Prarancangan Pabrik Polipropilen Proses El Paso Fase Liquid Bulk Kapasitas Ton/Tahun BAB II DESKRIPSI PROSES

(1)

Bab II Deskripsi Proses

BAB II

DESKRIPSI PROSES

2.1 Spesifikasi Bahan Baku, Bahan Pendukung, dan Produk 2.1.1 Spesifikasi Bahan Baku

1. Propilen (www.chandraasri.com) a. Rumus molekul : C₃H₆

b. Berat molekul : 42,08 kg / kmol c. Wujud (1 bar, 25^oC) : gas

d. Kenampakan : tidak berwarna

e. Bau : aromatis

f. Kemurnian : 99,85 % ( polimer grade) g. Impuritas : Propana 0,15 %

2. Hidrogen (www.chandraasri.com) a. Rumus molekul : H2

b. Berat molekul : 2,02 kg / kmol c. Wujud : gas (31 bar, 30^oC) d. Kenampakan : tidak berwarna

e. Bau : tidak berbau

f. Kemurnian : minimal 95 %

g. Impuritas : Metana maksimum 1 %

(2)

2.1.2 Spesifikasi Bahan Pendukung (Katalis) 1. Katalis TiCl4 (www.chengyuanchem.com)

a. Berat molekul : 134,48 kg / kmol

b. Wujud : slurry

c. Kenampakan : kecoklatan d. Support katalis : MgCl2

2. Kokatalis TEAl (www.tl-chem.com) a. Rumus molekul : Al(C2H5)3

b. Berat molekul : 114,17 kg / kmol

c. Wujud : cair

d. Kenampakan : bening 2.1.3 Spesifikasi produk

1. Polipropilen

a. Jenis : Homopolimer Biaxially Oriented

Polipropilen Film (BOPP)

b. Rumus molekul : [-C3H6-]n

c. Melt flow : 2,0 g/10 menit d. BM rata-rata : 385.000 g/mol

e. Wujud : padatan

f. Bentuk : pellet (granular) g. Kenampakan : bening

h. Bau : tidak berbau

(3)

Bab II Deskripsi Proses 2.2 Konsep Proses 2.2.1 Dasar reaksi

Secara umum dasar reaksi polimerisasi polipropilen adalah Propilen Polimerisasi

Polipropilen

Reaksi molekulernya dapat ditulis sebagai berikut (Othmer, 1997) :

CH2 n nCH2 = CH - CH3

TiCl4 , Al(C2H5)3

CH CH3

(ΔH298) sebesar -89,1 kJ/mol.

2.2.2 Sistem Katalis

Katalis yang digunakan adalah katalis Ziegler-Natta generasi keempat berupa TiCl4 dengan support katalis MgCl2. MgCl2 berfungsi untuk menunjang TiCl₄ supaya lebih kuat dan tidak pecah ketika terjadi reaksi polimerisasi. Katalis terdispersi dalam mineral oil yang berfungsi melindungi kompleks TiCl4/MgCl2 dari kontak dengan udara lembab atau uap air, karena TiCl₄/ MgCl₂ sangat reaktif terhadap air. Wujudnya berupa slurry (padatan tersuspensi dalam minyak) yang berwarna kecoklatan.

Wujud slurry ini memungkinkan katalis dapat dialirkan ke dalam reaktor.

Kokatalis yang digunakan adalah TEAl (Tri Ethyl Alumunium, Al(C2H5)3). Kokatalis berfungsi sebagai pembentuk kompleks katalis aktif yang dapat mempermudah terjadinya polimerisasi. Kokatalis ini sangat mempengaruhi produktivitas katalis. TEAl bersama katalis membentuk logam aktif yang memungkinkan terjadinya polimerisasi. Laju alir TEAl

(4)

tergantung dari rasio TEAl terhadap jumlah titanium (katalis) dalam reaktor (Rasio TEAl/Ti).

2.2.3 Mekanisme Reaksi

Polimerisasi polipropilen adalah reaksi polimerisasi adisi koordinasi kompleks. Reaksi ini terbagi atas dua bagian, yaitu pembentukan kompleks koordinasi katalis – kokatalis dilanjutkan dengan polimerisasi pertumbuhan rantai (adisi). Reaksi terdiri dari 3 tahapan, yaitu :

2.2.3.1 Reaksi Inisiasi

Tahap ini dengan proses pengaktifan katalis oleh kokatalis membentuk suatu senyawa kompleks logam transisi yang mempunyai ikatan koordinasi dengan satu sisi aktif. Katalis yang digunakan adalah TiCl4 dan kokatalis Al(C₂H₅)₃.

Ti Cl

Cl Cl

Cl

Ti Cl Cl

Cl

Cl C₂H₅ + (C₂H₅)₃Al

Cl

Katalis Ko katalis Senyawa kompleks Gambar 2.1 Proses Pengaktifan Katalis oleh Kokatalis

Setelah katalis diaktifkan oleh kokatalis, monomer akan menyerang bagian aktif ini dan berkoordinasi dengan logam transisi, selanjutnya menyisip antara metil dan grup alkil, membentuk radikal bebas baru. Reaksi ini terus berlangsung menghasilkan radikal bebas selama polimerisasi.

(5)

Mekanisme monologam dari kompleks Ziegler-Natta :

nCH₂ = CH - CH₃ Ti

Cl Cl

Cl

Cl C₂H₅

Ti Cl Cl

Cl

Cl C₂H₅

+ Ti

Cl Cl

Cl

Cl C₂H₅

CH CH₃

CH₂

Ti Cl

CH₂ Cl

Cl

CH CH₃

C₂H₅ CH

CH₃

CH₂

Aktif katalis Propilen Radikal bebas propilen Gambar 2.2 Mekanisme Monologam Kompleks Ziegler-Natta

2.2.3.2 Reaksi Propagasi

Radikal bebas propilen terbentuk akan menyerang monomer propilen lainnya terus menerus dan membentuk radikal polimer yang panjang. Pada tahap ini tidak terjadi pengakhiran, polimerisasi terus berlangsung sampai tidak ada lagi gugus fungsi yang tersedia untuk bereaksi.

+ CH

CH₃

CH₂ Ti Cl Cl

Cl

Cl CH CH₂ CH₃ C₂H₅ CH₂ = CH - CH₃

Ti Cl

CH₂ Cl

Cl

CH CH₃

C₂H₅

Radikal bebas propilen Propilen Radikal polimer Gambar 2.3 Reaksi Polimerisasi Propilen Tahap Propagasi

(6)

Bab II Deskripsi Proses 2.2.3.3 Reaksi Terminasi

Cara penghentian reaksi yang biasa dikenal adalah dengan penghentian ujung atau dengan menggunakan salah satu monomer secara berlebihan.

Pada penghentian ujung, terjadi reaksi hidrogenasi. Hidrogen sebagai terminator akan bergabung dengan sisi aktif katalis sehingga terjadi pemotongan radikal polimer menjadi senyawa polimer dan senyawa hidrid.

Senyawa hidrid akan bergabung kembali dengan monomer propilen lainnya untuk membentuk rantai polimer yang baru.

Ti Cl Cl

Cl

CH2 CH CH₃

C2H5 n

+ H2

n

CH2 CH CH₃

H H + Ti

Cl Cl

Cl

Cl C2H5

Radikal polimer Hidrogen Polipropilen

Gambar 2.4 Reaksi Penghentian Ujung oleh Hidrogen

2.2.4 Fase Reaksi dan Kondisi Reaksi

Reaksi berlangsung dalam fase cair. Propilen masuk reaktor berwujud cair. Katalis dan kokatalis masuk reaktor berwujud slurry. Hidrogen masuk reaktor berwujud gas.

Reaktor beroperasi pada tekanan 30 bar dengan temperatur 70^oC.

Alasan pemilihan kondisi operasi adalah sebagai berikut : a. Untuk menjaga propilen agar tetap dalam fase cair.

b. Untuk menghilangkan kebutuhan akan pelarut. Adanya pelarut menyebabkan dibutuhkannya proses pemisahan pelarut dari produk.

c. Katalis dan kokatalis bekerja secara optimal pada suhu 70^oC.

(7)

Reaksi polimerisasi pembentukan polipropilen merupakan reaksi yang bersifat irreversibel dan eksotermis, karena itu reaktor dilengkapi dengan jaket pendingin untuk menjaga suhu operasi. Panas reaksi pada keadaaan standar (ΔH298) sebesar -89,1 kJ/mol (Kirk Othmer, 1997).

2.2.5 Tinjauan Kinetika Reaksi

Mekanisme reaksi polimerisasi adisi koordinasi sendiri sangat kompleks dan sulit untuk diketahui dengan pasti. Karena rumitnya polimerisasi Ziegler-Natta, tidak ada skema kinetik terpadu atau komprehensif yang muncul, yang memperhatikan dengan cukup serapan permukaan, interaksi katalis-kokatalis, penurunan aktifitas katalis, morfologi katalis, ukuran partikel dan lain-lain sehingga kecepatan transfer massa antar monomer dan katalis dapat diabaikan terhadap laju reaksi (Stevens, 2001).

Reaksi inisiasi dan reaksi terminasi berlangsung spontan atau sangat cepat sehingga laju reaksi inisiasi dan terminasi dapat diabaikan terhadap laju reaksi propagasi. Reaksi propagasi berlangsung lebih lambat sehingga

mengontrol laju reaksi keseluruhan.

Jika reaksi hanya dilihat sebagai reaksi pertumbuhan rantai polimer (reaksi propagasi) maka laju reaksi polimerisasi overall dapat ditulis dengan persamaan (Kirk Othmer, 1997) :

Rp = kp (C*) (M) (2.1)

dengan = Rp : laju kecepatan polimerisasi overall kp : konstanta kecepatan polimerisasi overall

(8)

(C*) : konsentrasi bagian aktif katalis (M) : konsentrasi monomer

Untuk sistem katalis :

Katalis : TiCl4, MgCl2

Kokatalis : Al(C₂H₅)₃ Temperatur reaksi : 70 ^oC

kp : 800 dm³/mol s

C* : 42 mmol/mol Ti

Konversi yang dapat dicapai dalam sistem reaksi fase cair sebesar 50- 60%. Dengan konversi sebesar ini, maka kontrol panas lebih baik dan distribusi berat molekul yang lebih merata (Perry, 1999).

2.2.6 Tinjauan Termodinamika

Proses pembuatan polipropilen dari propilen merupakan reaksi eksotermis atau endotermis dapat dilihat dari energi polimerisasi (∆HR) (Fried, 1995).

Reaksi :

CH

2

n nCH

2

= CH - CH

3

TiCl4 , Al(C2H5)3

CH CH

3

Propilen polipropilen Untuk monomer propilen yang bereaksi mempunyai nilai :

∆H_R : - 69,10 kJ / mol (-69.100 J/mol) Tc : 300 ^oC (573 K)

(9)

Ternyata ∆Hp menunjukan harga negatif, maka reaksinya bersifat eksotermis. Perhitungan harga tetapan kesetimbangan (K) dapat ditinjau dari rumus berikut :

Tc=^∆H^R

TC (2.2)

∆S=^∆H_T^R

C (2.3)

=-69.100 J/mol 573 K

= -120,60 J/mol.K Pada suhu 298 K :

∆G=∆H_R-T.∆S (2.4)

= (-69.100 J/ mol)-(298 K)( 120,60 J/ mol.K)

= -105.038,80 J/mol

∆G= -RTln K (2.5)

ln K= ^∆G⁰

-RT (2.6)

= -105.038,80 J/mol -8,314 J/mol .K x 298 K

= 42,40 K₂₉₈= 2,58 x 10¹⁸ Pada suhu operasi 70⁰C (343 K) :

ln ^K

K298

= ^-∆H

R (¹

T- ¹

T1

) (2.7)

ln K

2,58x10¹⁸=-69.100 8,314 ( 1

343- 1 298)

(10)

ln K

2,58x10¹⁸= -3,66

ln K- ln 2,584x10¹⁸= -3,66 ln K- 42,40 = -3,66

ln K = 38,737 K= 6,66x10¹⁶

Terlihat bahwa harga K untuk reaksi tersebut sangat besar sehingga reaksi akan berjalan satu arah ke kanan (irreversible).

2.2.7 Perbandingan Mol Reaktan

Perbandingan mol reaktan yang masuk tergantung pada jenis atau grade polipropilen yang diinginkan. Parameter perbandingan mol reaktan

yang diinginkan meliputi : 2.2.7.1 Rasio Hidrogen/Propilen

Hidrogen berfungsi sebagai pengatur melt flow yang menentukan panjang rantai atau berat molekul polipropilen. Jika diinginkan melt flow tinggi, berat molekul rendah (rantai pendek) maka dibutuhkan lebih banyak hidrogen. Setiap proses polimerisasi polipropilen dapat menghasilkan jenis produk dengan beragam grade / jenis tanpa memodifikasi peralatan proses.

Parameter pengatur jenis produk / grade adalah berat molekul yang diatur oleh rasio hidrogen berbanding propilen.

(11)

Bab II Deskripsi Proses 2.2.7.2 Rasio TEAl/TiCl4

Semakin tinggi rasio ini, semakin besar pula produktivitas katalis.

Untuk melawan kemungkinan adanya racun katalis yang terbawa masuk ke reaktor, rasio yang digunakan sekitar 40 - 50.

2.3 Diagram Alir Proses

Diagram Alir Kualitatif dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Diagran Alir Kuantitatif dapat dilihat pada Gambar 2.6.

2.3.1 Deskripsi Proses

Proses produksi polipropilen melalui beberapa unit proses : - Unit penyiapan bahan baku

- Unit reaksi

- Unit pemurnian produk 2.3.1.1 Unit Penyiapan Bahan Baku

a. Unit Penyiapan Propilen

Propilen cair dialirkan dari tangki penyimpan T-01 (30˚C, 13 bar) kemudian dipompa (P-01) sampai tekanan 30 bar menuju reaktor.

Propilen tersebut kemudian dicampur dengan propilen recycle.

b. Unit Penyiapan Catalyst System

Dari tangki penyimpan (T-02), katalis TiCl4-MgCl2 dialirkan dengan pompa (P-03) ke mixer (M). Dari tangki penyimpan (T-03) kokatalis TEAl dialirkan dengan pompa (P-02) ke mixer (M). Katalis dan kokatalis dicampur di mixer pada suhu 30˚C dan tekanan 1 bar.

(12)

Hasil campuran mixer kemudian dipompa (P-04) sampai 30 bar menuju reaktor.

c. Unit Penyiapan Hidrogen

Dari tangki penyimpan (T-04), hidrogen dikompresi (K-01) sampai tekanan 30 bar menuju ke pipa propilen umpan reaktor.

2.3.1.2 Unit Reaksi

Reaksi polimerisasi polipropilen dilakukan di dalam Continous Stirred Tank Reactor (R) pada tekanan 30 bar dan suhu 70^oC. Reaksi yang terjadi terdiri dari tiga tahapan reaksi yaitu tahap inisiasi, tahap propagasi dan tahap terminasi. Reaksi berjalan secara eksotermis dan untuk menjaga agar suhu reaktor tetap konstan maka reaktor dilengkapi dengan jaket pendingin.

2.3.1.3 Unit Pemurnian Produk

Produk reaktor terdiri dari flake polipropilen dan monomer propilen sisa reaksi. Selanjutnya dilakukan perolehan kembali monomer propilen sisa reaksi dengan cara menguapkan monomer propilen sisa reaksi sepanjang flashline (FL) menuju ke siklon. Hal ini dapat dilakukan karena resin polipropilen berwujud flake. Pemisahan monomer gas dan flake dilakukan di siklon (CY) pada tekanan 12 bar. Hasil atas siklon berupa gas monomer propilen dan hasil bawah berupa resin polipropilen. Gas monomer dicairkan kembali dengan kondensor sampai suhu 30^oC lalu dipompa sampai kondisi tekanan 30 bar dan dicampur dengan propilen fresh feed.

(13)

Resin polipropilen kemudian dibuat bentuk pellet dengan alat Extruder-Pelletizer (EX). Pellet polipropilen kemudian ditranfer ke silo (S-01) dengan pneumatic conveyor (PC).

(14)

2.3.2 Gambar Diagram Alir Proses

Catalyst TiCl4

Cocatalyst TEAl

RAW MATERIAL PROCESSING

Mixing

nC3H6 [C₃H₆]_n 70^oC ,30 atm

Reaction Product

Separation by Cyclone Reaction

Recycle

Condensing

Transfer Bin

Blow Tank

Extruder & Pelletizer

Purging

Unreacted monomer

Propylene to Storage

PRODUCTS

Hopper

Polypropylene pellet to storage

Nitrogen in Nitrogen out to flare system

Polypropylene resin

Amoniak in Amoniak out

Hydrogen Propylene

Propylene

Gambar 2.5 Diagram Alir Kualitatif

(15)

M

R Propylene to Storage

T-02

T-03

CY

C TiCl4 1,05

9,47 MgCl2

MO 15,78 TEAl 31,66

C3H6 21043,66 C3H8 262,93

TiCl4 1,05 MgCl2 9,47