PAPER
PERBANDINGAN TEKNOLOGI PROSES PEMBUATAN POLYETHYLENE
DIBUAT OLEH
NAMA : DINA NUR MARDIYAH NIM : 3335220022
KELAS : D
DOSEN PENGAMPU : PROF.DR. IR. H. FATAH SULAIMAN S.T., M. T
JURUSAN TEKNIK KIMIA-FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA
CILEGON-BANTEN
2023
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Definisi Umum
Polietilena adalah polimer yang tersusun atas monomer etena, memiliki sifat dapat melunak terkena panas, namun tidak sekuat polipropilena. polietilena biasa digunakan untuk film, tas plastik, dan botol plastik.
Atau Pengertian Polietilena yaitu polimer yang terdiri dari rantai panjang monomer etilena (IUPAC: etena). Dalam industri polimer, polietilena disingkat dengan tulisan PE, penyingkatan yang serupa juga dilakukan pada Polipropilena (PP) dan Polistirena (PS).
Polietilena (PE) atau (IUPAC polietena) ialah termoplastik yang secara luas digunakan oleh konsumen produk sebagai kantong plastik. Setiap tahunnya kurang lebih 80 juta metrik ton plastik ini diproduksi.
Molekul etena C2H4 yaitu CH2=CH2. Dari 2 grup CH2 bersatu dengan ikatan ganda. Polietilena dapat dibentuk melalui sebuah proses polimerisasi dari etena.
Polietilena dapat diproduksi melalu proses polimerisasi adisi kationik, polimerisasi ion koordinasi, polimerisasi adisi anionik, dan polimerisasi radikal.
Dari tiap-tiap metode dapat menghasilkan tipe polietilena yang berbeda.
Pembuatan polietilena merupakan proses penggabungan gugus molekul penyusunan yang disebut molekul raksasa yang disebut polimer. Proses ini lebih dikenal dengan polimerisasi atau proses pembentukan polimer. Pada saat terjadinya polimerisasi, lengan ikatan rangkap atau atom karbon lepas kemudian bergabung dengan karbon lainnya yang juga mengalami hal yang sama. Begitu seterusnya sehingga membentuk rangkaian panjang secara molekuler. Berbeda dengan polimer lainnya, polietilena memiliki jenis/grade yang banyak dan aplikasi pemakaian yang luas. Selain dapat diaplikasikan secara murni, polietilena dapat pula diaplikasikan dengan mencampurnya dengan bahan/polimer lain untuk aplikasi tertentu. Kebutuhan polietilena di Indonesia sangat tinggi dan tumbuh dengan cepat seiring dengan pertumbuhan ekonomi yang cukup tinggi.
Melihat kristalinitas dan massa molekul, titik leleh , dan transisi gelas sulit melihat sifat fisik polietilen. Temperatur titik tersebut sangat bervariasi bergantung pada tipe polietilena. Pada tingkat komersil, polietilena berdensitas menengah dan tinggi, titik lelehnya berkisar 120oC hingga 135oC.
Titik leleh polietilena berdensitas rendah berkisar 105oC hingga 115oC.
Kebanyakan LDPE, MDPE, dan HDPE memiliki tingkat resistensi kimia yang sangat baikdan tidak larut pada suhu ruang karena sifat kristalinitas mereka.
Polietilena umumnya mampu dilarutkan pada suhu yang tinggi dalam karbon aromatik seperti toluena atau xilena, atau larutan terklorinasi seperti trikloroetana atau triklorobenzena
1.2 Sejarah Polietilena
Pertama kali polietilena disintesis pada tahun 1898 oleh seorang ahli kimia yang berasal dari jerman yaitu Hans von Pechmann yang dilakukannya secara tidak sengaja pada saat sedang memanaskan diazometana. Pada saat koleganya Friedrich Tschirner dan Eugen Bamberger mencari tahu mengenai substansi putih, berlilin, mereka mengetahui kalau yang dia buat mmengandung rantai panjang - CH2- dan menamainya polimetilena.
Secara industri kegiatan sintesis polietilena pertama kali dilakukan pada tahun 1933, secara tidak sengaja oleh Reginald Gibson dan Eric Fawcett di fasilitas ICI di Northwich, Inggris. Pada saat melakukan pencampuran antara etilena dan benzaldehida pada tekanan yang sangat tinggi, mereka memperoleh substansi yang sama seperti yang diperoleh Pecchmann. Reaksi diinisialisasi oleh keberadaan oksigen dalam reaksi sehingga sulit memproduksinya pada saat itu. Tetapi ahli kimia lainnya Michael Perrin, berhasil mensintesisnya sesuai dengan harapan pada tahun 1935 dan 1939 industri LPDE pertama kali dimulai.
1.3 Sifat Fisik dan Kimia dari Bahan Baku dan Produk
Bahan Baku A. Etilena
Sifat Fisik:
Rumus kimia : C2H4
Rumus molekul : CH2 = CH2
Berat molekul : 28,052 gr/gmol
Fase : Gas
Warna : Tak berwarna
∆Hfo298K entalpi pembentukan : 12,496 kkal/gmol Log Kf298K konstanta pembentukan: -11,9345 kkal/gmol Entropi (So)298K : 52.54 kkal/gmol
Titik didih : -103,8°C
Titik lebur : -169,2°C Faktor kompresibilitas : 0,281
Kapasitas panas (Cp) : 0,909 + (3,740.10-2)T + (-1,994.10-5)T2+(4,192.10-9)T3
kkal/gmol.K Sifat Kimia:
1. Polimerisasi
Polimerisasi merupakan reaksi kimia di mana dua molekul atau lebih bergabung membentuk molekul yang lebih besar. Jika suatu campuran etilen dengan oksigen dipanaskan pada tekanan tertentu maka akan dihasilkan senyawa dengan berat molekul yang lebih besar disebut polietilena. Adapun reaksi yang terjadi sebagai berikut:
2. Hidrogenasi
Etilena dapat diubah menjadi etana melalui proses hidrogenasi langsung dengan katalis Nikel pada suhu 300oC.
Adapun reaksi yang terjadi sebagai berikut:
3. Adisi
Penambahan Brom (Br2) pada senyawa berikatan rangkap menghasilkan dibromida dengan senyawa baru menjadi jenuh.
Reaksi ini ini juga dipakai untuk mengidentifikasikan adanya suatu ikatan rangkap yang ditandai dengan hilangnya warna coklat dari larutan Brom. Adapun reaksi yang terjadi sebagai berikut:
4. Oksidasi
Oksidasi etilena secara langsung dapat menghasilkan vinil asetat. Pada saat ini untuk memproduksi vinil asetat lebih banyak digunakan etilena sebagai bahan bakunya dibandingkan dengan asetilena. Adapun reaksi yang terjadi sebagai berikut:
B. Hidrogen Sifat Fisik:
Rumus kimia : H2
Berat molekul : 2,016 gr/gmol Fase pada suhu kamar : Gas
Titik didih : -252,8 oC Titik lebur : -259,2 oC
Kapasitas panas : 6,483 +(2,215.10-3)T +(-3,298.10-6) T2+ (1,826.10-9) T3 kkal/gmol.K
Sifat Kimia:
Hidrogen merupakan unsur yang paling ringan. Molekul hidrogen meliputi dua bentuk, yaitu ortho dan para dari orientasi spin atom tetapi sifat keduanya sama. Dalam industri hidrogen digunakan sebagai pereduksi logam oksida seperti pada besi untuk pengelasan, serta operasi pengerjaan logam lainnya. Beberapa proses industri yang dalam proses sintesanya menggunakan hidrogen adalah proses amonia, asam hipoklorit, metanil dan aldehid. Selain itu juga untuk menghidrogenasi bermacam- macam produk petroleum, edible oil dan batu bara.
C. Diluent (Isobutana) C. s Sifat Fisik:
Berat molekul
Titik cair normal (1 atm) Titik beku (1 atm) Titik didih (1 atm)
: 58,12 gr/gmol : -145 oC : -159,6 oC : -11,73oC
Refractive index (20oC) Density (60o F)
Temperatur kritis Tekanan kritis Volume kritis
: 1,3169 : 4,686 gr/cm3 : 134,98oC : 529,1 lb/in2 abs : 0,0724 ft3 /lb Panas pembakaran (25oC)
Auto ignition temperature
: 21,072 Btu/lb : 477oC
Kelarutan : Tidak larut dalam air tetapi larut dalam alkohol dan eter
Spesific gravity : 0,5572 (20oC ; 1 atm) Sifat Kimia:
1. Deisomerasi
Isobutana jika dideisomerasi akan menjadi butana.
2. Reaksi hidrolisa
Bahan Pembantu (Katalis Titanium Tetraklorida) Sifat Fisik:
Rumus molekul : TiCl4
Berat molekul : 189,73 gr/gmol
Fase : Cair
Bulk Density : 927 kg/m3 Porositas : 0,88 m2 /g
Produk (Polietilena) Sifat Fisik:
Rumus molekul : (− CH2 – CH2 −)n
Berat molekul : 10.000 – 100.000 gr/gmol FaseWarna : Padat
Berat jenis : Putih
Kristalinitas : 0,94 – 0,965 gr/cc Titik lebur kristal : 55 – 85 %
Koefisien friksi : 0,06 – 0,3
Konduktivitas thermal: 2,3 – 3,4 Btu/j.ft2.oF Sifat Kimia:
1. Tidak larut dalam pelarut apa pun pada suhu kamar tetapi mengendap oleh hidrokarbon dan karbon tetraklorida.
2. Tahan terhadap asam dan basa.
3. Dapat dirusak oleh asam sulfat pekat.
4. Tidak tahan terhadap cahaya dan oksigen.
5. Bila dipanasi secara kuat akan membentuk sambung silang yang dikuti dengan pembelahan ikatan secara acak pada suhu lebih tinggi, tetapi dipolimerisasi tidak terjadi.
6. Larutan dari suspensi polietilena dengan karbon tetraklorida pada suhu sekitar 60°C dapat direaksikan dengan Cl membentuk produk lunak dan kenyal. Pemasukan atom C1 secara acak ke dalam rantai dapat menghancurkan kekristalan polietilena.
7. Polietilena thermoplastic dapat diubah menjadi elastomer tervulkanisir yang mengandung sekitar 30% Cl dan 1,5% belerang melalui pengklorosulfonan. Vulkanisir pada umumnya dilakukan melalui pemanasan dengan oksida logam tertentu. Hasil akhir yang berupa hipalon, tahan terhadap bahan kimia dan cuaca.
1.4 Kegunaan Produk
Hasil polimerisasi etilena, merupakan senyawa berupa padatan putih, thermosetting, tahan panas, tahan terhadap pengaruh bahan kimia, daya regangan tinggi, sifat elektrisnya baik, tidak menguap serta tidak beracun. Karena sifat sifatnya yang menguntungkan ini polietilena mempunyai kegunaan cukup luas.
Kegunaan polietilena antara lain untuk:
a. Isolasi atau bahan pelapis pada kawat/kabel.
b. Bahan pembuatan botol.
c. Membuat barang plastik atau kantung plastik.
d. Membuat shopping bag.
e. Bahan baku pembuatan container.
f. Bahan semikonduktor.
g. Bahan pembuatan pipa.
h. Bahan pembuatan film (kantong kresek).
1.5 Manfaat Polietilena
Polietilena bermanfaat sebagai bahan dasar pembuatan plastik. Karena jenis polietilena sangat banyak, maka dapat dihasilkan berbagai macam produk plastik, contohnya LDPE dapat dimanfaatkan menjadi botol kemasan air mineral, MDPE dapat dibuat menjadi Tupperware, dan HDPE dapat dimanfatkan menjadi pipa- pipa pada pabrik. Selain itu polietilena berdensitas tinggi dapat dibuat menjadi tandontandon untuk menyimpan bahan kimia.
Tandon-tandon polietilena memiliki beberapa kelebihan misalnya, tahan sinar UV, tahan cuaca ekstrim, dan installasi yang mudah.
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Proses Pembuatan Polietilena
Secara umum proses-proses yang menghasilkan polietilena jenis high density bekerja pada kondisi tekanan dan suhu lebih tinggi dibandingkan dengan proses- proses yang menghasilkan polietilena jenis low density. Ditinjau dari beberapa hal seperti : fase reaksi, penggunaan katalis, jenis reaktor serta kondisi operasi ada bermacam-macam proses yang sudah dikembangkan oleh industri antara lain:
a. Proses Solution (Fase Cair)
Proses ini telah banyak dikembangkan oleh banyak industri, termasuk di antaranya : Du Pont, Dow, DSM- Stanicarbon, Sumitomo dan Mitsui Petrochem. Proses ini memproduksi polietilena jenis LDPE dan HDPE.
Keuntungan proses ini adalah bisa digunakan untuk berbagai macam komonomer. Bahan baku etilena dilarutkan dalam diluentt, misalnya sikloheksana dan dipompa ke reaktor pada 10 Mpa. Reaksinya adiabatis dan suhu reaksi pada 200-300 oC. Feed mengandung 25 % berat dan 95 % dikonversikan menjadi polietilena. Larutan polietilena keluar dari reaktor ditreatment dengan deactivating agent dan dilewatkan bed alumina di mana katalis yang terikut diabsorbsi.
b. Proses Fase Gas
Proses fluidized bed untuk produksi polietilena dikembangkan pada akhir tahun 1960 oleh Union Carbida dan BP Chemical. Proses ini bersaing dengan proses solution dan tekanan tinggi, dimana biaya operasi proses ini lebih rendah. Unit-unit fluidized bed dibangun sebagai dual purpose plant (swing plant). Dengan kemampuan produksi LDPE dan HDPE. Range dencity yang dapat diproduksi dari 890-970 kg/m3 . Reaktor yang digunakan berbentuk silindris pada fase reaksi kimia kecepatan gas masuk dapat berkurang sehingga partikel dapat turun kembali ke bed. Katalis Ziegler-Natta, yaitu senyawa organik logam transisi seperti TiCl4 dan organil logam alkali (C3H5)3Al. Gas etilene diumpankan ke dalam reaktor fluidized bed. Secara terpisah katalis dimasukkan ke dalam reaktor. Polimerisasi terjadi pada tekanan 21 atm dan suhu 80-110 oC tergantung dencity produk yang dibuat. Granular polietilena hasil reaksi ditampung dalam suatu di scharge system. Sedangkan etilena yang tidak bereaksi didaur ulang. Polietilena dicuci dengan gas nitrogen atau gas inert lain.
c. Proses Slurry (Suspension)
Pembentukan polietilena tersuspensi dalam diluent hidrokarbon untuk pertama kali dipatenkan oleh Ziegler. Pada tekanan tertentu katalis ziegler dapat menghasilkan yield yang tinggi, dengan kondisi temperatur di mana polietilena tidak larut dalam diluentt tersebut sedangkan proses Philips ditemukan dalam laboratorium sebagai proses solution yang menggunakan katalis Ziegler dan katalis Philips. Tetapi karena lisensinya hanya untuk penggunaan katalis, maka terdapat banyak perbedaan design proses. Pada dasarnya proses slurry dibagi menjadi dua proses:
1. Proses autoclave
Tekanan yang digunakan 0,5-1,0 Mpa dengan menggunakan reaktor besar (±100 m3 ) suhu reaksi 80-90 oC. Diluentt yang digunakan adalah hidrokarbon dengan titik didih rendah misalnya heksana. Katalis dicampur dengan diluent sebagai campuran slurry dalam tangki pencampur katalis sebelum diumpankan dalam reaktor. Untuk mempercepat reaksi dilakukan untuk memisahkan diluent yang akan direcycle ke reaktor. Polimer dikeringkan dalam fluidized bed dryer yang secara kontinyu dialirkan nitrogen.
2. Proses loop reactor
Kondisi reaktor pada 85oC dan 35 atm dengan menggunakan katalis Ziegler. Diluent yang digunakan adalah isobutane. Katalis diumpankan ke reaktor dengan diluent dari tangki slurry katalis. Setelah keluar dari reaktor, isobutane diuapkan dalam flash tank, dikondensasikan dan direcycle.
d. Proses ICI
Dapat digunakan dua macam reaktor, yaitu autoclave tekanan tinggi atau jacketed tube. Proses ini merupakan polimerisasi tekanan tinggi dengan memanfaatkan oksigen sebagai katalis. Proses ini termasuk polimerisasi radikal bebas. Etilena dengan kemurnian 99,95 % diumpankan ke dalam reaktor autoclave. Dalam reaktor ini terjadi polimerisasi pada suhu 212- 572 oF dan tekanan 1000 - 2000 atm. Reaksi ini diawali dengan penambahan oksigen.
Produk dari autoclave yang berupa campuran polimer dan monomer diumpankan pada sebuah separator, di mana pada tekanan rendah polietilena akan mengembun dan etilena yang tidak bereaksi tetap berupa gas. Etilena sisa didaur ulang ke kompresor utama untuk dicampur kembali, sebelum diumpan balik ke reaktor autoclave. Setelah proses polimerisasi selesai selanjutnya proses hilir akan menyelesaikan produk polietilena mengenai handling dan finishing-nya.
2.2 Teknologi yang Digunakan Dalam Pembuatan Polyetilene a. Teknologi Unipol (Fase Gas)
Proses polimerisasi fase gas pertama kali dibangun oleh Union Carbide pada tahun 1977, dan dipatenkan dengan nama Unipol process.
Teknologi ini juga dikembangkan oleh British Petroleum Company.
Teknologi ini hemat secara ekonomi, fleksibel, dan memiliki kisaran yang luas dalam penggunaan katalis padat. Proses Unipol menggunakan reaktor fluidized bed dengan bagian untuk berlangsungnya reaksi berbentuk silinder, dan bagian yang mengembang untuk menurunkan kecepatan gas sehingga memungkinkan entrained particles polymer jatuh kembali ke dalam unggun (bed). Tinggi reaktor dapat mencapai 25 meter, reaktor beroperasi pada tekanan 1,5-2,5 MPa (15-25 atm) dengan temperatur 70-95 oC.
Gas ethylene, comonomer (1-butene) dan hidrogen dimasukkan ke dalam reaktor melalui perforated distribution plate di bagian bawah reaktor yang sebelumnya telah melewati tahapan pemurnian. Katalis diumpankan ke dalam reaktor melalui catalyst feeder yang terletak disamping reaktor. Katalis padat yang digunakan adalah katalis TiCl4 digabungkan dengan Co-catalyst TEAL (Try Ethyl Alumunium) sehingga membentuk katalis Ziegler-Natta. Partikel katalis tinggal dalam reaktor selama 2.5 sampai 4 jam.
Aliran Gas dari bawah dan katalis dari samping akan membentuk fluidisasi, sehingga diharapkan akan terjadi reaksi polimerisasi yang akan membentuk resin polyethylene. Pada saat start up digunakan benih resin untuk membantu mempercepat proses polimerisasi, diharapkan dengan adanya benih resin tersebut proses fluidisasi dapat berlangsung sempurna.
Pada proses Unipol, reaktor polimerisasi fluidized bed dioperasikan tanpa zona pengurangan kecepatan atau cyclone untuk memisahkan partikel yang bagus dari gas, ternyata memiliki beberapa keuntungan. Keuntungan yang pertama adalah pembentukan lembaran yang curam di dinding atau kerak pada zona transisi dapat dihilangkan. Hasilnya akan mengurangi shutdown pada reaktor. Keuntungan yang kedua adalah kedalaman dari area bed polimerisasi dapat divariasikan sehingga output reaktor dapat ditingkatkan dengan kondisi operasi yang bagus pula.
Gambar 1. PFD Teknologi Unipol b. Teknologi Sclairtech (Fase Cair)
Solution process ini telah dikembangkan oleh beberapa perusahaan seperti Du Pont, Dow, DSM dan Mitsui untuk memproduksi HDPE dan LLDPE. Salah satu proses yang terkenal adalah proses Sclairtech dari Du Pont Kanada pada tahun 1960. Temperatur reaksi pada reaktor ialah sekitar 200- 300 ℃ dengan tekanan reaktor 10 MPa. Sebelum diumpankan kedalam reaktor, etyhlene dilarutkan pada diluen seperti cyclohexane kemudian diumpankan ke reaktor dengan komposisi 25% ethylene. Di dalam reaktor, konversi reaksinya adalah sebesar 95% dengan waktu tinggal reaktan sekitar 2 menit.
Katalis yang biasa digunakan merupakan katalis campuran VOCl3 dan TiCl4 yang diaktifkan oleh aluminium alkil. Larutan polyethylene yang meninggalkan reaktor diolah dengan zat deaktifasi dan kemudian campurannya melewati alumina dimana residu dari katalis yang sudah dideaktifasikan diadsorb. Pelarut dan comonomer yang tidak bereaksi diuapkan dalam tahap depressurization. Setelah ekstrusi menjadi pellet, penghilangan pelarut dilakukan dengan melewatkan aliran gas panas melewati tumpukan pellet Kelemahan dari proses ini yaitu terdapatnya tahapan penghilangan katalis sehingga memperbesar biaya proses.
Gambar 2. PFD Teknologi Sclairtech
2.3 Perbandingan Teknologi
Perbandingan proses pembuatan Linear Low Density Polyethylene terdapat pada Tabel 1. Pada tabel tersebut ditampilkan berbagai jenis proses produksi LLDPE beserta parameter yang dapat digunakan dalam melakukan pemilihan proses produksi LLDPE.
Tabel 1. Perbandingan Teknologi Pembuatan polyethylene
Parameter yang Ditinjau
Jenis Teknologi Unipol Sclairtech Tipe Reactor Fluidized bed CSTR Tekanan (Mpa) 0.7 – 2 10
Temperatur (oC) 80-100 200-300
Konversi Reaksi 99% 95%
Densitas (g/cm3) 0.910-0.970 0.910-0.955
Melt Index <0.01-200 <0.01-200
Berdasarkan uraian yang terdapat diatas dipilihlah teknologi unipol (fase gas). Pemilihan ini dilakukan dengan memperhatian beberapa alasan yaitu:
Pengoperasiannya mudah karena proses yang sederhana dan biaya operasinya yang rendah; Prosesnya menggunakan fase gas dan tidak adanya solvent, yang kemungkinan terjadinya aglomerasi lebih kecil; Memiliki kemurnian yang tinggi dan produk yang dihasilkan seragam; Kondisi operasi berlangsung pada suhu dan tekanan yang rendah (80-100 ºC dan 0,7-2 MPa) dimana proses operasi realtif aman; Konversi reaksi yang diperoleh mencapai 99% sehingga secara ekonomis proses ini layak dibuat dalam skala pabrik.
BAB III KESIMPULAN
Adapun kesimpulan yang diperoleh dari pembuatan polyethylene ini, yaitu:
1. Polietilena adalah suatu bahan yang termasuk dalam golongan polimer dan bahan tersebut bersifat termoplastik. Dalam industri polietilena banyak digunakan sebagai bahan baku pada industri kontainer, kawat atau kabel, botol, pipa, film, semikonduktor serta, produk-produk lainnya yang terbuat dari plastik.
2. Polietilena merupakan hasil polimerisasi dari etena (C2H4), sehingga rumus molekulnya (C2H4)n.
3. Kegunaan Polietilena adalah sebagai bahan baku dalam industri plastik.
4. Teknologi unipol (fase gas) dipilih dalam pembuatan polietilena karena proses yang sederhana dan biaya operasinya yang rendah.
DAFTAR PUSTAKA
Alfarizi, M.N. Polietilena. https: //www.academia.edu/30798227/POLIETILENA.
Diakses pada 17 Desember 2023 pukul 20.45
Husna, Ahdiatma Ilafi dan Titis Mulya Habibah. 2021. PRA RANCANGAN PABRIK LINEAR LOW DENSITY POLYETHYLENE (LLDPE) DENGAN PROSES POLIMERISASI FASE GAS DENGAN KAPASITAS 330.000 TON/TAHUN.
Yogyakarta: Universitas Islam Indonesia Yogyakarta
Susanti, Karlina Hari. 2009. PRARANCANGAN PABRIK HIGH DENSITY POLYETHILENE (HDPE) PROSES PHILIPS LOOP REACTOR KAPASITAS140.150 TON PER TAHUN. Surakarta: Universitas Muhammadiyah Surakarta