BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Fosgen
Fosgen (COCl2) pada suhu kamar dan tekanan atmosfir berupa gas reaktif tidak berwarna. Senyawa fosgen ini pertama kali dibuat pada tahun 1812 oleh John Davy dengan reaksi dari karbon monoksida dan gas klor sebagai bahan baku dan karbon aktif sebagai katalisatornya. Konsumsi kebutuhan dunia akan fosgen saat ini adalah 5-6.106 ton/tahun. Fosgen dapat dibuat dari karbonmonoksida, hidrokarbon terhalogenasi, material karbon, karbondioksida, karbonsulfida, dan dari senyawa oksigen lainnya (Cotarca & Eckert, 2003). Secara luas fosgen digunakan sebagai bahan intermediate yang penting, digunakan dalam pembuatan bahan kimia lainnya pada pabrik yang berbeda (Kirk & Othmer,1991).
Fosgen diproduksi secara komersial dengan reaksi uap-cair eksotermik yang tinggi dari gas klorin anhydrat dengan karbonmonoksida kemurnian tinggi dengan katalis karbon aktif, dengan kondisi enthalpy pembentukan -107,6 kJ/mol dan dibutuhkan perpindahan panas yang efisien (Cotarca & Eckert, 2003).
Berbagai kegunaan fosgen adalah sebagai berikut :
1. Digunakan dalam pembuatan polyurethane yaitu dalam pembentukan isocyanat. Kegunaan polyurethane antara lain :
a. Automotif dalam pembuatan tempat duduk dan sandaran kepala
b. Perabotan dan dekorasi rumah, seperti insulator pada konstruksi rumah dan material lantai.
c. Peralatan olahraga, seperti pembuatan roda pada in line skates dan roler blade, juga pembuatan tali pada raket tenis.
d. Lem, untuk perekat kayu seperti Gorilla Glue e. Pernis, sebagai pelapis terakhir untuk melapisi kayu
f. Thermoset, sebagai pelapis terhadap abrasi dalam industri pertambangan, trasnportasi, dan pemrosesan kertas (Anonim, 2012b).
3. Untuk pembuatan plastik polycarbonate yaitu dengan mereaksikan fosgen dengan Bhispenol A (BPA) secara langsung atau tidak langsung melalui dhipenyl carbonate. Kegunaan polycarbonate antara lain :
a. Optical Disc dalam pembuatan CD dan DVD
b. Automotif dalam pembuatan busa pada interior mobil dan bemper
c. Bahan elektronik sebagai electric connector, outlet box dan kabel jaringan telepon
d. Bahan perabotan digunakan untuk membuat meja, kursi termasuk botol susu (Kirk & Othmer,1991).
4. Dalam kimia anorganik fosgen digunakan dalam produksi aluminium chloride
5. Dalam industri kaca/gelas fosgen digunakan sebagai bleaching sand dan chlorinating agent (Ullman, 2005)
2.2 Sifat-Sifat Bahan Baku dan Produk
2.2.1 Bahan Baku
1. Gas Klor (Cl2)
a. Sifat Fisika (Anonim, 2012d) :
1) Fasa : cair
2) Berat molekul : 70,914 kg/kmol 3) Titik didih (1 atm) : -34,04°C 4) Titik leleh (1 atm) : -101,5°C 5) Densitas gas (1 atm, 0 0C) : 3,213 kg/m3 6) Densitas cair pada titik didih : 1,5625 g/cm3 7) Temperatur kritis : -144°C b. Sifat kimia (Anonim, 2012d) :
1) Bereaksi dengan CO membentuk fosgen
Cl2 + CO → COCl2
2. Karbon Monoksida (CO)
a. Sifat Fisika (Anonim, 2012h) :
1) Fasa : gas
2) Berat molekul : 28,010 kg/kmol 3) Titik didih (1 atm) : -191,52°C 4) Titik leleh (1atm) : -205,02°C 5) Densitas gas (1 atm, 0 0C) : 1,25 kg/m3 6) Densitas cair : 789 kg/m3 7) Temperatur kritis : -140,24°C b. Sifat kimia (Anonim, 2012h) :
1) Bereaksi dengan methylamine membentuk dimethyl formamide CO + (CH3)2NH → (CH3)2NHCO
2) Bereaksi dengan methanol membentuk asam asetat CO + CH3OH → CH3COOH
3) Bereaksi dengan formaldehid membentuk asam glikol
CO + HCHO→ HOCH2COOH
3. Propana (C3H8)
a. Sifat Fisika (Anonim, 2012l) :
1) Fasa : cair
2) Berat molekul : 44,1 kg/kmol 3) Titik didih (1 atm) : -42,1°C 4) Titik leleh (1atm) : -188°C 5) Densitas gas (1 atm, 0 0C) : 2,0098 kg/m3 6) Densitas cair : 581,2 kg/m3 b. Sifat kimia (Anonim, 2012l) :
1) Reaksi pembakaran sempurna dengan udara menghasilkan air dan karbondioksida
C3H8 + 5O2 → 3CO2 +4H2O + panas
2) Reaksi pembakaran tak sempurna dengan udara menghasilkan air, karbonmonoksida, karbondioksida dan karbon
4. Toluena (C7H8)
a. Sifat Fisika (Anonim, 2012p) :
1) Fasa : cair
2) Berat molekul : 92,13 kg/kmol 3) Titik didih (1 atm) : 110,625°C 4) Titik leleh (1atm) : -94,991°C 5) Densitas cair : 863,1 kg/m3 b. Sifat kimia (Anonim, 2012p) :
1) Reaksi dengan klorin dengan katalis FeCl3 menghasilkan isomer orto dan para klorotoluen.
2) Reaksi dengan kalium permanganate dan asam kuat (seperti asam sulfat) menghasilkan asam benzoate dimana reaksinya dengan kromil klorida akan menghasilkan benzaldehid.
2.2.2. Produk
1. Fosgen (COCl2)
a. Sifat fisis (Anonim, 2012e) :
1) Fasa : cair
2) Berat molekul : 98,92 kg/kmol
3) Titik didih : 8,3°C
4) Titik leleh : -118°C
5) Densitas gas (15°C) : 4,248 g/L 6) Densitas cair (0°C) : 1,432 g/cm3 7) Temperatur kritis : 181,89°C b. Sifat kimia (Anonim, 2012e) :
1) Bereaksi dengan alumunium bromide membentuk carbonyl dan aluminium chloro bromide
AlBr3 + COCl2 → COBr2 + AlCl2Br 2) Bereaksi dengan alkohol membentuk ester
R-OH + COCl2→ROCCl2O + HCl
2. Fosgen Solution (COCl2)
a. Sifat fisis (Anonim, 2012m) :
1) Fasa : cair
2) Berat molekul : 98,92 kg/kmol
3) Titik didih : 8,3°C
4) Titik leleh : -118°C
5) Densitas gas (15°C) : 4,248 g/L 6) Densitas cair (20°C) : 0,91 g/ml 7) Temperatur kritis : 181,89°C b. Sifat kimia (Anonim, 2012e) :
1) Bereaksi dengan alumunium bromide membentuk carbonyl dan aluminium chloro bromide
AlBr3 + COCl2 → COBr2 + AlCl2Br 2) Bereaksi dengan alkohol membentuk ester
R-OH + COCl2→ROCCl2O + HCl
3) Bereaksi dengan amina sekunder membentuk carbonyl chloride R2NH2 + COCl2 → RNCCl2O + HCl
2.3 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk
2.3.1 Spesifikasi Bahan Baku Utama
1. Gas Klor (Anthony, 1996) a. Rumus Molekul : Cl2 b. Berat Molekul : 70,914 c. Fase : cair d. Kemurnian : 99,8% 2. Karbon Monoksida (Anthony, 1996)
a. Rumus Molekul : CO b. Berat Molekul : 28,010
c. Fase : gas
2.3.2 Spesifikasi bahan pembantu
Katalis karbon aktif (Roop, 2005) a. Bentuk : Butiran b. Diameter : 4 mm c. Bulk density : 1350 kg/m3
2.3.3 Spesifikasi produk
1. Fosgen (Anthony, 1996)
a. Rumus Molekul : COCl2 b. Berat Molekul : 98,92 c. Fase : cair d. Kemurnian : 99,69 % 2. Fosgen Solution (Anonim, 2012m)
a. Rumus Molekul : COCl2 b. Berat Molekul : 98,92 c. Fase : cair d. Kemurnian : 20 %
2.4 Proses Pembuatan Fosgen
Proses Pembuatan fosgen terdiri dari 3 cara yaitu : 1. Pengontakan langsung
Proses pembuatan fosgen dilakukan pada fase gas dengan mereaksikan karbon monoksida dan gas klor dengan katalis karbon aktif pada reaktor fixed bed multitube pada tekanan 1 atm dan suhu 1350C. Reaktor dilengkapi dengan pendingin karena reaksinya eksotermis. Katalisator diletakkan dalam tube-tube reaktor, sedangkan pendingin di dalam shell. Gas keluar reaktor akan dikondensasikan untuk mendapatkan fosgen cair, sedangkan fosgen sisa dan uncondensable gas dikontakkan dengan pelarut untuk mengambil sisa fosgen, sementara uncondensable gas dibakar dan dibuang ke udara (Ullman, 2005). 2. Oksidasi
massa, dengan bantuan silica gel sebagai katalis. Pada reaksi fasa pertama gas asam klorida akan teroksidasi dengan CuCl menghasilkan CuCl2 dan pada reaksi fasa kedua CuCl2 yang dihasilkan bereaksi dengan karbonmonoksida menghasilkan fosgen. Reaksi terjadi pada dua tingkatan dalam fixed bed reactor (Daumas, 1976).
3. Dekomposisi Termal dan Ultraviolet dari Hidrokarbon Terklorinasi
Fosgen dapat dihasilkan dari hasil pemanasan dan dekomposisi dari beberapa macam hidrokarbon terklorinasi seperti metilen klorida, monoklorobenzen, dan diklorobenzen (digunakan sebagai pelarut dalam reaksi polimerisasi yang terkait dengan fosgen), karbon tetraklorida, kloroform, etilklorida, PVC, dan Freon. Ketika dipanaskan, hidrokarbon yang terklorinasi bereaksi dengan oksigen atau air menghasilkan klorin, hydrogen klorida, fosgen, dan beberapa produk lain. Fosgen hasil dekomposisi klorokarbon seperti dalam operasi metalurgi, drycleaning, dan pada tempat dimana pelarut kontak dengan panas atau sinar ultraviolet (Anonim, 2012i).
Proses yang dipilih dari ketiga proses ini adalah pengontakan langsung karbonmonoksida dengan gas klor untuk menghasilkan fosgen. Pemilihan proses ini untuk menghasilkan fosgen didasari dengan alasan-alasan sebagai berikut :
1. Yield dan konversi yang dihasilkan lebih tinggi dibandingkan dengan proses lain
2. Peralatan yang digunakan lebih sedikit
3. Tingkat kemurnian fosgen yang tinggi yaitu mencapai 99,69% 4. Reaksi hanya berlangsung pada 1 reaktor dan 1 tingkatan saja.
2.5 Deskripsi Proses
Langkah proses pembuatan fosgen dari karbon monoksida dan gas klor dapat dikelompokkan dalam empat tahap proses, yaitu :
1. Tahap persiapan bahan baku 2. Tahap proses utama
1. Tahap persiapan bahan baku
Gas klor di simpan dalam Tangki Penyimpan F-110 pada fase cair dengan tekanan 1 atm dan suhu -34,72 °C, kemudian dialirkan melalui Pompa L-111 menuju Vaporizer V-112 untuk merubah fasa gas klor dari cairan menjadi gas. Selanjutnya dialirkan melalui Blower G-113 menuju Heater E-114 untuk menaikkan suhunya dengan menggunakan steam sehingga mencapai suhu 135°C.
Sementara itu gas karbon monoksida disimpan dalam Tangki Penyimpan F-120 pada fase gas dengan tekanan 15 atm dan suhu -156°C, kemudian dialirkan menuju Ekspander G-121 untuk menurunkan tekanannya menjadi 1 atm. Selanjutnya dialirkan menuju Heater E-122 untuk menaikkan suhunya dengan menggunakan steam sehingga mencapai suhu 135°C. Gas karbon monoksida yang digunakan dalam proses reaksi ini tidak dalam kondisi murni karena masih ada kandungan impuritis di dalamnya, antara lain gas metan (CH4) dengan konsentrasi 0,1%, karbondioksida (CO2) dengan konsentrasi 0,4%, dan gas hidrogen (H2) dengan konsentrasi 0,5%, sementara untuk gas karbon monoksida yang digunakan memiliki konsentrasi 99%.
2. Tahap proses utama
Bahan baku Cl2 dan CO yang telah bertekanan 1 atm dan suhu 135°C tersebut diumpankan ke dalam reaktor yang telah berisi katalis padat karbon aktif. Di dalam Reaktor R-210 terjadi proses reaksi CO dan Cl2 menjadi fosgen (COCl2). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
CO(g) + Cl2(g) → COCl2(g) ΔHf = -108 kJ mol -1 Karbon monoksida Klorin Fosgen
Reaktor yang digunakan adalah reaktor jenis fixed bed multi tube dengan kondisi non isothermal dan bersifat eksotermis. Reaktor dioperasikan pada suhu 135°C dengan tekanan 1 atm. Konversi produk gas fosgen yang diperoleh dari reaktor adalah sebesar 99,5%.
3. Tahap pemurnian produk
melalui Blower G-211 menuju Kondensor E-310 untuk mengkondensasikan gas fosgen sehingga diperoleh fosgen dalam bentuk cairan, dengan cara menurunkan suhu menjadi 40°C menggunakan media air pendingin. Hasil keluaran Kondensor E-310 merupakan campuran uap-cair pada tekanan 1 atm dan suhu 400C. Selanjutnya fosgen yang merupakan campuran uap cair ini dialirkan melalui pompa L-311 menuju KO Drum V-320 untuk dipisahkan antara uap dan cairan fosgennya. Sisa gas fosgen yang tidak terkondensasi yang telah terpisah di KO Drum V-320 diturunkan suhunya menjadi 320C menggunakan Cooler E-322, untuk selanjutnya diumpankan menuju Absorber V-330 untuk dipulihkan kembali menggunakan pelarut toluene. Produk fosgen yang keluar dari Absorber V-330 disebut Fosgen Solution dengan fasa cair dan kemurnian fosgen 20%.
Sementara sisa gas selain COCl2 dari Absorber V-330, antara lain Cl2, CO, H2 dan CH4 akan dibuang ke udara bebas. Tetapi karena gas Cl2 sisa yang tidak bereaksi tidak dibenarkan untuk dibuang ke udara bebas maka terlebih dahulu di treatment dengan mengontakkannya dengan campuran air dan NaOH pada Absorber V-340. NaOH disimpan pada Tangki Penyimpanan F-440 untuk kemudian dicampurkan dengan air proses pada Tangki Pencampuran MT-350 untuk selanjutnya diumpankan ke Absorber V-340. Campuran yang keluar dari Absorber V-340 terdiri dari Cl2, air dan NaOH selanjutnya dibuang ke unit pengolahan limbah cairan. sementara sisa gas CO, H2 dan CH4 dibakar pada Combuster C-360 sehingga menghasilkan gas CO2 yang dapat dibuang ke udara bebas.
4. Tahap penyimpanan produk
