bab ii studi kelayakan awal
TRANSCRIPT
9
BAB II
STUDI KELAYAKAN AWAL
2.1 Seleksi Proses
Dioctyl phthalate diproduksi dengan mensintesis phthalic anhydride (PAN)
dan 2-ethyl hexanol (2-EH) melalui proses esterifikasi. Phthalic anhydride adalah
asam anhidrida yang merupakan senyawa turunan asam karboksilat, dimana saat
proses esterifikasi hidrogen pada gugus hidroksil deigantikan dengan gugus
karbonil yang mengikat R lain. Pada hakikatnya produksi DOP melalui tahap
persiapan bahan baku, sintesis dengan proses esterifikasi, serta pemurnian. Produk
DOP yang dimurnikan umumnya harus melalui tahap alkoholisis, pencucian
netralisasi, stripping, operasi penyaringan berturut-turut setelah esterifikasi (CN
Patent 101591242A). Beberapa penelitian berupaya untuk meningkatkan
selektivitas produksi yang efektif dan efisien melalui katalis yang digunakan.
Proses esterifikasi pada umumnya menggunakan katalis asam sulfat, tetapi dapat
juga menggunakan katalis berupa tetrabutyl titanates (TBT), tetrabutyl zirconate
(TBZ) dan paratoluene sulphonic acid (p-TSA) (Buthada, 1986). Dalam setiap
pemilihan katalis tentunya memiliki beberapa kelebihan dan kekurangan, adapun
pemilihannya dapat dijelaskan dalam Tabel 2.1.
Tabel 1. 5 Karakteristik Katalis untuk Proses Esterifikasi
Karakteristik Asam Sulfat Superacidic Tetrabutyl
Titanate (TBT)
Jenis Katalis Homogen Heterogen Homogen
Waktu Reaksi 1-1.5 jam 3.5-6 jam 1,5-2 jam
Konversi 99.3% 99% 99.6%
Yield 99% 98% 99.8%
Hasil Produk DOP dan air DOP dan air DOP dan air
Suhu Reaksi 100-250℃ 170-218℃ 165℃, 185℃,
200℃
*) Li, et. al., 2007 & Bhutada, 1986
10
Penggunaan katalis asam sulfat H2SO4 dan p-TSA ternyata menimbulkan
kerugian produk yaitu terdapatnya perubahan warna apabila adanya peningkatan
suhu. Padahal suhu akan terus meningkat karena kadar air dalam proses ini akan
selalu dikurangi untuk menambah nilai yield dari DOP (Bhutada, 1986). Sehingga
perlu adanya pemilihan katalis lain seperti TBT dan katalis heterogen seperti
superacidic. Adapun proses dari masing-masing katalis tersebut dapat dijelaskan
dibawah ini :
2.1.1 Esterifikasi menggunakan Katalis Asam Sulfat
Katalis asam sulfat dalam proses esterifikasi dioctyl phthalate dengan bahan
baku phthalic anhydride (PAN) dan 2-ethyl hexanol (2-EH) sudah sangat umum
digunakan, karena asam sulfat sendiri termasuk asam yang konvensional digunakan
dalam proses esterifikasi dan reaksi pertukaran ester (Matsumoto, 1987). Proses
esterifikasi untuk membentuk DOP dengan katalis asam sulfat terbagi menjadi 2
tahap. Tahap pertama yaitu pembentukan monooctyl phthalate (MOP), dan tahap
kedua adalah pembentukan dioctyl phthalate (DOP) (Yinping, 2014).
1. Tahap pertama pembentukan Monooctyl Phthalate (MOP)
C6H4(CO)2O + C8H17OH → C6H4(COOC8H17)COOH (2.1)
(PAN) (2-EH) (MOP)
Gambar 2.1 Tahap Pertama Pembentukan Monooctyl Phthalate
Reaksi diatas terjadi secara irreversible dan eksotermis. Reaksi
pembentukan MOP terjadi secara cepat sehingga tidak membutuhkan katalis.
11
2. Tahap Kedua pembentukan Dioctyl Phthalate (DOP)
C6H4(COOC8H17)COOH + C8H17OH ↔ C6H4(COOC8H17)2 +H2O (2.2)
(MOP) (2-EH) (DOP) (Water)
Gambar 2.2 Tahap Kedua Pembentukan Dioctyl Phthalate
Reaksi diatas terjadi secara reversible dan terjadi dengan adanya katalis.
Memerlukan suhu operasi yang tinggi (CIC, 1999). Pada reaksi tahap ke-2 ini
kinetika reaksi antara MOP da 2-EH menjadi penting dan katalis juga memiliki
pengaruh yang nyata. Produk samping yang didapatkan adalah air dan sisa reaktan
MOP serta 2-EH.
2.1.2 Esterifikasi menggunakan Superacidic Heterogenus Catalyst
Metallic oxides komponen logam yang diantaranya terbuat magnesium,
seng, titanium, zirconium dan sebagainya. Metal oxide ini meliputi MgO, Al2O3,
Na2O, Al2O3. Superacidic heterogenus catalyst memiliki formasi produk samping
yang rendah, namun memerlukan suhu operasi lebih dari 200oC dan memerlukan
waktu operasi sekitar 3.5 sampai 6 jam. Berikut data superacidic heterogenus
catalyst untuk mensintesis dioctyl phthalate.
Tabel 2. 1 Katalis Superacidic Heterogenus pada Dioctyl Phthalate
Katalis wt% Suhu (℃) Waktu
(h)
Colour
APHA
Konversi
(%)
Al2O3/NaOH 1.0/1.0 180 3.5 - 0.21
Al2O3/NaOH/Li
OH
0.77/0.03
/0.042
170-218 3.0 7 99.8, 0.005
TiO2 hydrate gel 1.35 200 2.0 10 99.0
Complex oxides 2.0 195-200 1.6 10 99.0, 0.2
Titanic peroxide 0.575 215 3.0 10 99.0, 0.12
*) Thorat, 1992
12
2.1.3 Esterifikasi menggunakan Katalis Tetrabutyl Titanate (TBT)
Tetrabutyl Titanate (TBT) dengan rumus kimia C16H36O4Ti adalah salah
satu katalis yang juga digunakan dalam produksi dioctyl phthalate diatas. Proses
dengan menggunakan katalis jenis ini terdiri dari satu metode dengan dua tahap
yaitu proses esterifikasi dan dealkoholisasi. Penggunaan katalis TBT juga dipilih
karena jumlahnya yang sedikit yaitu sekitar 0,05% - 0,5% mol dari PAN yang
digunakan (Satpute, 2013). Suhu Operasi yang digunakan adalah sebesar 165℃,
185℃, 200℃ (Bhutada dan Pangarkar, 1986). Proses esterifikasi DOP ini akan
menyisakan bahan baku 2-EH, MOP dan air. 2-EH dan air dapat dihilangkan
dengan mengevaporasi didalam kolom distilasi. Waktu operasi yang didapatkan
yaitu 2 jam dengan konversi mencapai 98% (Kandil, 2009).
Berdasarkan jenis uraian mengenai katalis yang digunakan dalam reaksi
atau proses esterifikasi, maka dalam proses ini pembuatan dioctyl phthalate
menggunakan katalis tetrabutyl titanate (TBT). Pemilihan katalis ini didasarkan
pada pertimbangan waktu operasi yang lebih singkat, yield produk dan konversi
yang tinggi sehingga ekonomi pun lebih diuntungkan.
2.2 Deskripsi Proses
Proses pembentukan Dioctyl Phthalate (DOP) merupakan reaksi eksotermis
yang berlangsung dalam fase cair dalam sebuah reaktor tangki berpengaduk. Tahap
pengolahan sampai menjadi DOP dibagi atas 3 tahap diantaranya yaitu :
1. Tahap Persiapan Bahan Baku
2. Tahap Produksi DOP/ Reaksi Pembentukan
3. Tahap Pemisahan dan Pemurnian Produk
2.2.1 Tahap Persiapan Bahan Baku
Pada Tahap Persiapan Bahan Baku, phthalic anhydride dari silo akan masuk
ke melter dengan suhu operasi 165°C dan tekanan 1 atm dengan tujuan untuk
merubah fase padat menjadi cair. 2-Ethyl hexanol serta katalis tetrabutyl titanate
dari masing-masing tangki penyimpanan akan dilewatkan pada heater di suhu
198°C dan tekanan 1 atm. PAN dan 2-EH serta katalis akan masuk ke dalam reaktor
CSTR dengan jaket pemanas. Sedangkan NaOH dengan konsentrasi 98% dari
gudang penyimpanan, dialirkan menuju mixing tank dengan penambahan air untuk
13
diturunkan konsentrasinya sampai 2%. Setelah keluar dari mixing tank, cairan akan
dilewatkan pada heater dengan suhu 95°C dan akan diteruskan menuju neutralizer
tank.1 atm.
2.2.2 Tahap Pembentukan DOP
Tahap kedua yaitu pembentukan produk, dimana tangki berjenis CSTR
dengan jaket pemanas akan digunakan. Suhu operasi untuk menjalankan proses
sintesis ini yaitu 165°C dan tekanan 1 atm dengan perbandingan mol bahan baku
PAN : 2-EH yaitu 1:2. Reaksi yang terjadi sebagai berikut :
C8H4O3 + 2C8H18O C16H22O4 (2.6)
C8H4O3 + 2C8H18O C24H38O4 + H2O (2.7)
Penggunaan Katalis TBT sebanyak 0,05%-0,5%mol PAN. Setelah proses
esterifikasi produk dioctyl phthalate sampai pada reaktor ke -2, larutan akan
didinginkan dengan cooler sampai pada suhu 95°C dan tekanan 1 atm. Reaksi
esterifikasi dilakukan secara 2 tahap yaitu pembentukan MOP, selanjutnya yaitu
DOP. Adapun gambaran reaksi yang terjadi didalam tangki CSTR dapat dilihat
pada Figure 1 dan 2. Selanjutnya yaitu produk keluaran dari cooler akan masuk
kedalam neutralizer tank yang beroperasi pada suhu 95°C dan tekanan 1. Didalam
neutralizer tank, katalis TBT akan habis bereaksi dengan NaOH 2%.
2.2.3 Tahap Pemisahan dan Pemurnian Produk
Tahap terakhir dalam proses produksi DOP yaitu Tahap Pemisahan dan
Pemurnian Produk. Pada tahap ini diharapkan produk DOP memiliki tingkat
kemurnian yang tinggi dengan cara menghilangkan impurities, dalam hal ini dapat
berupa katalis, sisa reaktan dan produk samping reaksi. Aliran pertama ditinjau dari
produk keluaran neutralizer yang selanjutnya masuk menuju rotary drum vacum
filter. Didalam RDVF pemisahan terjadi antara katalis TBT yang berfase slurry
dengan larutan DOP serta zat lainnya. RDVF beroperasi pada suhu 95°C dan
tekanan 0,1 atm (3 inHg). Keluaran dari RDVF dibagi menjadi 2 yaitu filtrate dan
cake. Larutan filtrate yang keluar akan dialirkan menuju kolom distilasi, sedangkan
cake yang berbentuk slurry akan dialirkan menuju unit pengolahan lanjut. Larutan
filtrate yang sebagai feed kolom distilasi akan dipisahkan antara produk DOP
dengan larutannya lainnya yaitu air, 2-EH dan isopropanol. Pada bagian distilat
yang bersuhu 100°C terdapat komponen berupa air, 2-EH dan isopropanol,
14
kemudian dirubah fasenya menjadi fase cair dengan mengalirkan menuju
kondensor. Keluaran dari kondensor berupa limbah cair akan masuk menuju unit
pengolahan limbah. Sedangkan pada bagian bottom berupa produk DOP, MOP, dan
MAN dengan suhu 180,63°C dan tekanan 1 atm dialirkan menuju reboiler.
Keluaran boiler akan didinginkan sampai suhu 30°C dengan cooler. Setelah pada
kondisi normal yaitu 30°C, larutan DOP siap untuk dimurnikan warnanya agar
menjadi bening didalam tangki dekolorisasi. Tangki dekolorisasi menggunakan
agen aktif yaitu karbon aktif untuk dilakukan proses adsorbsi. Jumlah karbon aktif
yang digunakan yaitu sebanyak 0,05% dari total bahan masuk. Keluaran dari tangki
dekolorisasi akan diumpankan menuju rotary drum filter untuk dipisahkan antara
produk dioctyl phthalate dengan karbon aktif. Proses pemisahan di rotary drum
filter terjadi pada suhu 30°C dan tekanan 1 atm, setelah proses pemisahan produk
dioctyl phthalate dialirkan menuju tangki penyimpanan pada suhu 30°C dan
tekanan 1 atm.
2.3 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk
2.3.1 Spesifikasi Bahan Baku
1. Phthalic Anhydride
Fasa : Padatan (P = 1 atm, T = 25oC)
Bentuk : Kristal putih
Berat molekul : 148,12 gr/mol
Titik leleh : 129-131,4 oC
Kemurnian : 99,5% (% wt)
Impuritas : max 0,5% (% wt)
(PT. Petrowidada Gresik)
2. 2-Ethyl Hexanol
Fasa : Cair (P = 1 atm, T = 25oC)
Warna : Tidak berwarna
Berat molekul : 130,22 gr/mol
Densitas pada 30 oC : 129-131,4 oC
Kemurnian : 99,5% (% wt)
Impuritas : max 0,5% (% wt)
15
(PT. Petro Oxo Nusantara Gresik)
2.3.2 Spesifikasi Bahan Pendukung
1. Katalis Tetrabutyl Titanate (TBT)
Bentuk : Cair
Warna : Tidak berwarna, kuning pucat
Berat Molekul : 340.327 g/mol
Densitas : 0.998 g/cm3 pada 25 °C
Titik didih : 312 °C
Titik lebur : -55°C
Water solubility : Larut dalam air
Kemurnian : 98%
(Pubchem.ncbi diakses pada tanggal 22 Februari 2021)
2. NaOH
Bentuk : Padatan
Bau : Khas NaOH
Densitas : 1,515 kg/m3
Kemurnian : 98%
(PT. Asahimas Chemical)
3. Karbon Aktif
Fasa : Solid
Warna : Hitam, abu-abu
Berat molekul : 12.0110 g/mol
Titik didih : Lebih dari 4000 °C
Titik lebur : 3550°C pada 6422℉
Kemurnian : 99.5%
(Pubchem, diakses pada tanggal 22 Februari 2021)
2.3.3 Spesifikasi Produk
1. Dioctyl Phthalate (DOP)
Wujud : Cair
Warna : Bening, sedikit berwarna kuning
16
Kemurnian : min 99% (% wt)
Densitas : 0,9813 kg/m3 pada suhu 25 °C
Komposisi : DOP min 99% (% wt)