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)
