BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(1)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Stirena

Stirena berasal dari nama pohon styrax yang menghasilkan getah (resin kapur

barus) yang diekstrak dalam bentuk stirena. Kandungan stirena yang rendah terdapat secara alamiah pada tumbuh – tumbuhan dan beragam jenis makanan antara lain buah – buahan, sayuran, kacang – kacangan, minuman, dan daging.

Produksi stirena berkembang secara pesat terutama di Amerika Serikat dari tahun 1940 – an sejak diperkenalkannya stirena sebagai bahan baku utama untuk produksi karet sintetis. Adanya kandungan grup vinil memungkinkan stirena untuk berpolimerisasi. Produk – produk komersial dari stirena antara lain polistirena,

Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), resin Styrene – Acrylonitrile (SAN), lateks

Styrene – Butadiene, Styrene – Butadiene Rubber (SBR), SIS (Styrene – Isoprene –

Stirena), S–EB–S (Styrene – Ethylene / Butylene – Styrene), S–DVB (Styrene –

Divinylbenzene) dan resin poliester tidak jenuh. Material – material ini digunakan

secara komersil dalam produksi karet, plastik, insulasi, fibreglass, pipa, peralatan

kapal dan otomotif, tempat / wadah makanan, dan lain – lain (Wikipedia, 2010).

Pembuatan senyawa stirena dilakukan melalui proses dehidrogenasi

etilbenzen. Reaktor yang digunakan adalah reaktor multi bed dengan suhu operasi

600°C dan tekanan 1 bar (Chaniago, 2009). Reaksinya dehidrogenasi stirena : C6H5CH2CH3 C6H5CHCH2 + H2

etilbenzen stirena hidrogen Reaksi samping :

C6H5CH2CH3 C6H6 + C2H4

etilbenzen benzen etilen

C6H5CH2CH3 + H2 C6H5CH3 + CH4

etilbenzen hidrogen toluene metana

2 H2O + C2H4 2 CO + 4 H2

air etilen karbon monoksida hidrogen

(2)

H2O + CH4 CO + 3 H2

air metana karbon monoksida hidrogen

H2O + CO CO2 + H2

air karbon monoksida karbon dioksida hidrogen (Said,dkk. , 1993)

Pemurnian stirena harus dilakukan melalui proses destilasi fraksionasi dalam kolom destilasi. Hal ini dikarenakan stirena dan etilbenzen memiliki titik didih yang hampir berdekatan yaitu 145°C untuk stirena dan 136°C untuk etilbenzen. (Wikipedia, 2010).

2.2Kegunaan Stirena

Stirena secara luas digunakan untuk polimerisasi menghasilkan beragam

polimer antara lain polistirena yang dikenal juga dengan nama Expanded Polystyrene

Foam (EPS), Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), resin Styrene – Acrylonitrile

(SAN), lateks Styrene – Butadiene, Styrene – Butadiene Rubber (SBR), SIS (Styrene

– Isoprene – Stirena), S–EB–S (Styrene – Ethylene / Butylene – Styrene), S–DVB

(Styrene – Divinylbenzene) dan resin poliester tidak jenuh. Polimer dari bahan stirena

bahan digunakan sebagai bahan dasar pembuatan karet, plastik, insulasi, fibreglass,

pipa, peralatan kapal dan otomotif, tempat / wadah makanan, pelapis kertas, matras busa, dan lain – lain. Akan tetapi, penggunaan polimer dari stirena pada industri makanan mulai berkurang seiring dengan penemuan dari Departemen Kesehatan Amerika Serikat yang mengindikasikan bahwa stirena mempunyai efek karsinogenik terhadap tubuh manusia dan dalam jumlah banyak beracun terhadap saluran pencernaan, ginjal, dan saluran pernafasan manusia (Wikipedia, 2010).

Adapun beberapa kegunaan polimer dari stirena dalam industri adalah sebagai berikut :

Tabel 2.1 Kegunaan polimer stirena dalam berbagai industri

Polimer Kegunaan

1. Polystirena - Bahan pembuatan foam

- Bahan packaging pada industri makanan

- Bahan pengerat pada kertas - Bahan pembuatan piringan CD

(3)

2. Acrylonitrile Butadiene Stirena (ABS)

- Bahan pembuatan pipa

- Bahan pembuatan komponen elektronik - Bahan pembuatan komponen otomotif

3. Stirena – Acrylonitrile (SAN) - Bahan pembuatan keperluan rumah tangga

- Bahan packaging kosmetik

- Bahan pembuatan komponen otomotif

4. LateksStirena – Butadiene - Bahan pembuatan carpet backing

- Bahan pembuatan paper coating

- Bahan pembuatan foam matress

- Bahan adhesif (pengerat)

5. Stirena – Butadiene Rubber

(SBR)

- Bahan pembuatan ban

- Bahan pembuatan selang - Bahan pembuatan sepatu - Bahan adhesif (pengerat)

6. Resin poliester tidak jenuh - Bahan pembuatan plastik fibreglass

- Bahan pembuatan alat – alat perkapalan - Bahan pembuatan alat – alat konstruksi - Bahan pembuatan komponen otomotif

2.3 Sifat – Sifat Bahan Baku, Bahan Pembantu dan Produk 2.3.1 Sifat-Sifat Bahan Baku (Etilbenzen)

Etilbenzen merupakan sumber utama bagi produksi stirena secara komersil. Hampir semua pabrik penghasil stirena di dunia menggunakan etilbenzen sebagai bahan bakunya.

Proses pembuatan stirena dari etilbenzen dalam skala besar dilakukan melalui

(4)

Fe2O3, Cr2O3, dan K2CO3) dalam kondisi isothermal di dalam reaktor multi bed

(Ullman, 2005).

C6H5CH2CH3 C6H5CHCH2 + H2

etilbenzen stirena hidrogen

Sifat – sifat fisika etilbenzen (Perry, 1999) :

1. Berat molekul : 106,167 gr/gmol

2. Densitas pada 25 °C : 0,8671 gr/ml

3. Titik didih pada 1 atm : 136,19 °C

4. Titik beku pada 1 atm : -94,975 °C

5. Spesifik graviti : 1,00 (4°C)

6. Indeks bias pada 20°C : 1,4959

7. Viskositas pada 25 °C : 0,64 cP

8. Panas pembentukan pada 25 °C : -12,456 J/mol. K

9. Panas penguapan pada 25 °C : 42,226 J/mol. K

10. Entropi pembentukan : 255,2 J/mol. K

11. Temperatur kritis : 343,05 °C

12. Tekanan kritis : 3,701 MPa

13. Volume kritis : 374 ml/mol

Sifat – sifat kimia etilbenzen:

1. Reaksi dehidrogenasi dengan katalis Fe2O3 pada suhu tinggi menghasilkan

stirena.

2. Reaksi hidrogenasi dengan bantuan katalis Ni, Pt, atau Pd menghasilkan etil –

sikloheksan.

C6H5CH2CH3 + 3H2 C6H11C2H5

etilbenzen hidrogen etil – sikloheksan

3. Reaksi oksidasi dengan bantuan katalis KMnO4 dan K2Cr2O7 membentuk asam

benzoat.

Fe2O3

(5)

C6H5CH2CH3 + On C6H5COOH + CO2

etilbenzen oksigen asam benzoat karbon dioksida

4. Mengalami proses halogenasi dengan bantuan panas atau cahaya.

2 C6H5CH2CH3 + Cl2 C6H5CH-ClCH3 + C6H5CH2Cl

etilbenzen klorin 2-kloro-2-feniletana 1-kloro-feniletana

2.3.2 Sifat-Sifat Bahan Pembantu (Katalis Shell – 105)

Katalis Shell – 105 adalah katalis yang berwujud padat dan berbentuk pelet.

Katalis Shell – 105 merupakan campuran Fe2O3, Cr2O3, dan K2CO3 dengan

komposisi 84,3 % Fe2O3, 2,4 % Cr2O3, dan 13,3 % K2CO3.

Sifat – sifat katalis Shell – 105 :

1. Wujud : padat 2. Bentuk : pelet 3. Komposisi : 84,3 % Fe2O3, 2,4 % Cr2O3, 13,3 % K2CO3 4. Bulk Density : 2146,27 kg/cm3 5. Diameter : 4,7 mm 6. Porositas : 0,35

2.3.3 Sifat-Sifat Produk (Stirena)

Stirena adalah senyawa organik aromatis yang mempunyai rumus kimia

C6H5CH=CH2 dan mempunyai massa molar 104,15 gram/mol. Stirena merupakan

hidrokarbon siklik berbentuk cair, tidak berwarna, beraroma dan dapat menguap dengan cepat. Stirena monomer dipolimerisasi untuk menghasilkan beberapa

polimer antara lain polystirena, Acrylonitrile Butadiene Stirena (ABS), resin Stirena

– Acrylonitrile (SAN), lateks Stirena – Butadiene, Stirena – Butadiene Rubber

(SBR), SIS (Stirena – Isoprene – Stirena), S–EB–S (Stirena – Ethylene / Butylene –

Stirena), S–DVB (Stirena – Divinylbenzene) dan resin poliester tidak jenuh.

Sifat-sifat fisika stirena :

1. Berat molekul : 104,15 gr/mol

2. Titik didih : 145 °C

3. Titik beku : –30,6 °C

(6)

4. Densitas pada 20°C : 0,9059 gram/ml

5. Indeks bias : 1,5467

6. Temperatur kritis : 369 °C

7. Tekanan kritis : 3,81 MPa

8. Viskositas pada 20 °C : 0,763 cP

9. Tekanan uap pada 20 °C : 5 mmHg

(Perry, 1999)

Sifat-sifat kimia stirena :

1. Entalpi pembentukan standar pada ΔHf o298 : –12,456 kJ/mol

2. Panas penguapan pada 25 °C : 428,44 J/gr. K

3. Reaksi pembentukan stirena :

4. Reaksi polimerisasi membentuk polystirena terjadi sangat cepat.

n C6H5CHCH2 (C6H5CHCH2)n

stirena polystirena

(Wikipedia, 2010)

2.4Proses Pembuatan Stirena

Secara umum terdapat dua proses pembuatan stirena yaitu :

1. Dehidrogenasi Katalitik

Dehidrogenasi katalitik adalah reaksi langsung dari etilbenzen menjadi stirena, cara ini adalah proses pembuatan stirena monomer yang banyak dikembangkan dalam produksi komersial. Reaksi terjadi pada fase

uap dimana steam melewati katalis padat. Katalis yang digunakan adalah

Shell – 105, yang terdiri dari campuran besi sebagai Fe2O3, kromium sebagai

Cr2O3 dan potasium sebagai K2CO3. Reaksi bersifat endotermis dan

merupakan reaksi kesetimbangan. Sedangkan reaktornya dapat bekerja secara adiabatis dan isothermal.

(7)

Reaksi yang terjadi :

C6H5CH2CH3 → C6H5CH = CH2 + H2

Yield rendah jika reaksi ini tanpa menggunakan katalis. Temperatur reaktor 580 – 620°C pada tekanan atmosfer. Pada saat kesetimbangan konversi etilbenzen berkisar antara 50 – 70% dengan yield 88 – 89 % (Ullman, 2005).

2. Oksidasi Etilbenzen

Proses ini ada 2 macam yaitu dari Union Carbide dan Halogen

International. Proses dari Union Carbide mempunyai 2 produk yaitu stirena

dan acetophenon. Proses ini menggunakan katalis asetat diikuti dengan reaksi

reduksi menggunakan katalis kromium – besi – tembaga kemudian dilanjutkan reaksi hidrasi alkohol menjadi stirena dengan katalis Titania pada suhu 250°C.

Reaksi yang terjadi berturut – turut adalah sebagai berikut :

C6H5CH2CH3 + O2 → C6H5COCH3 + H2O

C6H5COCH3 + H2O → C6H5CH (OH )CH3

C6H5CH(OH)CH3 → C6H5CH = CH2 + H2O

Kehilangan proses ini adalah terjadinya korosi pada tahap oksidasi dan produk yang dihasilkan 10% lebih kecil dibandingkan reaksi dehidrogenasi.

Proses Halogen International menghasilkan stirena dan

Propyleneoxide, yaitu proses mengoksidasi etilbenzen menjadi Ethylbenzene

Hidroperoxide kemudian direaksikan dengan propylene membentuk

propyleneoxide dan α-phenil-ethylalkohol kemudian didehidrasi menjadi

stirena.

2.5Deskripsi Proses

Dari beberapa uraian proses pembuatan stirena tersebut diatas, maka akan

dirancang pabrik stirena monomer melalui proses dehidrogenasi katalitik

menggunakan katalis Shell – 105 dengan alasan sebagai berikut :

1. Proses dehidrogenasi adalah proses yang paling sederhana.

(8)

3. Tidak menimbulkan korosi.

4. Hasil samping berupa toluen dan benzen bisa dijual sehingga dapat menambah keuntungan.

Deskripsi proses dalam proses pembuatan stirena yaitu sebagai berikut :

Bahan baku etilbenzen dipompakan ke dalam mixer (M – 01) dan bercampur

dengan etilbenzen recycle dari kolom destilasi. Kemudian etilbenzen dipompakan ke

dalam unit vaporizer (V – 01) bertekanan 1 atm. Suhu keluaran dari vaporizer adalah

424,1 K. Dari vaporizer, bahan baku diumpankan ke dalam furnace (F – 01) untuk

mengubah uap jenuh etilbenzen menjadi gas etibenzen pada suhu 873 K. Steam

bertekanan rendah yang dihasilkan dalam boiler juga diumpankan ke dalam furnace

dan keluar dari furnace pada suhu 993 K dan tekanan 1,5 atm. Setelah itu, umpan

etilbenzen dialirkan ke dalam reaktor (R – 01) dan dicampurkan dengan steam.

Steam pada proses ini berfungsi untuk mencegah terjadinya kerak pada reaktor dan

menggeser kesetimbangan reaksi ke arah produk. Reaktor yang digunakan adalah

reaktor dengan dua buah bed dimana katalis Shell – 105 berbentuk pelet tersusun

pada bagian bed reaktor. Proses dehidrogenasi dari etilbenzen berlangsung pada

temperatur 873 K dan tekanan 1 atm.

Reaksi yang terjadi di dalam reaktor (R – 01) adalah sebagai berikut : C6H5CH2CH3 C6H5CHCH2 + H2

etilbenzen stirena hidrogen Reaksi samping :

C6H5CH2CH3 C6H6 + C2H4

etilbenzen benzen etilen

C6H5CH2CH3 + H2 C6H5CH3 + CH4

etilbenzen hidrogen toluen metana

2 H2O + C2H4 2 CO + 4 H2

air etilen karbon monoksida hidrogen

H2O + CH4 CO + 3 H2

(9)

H2O + CO CO2 + H2

air karbon monoksida karbon dioksida hidrogen

Keluaran dari reaktor akan menghasilkan produk utama stirena, produk samping berupa benzen, toluen, karbon dioksida, dan hidrogen serta etilbenzen sisa reaksi dan air dalam fasa gas pada suhu 780,8 K dan tekanan 1 atm. Campuran ini

kemudian dilewatkan ke WHB dan vaporizer hingga suhu produk menjadi 489,5 K.

Setelah itu, produk dialirkan ke cooler IV (CL – 04) untuk mengurangi beban panas

drum separator. Drum separator (DS – 01) digunakan untuk memisahkan campuran

dari gas hidrogen dan karbon dioksida. Keluaran drum separator menyisakan produk

stirena, benzen, etilbenzen sisa reaksi, toluen, dan air pada suhu 373,8 K. Setelah dari

drum separator, produk diumpankan ke dalam dekanter (DK – 01) untuk

mengeluarkan semua air dari campuran. Kemudian campuran benzen, toluen, stirena

dan etilbenzen ini didestilasi melalui 3 tahapan destilasi.Pada kolom destilasi 1 (D –

01), akan didapatkan stirena dengan kemurnian 99,81 % pada produk bawah kolom destilasi. Etilbenzen yang didapatkan pada produk bawah kolom destilasi 2 (D – 02)

kemudian diumpankan kembali ke dalam mixer. Sedangkan, pada kolom destilasi 3

(D – 03) akan didapatkan benzen pada produk atas kolom dan toluen pada produk bawah kolom.

(10)

Recycle Feed

Gambar 2.1 Diagram Alir Proses Tangki

Penampung

Mixer Reaktor Drum

Separator Dekanter Kolom Destilasi I Kolom Destilasi II Kolom Destilasi III Benzen Gas Inert (H2 & CO2)

Air (H2O)

Produk Stirena

Toluen

(11)

(12)

FLOWSHEET PRA RANCANGAN PABRIK STIRENA DARI ETILBENZEN MELALUI PROSES DEHIDROGENASI KATALITIK

MENGGUNAKAN KATALIS SHELL – 105 DENGAN KAPASITAS 100.000 TON/TAHUN

D-01 C-01 AC-01 RE - 01 C-02 AC-02 RE - 02 C-03 AC-03 RE-03 FUEL CL-04 P CL-01 C H T-02 P-07 P-08 P-09 T-03 T-04 CL-02 CL-03 15 U FG WHB 4 V-01 F-01 DS-01 7 DK-01 8 1 LC FC FC TC TC PC 5 LC TC 6 TC LC CC LC LC TC LC LC KOMPONEN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Laju Alir (kg/jam)

Etilbenzen Benzen Toluen Stirena H2O H2 CO2 Total 13.934,927 35,012 35,012 0 0 0 0 14004,952 19813,394 35,012 309,523 0 0 0 20192,942 0 0 0 0 59734,580 0 0 5.911,770 0 919,061 5.904,054 273,181 517,539 12.914,358 0 0 0 19.609,132 22,548 0 0 12.603,715 0 0 0 12.626,263 5.879,937 274,063 517,833 310,686 0 0 0 6.982,519 5.878,453 0 0 309,523 0 0 0 6.187,976 1,485 273,181 517,833 1,162 0 0 0 793,661 1,485 1,092 516,503 1,162 0 0 0 520,242 0 272,971 1,330 0 0 0 0 274,301 P-06 P-05 P-03 P-02 P-01 T - 01 R-01 P-04 M - 01 LC CC CC LC LC LC D-02 D-02 D-03 9 15 35,012 59734,580 0 0 0 0 33.641,784 33.641,784 0 0 339,788 564,974 12.944,133 92.889,330 323,794 595,266 113.569,056 0 0 0 0 323,794 595,266 5.911,770 339,788 564,974 12.944,133 92.889,330 0 0 112.649,995 7,717 66,608 47,435 29,775 92.889,330 0 0 93.040,863

Skala : Tanpa Skala Tanggal Tanda Tangan

Digambar Nama : Maggie Junialie NIM : 060405008 1.Nama : Dr. Ir. Iriany, MSi NIP : 19640613 199003 2 001 Diperiksa /

Disetujui

2.Nama : Ir. Renita Manurung, MT NIP : 19681214 199702 2 002

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

DIAGRAM ALIR PABRIK STIRENA DARI ETILBENZEN MELALUI PROSES DEHIDROGENASI KATALITIK MENGGUNAKAN KATALIS SHELL – 105

DENGAN KAPASITAS 80.000 TON / TAHUN

Temperatur, T (o_C) ₃₀ _63,9 ₇₂₀ ₇₂₀ _498,8 _100,8 _100,8 _100,8 _100,8 ₄₅ _127,6 _136,7 _102,2 ₄₅ ₄₅ Steam Tekanan, P (atm) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6 Air Pendingin 14

AIR PENDINGIN BEKAS

KONDENSAT

16

Air Umpan Boiler

2 3 10 11 12 13 13 1 13.934,927 35,012 35,012 0 0 0 0 14004,952 30 1