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). 8 H 1 + 4.5 O 2 6 H 4 (O) 2 O + 2 H 2 O + 2O 6H 4 (H 3 ) 2 + 3 O 2 6 H 4 (O) 2 O + 3 H 2 O 2 Gambar 2.1. Struktur atom phthalic acid anhydride Phthalic acid anhydride adalah padatan tidak berwarna (kristal) yang terdiri dari campuran organik dengan rumus kimia 8 H 4 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 18. Reaksi alcoholysis adalah dasar pembentukan phthalate esters yang secara luas telah digunakan pada proses plasticizers. Pada tahun 198-an kira-kira 6.5 1 9 kg jenis ester telah diproduksi di dunia dan semakin meningkat setiap tahunnya. Proses dimulai dengan mereaksikan phthalic acid anhydride dengan alkohol. 6H 4 (O) 2 O + ROH 6 H 4 (O 2 H)O 2 R Reaksi berikutnya adalah reaksi esterifikasi dengan air sebagai produk samping. 6 H 4 (O 2 H)O 2 R + ROH 6 H 4 (O 2 R) 2 + H 2 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, 28). 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 (ARB, 2). 2.2. Ortho Xylene (1,2-Dimethylbenzene)
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 8 H 1. 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, 28). 2.3. Sifat Fisika dan Kimia 2.3.1. Phthalic Acid Anhydride - Fasa : padat - Berat molekul : 148 gr/mol - Titik didih : 295 - Melting point : 131 - Densitas : 1,53 gr/cm - Flash point : 152 3 - Kelarutan : larut dalam 162 bagian air, 125 bagian carbon disulfide, larut sempurna dalam benzene panas - Kemurnian : 99,9 % (www.wikipedia.com, 28)
2.3.2. Ortho Xylene - Fasa : cair - Berat molekul : 16 gr/mol - Titik didih : 144 - Melting point : -25 - Densitas :,88 gr/ml - Viskositas : 812 cp pada 2 - Flash point : 17 - Specific gavity :,7894 - Specific heat : 251,4 J/kg K - Panas pembentukan : 25,8 kj/mol - Tekanan Uap : 4,4 kpa - Temperatur kritis : 235,2 - Tekanan kritis : 476 kpa - Kelarutan : larut dalam air, alkohol, ether, aseton dan benzene - Kemurnian : > 98 % (www.wikipedia.com, 28) 2.3.2. Oksigen - Fasa : gas - Berat molekul : 32 gr/mol - Titik didih : -182,95 - Melting point : -218,79 - Densitas : 1,429 gr/ml - Specific heat :,8 g/1 ml air - Panas pembentukan :,444 kj/mol - Panas penguapan : 6,82 kj/mol - Temperatur kritis : 154 K - Tekanan kritis : 5,43 Mpa (www.wikipedia.com, 28) 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 5 dan tekanan 3,2 bar untuk diumpankan ke reaktor. Reaksi yang terjadi adalah : 2 1H 8 + 9 O 2 8 H 4 O 3 + 4 H 2 O + 4 O 2
Reaksi oksidasi naphthalene berlangsung pada temperatur 5 dan tekanan 3,2 bar membentuk phthalic acid, air dan karbondioksida. rude phthalic acid yang dihasilkan dari reaktor ini didinginkan dalam cooler yang selanjutnya dialirkan menuju flash drum untuk memisahkan karbondioksida. rude 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, 27). 2.4.2. Pembuatan phthalic acid anhydride dengan proses oksidasi ortho xylene. Bahan baku ortho xylene dengan temperatur 3 dan tekanan 1,13 bar dari tangki penyimpanan ortho xylene dipompakan ke vapuorizer untuk menguapkan ortho xylene pada temperatur 15 dan tekanan 1,4 bar untuk kemudian dipompakan ke furnace untuk dipanaskan hingga temperatur 35 dan tekanan 2,2 bar. Udara pada temperatur 3 dan tekanan 1,13 bar dialirkan dengan kompresor ke furnace untuk dipanaskan hingga temperatur 35 dan tekanan 2,2 bar. Uap ortho xylene dan udara diumpankan ke reaktor dengan kondisi operasi temperatur 35, tekanan 2,2 bar dan konversi 99 % dengan reaksi sebagai berikut : 8 H 1 + 3 O 2 V 2 O 5 8 H 4 O 3 + 3 H 2 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, 27). 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 ( 27) ** Diaoye (27)
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 ( 8 H 1 ) dengan kondisi temperatur 3 dan tekanan 1,13 bar disimpan pada tangki bahan baku (T-71). Selanjutnya ortho xylene dipompakan ke vapuorizer (E-71) untuk diuapkan hingga temperatur 15 dan tekanan 1,4 bar yang kemudian dipompakan ke furnace (H-71) untuk dipanaskan hingga temperatur 35 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 3 dan tekanan 1,13 bar dari blower (B-71) dialirkan dengan kompresor (P-71) ke furnace (H-71) untuk dipanaskan hingga temperatur 35 dan tekanan 2,2 bar. 2.6.2. Proses Reaksi Pembentukan Phthalic Acid Uap ortho xylene dan udara yang berasal dai furnace (H-71) diumpankan ke reaktor (R- 71) dengan kondisi operasi temperatur 35 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 V 2 O 5 8 H 1 + 3 O 2 8 H 4 O 3 + 3 H 2 O Pada reaksi ini produk reaktor berupa campuran antara phthalic acid, oksigen sisa, nitrogen dan air pada temperatur 35 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
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-71) berupa phthalic acid, ortho xylene sisa, oksigen sisa, nitrogen dan air dialirkan ke kondersor parsial (E-73) untuk mengubah sebagian fasa produk dari uap menjadi cairan dengan menurunkan temperatur hingga 15 dan tekanan 1,7 bar. ampuran uap (ortho xylene sisa, oksigen sisa, nitrogen dan air) dan cairan (phthalic acid) selanjutnya dialirkan ke tangki knock out drum (S-71) untuk memisahkan uap dari cairan. 2.6.4. Proses Pengeringan Phthalic Acid airan Phthalic Acid dari knock out drum (S-71) diumpankan ke spray dryer (DE-71) untuk dikeringkan sekaligus membentuk butiran kristal phthalic acid anhydride. Kristal phthalic acid anhydride yang telah kering selanjutnya dialirkan menggunakan screw conveyor (S-71) menuju silo. Produk phthalic acid anhydride yang memiliki kemurnian 99,8 % ini selanjutnya disimpan dalam silo (S-71).
Air pendingin Steam from WHB L1 T-71 T F P-1 1 E-71 3 Uap panas ke WHB 6 7 E-73 8 Keterangan gambar : T-71 : Tangki Ortho xylene E-71 : Vapourizer H-71 : Furnace B-71 : Blower P-71 : Kompresor R-71 : Reaktor E-73 : Kondensor parsial S-71 : Knock out drum BE-71 : Spray dryer S-71 : Screw conveyor S-71 : Silo 2 Liquid natural gas H-71 4 5 L1 R-71 T S-71 9 1 DE-71 11 12 PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN PRA RANANGAN PABRIK PEMBUATAN PHTHALI AID ANHYDRIDE DENGAN METODE OKSIDASI ORTHO XYLENE DENGAN KAPASITAS 12. TON/TAHUN P-71 B-71 S-71 F Skala : Tanpa Skala Tanggal Tanda Tangan Digambar Nama : Freddy R. J. Sinaga NIM : 542512 Diperiksa/ Disetujui 1. Nama : Dr. Ir. Fatimah, MT NIP : 132 95 31 2. Nama : Ir. Hamidah Harahap, MSc NIP : 132 126 839 S-71 Kondensat to WHB Air pendingin sisa