Ali Mahmudi
Kiswari Diah Puspita
1.
SEJARAH
Polyethylene Polyethylene atau polyethene
merupakan polimer termoplastik yang banyak digunakan dalam kehidupan
sehari-hari. Polyethylene tidak larut dalam pelarut apapun pada suhu
kamar. Polimer ini juga tahan terhadap asam dan basa tetapi tidak dapat dirusak
oleh asam nitrat pekat. Nama polyethylene berasal dari monomer
penyusunnya yaitu etana (ethylene). Polyethylene pertama kali
disintesis secara tidak sengaja dari pemanasan diazomethane oleh ahli
kimia Jerman bernama Hans von Pechmann pada tahun 1898.
Secara industri,
polyethylene pertama kali disintesis oleh E.W. Fawcett pada tahun 1936
di Laboratorium Imperial Chemical Industries, Ltd (ICI), Inggris dalam
sebuah percobaan tak terduga dimana ethylene yang merupakan bahan baku sisa
reaksi diteliti sampai tekanan 1446,52 kg/cm2 dan temperatur 170 . Pada tahun 1940, polimer
mulai diperkenalkan secara komersial, dan polimer ethylene yang pertama
kali diperdagangkan adalah polyethylene dengan densitas rendah (low
density) dan tekanan tinggi (high pressure).
Setelah mengalami perkembangan, produksi low density
polyethtylene meluas dengan cepat. Pada tahun 1953, Ziegler berhasil menemukan
cara pembuatan polyethylene secara organometalic dan setahun kemudian
berhasil diproduksi. Polyethylene yang dihasilkan oleh Ziegler yaitu
polyethylene tanpa tekanan. Sampai sekarang, polyethylene merupakan
jenis polimer yang paling banyak diproduksi.
Karakteristik polyethylene antara lain :
a. Sifat Fisik :
·
Berat Molekul : 10.000 – 1.000.000 g/mol
·
Bentuk : padatan, cairan, slurry
·
Densitas : 0,91 - 0,96 g/cm3
·
Titik lebur : 109 – 183 oC
b. Sifat Kimia :
·
Tidak larut dalam pelarut apapun pada suhu kamar
·
Tahan terhadap asam/basa, tetapi dapat dirusak
oleh asam nitrat pekat
·
Tidak tahan terhadap cahaya dan oksigen
·
Bila dipanasi secara kuat akan membentuk sambung
silang yang diikuti dengan pembelahan ikatan secara acak pada suhu lebih
tinggi, tetapi di polimerisasi tidak terjadi
·
Larutan dari suspensi polyethylene dengan
tetra klorida pada suhu 60 oC dapat direaksikan dengan Cl membentuk produk
lunak dan kenyal
·
Pemasukan atom Cl secara acak ke dalam rantai
dapat menghancurkan kekristalan polyethylene.
2.
Teknologi
Proses Polimerisasi Ethylene menjadi Polyethylene
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 yang timbul dari
proses semacam itu adalah pemisahan katalis dan sisa pelarut dari produk dan
memiliki biaya yang tinggi.
Reaksi polimerisasi baru berkembang katalis
yang jauh lebih baik 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 oC-500 oC) dengan tekanan 2.5-10 atm. Hal
ini karena energi aktivasi cukup tinggi yaitu sekitar 35-43.5 kkal/mol. 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 saat ini banyak digunakan adalah katalis organo
metalic seperti TiCl4. Proses dasar polimerisasi ethylenen yang
mula-mula dipatenkan adalah proses yangdigunakan oleh perusahaan Imperial
College Industri (ICI) pada tahun 1936. Proses ini menghasilkan polyethylene
jenis LLDPE dengan kondisi pada tekanan tinggi. Namun pada tahun 1954
muncul cara lain untuk reaksi polimerisasi ethylene dengan proses Ziegler
yang menggunakan katalis alumunium alkyl (TiCl4). Dengan proses tersebut polyethylene
dapat diproduksi pada tekanan dan suhu yang rendah.
3. Macam-macam Proses Pembuatan Polyethylene
Ada beberapa macam proses pembuatan produk polyethylene,
diantaranya:
a. High
Presure Process
Dalam proses high pressure ini dapat digunakan
2 jenis reaktor yaitu autoclave reaktor atau tubular reaktor (jacketted
tube) yang mempunyai kondisi operasi yang berbeda seperti :
•
Autoclave reaktor
- Tekanan operasinya antara 150-200 Mpa
(typical)
- Waktu tinggal 30-60 detik (typical)
•
Tubular Reaktor
-
Tekanan operasi yang digunakan antara 200-250 Mpa (typical)
-
Temperatur reaksinya tergantung dari
jenis inisiator oksigen maka temperatur reaksinya 1900 oC dan jika menggunakan
inisiator peroxycarbonate maka temperatur reaksinya menjadi 1400 oC.
b. Suspension
(Slurry) Process
Dalam proses ini polyethylene disuspensikan dalam
diluent hidrocarbon untuk mempermudah proses. Ada 2 macam proses dalam
suspension (slurry) proses, yaitu autoclave process dan loop reaktor
process.
•
Autoclave Process
- Tekanan operasinya 0.5-1 Mpa (typical)
- Temperatur reaksinya antara 80-900 oC
(typical)
- Diluent yang digunakan adalah hexane
- Katalis yang digunakan dicampur
dengan alkyl alumunium
• Loop Reactor Process - Tekanan operasinya
3-4 Mpa (typical)
- Temperatur reaksinya 1000 oC (typical)
- Diluent yang digunakan adalah isobutene
- Jika menggunakan Philip type maka katalisnya adalah campuran Ti dan
Alkyl alumunium
c. Gas
Phase Process
Union Carbide banyak menggunakan proses ini dengan
menggunakan reaktor fluidized bed. Disebut gas phase process karena
hampir semua bahan baku disuplai dalam bentuk gas.
-
Tekanan operasi yang digunakan antara 0.7-2 Mpa (typical)
-
Temperatur reaksinya antara 80-100 oC (typical)
- Poison catalyst : CO2, CO, H2O
Dalam
Pra-rancangan pembuatan Pabrik Linear Low Density Polyethylene (LLDPE)
ini dipilih proses Gas Phase (Unipol). Pemilihan proses dilakukan
dengan memperhatikan :
-
Pengoperasiannya mudah karena proses yang
sederhanan dengan unggun terfluidisasi menyebabkan proses lebih stabil dan
fleksibel
-
Dengan menggunakan fase gas dan tidak adanya solvent,
kemungkinan terjadinya aglomerasi lebih kecil
-
Kebutuhan Utility Plant sedikit
-
Produk yang dihasilkan memiliki kemurnian yang
tinggi
-
Konversi
reaksi yang diperoleh mencapai 98 % sehingga secara ekonomis proses ini layak
dibuat dalam skala pabrik
4.
Klasifikasi Polyethylene
Menurut Irwan Hidajat pada tahun 1995, polyethylene
merupakan salah satu polimer dengan struktur molekul paling sederhana, bersifat
termoplastik dari polimerisasi ethylene (C2H4). Polimer termoplastik adalah
polimer yang dapat mencair dan mengalir pada suhu tinggi. Polyethylene diklasifikasikan
berdasarkan rantai dan densitasnya menjadi :
a.
UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene), merupakan polyethylene
dengan berat molekul sangat besar antara 3,1 dan 5,57 juta dengan densitas
0,935-0,930 g/cm3
b.
HDPE (High Density Polyethylene), merupakan polyethylene dengan
densitas lebih besar atau sama dengan 0,941 g/cm3.
c.
PEX (Cross-linked Polyethylene), merupakan polyethylene dengan
densitas medium yang terdiri dari ikatan cross-linked.
d.
MDPE (Medium Density Polyethylene), merupakan polyethylene dengan
kisaran densitas antara 0,926-0,940 g/cm3.
e.
LLDPE (Linear Low Density Polyethylene), merupakan polyethylene dengan
kisaran densitas antara 0,915-0,925 g/cm3, berbentuk linear dengan
cabang-cabang pendek.
f.
LDPE (Low Density Polyethylene), merupakan polyethylene dengan
kisaran densitas antara 0,910-0,940 g/cm3 dengan cabang-cabang pendek maupun
panjang.
g. VLDPE (Very Low Density Polyethylene), merupakan polyethylene
dengan kisaran densitas antara 0,880-0,915 g/cm3.
Menurut F.W Billmeyer pada tahun 1984, LLDPE merupakan
kepolimeran antara ethylne dengan α-olefin seperti butene, hexene, dan octene
yang ditunjukan dengan rantai cabang pendek dengan densitas polyethylene cabang
yang ditentukan tanpa adanya rantai cabang panjang. LLDPE diproduksi untuk
berbagai macam barang, antara lain:
a. Film : plastik, plastik pembungkus baju,
plasti karung.
b. Kabel : pembungkus kabel tegangan rendah.
c. injection : kursi plastik, ember, gelas dan piring
plastik.
5. Sifat-sifat Bahan Baku
Bahan baku yang
digunakan pada LLDPE plant terdiri dari bahan baku utama dan bahan baku
penunjang. Bahan baku utama yang digunakan yaitu ethylene dan bahan baku
penunjang terdiri dari nitrogen, hidrogen dan comonomer.
5.1.
Bahan Baku Utama
LLDPE plant
menggunakan bahan baku utama yaitu ethylene. Ethylene ini
diperoleh dari hasil produksi Ethylene plant. Sifat Fisik Ethylene (CH2=CH2)
Berat
Molekul : 28,05 g/mol
Spesific
gravity : 0,57-102/4
Fase : gas
Titik
didih : -103,9 oC
Titik
leleh : -169 oC
Temperatur
kritis : 9,15 oC
Tekanan
kritis : 50,4 bar
Volume kritis : 131 cm3/mol
5.2.
Bahan Baku Penunjang
a. Comonomer
Comonomer
yang digunakan pada LLPDE plant yaitu 1-butene. Sifat-sifat
fisik dari comonomer tersebut yaitu : Sifat Fisik Butene-1 (CH2 =
CHCH2CH3)
Berat Molekul : 56,10 g/mol
Spesific gravity : 0,6013
Fase : cair
Titik didih : -5 oC
Titik leleh : -130 oC
Temperatur kritis : 146,85 oC
Tekanan kritis : 40,43 bar
Volume kritis : 293,3 cm3/mol
Larut dalam
pelarut organik tetapi tidak dapat larut dalam air
b. Nitrogen
Sifat fisik dari nitrogen yaitu :
Berat Molekul : 28,02 g/mol
Spesific gravity : 0,8081
Fase
: gas
Titik didih : -195,8 oC
Titik leleh : -209,86 oC
Temperatur kritis : -147 oC
Tekanan kritis : 34 bar (abs)
c. Hidrogen
Sifat Fisik Hidrogen (H2) adalah sebagai berikut :
Berat Molekul : 2,016 g/mol
Spesific gravity : 0,0709-252,7
Fase
: gas
Titik didih : -252,7 oC
Titik leleh : -259,1 oC
Temperatur
kritis : -1240 oC
Tekanan kritis
: 13 bar (abs)
d.
Katalis
Katalis yang digunakan LLDPE plant terdiri
dari tiga jenis, tergantung pada spesifikasi produk yang diinginkan. Ketiga
jenis katalis tersebut yaitu :
1. Katalis M-1
Katalis M-1 terdiri dari metal aktif
Titanium yang di-support dengan silika dan aluminium. Berdiameter
700-900m. μ
Karaktristik
:
a.
Memiliki distribusi berat molekul (MWD) terbatas,
b. Harga Melt
Index tinggi dan densitas yang cukup luas,
c.
Aktivitas yang baik (2-4 ppm Ti),
d. Produktivitas Katalis 3000-5000 kg resin/kg
katalis,
Penggunaan : untuk memproduksi LLDPE.
2. Katalis S-2
Katalis S-2 terdiri dari chrome aktif
yang di-support dengan silika dan aluminium. Berdiameter 500-600m. μ
Karaktristik
:
a.
Memiliki distribusi berat molekul (MWD) sangat luas,
b. Harga Melt
Indekx rendah dan densitas tinggi,
c.
Aktivitas yang baik (kurang dari1ppm Cr),
d.
Produktivitas Katalis 6000-8000 kg resin/kg katalis,
e. Polimerisasi baik, sturtur molekul produk yang
lebih luas.
Penggunaan :
untuk memproduksi HDPE, tipe blow molding, film, pipa, geomembran.
3. Katalis F-3
Katalis F-3 merupakan katalis yang
tergolong katalis chrome. Berdiameter 500-600m. μ
Karaktristik
:
a.
Memiliki distribusi berat molekul (MWD) produk yang luas,
b. Produktivitas Katalis 15000 kg resin/kg katalis.
Penggunaan : untuk memproduksi HDPE.
e. Co-catalyst
Sifat Fisik TEAL (Al(C2H5)3) yaitu :
Berat
Molekul : 114,17 g/mol
Densitas :
0,834 g/ml
Viskositas : 2,6 mPa.sg
Contoh struktur katalis Ziegler Natta dengan kombinasi
Titanium (IV) Chloride (TiCl4) dan co-catalyst TEAL (Triethylalumunium)
dapat dilihat pada gambar 2.1
Katalis Ziegler Natta
TiCl4 + Al(C2H5)3
Umpan berupa C2H4, C4H8, H2, dan N2 dialirkan menuju
ke mix point (S-201) untuk selanjutnya dialirkan ke reaktor fluidized
bed (R-201). Pada N2, alirannya dibagi menjadi 2 produk yaitu nitrogen
bertekanan tinggi (NBT) dan nitrogen bertekanan rendah (NBR). NBT digunakan
sebagai carrier gas pada reaktor fluidized bed (R-201) yang
beroperasi pada 85 oC dan 12 bar sedangkan NBR digunakan sebagai purger gas untuk
Product Purge Bin (V-301).
Umpan yang dialirkan pada R-201 akan mengalami reaksi
polimerisasi yang akan menghasilkan resin LLDPE dengan tingkat konversi 10%
setiap pass-nya. Umpan yang tidak terkonversi disesuaikan kembali
tekanannya agar sesuai dengan tekanan operasi yang dibutuhkan untuk fluidisasi
dalam R-201. Setelah itu, untuk mempertahankan suhu operasi di dalam reaktor
dipergunakan cycle gas cooler (E-201). Untuk menurunkan energi aktivasi
reaksi, maka ditambahkan katalis TiCl3 dan co-katalis Al(C2H5)3 (TEAL). Setelah
terbentuk produk berupa resin LLDPE (500 - 900 μm), maka secara periodik
dialirkan ke product chamber (V-201), lalu diumpankan ke product blow
tank (V-202) secara gravitasi. Kemudian, produk dari V-202 dibawa ke product
purge bin (R-301) yang beroperasi pada 100 oC dan 1 atm. Pada R-301,
impuritis yang terbawa akan disingkirkan dengan N2 yang dialirkan pada cone I
dan katalis serta co-katalis dideaktivasi dengan hidrolisis menggunakan steam
yang dialirkan pada cone II, menurut reaksi : 2TiCl3 + 4H2O → 2TiO2 +
6HCl + H2 Al(C2H5)3 + 3H2O → Al(OH)3 + 3C2H6 Setelah itu, resin LLDPE dialirkan
ke mixer (M-301) yang bersuhu 160 oC. Dengan suhu ini resin LLDPE akan
meleleh. Lelehan ini akan dialirkan ke pelletizer (PE-301). Pada PE-301,
lelehan ini akan dibentuk menjadi pellet LLDPE, lalu disalurkan ke
gudang produk (V-304).
Impuritis yang berupa gas akan ter-purging keluar
dari R-301 melalui filter. Gas yang lolos melalui filter akan
dialirkan ke scrubber (V-301) yang beroperasi pada 100 oC dan 1 atm.
Pada V-301 akan terjadi pelarutan HCl yang terdapat di dalam gas. Ouput dari
V-301 berupa larutan HCl akan ditampung di tangki HCl (V-303). Ouput dari
scrubber yang lainnya akan dialirkan ke flash drum (V-302) yang
beroperasi pada 40 oC dan 85 bar. Untuk selanjutnya, senyawa yang terkondensasi
di V-302 akan dipergunakan sebagai fuel boiler pada unit utilitas.
Etilen
(C2H4), H2, dan N2 dialirkan ke kompresor dan ke-3 campuran tersebut kemudian
dicampurkan dengan comonomer (1-butena) ke cycle gas cooler. Tujuan dari
pengumpanan ke kompresor adalah untuk menaikkan tekanan sehingga dapat
menfluidisasi partikel di dalam reaktor dan cycle gas cooler digunakan untuk
mengatur suhu di dalam reaktor agar tetap stabil. Reaktor beroperasi pada 80oC
dan tekanan 1 – 2 Mpa. Untuk menurunkan energi aktivasi, maka ditambahkan
katalis Ziegler – Natta. Setelah terbentuk
produk berupa
serbuk (500 - 900 μm), maka secara periodik dialirkan ke product chamber (sekaligus
untuk menjaga kestabilan tinggi standar isian), lalu diumpankan ke product
blow tank. Dengan blower, produk di bawa ke product purge bin dimana
pengotor LLDPE yang terbawa seperti etilen, N2, H2, dan comonomer disingkirkan
dan katalis dideaktivasi dengan hidrolisis menggunakan steam menurut reaksi :
Al(C2H5)3 + 3H2O → Al(OH)3 + C2H6
Setelah
itu, LLDPE dinaikkan suhunya menjadi 150 – 230oC ke heater agar meleleh
sehingga dapat dibentuk pada pelleter.
Etilen
(C2H4), H2, dan N2 dialirkan dari tangki penyimpanannya masing-masing
(V-101,V-102, dan V-103) menuju ke kompresornya agar sesuai dengan tekanan yang
diinginkan. Pada N2, pemakaian kompresor dibagi menjadi 2 untuk menghasilkan 2
produk yaitu nitrogen bertekanan tinggi (NBT) dan nitrogen bertekanan rendah
(NBR). NBT digunakan sebagai carrier gas pada reaktor fluidization
batch (R-201) yang beroperasi pada 80-100oC dan 1-2MPa sedangkan NBR
digunakan sebagai purger gas untuk Product Purge Bin (V-301).
Ke-3 senyawa kimia yang telah diumpankan ke alur 13 kemudian disesuaikan
kembali tekanannya agar sesuai dengan tekanan operasi yang dibutuhkan untuk
fluidisasi pada kompresor C-201. Setelah itu, diumpankan suhu operasi pada
cycle gas cooler E-201. Untuk menurunkan energi aktivasi reaksi, maka
ditambahkan katalis Ziegler – Natta. Setelah terbentuk produk berupa serbuk
(500 - 900 μm), maka secara periodik dialirkan ke product chamber (sekaligus
untuk menjaga kestabilan tinggi standar isian), lalu diumpankan ke product
blow tank (V-202). Dengan blower, produk dari product blow tank di
bawa ke product purge bin (V-301) dimana pengotor LLDPE yang terbawa
seperti etilen, H2, dan comonomer disingkirkan dengan N2 dan katalis
dideaktivasi dengan hidrolisis menggunakan steam menurut reaksi : Al(C2H5)3 +
3H2O → Al(OH)3 + C2H6 Proses penghilangan etilen, H2, dan comonomer terjadi pada
cone I dari atas dan proses deakivasi katalis terjadi pada cone II dari atas.
Setelah itu, LLDPE dinaikkan suhunya menjadi 150 – 230oC ke heater (M-301) agar
meleleh sehingga dapat dibentuk pada pelleter (P-301). Hasil pemisahan zat
pengotor dengan LLDPE masuk ke separator (V-302) untuk memisahkan hasil reaksi
dari katalis dengan steam dan hidrokarbon yang bercampur dengan H2 dan N2.
Pemisahan ini dilanjutkan dengan memisahkan H2 dan N2 dengan hidrokarbon.
Hidrokarbon ini akan digunakan sebagai bahan bakar boiler.
DAFTAR
PUSTAKA
http://www.healthylife.com/plastik_ diakses pada tanggal 09 November 2010
pukul 19.30 wib.
http://www.wikipedia.com/ diakses pada
tanggal 10 November 2010 pukul 19.40 wib.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar