berharga sehingga harus dihilangkan. 2. Produk samping vinylaryl sulfonoc acid anhydride yang terbentuk relatif banyak sekitar 10 %-30 % berat dari berat basis -haloethylaryl. 3. Metode sulfonasi secara konvensional berakibat pada adanya -haloethylaryl tidak habis bereaksi. 4. Polimerisasi yang terjadi pada proses dehidrogenasi menurunkan yield produk. Dengan metode yang digunakan ini, yield sulfonated vinyl aromatic sulfonic acid adalah berdasarkan reaktan -haloethylaryl sebesar 55 %. Beberapa metode terbaru dari sinsesis sodium stirena sulfonat menunjukkan bahwa yield dapat mencapai 85%. Metode yang yang digunakan adalah: 1. Mereaksikan secara bersamaan antara zat pensulfonasi dan -haloethylaryl dalam suatu larutan dengan pelarut inert polychlorinated aliphatic hydrocarbon. 2. Mendiamkan produk hasil reaksi sulfonasi selama kurang lebih 4 jam sehingga tercapai reaksi sulfonasi yang sempurna.
3. Menambahkan air sebanyak 0,5%-5% dari berat sulfonic acid yang tergantung dari banyaknya zat pensulfonasi berlebih untuk menghidrolisis produk samping sulfonic acid anhydride menjadi sulfonic acid. 4. Menambahkan larutan kaustik soda untuk membentuk sulfonate salt untuk menetralkan asam yang berlebihan dan menetralkan senyawa hidrogen halida pada proses dehidrogenasi. 5. Flash destilasi pada pelarut inert. 6. Menghilangkan senyawa-senyawa yang tidak larut pada larutan. 7. Dilakukan pemanasan pada proses dehidrogenasi selesai untuk mencegah terjadinya polimerisasi. 8. Memperbaiki kondisi vinylaryl sulfonate sebagai produk dengan cara spray drying atau kristalisasi. -haloethylaryl disulfonasi pada kisaran suhu -20 o C - 80 C dengan jumlah perbandingan molar ekuivalensi 1 2 dari sulfur trioksida, apabila di bawah 1 molar maka reaksi cenderung tidak sempurna, tetapi apabila diatas 2 molar maka proses menjadi tidak ekonomis. Dalam proses sulfonasi -haloethylaryl berwujud larutan dengan konsentrasi 5%-30% dalam pelarut polychlorinated aliphatic hydrocarbon. Zat pensulfonasi dapat berupa SO 3 dan H 2 SO 4. Pada proses sulfonasi pelarut yang digunakan adalah metilen klorida, karena pelarut ini memiliki titik didih yang tinggi, inert, relatif murah, dan tidak dapat larut dalam air (Groggins, 1980). Proses dehidrogenasi berlangsung pada kisaran suhu 50 C-100 C, selama 1-2 jam. Selama proses dehidrogenasi dimasukkan udara atau oksigen untuk meminimalisasi polimerisasi (Patent. US, 1963). Pada proses dehidrogenasi larutan kaustik soda yang digunakan adalah NaOH, karena NaOH, realtif lebih murah dan lebih mudah pengadaannya dan sudah digunakan secara luas dalam dunia industri. NaOH mudah larut dalam air dan merupakan alkali yang kuat (Kirk & Othmer, 1967). 2.2 Kegunaan Sodium Stirena Sulfonat Sodium stirena sulfonat memiliki banyak kegunaan yaitu antara lain sebagai: 1. Sebagai resin penukar ion. 2. Bahan penolong dalam produksi poliester fiber, rayon dan serat polipropilen.
3. Bahan penolong untuk meningkatkan kualitas warna untuk akrilik dan bahan katun. 4. Sebagai membran pertukaran proton dalam aplikasi sel bahan bakar. 5. Dalam dunia medis digunakan sebagai bahan campuran serum untuk mengurangi kadar kalium yang tinggi dalam darah. 2.3. Jenis-jenis Proses Proses pembuatan sodium stirena sulfonat ada dua cara, yaitu: 1. Sulfonasi SO 3 2-bromo etil benzena (C 8 H 9 SO 3 Br) dan metilen klorida (CH 2 Cl 2 ) dipompa masuk ke dalam reaktor alir tangki berpengaduk (RATB). Sulfur trioksida dimasukkan ke dalam RATB tempat terjadinya reaksi sulfonasi. Proses sulfonasi berlangsung pada kisaran suhu -20 o C sampai 80 C. Proses ini menghasilkan konversi sebesar 90%. Setelah ditambahkan inhibitor 10 % larutan sodium stirena sulfonat (Yield 85%), dikristalisasi. Analisis hasil akhir sodium stirena sulfonat 95%-98 % dan air 2% - 5%. 2. Sulfonasi H 2 SO 4 Pada sulfonasi H 2 SO 4, asam sulfat yang digunakan adalah H 2 SO 4 98 %. 2-bromo etil benzena (C 8 H 9 SO 3 Br) dan metilen klorida (CH 2 Cl 2 ) dioperasikan dalam Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB). Reaksi terjadi pada suhu yang rendah antara 30-55 C. Proses ini menghasilkan konversi 55-65%, dan yield sebesar 85% (Goodshaw, 1963). 2.4 Pemilihan Proses Pemilihan proses dilakukan dengan membandingkan keuntungan dan kerugian semua proses pembuatan sodium stirena sulfonat yang telah diuraikan di atas sebagai berikut:
Tabel 2.1. Perbandingan proses pembuatan sodium stirena sulfonat No Keterangan Jenis Proses Sulfonasi SO 3 Sulfonasi H 2 SO 4 1 Kondisi Operasi 1 atm, -20-80 o C 1 atm, 30-55 o C 2 Yield 85% 85% 3 Konversi Reaktor I : 90 % 55-65 % 4 G Reaksi - 22995 Btu/lbmol - 24167 Btu/lbmol Pemilihan proses dilakukan dengan membandingkan keuntungan dan kerugian semua proses pembuatan sodium stirena sulfonat yang telah diuraikan di atas. Berdasarkan dua metode proses produksi tersebut, maka dipilih menggunakan metode proses yang pertama yaitu proses produksi sodium stirena sulfonat dengan menggunakan metode sulfonasi SO 3 preparation, karena pertimbangan konversi dan kemurnian sodium stirena sulfonat yang dihasilkan lebih besar dari metode proses yang kedua. 2.5 Uraian Proses Proses pembuatan sodium stirena sulfonat dari 2-bromo etil benzena dengan proses sulfonasi SO 3 adalah sebagai berikut: Mula-mula 2-bromo etil benzena dari tangki penyimpanan dilarutkan dengan metilen klorida yang berasal dari tangki penyimpanan di dalam tangki pencampur 1 dengan tujuan untuk melarutkan 2-bromo etil benzena, kemudian 2-bromo etil benzena dan metilen klorida yang keluar dari tangki pencampur 1 dan SO 3 yang keluar dari tangki penyimpan dipompa menuju reaktor 1. Kondisi reaksi pada reaktor adalah pada suhu 50 C, tekanan 1 atm, dan konversi 90 % terhadap C 8 H 9 SO 3 Br. Sulfur trioksida yang digunakan dalam proses sulfonasi pada reaktor tidak hanya mensulfonasi 2-bromo etil benzena tapi juga mengakibatkan terjadinya reaksi samping. Reaksi samping ini biasanya terjadi pada suhu diatas 50 C, karena alasan tersebut di atas maka dalam proses ini reaksi sulfonasi biasanya dilakukan pada pada kisaran suhu antara 10 C-50 C. Reaktor yang dipakai adalah reaktor alir tangki berpengaduk yang dilengkapi dengan pendingin karena reaksi bersifat eksotermis, sehingga untuk menjaga suhu agar selalu konstan maka pada reaktor I dilengkapi dengan sistem pendingin.
Reaksi Pada Reaktor I : C 8 H 9 Br (l) + SO 3(g) C 8 H 9 SO 3 Br (l) Hasil reaksi dari reaktor 1 dipompa ke tangki pencampur 2 dan ditambahkan H 2 O, untuk merubah SO 3 menjadi H 2 SO 4 pekat. Hasil dari tangki pencampur dipompa ke dekanter 1 kemudian dipisahkan, hasil atas berupa fraksi ringan dari dekanter 1 dipompa masuk ke dekanter 2, sedangkan hasil bawah berupa fraksi berat dari dekanter 1 menuju dekanter 3. Di dalam dekanter 2 terjadi pemisahan untuk memisahkan CH 2 Cl 2 yang akan di recycle ke tangki bahan baku CH 2 Cl 2 dan dipisahkan dari komponen lain yang tidak diinginkan untuk dikirim ke unit pengolahan limbah (UPL). Hasil atas dekanter 3 masih mengandung komponen C 8 H 9 Br yang tidak diinginkan kemudian dicampur dengan H 2 SO 4 pekat di dalam tangki pencampur 3 untuk mengikat C 8 H 9 Br yang masih ada. Keluaran tangki pencampur 3 kemudian dipompa menuju dekanter 4 untuk memisahkan C 8 H 9 Br dengan C 8 H 9 SO 3 Br yang akan di reaksikan di dalam Reaktor 2. Reaksi Pada Reaktor II : C 8 H 9 SO 3 Br (l) + 2 NaOH (l) C 8 H 7 SO 3 Na (l) + 2H 2 O (l) + NaBr (s) Reaktor yang dipakai adalah reaktor alir tangki berpengaduk yang dilengkapi dengan pemanas karena reaksi bersifat eksotermis. Kondisi reaksi pada reaktor yang kedua adalah pada suhu 75 C, tekanan 1 atm, dan konversi 80 %. Kemudian hasil dari reaktor 2 dipompa ke dalam filter press untuk menyaring padatan NaBr. Selanjutnya hasil bawah dari filter press berupa filtrat akan dimasukkan ke dalam dekanter 5 untuk memisahkan C 8 H 9 SO 3 Br dari komponen lain. Kemudian aliran atas berupa C 8 H 7 SO 3 Na dan air dimasukkan kedalam evaporator untuk menguapkan sebagian besar air. C 8 H 7 SO 3 Na pekat hasil evaporator akan dikristalkan di dalam kristalizer. Keluaran kristalizer berupa kristal akan didinginkan di dalam cooler conveyor dan siap dikemas.
2.4 Sifat Sifat Bahan Bahan Baku 1. 2 Bromo etil benzena ( C 8 H 9 Br ) Kemurnian, % : 98 Impuritas, % : 2 (C 2 H 4 Br 2 ) Berat molekul, Kg/Kgmol : 185 Titik didih, C : 203 Cp rata-rata, J/mol.K : 231,95 Viskositas, : 15,8966 cp Densitas, gr/ml, 25 o C : 1700,611 kg/m 3 Panas pembentukan, 25 C, kkal/grol : 13,11 Panas laten penguapan, 25 C, kkal/kg : 44,3827 Konduktivitas panas, w/m-k Kelarutan : : 0,17945-0,00015865T gr 0,9156 C8H9Br grh SO 2 4 2. Etilen bromida (C 2 H 4 Br 2 ) Berat molekul, Kg/Kgmol : 188 Titik didih, C : 131,4 Titik Beku : 9,9 Viskositas, pascal-sec : 1,6177 cp Densitas, kmol/m 3 : 2169 kg/m 3 Kapasitas panas, J/kmol o K : 133,5916 Panas pembentukan, 25 C, kkal/grol : 0,067 Panas laten penguapan, 25 C, kkal/kg : 44,3827 Konduktivitas panas, w/m-k Kelarutan : : 0,1347-0,000114T 0,8597 gr C8H9Br grh SO 2 4
3. NaOH 50 % Kemurnian, % : 50 Impuritas, % : 50 (H 2 O) Berat molekul, Kg/Kgmol : 40 Titik didih, C : 170 Viskositas, pascal-sec : 20 cp Densitas, Kg/m 3 : 1.353,0020 Kapasitas panas pada 25 o C, J/kmol o K : 4.862.683,632 Panas pembentukan, 25 C, kkal/grol : -102,506 Konduktivitas panas, Btu/J ft 2 F : 0,881 4. SO 3 Kemurnian, % : 95 Impuritas, % : 5 (B 2 O 3 ) Berat molekul, Kg/Kgmol : 80 Titik didih, C : 44,8 Viskositas, pascal-sec : 1,28 cp Densitas, Kmol/m 3 : 1920 kg/m 3 Kapasitas panas pada 25 C, J/Kmol.K : 148,6863 Panas pembentukan, 25 C, kkal/grol : -94,534 Konduktivitas panas, w/m-k : 0,928 0,0030T + 2,66.10-6 T 2 5. B 2 O 3 Berat molekul, Kg/Kgmol : 69,64 Titik didih, C : 2250 : 7,9393 cp Densitas, Kmol/m 3 : 2.460 kg/m 3 Kapasitas panas pada 25 o C, J/kmol o k : 420,4920
Panas pembentukan, 25 C, kkal/grol : -300,98 Kelarutan : tidak larut dalam asam encer 6. Metilen klorida (CH 2 Cl 2 ) Kemurnian, % : 98,5 Impuritas, % : 1,5 (C 6 H 4 Cl 2 ) Berat molekul, Kg/Kgmol : 85 Titik didih, C : 39,9 : 0,4173 cp Densitas, Kmol/m 3 : 1.318 kg/m 3 Kapasitas panas pada 25 o C, J/kmol o k : 101,9581 Panas laten penguapan, 25 C, kkal/kg : 78,7 Konduktivitas panas, W/m-k : 0,2384 0,00003366T Kelarutan : 10,67 grch 2Cl 2 grc 8 H 9 Br 7. Dichloro Benzene (C 6 H 4 Cl 2 ) Berat molekul, Kg/Kgmol : 147,004 Titik didih, C : 179 Titik beku, o C : 16,7 : 0,2277 cp Densitas, Kmol/m 3 : 4750 kg/m 3 Kapasitas panas pada 25 o C, J/kmol o k : 491,6927 Konduktivitas panas, W/m-k : 0,1609 0,0001667T Kelarutan : tidak larut dalam asam pekat 8. H 2 O Berat molekul, Kg/Kgmol : 18 Titik didih, C : 100 Titik beku, C : 0
: 0,8007 cp Densitas, Kmol/m 3 : 998 kg/m 3 Kapasitas panas pada 25 o C, J/kmol o k : 74,6259 Panas pembentukan, 25 C, kkal/grol : -68,084 Konduktivitas panas, W/m-k : -0,42 + 0,0056T 8,505. 10-6 T 2 9. H 2 SO 4 Kemurnian : 98 % Impuritas : 2 % Berat molekul, Kg/Kgmol : 98 Titik didih, F : 638,33 : 26,7 cp Densitas, Kmol/m 3 : 1840 kg/m 3 Kapasitas panas pada 25 o C, J/kmol o k : 139,16 Panas pembentukan, Btu/Lbmol : -316048 Konduktivitas panas, W/m-k : 0,01424 + 0,0010703T Produk 1. Sodium Stirena Sulfonat (C 8 H 7 SO 3 Na) Kemurnian, % : 95 % Impuritas, % : 5 % (C 8 H 9 SO 3 Br) Berat molekul, Kg/Kgmol : 206 Titik didih, C : 309,4 Titik beku, C : 49,6 Densitas, : 1.161,871 kg/m 3 Viskositas : 5,1 cp Kapasitas panas pada 25 o C J/kmol o k : 218,85 Panas pembentukan, 25 C, kkal/grol : 13,11 Panas laten penguapan, 25 C, kkal/kg : 51,1079
2. 2 Bromo etil benzena Sulfonat (C 8 H 9 SO 3 Br Kemurnian, % : 92 % Impuritas, % : 8 % (C 8 H 7 SO 3 Na) Berat molekul, Kg/Kgmol : 265 Titik didih, C : 302,468 Densitas, gr/ml : 1.694,5 kg/m 3 : 14,3102 cp Kapasitas panas pada 25 o C J/mol.K : 367,26 Konduktivitas panas, W/m-k : 0,17935 + - 0,00015865T Panas pembentukan, 25 C, kkal/grol : -87,957 Panas laten penguapan, 25 C, kkal/kg : 38,1259 Kelarutan : tidak larut dalam air dan larutan basa. 3. NaBr : Padat pada suhu diatas 50 o C Berat molekul, Kg/Kgmol : 102,894 Titik didih, C : 707 o C Densitas, gr/ml : 1174,5 kg/m 3 : 4,8 cp Kelarutan : 90 gr/100 bag