7. Polyester Poliester dibentuk dari monomer-monomer ester. Salah satu contoh polimer ini
adalah dakron. Dakron digunakan sebagai serat tekstil. Selain dakron dikenal pula Mylar, yang digunakan sebagai pita perekam magnetik.
8. Polyurethanes Polyurethanes
banyak digunakan untuk produk-produk yang terbuat dari foam, serat, dan yang digunakan untuk elastomer dan pelapis coating. Aplikasinya
dalam kehidupan sehari-hari misalnya untuk pembuatan wadah dari foam, untuk industri garmen, untuk aplikasi bahan bangunan dan sebagainya.
9. Karet alam dan karet sintetis Karet diperoleh dari getah pohon karet lateks. Karet alam merupakan polimer
isoprena. Karet sintetis terdiri dari beberapa macam, misalnya polibutadiena, polikloroprena dan polistirena. Karet sintetis yang telah banyak dikenal yaitu
SBR. SBR terdiri dari monomer stirena dan 1,3-butadiena, banyak digunakan untuk pembuatan ban mobil.
Purba, 2000
2.3 Polibisfenol-a Karbonat Polikarbonat
Polibisfenol-a karbonat atau lebih sering disebut sebagai polikarbonat adalah produk utama yang diproduksi dari Pra Rancangan Pabrik Polibisfenol-a Karbonat.
Perkembangan dari resin termoplastik polikarbonat merupakan suatu sub bagian dari polyester secara umum. Sejak Einhorn menyiapkan larutan ini pertama
kali dari resorcinol dan hidrokuinon pada tahun 1898, penelitian yang focus pada keefesienan dalam penyiapan resin dan sifat-sifatnya. Sintetis yang umum digunakan
adalah menyiapkan fosgen dalam larutan piridin. Sifat yang sangat bagus dari polikarbonat aromatis, khususnya turunan dari
2,2 bis 4 hidroksifenil propan bisfenol-a atau BPA disiapkan dalam jumlah yang cukup besar.
Polibisfenol-a karbonat merupakan polimer hasil reaksi antara polimerisasi antara senyawa bisfenol-a yang dideprotonisasi menjadi garam bisfenol dengan gas
fosgen, dengan bantuan katalis cair piridin Legrand, 2000. Adapun kegunaan polimer polibisfenol-a karbonat ini antara lain:
Universitas Sumatera Utara
Kegunaan utama, diterapkan pada pengkacaan karena sifatnya yang tembus pandang.
Perabotan dapur seperti peralatan makan, galon air, blender. Keunggulannya yaitu tidak mudah pecah dan memenuhi standar FDA Food Drug
Administration .
Insulator alat elektrik dan alat elektronik seperti komponen computer, dan chasing handphone
. Perangkat optik seperti kaca mata, lensa kamera, CD Compact Disc.
Komponen kendaraan seperti kaca helm, jendela mobil, dan lampu mobil. Peralatan kedokteran seperti blood oxygenators, dialysers, infusion units.
Komponen arsitektur seperti jendela, atap transparan. Sari, 2008
2.4 Sifat-Sifat Bahan Baku dan Produk 2.4.1 Sifat-Sifat Bahan Baku
A. Fosgen COCl
2
1. Berat Molekul : 98,92 grmol
2. Berwujud gas pada suhu kamar 3. Titik leleh
: -127,84
o
C 4. Titik didih
: 7,48
o
C 5. Densitas pada 20
o
C : 4,248 kgm
3
6. Tekanan uap pada 20
o
C : 161,68 kPa Neogi, 2000
B. Bisfenol-a C
15
H
16
O
2
1. Berat molekul : 228 grmol
2. Berbentuk padatan putih atau granular. 3. Sangat higroskopis.
4. Titik didih : 220
o
C 5. Titik leleh
: 157
o
C 6. Densitas 25
o
C : 1,195 gcm
3
7. Kapasitas panas pada 25
o
C : 0,35 kalg
o
C APME, 1997
Universitas Sumatera Utara
C. Metilen Klorida CH
2
Cl
2
1. Berat molekul : 84,93 grmol
2. Densitas : 1,33 grcm
3
3. Titik didih : 39,6
o
C 4. Titik leleh
: -96,7
o
C 5. Tekanan uap
: 47 kPa pada 20
o
C 6. Viskositas
: 0,244 cP 7. Kelarutan dalam air
: 13 gL pada 20
o
C Perry, 2008
D. Piridin C
5
H
5
N 1. Berat molekul
: 79,1 gmol 2. Berbentuk cairan tak bewarna
3. Densitas : 0,9819 gcm3
4. Titik leleh : -41,6
o
C 5. Titik didih
: 115,2
o
C 6. Tekanan uap
: 18 mmHg 7. Viskositas
: 0,88 cP Perry, 2008
E. Natrium Hidroksida NaOH 50 1. Berat molekul
: 39,997 grmol 2. Berbentuk padatan putih
3. Densitas pada 20
o
C : 1,5203 gcm3
4. Titik leleh : 613,1
o
C 5. Titik didih
: 2534
o
C 6. Melarut sempurna di dalam air
Yaws, 1996 ; Perry, 1997; Geankoplis, 1997
F. Air H
2
O 1. Titik beku
: 0
o
C 2. Massa jenis es 0
o
C : 0,92 grcm
3
Universitas Sumatera Utara
3. Massa jenis air 25
o
C : 0,9978 gr cm
3
4. Titik didih 1 atm : 100
o
C 5. Temperatur kritis
: 347
o
C 6. Tekanan kritis
: 217 atm 7. Viskositas 25
o
C : 0,8973 cP
Perry, 2008 ; Windholz, 1983
2.4.2 Sifat-Sifat Produk
A. Polibisfenol-a Karbonat Polikarbonat C
16
H
14
O
3 43
1. Berat molekul : 1096 grmol
2. Densitas : 1,2 grcm
3
3. Kapasitas panas : 0,32 kJ K. mol
4. Koefisien ekspansi termal : 2,6 x 10
4
pada 40
o
C 5. Indeks refraksi
: 1,586 pada temperatur ruangan 6. Terdiri dari 43 kali monomer yang bergabung
Madkour, 1999
B. Natrium Klorida NaCl 1. Berat molekul
: 58,44 grmol 2. Densitas
: 2,165 grcm
3
3. Kapasitas panas : 0,0367 kJ K. mol
4. Titik didih : 1413
o
C 5. Titik leleh
: 801
o
C 6. Kelarutan dalam air
: 359 grL Perry, 2008
2.5 Teknologi Proses Polimerisasi Bisfenol-a dan Fosgen menjadi
Polikarbonat
Menurut Byrson, J.A pada tahun 1995, reaksi polimerisasi dapat dilakukan pada fase cair, gas maupun padat. Proses polimerisasi yang mula-mula banyak
digunakan adalah polimerisasi dalam fase cair atau larutan. Permasalahan utama
Universitas Sumatera Utara
yang timbul dari proses semacam itu adalah pemisahan katalis dan sisa pelarut dari produk dan memiliki biaya yang tinggi.
Perkembangan katalis baru untuk reaksi polimerisasi yang jauh lebih baik dimulai pada tahun 1970-an. Proses fasa gas ini memiliki kelebihan yaitu tidak
memerlukan adanya proses pemisahan katalis dari polimer, katalis sudah menyatu dalam produk. Kesulitan utama dari proses polimerisasi fasa gas adalah pengendalian
aktivasi katalis dan kemungkinan terbentuknya oligomer. Oligomer adalah rangkaian beberapa molekul bukan polimer, misalnya dimer, trimer, tetramer dan lain-lain.
Penggunaan katalis sangat berpengaruh pada faktor ekonomis dari teknologi polimerisasi. Reaksi polimerisasi adisi memerlukan adanya senyawa pemicu, yaitu
senyawa yang dapat memberikan muatan atau elektron bebas pada ikatan rangkap ethylene. Tanpa katalis reaksi polimerisasi dapat berlangsung pada suhu tinggi
350
o
C-500
o
C dengan tekanan 2.5-10 atm. Hal ini karena energi aktivasi cukup tinggi yaitu sekitar 35-43.5 kkalmol. Adanya katalis akan mempercepat jalannya
reaksi yaitu dengan mengurangi energi aktivasi yang diperlukan. Secara ringkas faktor penentu dari keberhasilan proses polimerisasi adalah
tipe katalis yang digunakan. Katalis ini harus memilki keaktifan yang tinggi namun mudah dikendalikan. Katalis yang masih banyak digunakan saat ini adalah piridin.
Proses dasar polimerisasi bisfenol-a dan fosgen yang mula-mula dipatenkan adalah proses yang digunakan oleh Einhorn yang mereaksikan hidrokuion,
resorsinol, katekol dengan fosgen dalam larutan piridin. Pada tahun 1902, Bischoff dan Hedenstroem melaporkan sintesis untuk jenis polimer yang sama melalui proses
transesterifikasi difenil karbonat. Reaksi antara BPA, fosgen, dan monohidric fenol dalam larutan metilen klorida dan digabungkan dengan larutan natrium hidroksida
menjadikan proses ini dipilih oleh berbagai produsen utamanya. Pemakian piridin sebagai katalis karena kemudahan dalam perolehan kembali melalui unit pemisahan
sederhana Legrand, 2000.
Universitas Sumatera Utara
2.5.1 Macam-Macam Proses Pembuatan Polibisfenol-a Karbonat
Ada 2 macam proses pembuatan produk polibisfenol-a karbonat, yaitu :
A. Teknologi Interfacial
Proses dasar dari jenis ini ditunjukkan pada gambar 2.1 di bawah ini.
Gambar 2.1 Tahap Pembentukan Polikarbonat BPA melalui Sintesis Interfacial Legrand, 2000
BPA mula-mula dimasukkan ke dalam reaktor bersama dengan NaOH dan monohidric fenol untuk mengendalikan berat molekul polimer dan fosgen
ditambahkan dalam bentuk gas ke dalam larutan ini. Melalui cara ini akan mencegah terbentuknya produk samping HCl. Penambahan larutan kaustik ini
membuat dua fasa sistem cair-cair. Pada pH yang tinggi 9-12, volume fasa organik yang sedikit, dan tingginya konsentrasi BPA, sistem juga mengandung fasa ketiga
yaitu monodianion dari BPA. Setelah reaksi selesai, fasa organik dicuci dengan sejumlah asam dan air beberapa kali untuk mengeluarkan residu basa dan garam
atau dengan penambahan metilen klorida berlebih untuk memudahkan pemisahan. Resin polikarbonat yang dihasilkan dikumpulkan melalui pergantian pelarut diikuti
dengan penguapan evaporasi pelarut, melalui presipitasi steam secara langsung,
Universitas Sumatera Utara
atau dengan mengendapkan pelarut melalui penambahan anti solven seperti MeOH diikuti dengan filtrasi dan pengeringan.
Sejalan dengan temperatur reaksi yang rendah dari prosedur sintetis ini 40
o
C, berat molekul rata-rata dari polimer berakhir pada sebuag kinetika distribusi. Variabel yang dominan mempengaruhi komposisi resin adalah linear
velocity, rasio volume cair-cair, pH larutan, dan rasio fosgenBPA Legrand, 2000.
B. Proses Transesterifikasi
Proses ini menggunakan katalis basa pada polimerisasi kondensasi dari DPC dengan BPA. Secara umum, reaksinya ditunjukkan dalam gambar 2.2 di bawah ini.
Gambar 2.2 Sintetis Melt BPAPC secara Umum Legrand, 2000
Reaksi berlangsung pada temperatur tinggi 150-350
o
C yang dimulai dengan pembentukan monomer, oligomer, dan akhirnya polimer. Tekanan reaktor meningkat
selama reaksi berlangsung. Range tekanan berkisar antara 150-200 torr. Dengan menggunakan metode ini, resin BPA-PC disiapkan tanpa tambahan pelarut, tahap
pengeringan, atau fosgen. Ketika proses dirancang, dan kualitas dari resin akhir secara langsung berhubungan kepada kualitas dan permulaan monomer. Hal ini
menjadikan jumlah dari kontaminan sisa dalam resin akhir bisa dikendalikan. Berdasarkan data eksperimental, penambahan anion fenoksi ke dalam link
karbonat, diikuti tahap produksi oligomerpolimer. Pertama sekali anion basa fenoksi ditambahkan ke dalam grup karbonat, sebuah anion fenoksi dilepaskan.
Pendestilasian fenol dari melt setelah pelepasan anion fenoksi menggantikan sebuah proton dengan grup hidroksi lainnya atau BPA : pergantian proton sangat cepat
terjadi dan konstanta keseimbangan untuk reaksi fenoksid dengan BPA umumnya seragam. Konversi dari monomer menjadi BPA-PC dikendalikan oleh pengeluaran
konstan fenol dari melt. Pengeluaran fenol ini dari larutan reaksi ditetapkan untuk produksi polimer dengan berat molekul tinggi. Berdasarkan evaluasi dari data yang
dipublikasikan, proses kondensasi ini cukup efektif. Kebutuhan katalis untuk menyempurnakan konversi menjadi polimer berada pada range 10-250 ppb.
Universitas Sumatera Utara
Keuntungan dari proses ini adalah produksi resin memiliki distribusi berat molekul yang seragam sehingga pada kondisi normal, resin anhidrat tidak perlu
diredistribusi lagi Legrand, 2000.
2.5.2 Perbandingan Proses Pembuatan Polibisfenol-a Karbonat Tabel 2.4 Perbandingan Proses Pembuatan Polibisfenol-a Karbonat
Faktor Teknis Teknologi Interfacial
Proses Transesterifikasi Tekanan Operasi atm
1 19
– 26,6 Suhu Operasi
o
C 25-30
150-350 Jenis Reaktor
Stirred reactor Stirred reactor
Jumlah Reaktor 2
5 Waktu Tinggal jam
1-1,5 jam 2 jam
Konversi reaksi Mencapai 99,83
90-95 Produk samping
NaCl Fenol
Katalis Cair piridin,
tetraetilamin Padat phosgonium
Sumber : Legrand, 2000 ; Othmer, 2004, Schnell dkk, 1970 ; Moyer dkk, 1961
Dalam pra rancangan pabrik polibisfenol-a karbonat ini dipilih proses Teknologi Interfacial
. Pemilihan proses dipilih dengan memperhatikan : Pengoperasiannya mudah karena proses yang sederhana.
Konversi reaksi yang tinggi mencapai 99,83 sehingga secara ekonomis layak dibuat dalam skala pabrik.
Pengendalian yang lebih mudah dan murah karna berlangsung pada suhu dan tekanan ruangan.
2.6 Deskripsi Proses Pembuatan Polibisfenol-a Karbonat
Berdasarkan uraian sebelumnya maka digunakan proses polimerisasi dengan teknologi interfacial dalam membuat polibisfenol-a karbonat ini. Secara keseluruhan
proses pembuatan polibisfenol-a karbonat ini terdiri dari 2 tahapan reaksi yang didahului deprotonasi bisfenol menjadi garam bisfenol dan dilanjutkan dengan
polimerisasi garam bisfenol menjadi polibisfenol-a karbonat dengan bantuan katalis piridin.
Universitas Sumatera Utara
Umpan berupa bisfenol-a yang berupa padatan dan larutan NaOH diumpankan ke reaktor deprotonasi R-101. Reaksi yang terjadi adalah:
2NaOH
l
+ C
15
H
16
O
2s
C
15
H
14
O
2
Na
2l
+ 2H
2
O
l
Natrium hidroksida bisfenol-a
garam bisfenol air
Reaksi deprotonasi ini berlangsung pada temperatur 40
o
C dan tekanan 1 atm. Karena reaksi berlangsung endotermis, pemanasan diberikan melalui saturated steam yang
dilewatkan melalui koil pemanas. Konversi yang diperoleh sebesar 95. Produk dari R-101 menjadi reaktan pada reaktor polimerisasi R-102. Reaksi yang terjadi
adalah:
43C
15
H
14
O
2
Na
2 l
+ 43COCl
2g
C
16
H
14
O
3 43l
+ 86NaCl
l
Garam bisfenol fosgen
polibisfenol-a natrium
karbonat klorida
Karena reaksi pembentukan polibisfenol-a karbonat ini berlangsung pada 25
o
C, maka sebelum memasuki reaktor polimerisasi, umpan harus melalui cooler E-101.
Campuran garam bisfenol dipompakan menuju reaktor polimerisasi R-102 diikuti juga gas fosgen COCl
2
yang diumpankan sparging dari bagian bawah reaktor. Pada kondisi tersebut diperoleh konversi 99,83.
Untuk menurunkan energi aktivasi maka ditambahkan katalis piridin C
5
H
5
N. Untuk memudahkan pemisahan produk dengan sisa reaktan baik dari R- 101 maupun dari R-102, maka ditambahkan pelarut inert berupa metilen klorida
CH
2
Cl
2
dari mixing point II M-102. Penambahan pelarut ini merupakan kelebihan dari teknologi interfacial yang menjadikan terciptanya 2 lapisan yaitu antara lapisan
organik polimer dan lapisan aqoeus sisa reaktan sehingga akan memudahkan dalam proses pemisahan selanjutnya. Karena reaksi bersifat eksotermal maka pada
reaktor ditambah jacket pendingin yang dilewati oleh air pendingin. Gas fosgen yang diumpankan dari bawah reaktor menyebabkan kontak antara
garam bisfenol dengan fosgen ini lebih bagus dan meningkatkan efektivitas reaksi polimerisasi. Alasan utama pemilihan reaktor CSTR karena reaktor ini merupakan
jenis reaktor yang dapat memberikan nilai efektivitas tertinggi terhadap reaksi polimerisasi, dimana selama berlangsungnya reaksi polimerisasi ini diharapkan
Universitas Sumatera Utara
terciptanya karakteristik aliran yang sama pada semua daerah di dalam reaktor sehingga menghasilkan produk polimer yang konsisten.
Hasil reaksi berupa polibisfenol-a karbonat C
16
H
14
O
3 43
dengan berat molekul rata-rata Mr 10922 kgkmol atau 10922 grammol dengan jumlah n
monomer sebanyak 43 kali. Setelah reaksi polimerisasi selesai, terdapat kelebihan gas fosgen yang tidak bereaksi. Gas ini akan dikembalikan lagi di-recycled ke
dalam reaktor polimerisasi R-102 bersama dengan umpan segar fosgen. Laju keluaran dari reaktor ini merupakan campuran dari bisfenol-a. NaOH,
air, garam bisfenol, polibisfenol-a karbonat, NaCl, piridin, dan metilen klorida. Campuran ini telah membentuk 2 fasa, yaitu polibisfenol-a karbonat, piridin, metilen
klorida di fasa organik, sedangkan NaCl, bisfenol-a. NaOH, air, garam bisfenol berada di fasa aqoeus.
Campuran yang tidak saling melarut ini diumpankan ke dekanter graviti I FL-101 sehingga fasa aqoeus secara overflow dialirkan langsung ke tangki
penyimpanan produk samping yang akan dijual sebagai bahan baku garam farmasi. Larutan polibisfenol-a karbonat selanjutnya diumpankan ke dekanter graviti II FL-
102. Pada dekanter ini ditambahkan metilen klorida sebanyak 50 dari total metilen klorida yang ditambahkan di R-102. Tujuan penambahan ini adalah untuk
menggumpalkan polibisfenol-a karbonat dan piridin akan terpisah dengan efisiensi 90, yaitu 10 piridin akan ikut terbawa pada aliran bottom, dan 90 sisanya
berada pada fasa aqoeus, hal ini berbanding terbalik dengan aliran metilen klorida sedangkan polibisfenol-a karbonat seluruhnya mengalir pada aliran bottom. Keluaran
dari bottom dekanter II FL-102 bersifat basa pH =11 sehingga untuk menetralkannya digunakan air panas bersuhu 80
o
C pada Washer W-101. Setelah larutan netral pH = 7, dan suhu keluaran dari Washer W-101
34,6671
o
C, maka untuk pemisahan antara polibisfenol-a karbonat, air, metilen klorida, dan piridin dilangsungkan di flash drum S-101 dengan suhu operasi 50
o
C, sebelumnya campuran tersebut dilewatkan pada heater E-104 untuk mencapai suhu
pemisahan. Pada aliran atas uap diperoleh metilen klorida hingga 97, dan sisanya air, dan piridin. Untuk me-recycle metilen klorida pada mixing point II M-102
maka, campuran uap metilen klorida, piridin, air, dilewatkan pada dessicant yang telah diisi silika gel. Dalam dessicant DS-101, terjadi penjerapan air dan piridin
Universitas Sumatera Utara
berdasarkan ukuran pori. Metilen tidak terjerap sama sekali karena pore size dari metilen yang lebih besar lebih besar daripada ukuran pori silika gel. Dessicant ini
terdiri dari 6 bilik yang setiap bagiannya terdiri atas silika gel segar. Pergantian tiap bilik dilakukan setiap 4 jam sekali disertai pelewatan udara panas untuk
menghilangkan kejenuhannya. Pada aliran bawah flash drum aliran liquid terdapat polibisfenol-a karbonat,
metilen, piridin, dan sejumlah besar air. Kandungan air di dalam campuran ini menyebabkan konsentrasi polibisfenol-a karbonat ini hanya 27 sedangkan sebelum
memasuki unit pengering, kadar polibisfenol-a karbonat harus mencapai 90. Untuk hal tersebut, maka dilakukan pengentalan dengan cara menguapkan kandungan air di
dalamnya dengan menggunakan evaporator. Karena besarnya uap air yang harus diuapkan, maka dilangsungkan triple effect evaporator dengan sistem forward feed
untuk menghemat pemakaian steam ekonomi steam. Pada evaporator I FE-101 dilangsungkan pada temperatur 114,7
o
C untuk menguapkan piridin dan metilen klorida yang masih terikut. Uap dari evaporator I FE-101 menjadi media pemanas
di evaporator II FE-102 dan uap dari evaporator II FE-102 menjadi media pemanas di evaporator III FE-103. Baik evaporator II dan evaporator III
dioperasikan secara vakum dengan menggunakan pompa vakum. Keadaan vakum dipertahankan pada 26 mmHg sehingga uap air dapat mendidih di bawah 100
o
C. Kondensat dari evaporator II terdiri atas air, metilen klorida, dan piridin
dialirkan ke aliran limbah proses dan akan diolah dalam pengolahan limbah. Uap dari evaporator III FE-103 dilewatkan ke condenser II E-104 dan tercampurkan
dengan air pendingin bekas dari condenser I E-102, dan dialirkan ke aliran aliran limbah.
Campuran keluaran dari evaporator III FE-103 mengandung polibisfenol-a karbonat dengan konsentrasi 90. Untuk memenuhi standar produk dari
polibisfenol-a karbonat harus memiliki konsentrasi 98, maka campuran tersebut dikeringkan pada sebuah rotary dryer DD-101 dengan memakai media pengering
berupa udara panas bersuhu 110
o
C. Keluaran dari rotary dryer diangkut menggunakan belt conveyor C-102 menuju tangki penyimpanan polbisfenol-a
karbonat TT-101.
Universitas Sumatera Utara
Air Pendingin Saturated Steam
P-101
P-103 P-105
P-107 P-108
Kondensat Air Pendingin Keluar
S-101
DD-101 FL-101
DC-102 V-101
F-101 V-102
V-103 B-102
R-102 R-101
FL-102
V-104
W-101
FE-101
Polibisfenol-a Karbonat
E-103
Air Proses
M-102
M-103 E-101
FE-102
P-104
Udara Panas
FE-103 SP-101
Udara Bekas
Limbah Proses Produk Samping
M-101
E-102 P-106
VE-101 E-105
DS-101
E-104
C-102
TT-102
42 41
43 40
39 38
37 36
35 34
33 28
27 31
32 29
30 22
23 24
25
26 21
20 16
17 15
11 12
14 10
9 7
8
5 4
1
2
TI FC
FC
FC
FC FC
FC TI
FC TI
FC
PC FC
FC TI
LC PC
TC
TI TI
TC
LC FC
FC
C-101 TI
FC
TI
TT-101
TC LC
FC LI
FC LI
FC
6
FC LI
PI
B-101
FC
P-102
FC FC
LI
3
FC 13
19
LC LC
Universitas Sumatera Utara
BAB III NERACA MASSA
Hasil perhitungan neraca massa pada proses pembuatan polibisfenol-a karbonat dengan kapasitas produksi 30.000 tontahun atau setara dengan 3787,8788
kgjam sebagai berikut : Basis perhitungan
: 1 jam operasi Waktu operasi
: 330 hari tahun Satuan operasi
: kgjam
3.1 Reaktor Deprotonasi R-101