Polibisfenol-a Karbonat Polikarbonat Deskripsi Proses Pembuatan Polibisfenol-a Karbonat

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