JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2011

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR PRARANCANGAN PABRIK BENZENE DARI TOLUENE DAN HIDROGEN KAPASITAS TON/TAHUN Oleh: Tutuk Laksana Wati I Vina Vikryana I JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2011

2 LEMBAR PENGESAIIAN TUGAS AKHIR PRARANCANGAN PABRIK BENZENE DARI TOLAENE DAN HIDROGEN KAPASITAS 3OO.OOO TON/TAHUN Oleh: Tutuk Laksana Wati Vina Vikryana I r Pembimbing II Bresas S.T. Sembodo" S.T.. M.T. NrP. 1971nA6 t NrP t Dipertahankan di depan tim penguji: 1. YC. Danarto, S.T., M.T. NrP A0l 2. Wusana Agung W., S.T., M.T. NIP I ffift^n, 4-tt e $ffi

3 KATA PENGANTAR Segala puji syukur kepada Allah SWT, hanya karena rahmat dan ridho-nya, penulis akhirnya dapat menyelesaikan penyusunan laporan tugas akhir dengan judul Prarancangan Pabrik Benzene dari Toluene dan Hidrogen Kapasitas Ton / Tahun ini. Dalam penyusunan tugas akhir ini penulis memperoleh banyak bantuan baik berupa dukungan moral maupun spiritual dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Kedua orang tua dan keluarga atas dukungan doa, materi dan semangat yang senantiasa diberikan tanpa kenal lelah. 2. Enny Kriswiyanti A., S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing I dan Bregas S.T. Sembodo, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing II atas bimbingan dan bantuannya dalam penulisan tugas akhir. 3. Y.C. Danarto, S.T., M.T. selaku Pembimbing Akademik dan Dosen Penguji dalam ujian pendadaran tugas akhir. 4. Wusana Agung Wibowo, S.T., M.T. selaku Dosen Penguji dalam ujian pendadaran tugas akhir. 5. Ir. Arif Jumari, M.Sc. selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia FT UNS. 6. Segenap Civitas Akademika atas semua bantuannya. 7. Teman-teman mahasiswa Teknik Kimia FT UNS khususnya tekimers 06. Penulis menyadari bahwa laporan tugas akhir ini belum sempurna. Oleh karena itu, penulis membuka diri terhadap segala saran dan kritik yang membangun. Semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca sekalian. Surakarta, Maret 2011 Penulis ii

4 DAFTAR ISI Halaman Judul... Kata Pengantar... Daftar Isi... Daftar Tabel... Daftar Gambar... Intisari... i ii iii viii xi xii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pendirian Pabrik Kapasitas Rancangan Kebutuhan Benzene di Indonesia Ketersediaan Bahan Baku Kapasitas Pabrik Minimal dan Maksimal di Luar Negeri Pemilihan Lokasi Pabrik Tinjauan Pustaka Macam-macam Proses Pembuatan Benzene Kegunaan Produk Sifat Fisis dan Kimia Bahan Baku dan Produk Sifat Fisis dan Kimia Bahan Baku Sifat Fisis dan Kimia Produk Tinjauan Proses iii

5 BAB II DESKRIPSI PROSES 2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk Spesifikasi Bahan Baku Spesifikasi Produk Utama Spesifikasi Produk Samping Konsep Proses Mekanisme Reaksi Kondisi Operasi Tinjauan Termodinamika Tinjauan Kinetika Reaksi Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses Diagram Alir Proses Tahapan Proses Tahap Penyimpanan Bahan Baku Tahap Penyiapan Bahan Baku Tahap Pembentukan Produk Tahap Pemurnian Produk Neraca Massa dan Neraca Panas Neraca Massa Neraca Panas Lay Out Pabrik dan Peralatan Proses Lay Out Pabrik Lay Out Peralatan Proses iv

6 BAB III SPESIFIKASI ALAT PROSES 3.1 Reaktor Flash Drum Menara Destilasi Vaporizer Tangki Condenser Reboiler Accumulator Heat Exchanger Furnace Pompa Kompresor BAB IV UNIT PENDUKUNG PROSES DAN LABORATORIUM 4.1 Unit Pendukung Proses Unit Pengadaan Air Air Pendingin dan Air Pemadam Kebakaran Air Konsumsi Pengolahan Air Kebutuhan Air Unit Pengadaan Pendingin Reaktor Unit Pengadaan Udara Tekan Unit Pengadaan Listrik v

7 Listrik untuk keperluan proses dan utilitas Listrik untuk penerangan Listrik untuk AC Listrik untuk laboratorium dan instrumentasi Unit Pengadaan Bahan Bakar Laboratorium Laboratorium Fisik Laboratorium Analitik Laboratorium Penelitian dan Pengembangan Unit Pengolahan Limbah BAB V MANAJEMEN PERUSAHAAN 5.1 Bentuk Perusahaan Struktur Organisasi Tugas dan Wewenang Pemegang Saham Dewan Komisaris Dewan Direksi Staf Ahli Penelitian dan Pengembangan (Litbang) Kepala Bagian Kepala Seksi Pembagian Jam Kerja Karyawan Karyawan Non Shift vi

8 5.4.2 Karyawan Shift Status Karyawan dan Sistem Upah Penggolongan Jabatan, Jumlah Karyawan dan Gaji Penggolongan Jabatan Jumlah Karyawan dan Gaji Kesejahteraan Sosial Karyawan BAB VI ANALISIS EKONOMI 6.1 Penaksiran Harga Peralatan Penentuan Total Capital Investment (TCI) Modal Tetap (Fixed Capital Investment) Modal Kerja (Working Capital Investment) Biaya Produksi Total (Total Poduction Cost) Manufacturing Cost Direct Manufacturing Cost (DMC) Indirect Manufacturing Cost (IMC) Fixed Manufacturing Cost (FMC) General Expense (GE) Keuntungan Produksi Analisis Kelayakan Daftar Pustaka... xiii Lampiran vii

9 DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Data Impor Benzene Indonesia... 3 Tabel 1.2 Data Pabrik Penghasil Benzene di Indonesia... 4 Tabel 2.1 Harga H f o dan G f o Tabel 2.2 Neraca Massa pada Tee Tabel 2.3 Neraca Massa pada Vaporizer 1 (VP-01) Tabel 2.4 Neraca Massa pada Tee Tabel 2.5 Neraca Massa pada Tee Tabel 2.6 Neraca Massa pada Tee Tabel 2.7 Neraca Massa pada Reaktor Tabel 2.8 Neraca Massa pada Flash drum 1 (FD-01) Tabel 2.9 Neraca Massa pada Tee Tabel 2.10 Neraca Massa pada Flash drum 2 (FD-02) Tabel 2.11 Neraca Massa pada Tee Tabel 2.12 Neraca Massa pada Menara Distilasi 1 (MD-01) Tabel 2.13 Neraca Massa pada Menara Distilasi 2 (MD-02) Tabel 2.14 Neraca Massa Total Tabel 2.15 Neraca Panas pada Vaporizer Tabel 2.16 Neraca Panas pada Furnace Tabel 2.17 Neraca Panas pada Reaktor Tabel 2.18 Neraca Panas pada Condensor 1 (CD-01) Tabel 2.19 Neraca Panas pada Flash Drum 1 (FD-01) viii

10 Tabel 2.20 Neraca Panas pada Flash Drum 2 (FD-02) Tabel 2.21 Neraca Panas pada Menara Destilasi 1 (MD-01) Tabel 2.22 Neraca Panas pada Menara Destilasi 2 (MD-02) Tabel 2.23 Neraca Panas pada Total Tabel 3.1 Spesifikasi Reaktor Tabel 3.2 Spesifikasi Flash Drum Tabel 3.3 Spesifikasi Menara Destilasi Tabel 3.4 Spesifikasi Vaporizer Tabel 3.5 Spesifikasi Tangki Tabel 3.6 Spesifikasi Condensor Tabel 3.7 Spesifikasi Reboiler Tabel 3.8 Spesifikasi Accumulator Tabel 3.9 Spesifikasi Heat Exchanger Tabel 3.10 Spesifikasi Furnace Tabel 3.11 Spesifikasi Pompa Tabel 3.12 Spesifikasi Kompresor Tabel 4.1 Kebutuhan air pendingin Tabel 4.2 Kebutuhan air konsumsi umum dan sanitasi Tabel 4.3 Kebutuhan listrik untuk keperluan proses dan utilitas Tabel 4.4 Jumlah Lumen berdasarkan luas bangunan Tabel 4.5 Total kebutuhan listrik pabrik Tabel 5.1 Jadwal pembagian kelompok shift Tabel 5.2 Jumlah Karyawan Menurut Jabatan ix

11 Tabel 5.3 Perincian Golongan dan Gaji Karyawan Tabel 6.1 Indeks Harga Alat Tabel 6.2 Modal Tetap Tabel 6.3 Modal Kerja Tabel 6.4 Direct Manufacturing Cost Tabel 6.5 Indirect Manufacturing Cost Tabel 6.6 Fixed Manufacturing Cost Tabel 6.7 General Expense Tabel 6.8 Analisis Kelayakan x

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Grafik Data Impor Benzene di Indonesia... 3 Gambar 1.2 Gambar Pemilihan Lokasi Pabrik... 7 Gambar 2.1 Diagram Alir Proses Gambar 2.2 Diagram Alir Kualitatif Gambar 2.3 Diagram Alir Kuantitatif Gambar 2.4 Layout Pabrik Gambar 2.5 Layout Peralatan Proses Gambar 4.1 Skema Pengolahan Air Laut Gambar 4.2 Skema Pengolahan Air KTI Gambar 4.3 Skema Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) Gambar 5.1 Struktur Organisasi Pabrik Benzene Gambar 6.1 Chemical Engineering Cost Index Gambar 6.2 Grafik Analisis Kelayakan xi

13 INTISARI Tutuk Laksana Wati dan Vina Vikryana, 2011, Prarancangan Pabrik Benzene dari Toluene dan Hidrogen Kapasitas Ton/Tahun, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta Benzene banyak digunakan sebagai bahan pelarut dalam ekstraksi maupun distilasi, juga digunakan sebagai bahan baku pembuatan senyawa lain seperti styrene, phenol, aniline, dan chlorobenzene. Untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri, maka dirancang pabrik benzene dengan kapasitas ton/tahun dengan bahan baku toluene ,153 ton/tahun dan gas hidrogen ,46 m 3 /tahun pada 30 o C dan tekanan 25 atm. Dengan memperhatikan beberapa faktor, seperti aspek penyediaan bahan baku, transportasi, tenaga kerja, pemasaran, serta utilitas, maka lokasi pabrik yang cukup strategis adalah di Kawasan Industri Cilegon, Banten. Peralatan proses yang ada antara lain vaporizer, kompresor, furnace, reaktor, kondensor parsial, flash drum, menara distilasi, dan pompa. Benzen dihasilkan dari reaksi toluene dan hidrogen dalam Reaktor Alir Pipa (RAP) Multitube pada kondisi non isotermal non adiabatik pada suhu o C dan tekanan 25 atm. Produk gas dari reaktor masuk Kondensor Parsial untuk diembunkan sebagian menjadi campuran uap dan cair, kemudian diumpankan ke dalam Flash Drum untuk memisahkan gas hidrogen dan gas metana dari campuran tersebut. Gas hidrogen yang terpisah direcycle sebanyak 68,9% dan sisanya dijadikan fuel gas pada Furnace. Produk cair yang mengandung benzene, sisa toluene dan diphenyl dipisahkan dalam Menara Distilasi untuk mendapatkan benzene dengan kemurnian 99,93%berat. Sisa toluene dan diphenyl dipisahkan lagi dengan Menara Distilasi untuk mendapatkan produk samping diphenyl dengan kemurnian 98,67%berat. Sedangkan toluene sisa di-recycle untuk bereaksi lagi membentuk benzene. Utilitas terdiri dari unit penyediaan air pendingin, pendingin reaktor (molten salt), tenaga listrik, penyediaan bahan bakar, dan unit pengolahan limbah. Terdapat tiga laboratorium, yaitu laboratorium fisik, laboratorium analitik, dan laboratorium penelitian dan pengembangan, untuk menjaga kualitas bahan baku dan produk. Perusahaan berbentuk Perseroan Terbatas (PT) dengan struktur organisasi line and staff. Sistem kerja karyawan berdasarkan pembagian jam kerja yang terdiri dari karyawan shift dan non shift. Hasil analisis ekonomi terhadap prarancangan pabrik benzene diperoleh total investasi sebesar US$ dan total biaya produksi US$ Hasil analisis kelayakan menunjukkan ROI sebelum pajak 79,99% dan setelah pajak 59,99%, POT sebelum pajak 1,1 tahun dan setelah pajak 1,4 tahun, BEP 54,08%, SDP 46,19% dan DCF sebesar 29,52%. Berdasar analisis ekonomi dapat disimpulkan bahwa pendirian pabrik benzene dengan kapasitas ton/tahun layak dipertimbangkan untuk direalisasikan pembangunannya. xii

14 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pendirian Pabrik Memasuki era perdagangan bebas, Indonesia dituntut untuk mampu bersaing dengan negara lain dalam bidang industri. Perkembangan industri di Indonesia sangat berpengaruh pada ketahanan ekonomi Indonesia yang akan menghadapi banyak persaingan di pasar bebas nanti. Sektor industri kimia banyak memegang peranan dalam memajukan perindustrian di Indonesia. Inovasi proses produksi maupun pembangunan pabrik baru yang berorientasi pada pengurangan ketergantungan kita pada produk impor maupun untuk menambah devisa negara sangat diperlukan, salah satunya dengan pembangunan pabrik benzene. Benzene merupakan salah satu produk petrokimia yang berbentuk cincin tunggal dan merupakan senyawa aromatis dengan rumus molekul C 6 H 6. Senyawa ini berupa cairan jernih yang bersifat volatile, mudah terbakar, dan beracun. Benzene mempunyai fungsi yang sangat penting dalam menunjang pembangunan sektor industri. Dalam industri, benzene banyak digunakan sebagai bahan pelarut dalam ekstraksi maupun distilasi. Selain itu benzene juga digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan senyawa kimia organik lain (intermediet) dari produk-produk komersial, antara lain : styrene, phenol, cyclohexane, aniline, alkylbenzene dan chlorobenzene (Mc. Ketta, 1977). Hingga saat ini sebagian benzene masih diimpor dari Amerika, Australia, dan Jepang. Dengan didirikannya Pabrik benzene di Indonesia, kemungkinan 1

15 2 impor dapat dikurangi. Bahkan apabila produksi sudah melebihi kebutuhan dalam negeri benzene dapat menjadi produk ekspor. Bahan baku pembuatan benzene adalah toluene dan gas Hidrogen. Untuk bahan baku toluene dapat dipenuhi oleh PT. Pertamina RU IV, sedangkan untuk gas Hidrogen dapat dipenuhi oleh PT. Air Liquide Indonesia. Selain pertimbangan tersebut, pendirian pabrik ini juga didasarkan pada hal-hal sebagai berikut : 1. Menciptakan lapangan kerja baru, yang berarti dapat mengurangi jumlah pengangguran. 2. Memacu pertumbuhan industri-industri baru yang menggunakan bahan baku benzene. 3. Mengurangi ketergantungan impor dari negara asing. 4. Meningkatkan pendapatan negara dari sektor industri, serta menghemat devisa negara. 5. Meningkatkan kualitas sumber daya manusia Indonesia lewat alih teknologi. Dari berbagai pertimbangan di atas dapat disimpulkan bahwa sangat diperlukan pendirian pabrik benzene di Indonesia. 1.2 Kapasitas Rancangan Ada beberapa pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam pemilihan kapasitas pabrik benzene yaitu : Kebutuhan Benzene di Indonesia Kebutuhan benzene di Indonesia hampir setiap tahun mengalami peningkatan. Berdasarkan data Badan Pusat Statistik Indonesia, perkembangan

16 3 jumlah impor benzene Indonesia sejak tahun 2005 dapat dilihat pada Tabel 1.1. Tabel 1.1 Data Impor Benzene Indonesia Tahun Jumlah (ton) , , , , ,653 (Badan Pusat Statistik Indonesia, 2010) Grafik Data Impor Benzene Indonesia Jumlah y = 19593,3876x , Tahun Gambar 1.1 Grafik Data Impor Benzene di Indonesia Dari Gambar 1.1 diperoleh suatu persamaan regresi linier untuk mengetahui kebutuhan benzene pada tahun 2015 :

17 4 y = (19593,387 X) ,49 y = (19593,387 x 2015 ) ,49 y = ,315 ton Ketersediaan Bahan Baku Bahan baku benzene adalah toluene dan gas hidrogen. Toluene diperoleh dari PT. Pertamina RU IV, Cilacap. Sedangkan gas hidrogen diperoleh dari PT. Air Liquide, Cilegon, sehingga ketersediaan bahan baku tidak menjadi masalah, karena cukup tersedia Kapasitas Pabrik Minimal dan Maksimal di Luar Negeri Untuk memproduksi benzene harus diperhitungkan juga kapasitas produksi yang menguntungkan. Kapasitas produksi secara komersial yang telah ada terlihat pada Tabel 1.2. Tabel 1.2 Data Pabrik Penghasil Benzene di Dunia Pabrik Kapasitas (ton) Dow Chemical, USA Exxon Corp USX Corp Solomon Inc Shell Oil Co (Kirk and Othmer, 1991) Dari Tabel 1.2 dapat diketahui kapasitas produksi minimal di dunia sebesar ton/tahun. Sedangkan kebutuhan benzene di dalam negeri adalah sebesar ,315 ton/tahun. Maka dapat disimpulkan bahwa kapasitas pabrik

18 5 benzene sebesar ton/tahun, sehingga diharapkan : 1. Dapat memenuhi kebutuhan benzene dalam negeri. 2. Dapat memberikan keuntungan karena kapasitas rancangan berada diatas kapasitas terkecil pabrik yang ada di dunia. 3. Dapat merangsang berdirinya industri-industri lainnya yang menggunakan bahan baku benzene. 1.3 Pemilihan Lokasi Pabrik Letak geografis suatu pabrik mempunyai pengaruh yang sangat besar terhadap keberhasilan perusahaan. Beberapa faktor dapat menjadi acuan dalam menentukan lokasi pabrik antara lain, penyediaan bahan baku, pemasaran produk, transportasi dan tenaga kerja. Berdasarkan tinjauan tersebut maka lokasi pabrik benzene ini dipilih di Cilegon, Banten dengan pertimbangan sbb : a. Penyediaaan bahan baku Toluene sebagai bahan baku pembuatan benzene diperoleh dari PT. Pertamina RU IV, Cilacap. Sedangkan gas hidrogen diperoleh dari PT. Air Liquide, Cilegon. Orientasi pemilihan ditekankan pada jarak lokasi sumber bahan baku dengan pabrik cukup dekat. Terutama bahan baku gas hidrogen yang akan disalurkan oleh PT. Air Liquide dengan jalur perpipaan. b. Letak pabrik terhadap daerah pemasaran Benzene merupakan bahan intermediet yaitu bahan untuk membuat produk seperti cumene, ethylbenzene, alkylbenzene, styrene, cyclohexane, nitrobenzene, detergen alkilat, dan sebagainya.

19 6 Daerah Cilegon merupakan daerah yang tepat untuk daerah pemasaran karena banyaknya industri kimia yang menggunakan bahan baku benzene diantaranya : 1. Industri alkylbenzene yang diproduksi PT. Unggul Indah Corporation 2. Industri ethylbenzene yang diproduksi PT. Stirindo Mono Indonesia c. Transportasi Kawasan industri Cilegon dekat dengan pelabuhan laut Merak, telah ada sarana transportasi jalan raya, sehingga mempermudah sistem pengiriman bahan baku dan produk. d. Tenaga kerja Kawasan industri Cilegon terletak di daerah Jawa Barat dan Jabotabek yang syarat dengan lembaga pendidikan formal maupun non formal dimana banyak dihasilkan tenaga kerja ahli maupun non ahli, sehingga tenaga kerja mudah didapatkan. e. Utilitas Utilitas yang diperlukan seperti air, bahan baku dan tenaga listrik dapat dipenuhi karena lokasi terletak di kawasan industri. Penyediaan air, untuk kebutuhan air minum dan sanitasi diperoleh dari PT. Krakatau Tirta Industri, sedangkan untuk kebutuhan proses menggunakan air laut dari Selat Sunda. Penyediaan tenaga listrik, diperoleh dari PLN dan generator pabrik.

20 7 Gambar 1.2 Gambar Pemilihan Lokasi Pabrik 1.4 Tinjauan Pustaka Macam-macamm Proses Pembuatan Benzene Pada awalnya benzene sebagian besar diproduksi dari bahan baku minyak bumi dan batubara. Akan tetapi disamping pembuatan benzene dari batu bara dan minyak bumi dikenal pula adanya proses sintesis. Proses ini menggunakan bahan bakunya dari bahan aromatis yang sudah jadi, seperti toluene dan xylene. Proses pembuatan benzene dengan cara sintesis dikembangkan mengingat kebutuhan benzene terus meningkat. Macam-macam proses sintesis adalah : 1. Catalytic Extraction Reforming (CRE) Catalytic reforming adalah proses yang dikembangkan untuk mengubah naphthalene dan paraffin yang ada dalam gasoline yang mempunyai angka oktan rendah menjadi tinggi dan mengandung

21 8 senyawa aromatis. Untuk mempercepat reaksi, proses ini berlangsung dengan bantuan katalis platinum-alumina. Reaksinya meliputi: a. Isomerisasi Paraffin b. Hydrocracking c. Dehidrogenasi Cyclohexane d. Isomerisasi/Dehidrogenasi Cyclopentane e. Dehidrosikliasi Paraffin Salah satu proses yang termasuk catalytic reforming adalah Platforming (UOP, Inc). Proses ini dioperasikan pada suhu o C dan tekanan 0,8-5MPa (Mc. Ketta, 1977). 2. Hidrodealkilasi (HDA) Hidrodealkilasi dikembangkan untuk mengubah higher aromatis menjadi benzene. Proses ini memproduksi benzene dengan kemurnian tinggi. Proses ini berlangsung pada suhu dan tekanan tinggi dan dibantu hidrogen. Dengan adanya hidrogen akan menghilangkan gugus alkil pada senyawa aromatis sehingga menghasilkan benzene dan gas parafin ringan. HDA dapat dilakukan secara thermal ataupun katalitik. Hidrodealkilasi thermal dioperasikan pada suhu o F dan tekanan lb/in 2 gauge, sedangkan catalytic hydrodealkylation pada suhu o F dan tekanan lb/in 2 gauge. Reaksi yang terjadi adalah: C 6 H 5 CH 3 + H 2 C 6 H 6 + CH 4 (Mc. Ketta, 1977)

22 9 3. Disproporsionasi toluene Proses ini dikembangkan dari 2 toluene menjadi benzene dan xylene. Salah satu contoh proses ini adalah Proses Tatoray. Proses Tatoray berlangsung pada suhu o C dan tekanan 1-5 MPa (10 50 atm). Hasil yang diperoleh biasanya 37% benzene dan 55% xylene. Reaksi yang terjadi: 2 C 6 H 5 CH 3 C 6 H 6 + C 6 H 4 (CH 3 ) 2 (Kirk and Othmer, 1991) 4. Pirolisa Gasoline Pirolisa gasoline atau dripolene adalah hasil samping dari produksi etilena. Dengan umpan senyawa hidrokarbon ringan seperti ethane dan propane, dripolene akan terbentuk. Kandungan senyawa aromatis dripolene sekitar 65%, dimana 50% adalah benzene. Benzene dan senyawa aromatis lainnya hanya dapat diperoleh setelah melewati proses hidrogenasi dan desulfurisasi. Proses ini untuk menghilangkan senyawa tidak stabil seperti olefin dan senyawa sulfur yang merusak senyawa aromatis (Mc. Ketta, 1977). Dari beberapa proses pembuatan benzene, proses yang dipilih adalah Proses Hidrodealkilasi (HDA). Proses ini menghasilkan benzene dengan kemurnian tinggi. Proses Hidrodealkilasi (HDA) merupakan reaksi penggantian gugus alkil dengan adanya hidrogen dimana dapat terjadi pada suhu dan tekanan tertentu. Proses ini sering dijumpai pada senyawa aromatis dimana hidrogen mengganti gugus alkil dalam ikatan cincin menghasilkan senyawa aromatis utama

23 10 dan gas parafin ringan. Pada proses ini dikenal dua macam proses yaitu hidrodealkilasi termal dan katalitik. Dalam perancangan ini proses yang digunakan adalah hidrodealkilasi termal. Proses ini berlangsung pada suhu o F dan tekanan lb/in 2 gauge. Reaksi bersifat eksotermik. Reaksi utama: CH 3 + H 2 + CH 4 Reaksi samping: 2 + H 2 (Mc. Ketta, 1977) Keuntungan HDA termal diantaranya: non katalitik, produk samping yang dihasilkan lebih sedikit, dan tidak terbentuk coke Kegunaan Produk Benzene merupakan salah satu produk petrokimia yang sangat penting untuk pembuatan bahan kimia, antara lain : 1. Ethylbenzene Ethylbenzene ini mempunyai kegunaan untuk industri styrene, divinylbenzene, polystyrene, resin ion exchanger. 2. Cumene Cumene ini dimanfaatkan dalam pembuatan fenol yaitu bahan pembuat lem, solvent, indikator fenolftalein, dan lain sebagainya.

24 11 3. Nitrobenzene Nitrobenzene digunakan dalam pembuatan poliuretan, herbisida, dan anilin. Dimana anilin berguna sebagai pelarut, bahan dasar zat warna dan bahan peledak. 4. Cyclohexane Cyclohexane bermanfaat untuk industri nilon 6 dan nilon 66 yaitu bahan baku dalam industri tekstil dan untuk pembuatan plasticizer. 5. Detergen alkilat Detergen alkilat digunakan pada pembuatan detergen dan zat aditif minyak pelumas. 6. Chlorobenzene Chlorobenzene sebagai bahan pembuat DDT, bahan insektisida lain, dan phenol. 7. Maleic anhydride Maleic anhydride sebagai bahan baku fumarat dan poliester resin. (Mc. Ketta, 1977) Sifat Fisis dan Kimia Bahan Baku dan Produk Sifat Fisis dan Kimia Bahan Baku a. Toluene Sifat fisis Berat molekul : 92,14 Titik leleh, o C : -95 Titik didih, o C : 110.6

25 12 Temperatur kritis, o C : Tekanan kritis, MPa : 4,108 Densitas, g/cm 3 : 0,8623 Viskositas, cp Gas : 0,00698 Liquid : 0,5068 Kapasitas panas, J/mol.K Gas : 104,7 Liquid : 156,5 Panas pembentukan, kj/mol : 50,17 Panas penguapan, kj/mol : 38,26 Panas pembakaran, kj/mol : (Kirk and Othmer, 1991) Sifat kimia Hidrogenasi termal dari toluene akan menghasilkan benzene, methane dan diphenyl. H 2 CH 3 + CH 3 + CH 4 (toluene) (benzene) (methane) (diphenyl) Dengan oksigen (oksidasi) dalam fase cair dan katalis Br-Co-Mn menghasilkan asam benzoat.

26 13 CH 3 (toluene) O 2,Br,Co,Mn 50 o C COOH (asam benzoat) Oksidasi parsial menghasilkan stilbene O 2 CH 3 katalis CH=CH + H 2 O (toluene) (stilbene) (Kirk and Othmer, 1991) b. Hidrogen Sifat fisis Berat molekul : 2,016 Titik leleh, o C : - 256,6 Titik didih, o C : - 252,7 Temperature kritis, o C : Tekanan kritis, kpa : 1315 Panas penguapan, J/mol : 911,3 Densitas, g/cm 3 (pada 30 o C 25 atm) : (Kirk and Othmer, 1991) Sifat kimia Hidrogen bereaksi dengan sejumlah oksida logam pada suhu tinggi untuk menghasilkan logam dan air. FeO + H 2 Fe + H 2 O Cr 2 O H 2 2 Cr + H 2 O

27 14 Dibawah kondisi tertentu, hidrogen bereaksi dengan nitrit oksida menghasilkan nitrogen. 2 NO + 2 H 2 N H 2 O (Kirk and Othmer, 1991) Sifat Fisis dan Kimia Produk a. Benzene Sifat fisika Berat molekul : 78,115 Titik beku, o C : 5,530 Titik didih, o C : 80,094 Densitas, g/cm3 Pada 20 o C : 0,8789 Pada 25 o C : 0,8736 Tekanan uap, kpa : 12,6 Viskositas, cp : 0,6010 Temperature kritis, o C : 289,01 Tekanan kritis, kpa : 4,898 x 10 3 Panas pembentukan, kj/mol Gas : 82,93 Liquid : 49,08 Panas pembakaran, kj/mol : 3,2676 x 103

28 15 Panas penguapan, kj/mol : 33,899 Kelarutan dalam H2O, g / 100 g H2O : 0,180 (Kirk and Othmer, 1991) Sifat kimia Oksidasi Benzene dioksidasi dengan permanganate atau dikromat menjadi air dan karbondioksida. C 6 H MnO 4 /Cr 2 O 3 6 (benzene) CO 2 + H 2 O (Kirk and Othmer, 1991) Oksidasi fase uap dengan udara dan katalis vanadium pentoksida menjadi maleic anhydride. V C 6 H O 2 O 5 2 C 4 H 2 O CO 2 + H 2 O (benzene) (maleic anhydride) (Mc. Ketta, 1977) Benzoquinone adalah produk samping oksidasi benzene pada suhu o C. Oksidasi dengan hidrogen peroksida menghasilkan phenol. Phenol dapat juga diperoleh dengan mengoksidasi benzene dalam fase uap pada suhu o C tanpa menggunakan katalis (Kirk and Othmer, 1977). Reduksi Pada suhu kamar dan tekanan biasa, benzene baik senyawa tunggal ataupun dalam pelarut hidrokarbon dapat direduksi menjadi cyclobenzene (dengan hydrogen dan katalis nickel atau cobalt).

29 16 Hidrogenasi katalitik benzene fase uap berlangsung pada suhu sekitar 200 o C. H 2, Ni, Co 200 o C (benzene) (cyclobenzene) (Kirk and Othmer, 1991) Halogenasi Produk substitusi atau adisi diperoleh dengan halogenasi benzene. Benzene direaksikan dengan Br 2 dan Cl 2 (katalis halida logam) akan diperoleh chlorobenzene dan bromobenzene. Chlorobenzene dihasilkan melalui reaksi pada fase cair dengan katalis molybdenum chloride dan kondisi operasinya pada suhu o C dan tekanan atmosfer. C 6 H 6 + Cl 2 FeCl 3 C 6 H 5 Cl + HCl C 6 H 6 + Br 2 FeBr 3 C 6 H 5 Br 2 + HCl (Kirk and Othmer, 1991) Nitrasi Benzene dinitrasi menjadi nitrobenzene. Proses nitrasi dengan menggunakan campuran asam nitrat dan sulfat pekat pada suhu o C akan menghasilkan nitrobenzene yang lebih besar sekitar 95%. NO 2 + HNO 3 + H 2 SO o C + H 3 O HSO 4 (benzene) (nitrobenzene) (Kirk and Othmer, 1991)

30 17 Sulfonasi Benzene bereaksi dengan asam sulfat (uap) pada suhu ruangan menghasilkan asam benzene sulfonat. Dalam asam sulfat uap ditambahkan sulfur trioksida (SO 3 ). Sulfonasi dapat juga dilakukan dengan asam sulfat saja, tetapi reaksinya lebih lambat. + SO 3 H 2 SO 4 pekat 25 o C 50% SO 3 H (benzene) (benzene sulfonat) (Kirk and Othmer, 1991) Alkilasi Hasil alkilasi benzene seperti ethylbenzene dan cumene diproduksi dengan mereaksikannya dengan etilen dan propilen. Reaksi berlangsung baik dalam fase uap maupun cair. Katalis yang digunakan seperti BF 3, aluminium chloride (AlCl 3 ) atau asam poliphospat (Kirk and Othmer, 1991) Tinjauan Proses + (CH 3 ) 2 CHCl (isopropil klorida) AlCl 30 o C (cumene) CH(CH 3 ) 2 + HCl (Fessenden & Fessenden, 1986) Dalam pembuatan Benzene ini digunakan proses hidrodealkilasi dengan bahan baku toluene (C 7 H 8 ) dan gas hidrogen (H 2 ) yang direaksikan dalam Reaktor Alir Pipa (RAP) multitube dimana reaksi dijaga pada suhu optimum o C

31 18 (dari range suhu reaksi o C) tekanan 25 atm. Reaksi yang terjadi reaksi hidrodealkilasi atau reaksi pemecahan gugus metil dari toluene untuk membentuk benzene dan methane: C 6 H 5 CH 3 + H 2 C 6 H 6 + CH 4 (Mc. Ketta, 1977) Umpan toluene diuapkan dalam vaporizer untuk kemudian dicampur dengan gas hidrogen dan dipanaskan dengan furnace sebelum masuk reaktor. Di dalam reaktor, toluene dan hidrogen bereaksi membentuk benzene dan methane serta hasil samping diphenyl fase gas. Setelah bereaksi, gas keluaran dari reaktor masuk ke kondensor parsial untuk dikondensasikan menjadi campuran uap-cair. Campuran tersebut kemudian masuk ke dalam flash drum untuk memisahkan semua gas hidrogen dan gas methane yang terikut dalam produk. Benzene dan diphenyl serta sisa toluene yang tidak bereaksi, kemudian dipisahkan menggunakan Menara Distilasi (MD). Produk benzene memiliki kemurnian 99,93% berat dan produk samping berupa diphenyl dengan kemurnian 98,67% berat.

32 BAB II DESKRIPSI PROSES 2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk Spesifikasi Bahan Baku a. Toluene (C 7 H 8 ) Wujud Kemurnian : cairan jernih tanpa endapan : min. 98,5 % berat Impuritas : C 6 H 6 ( maks. 1,5 % berat ) Densitas : 0,865 0,870 (pada 20 o C) ( b. Hidrogen (H 2 ) Wujud Kemurnian Impuritas : gas : 99,99 % berat : CH 4 (0,01 % berat) ( Spesifikasi Produk Utama Benzene (C 6 H 6 ) Wujud Kemurnian Impuritas : cairan jernih : min. 99,90 % berat : C 7 H 8 (maks. 0,05% berat) Non-aromatis (maks. 0,01% berat) ( 19

33 Spesifikasi Produk Samping Diphenyl (C 12 H 10 ) Wujud : Cairan berwarna kuning Kemurnian : min. 98,5 % berat Impuritas : C 7 H 8 ( maks. 1,5 % berat ) ( 2.2 Konsep Proses Mekanisme Reaksi Proses pembuatan benzene dengan cara hidrodelakilasi toluene dilakukan dalam reaktor alir pipa (tubular reactor), dimana gas toluene dan hidrogen dimasukkan bersamaan ke dalam reaktor melalui bagian tube reaktor. Di dalam reaktor terjadi reaksi: C 6 H 5 CH 3 (g) + H 2 (g) C 6 H 6 (g) + CH 4 (g) Reaksi samping: 2 C 6 H 6 (g) C 12 H 10 (g) + H 2 (g) Hidrodealkilasi termal ini menghasilkan produk utama benzene dan reaksi samping menghasilkan diphenyl. Pada proses HDA termal terjadi dealkilasi dengan cara substitusi karena adanya hidrogen. Dealkilasi ini pada dasarnya adalah reaksi pemutusan ikatan C- C yaitu karbon yang dimiliki ikatan cincin dengan karbon pada gugus metan (CH 3 ) dengan adanya hidrogen. Mekanismenya adalah sebagai berikut :

34 21 H 2 H* + H* C 6 H 5 CH 3 + H* C 6 H 5 * + CH 4 C 6 H 5 * + H 2 C 6 H 6 + H* H* + H* H 2 (Mc. Ketta, 1977) Kondisi Operasi Temperatur Penentuan temperatur reaksi di reaktor harus memperhatikan fase reaksi dan tinjauan secara termodinamika, untuk itu temperatur reaksi dijaga pada suhu optimum o C (dari range suhu reaksi o C). Hal ini didasarkan pada temperatur tersebut dihasilkan konversi dan selektivitas optimum. Jika temperatur melebihi range tersebut maka akan terjadi hydrocracking sehingga konversi reaksi akan turun. Sedangkan jika suhu di bawah range suhu tersebut, reaksi akan berjalan lambat (Mc. Ketta, 1977). Tekanan Tekanan operasi dalam reaktor ditentukan sebesar 25 atm (dari range 14,6 69,1 atm) dengan tinjauan bahwa kondisi reaktan dalam reaktor berada dalam fase gas. Pada prarancangan pabrik benzene ini rasio mol reaktan antara toluene dengan hidrogen yang digunakan adalah 1 : 5, sehingga akan diperoleh konversi sebesar 85% terhadap toluene dan selektivitas sebesar 93%, dimana selektivitas disini adalah % mol benzene baru yang terbentuk

35 22 dari toluene yang bereaksi untuk membentuk benzene tersebut (Mc. Ketta, 1977). Reaksi dijalankan pada kondisi non isotermal non adiabatik dimana reaksi dijaga pada suhu optimum o C (dari range suhu reaksi o C). Untuk menjaga reaksi berjalan pada keadaan tersebut, maka digunakan pendingin berupa molten salt. Reaktor yang sesuai untuk reaksi fase gas dan dengan pendinginan adalah Reaktor Alir Pipa (RAP) multitube Tinjauan Termodinamika Untuk menentukan sifat reaksi (eksotermis/endotermis) dan arah reaksi (reversible/irreversible), maka perlu perhitungan dengan menggunakan panas pembentukan standar ( H o f ) pada 1 atm dan 298 K dari reaktan dan produk. Tabel 2.1 Harga H o o f dan G f Komponen H o f, kj/mol G o f, kj/mol H CH 4-74,520-50,460 C 6 H 6 82, ,665 C 7 H 8 50, ,050 C 10 H , ,080 Pada proses pembentukan benzene terjadi reaksi berikut : (Yaws, 1999) C 6 H 5 CH 3 (g) + H 2 (g) C 6 H 6 (g) + CH 4 (g) Reaksi samping: 2 C 6 H 6 (g) C 12 H 10 (g) + H 2 (g)

36 23 Sehingga didapatkan, a. Untuk reaksi utama C 6 H 5 CH 3 (g) + H 2 (g) C 6 H 6 (g) + CH 4 (g) i. Panas reaksi standar ( H R o ) H R o H R o = H f o produk - H f o reaktan = ( H f o C 6 H 6 + H f o CH 4 ) ( H f o C 6 H 5 CH 3 + H f o H 2 ) = (82,930 + (-74,520) ) (50, ) = - 41,760 kj/mol Karena H o R bernilai negatif maka reaksi bersifat eksotermis. H 920 pada suhu reaksi 647 o C (920 K) adalah : dh = Cp.dT H 920 H 920 H 920 H K = Cp.dT 298K = [ Cp produk - Cp reaktan ] dt = ,596 J/mol ,396 J/mol = ,8 J/mol H = H o R + H 920 = ,8 = ,8 J/mol ii. Konstanta kesetimbangan (K) pada keadaan standar G o f = - RT ln K Dimana: G f 0 : Energi Gibbs pada keadaan standar (T = 298 o K, P = 1 atm), J/mol

37 24 H R o : Panas reaksi, J/mol K T R : Konstanta Kesetimbangan : Suhu standar =298 K : Tetapan Gas Ideal = 8,314 J/mol.K sehingga G o dari reaksi tersebut adalah : G f o G f o = G f o produk - G f o reaktan = ( G C 6 H 6 + G CH 4 ) ( G C 6 H 5 CH 3 + G H 2 ) = (129,665+ (- 50,460) ) (122, ) = - 42,845 kj/mol ln K o ΔG f = RT J/mol 8,314 J/mol.K. 298 K = 17,293 K 298 = 3,238 x 10 7 iii. Konstanta kesetimbangan (K) pada T = 647 o C = 920 K K ln K ΔH R 0 R 1 T 2 1 T 1 Dengan : K 298 = Konstanta kesetimbangan pada 298 K K 1 = Konstanta kesetimbangan pada suhu operasi T 1 = Suhu standar (25 o C = 298 K) T 2 = Suhu operasi (647 o C = 920 K) R = Tetapan Gas Ideal = 8,314 J/mol.K H R o = Panas reaksi standar pada 298 K

38 25 K1 ln 7 3,238x J/mol 1 8,314 J/mol.K 920 K 1 298K K1 ln = - 11, ,238 x 10 1,124x10-5 K1 = 7 3,238 x 10 K 1 = 363,951 Karena harga konstanta kesetimbangan relatif besar, maka reaksi berlangsung searah, yaitu ke kanan (irreversible). b. Untuk reaksi samping (K 2 ) 2 C 6 H 6 (g) C 12 H 10 (g) + H 2 (g) i. Panas reaksi standar ( H R o ) H R o H R o = H f o produk - H f o reaktan = ( H f o C 12 H 10 + Hf o H 2 ) ( 2. H f o C 6 H 6 ) = ( 182, ) ( 2 x 82,930) = 16,230 kj/mol Karena H o R bernilai positif maka reaksi bersifat endotermis. H 920 pada suhu reaksi 647 o C (920 K) adalah : dh = Cp.dT H 920 H 920 H 920 H K = Cp.dT 298K = [ Cp produk - Cp reaktan ] dt = ,638 J/mol ,396 J/mol = ,758 J/mol

39 26 H = H o R + H 920 = ( ,758) = ,758 J/mol ii. Konstanta kesetimbangan (K) pada keadaan standar Gf 0 = - RT ln K Dimana: G f 0 : Energi Gibbs pada keadaan standar (T = 298 o K, P = 1 atm), J/mol H R o : Panas reaksi, J/mol K T R : Konstanta Kesetimbangan : Suhu standar = 298 K : Tetapan Gas Ideal = 8,314 J/mol.K sehingga G o dari reaksi tersebut adalah : G f o G f o = G f o produk - G f o reaktan = ( G C 12 H 10 + G H 2 ) ( 2 x G C 6 H 6 ) = ( 280, ) ( 2 x 129,665 ) = 20,750 kj/mol ln K o ΔG f = RT J/mol 8,314 J/mol.K. 298 K = - 8,375 K 298 = 2,305 x 10-4 i. Konstanta kesetimbangan (K) pada T = 647 o C = 920 K K ln K ΔHr R 0 1 T2 1 T 1 Dengan : K 298 = Konstanta kesetimbangan pada 298 K

40 27 K 2 = Konstanta kesetimbangan pada suhu operasi T 1 = Suhu standar (25 o C = 298 K) T 2 = Suhu operasi (647 o C = 920 K) R = Tetapan Gas Ideal = 8,314 J/mol.K H R o = Panas reaksi standar pada 298 K K 2 ln -4 2,305x J/mol 1 8,314 J/mol.K 920 K K K 2 ln = 4, ,305x10 K 2 83,838 = -4 2,305x10 K 2 = 0,019 Karena harga konstanta kesetimbangan K 2 relatif kecil, maka reaksi berlangsung bolak-balik (reversible) Tinjauan Kinetika Reaksi Proses hidrodealkilasi (HDA) toluene menjadi benzene pada fase gas dan non-catalytic, reaksi yang terjadi adalah: Reaksi 1 : C 7 H 8 + H 2 C 6 H 6 + CH 4 Reaksi 2 dan 3 : 2 C 6 H 6 C 12 H 10 + H 2 Hidrogen dan toluene bereaksi membentuk benzene dan metana pada reaksi 1, dan diphenil terbentuk pada reaksi kedua. Reaksi kedua merupakan reaksi reversible, sehingga reaksi yang membentuk diphenil disebut reaksi 2 dan reaksi kebalikannya disebut reaksi 3.

41 28 Persamaan kecepatan reaksi dikalkulasi dan didapatkan nilai sebagai berikut: r = exp P T P r = exp T P r = exp P T P Dimana r 1. r 2 dan r 3 dalam lbmol/(min.ft 3 ), T dalam K, dan P j dalam psia ( 2.3 Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses Diagram Alir Proses Diagram alir prarancangan pabrik benzene dari toluene dan hidrogen dapat ditunjukan dalam tiga macam, yaitu : a. Diagram alir proses (Gambar 2.1) b. Diagram alir kualitatif (Gambar 2.2 ) c. Diagram alir kuantitatif ( Gambar 2.3 )

42 29 Laju Alir Massa Overall (kg/jam) No. Komponen Arus 1 Arus 2 Arus 3 Arus 4 Arus 5 Arus 6 Arus 7 Arus 8 Arus 9 Arus 10 Arus 11 Arus 12 Arus 13 Arus 14 Arus 15 Arus 16 Arus 17 Arus 18 Arus 19 Arus 20 Arus H 2 2 CH C6H C7H C12H Jumlah

43 30 DIAGRAM ALIR KUALITATIF PABRIK BENZENE H2 CH4 T=30 o C P=25 atm T=44,4 o C P=25 atm H2 CH4 C6H6 C7H8 T=189,49 o C P=25 atm T=110,83 o C P=1 atm C6H6 C7H8 C12H10 Tee4 vaporizer H2 T=119,51 o C CH4 P=25 atm C6H6 C7H8 Tee3 Tee2 T=110,78 o C P=1 atm Furnace T=54,43 o C P=25 atm H2 CH4 C6H6 C7H8 H2 CH4 C6H6 C7H8 C12H10 T=647 o C P=25 atm Reaktor H2 CH4 C6H6 C7H8 C12H10 T=638,7 o C P=25 atm Recycle 68,9 % Kondenser C6H6 C7H8 C12H10 H2 CH4 C6H6 C7H8 T=112,07 o C P=1 atm T=10,16 o C P=15 atm T=25 o C P=25 atm V-1 CH4 C6H6 C7H8 C12H10 T=10,16 o C P=15 atm Tee5 FD 1 V-2 C6H6 C7H8 H2 CH4 C6H6 C7H8 C12H10 H2 CH4 C6H6 T=5 o C P=1 atm T=10,16 o C P=15 atm V-3 C7H8 T=10,16 o C P=15 atm FD 2 T=-53,72 o C P=1 atm T=5 o C P=1 atm Tee6 T=85,05 o C P=1 atm CH4 C6H6 C7H8 MD 1 Fuel gas T=-15,79 o C P=1 atm H2 CH4 C6H6 C7H8 Produk Benzene C6H6 C7H8 T=80,24 o C P=1 atm C6H6 C6H6 C6H6 C7H8 C7H8 C7H8 C12H10 T=86,64 o C P=1 atm Tee1 C12H10 MD 2 C12H10 T=117,6 o C P=1 atm C6H6 C6H6 C7H8 T=80 o C P=1 atm C7H8 T=30 o C P=1 atm C7H8 C12H10 T=245,07 o C P=1 atm Gambar 2.2 Diagram Alir Kualitatif 30

44 31 DIAGRAM ALIR KUANTITATIF PABRIK BENZENE H2 2739,183 CH4 20, ,190 Tee4 H2 6460,000 CH4 1162,536 C6H6 267,563 C7H8 16,511 Tee3 7906,610 Furnace Reaktor Recycle 68,9 % H2 3720,817 CH4 1142,529 C6H6 267,563 C7H8 16, ,421 Tee5 Kondenser FD 1 V-1 purge H2 1683,420 CH4 516,918 C6H6 121,054 C7H8 7, ,862 V-3 H2 5404,237 CH4 1659,446 C6H6 388,618 C7H8 23, ,283 Tee6 Fuel gas H2 1683,420 CH4 8805,607 C6H6 1668,262 C7H8 102, ,797 CH4 8288,689 C6H6 1547,207 C7H8 95, ,935 C6H6 44,437 C7H ,489 C12H10 6, ,473 Tee2 H2 6460,000 CH4 1162,535 C6H6 312,000 C7H ,000 C12H10 6, ,084 H2 5404,237 CH4 9948,135 C6H ,715 C7H8 8914,800 C12H , ,084 CH4 8288,689 C6H ,096 C7H8 8890,819 C12H , ,801 V-2 FD 2 Produk Benzene C6H ,993 C7H8 26, ,380 C6H C7H C6H6 37,896 C7H8 8725,546 C 12H 10 6, ,989 C6H ,889 C7H8 8795,780 C12H , ,866 MD 1 C6H C7H vaporizer Tee1 C6H C7H MD 2 C6H6 37,896 C7H8 8769,393 C12H , ,485 C6H6 6,541 C7H , ,484 C7H8 43,847 C12H , ,496 Gambar 2.3 Diagram Alir Kuantitatif 31

45 Tahapan Proses Proses pembuatan benzene dengan reaksi hidrodealkilasi toluene dapat dibagi menjadi empat tahap, yaitu : 1. Tahap Penyimpanan Bahan Baku 2. Tahap Persiapan Bahan Baku 3. Tahap Pembentukan Produk 4. Tahap Pemurnian Produk Penjelasan berdasarkan gambar 2.1 mengenai masing-masing tahapan adalah sebagai berikut : Tahap Penyimpanan Bahan Baku Bahan baku toluene (C 7 H 8 ) disimpan pada fase cair dengan suhu 30 0 C dan tekanan 1 atm dalam tangki penyimpanan (T-01). Sedangkan Hidrogen (H 2 ) disalurkan melalui pipa dari pabrik penghasil hidrogen dengan suhu 30 o C dan tekanan 25 atm. Bahan baku toluene (C 7 H 8 ) diperoleh di pasaran dengan kemurnian 99.9% berat, sedangkan Hidrogen (H 2 ) diperoleh dengan kemurnian 99,99% berat Tahap Penyiapan Bahan Baku Toluene cair dari tangki penyimpanan dengan kondisi 30 o C dan tekanan 1 atm digunakan sebagai pendingin di kondensor parsial MD-02 (CD-03) sehingga suhunya naik menjadi 80 o C. Kemudian masuk ke vaporizer (VP-01) untuk mengubah fasenya menjadi fase gas. Campuran cair dan gas yang dihasilkan dipisahkan dalam separator 1 (SP-01) dengan kondisi suhu 110,78 o C dan tekanan

46 33 1 atm, hasil bawah yang berupa cair akan dikembalikan untuk dicampur dengan umpan toluene cair. Sedangkan hasil atas separator yang berupa gas dicampur dengan recycle hasil atas Menara Distilasi 2 (MD-02). Campuran tersebut kemudian dinaikkan tekanannya dengan compressor 1 (C-01) menjadi 25 atm. Gas hydrogen dengan suhu 30 o C dan tekanan 1 atm dicampur dengan recycle hasil atas flash drum 1 (FD-01) yang telah dinaikkan tekanannya menjadi 25 atm dengan compressor 2 (C-02). Kemudian campuran gas tersebut dicampur dengan toluene dari C-01. Campuran gas hidrogen dan toluene kemudian dinaikkan suhunya dengan furnace menjadi 647 o C sebelum diumpankan kedalam reaktor Tahap Pembentukan Produk Reaksi yang terjadi dalam reaktor : C 6 H 5 CH 3 (g) + H 2 (g) C 6 H 6 (g) + CH 4 (g) Reaksi samping: 2 C 6 H 6 (g) C 12 H 10 (g) + H 2 (g) Bahan baku yang telah disiapkan dimasukkan dalam reaktor yang beroperasi secara non isotermal dan non adiabatik dimana reaksi dijaga pada suhu optimum o C (dari range suhu reaksi o C). Gas toluene dan hidrogen dimasukkan bersama ke bagian tube reaktor. Di dalam reaktor terjadi reaksi pembentukan benzene dan sedikit diphenyl. Toluene yang bereaksi 85% dari toluene yang diumpankan ke reaktor. Reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis, sehingga akan melepaskan panas yang dapat menaikkan suhu dalam reaktor, panas yang dihasilkan dari reaksi ini diserap oleh media pendingin

47 34 molten salt yang dialirkan di dalam shell. Molten salt masuk pada suhu 148 o C dan keluar pada suhu 174,02 o C. Sedangkan kondisi gas keluar reaktor yaitu pada suhu 638,7 o C dan tekanan 25 atm Tahap Pemurnian Produk Tahap ini bertujuan untuk memisahkan produk sehingga diperoleh produk benzene yang mempunyai kemurnian tinggi. Produk reaktor yang berupa gas, terdiri dari toluene tak bereaksi, benzene, diphenyl, hidrogen sisa dan methane yang bersuhu 638,7 o C digunakan sebagai pemanas di reboiler MD-02 (RB-02) sehingga suhunya turun menjadi 376,85 o C. Kemudian digunakan sebagai pemanas di reboiler MD-01 (RB-01) sehingga suhunya menjadi 276,85 o C. Setelah itu digunakan lagi sebagai pemanas di VP-01 sehingga keluar pada suhu 126,85 o C. Lalu gas tersebut dikondensasikan di kondensor parsial (CD-01) sehingga fasenya berubah menjadi campuran gas-cair. Campuran gas dan cair yang dihasilkan dipisahkan dalam flash drum 1 (FD-01) sehingga tekanannya turun menjadi 15 atm. Hasil atas yang berupa gas sebagian di-recycle (68,9%) untuk dicampur dengan umpan hidrogen segar dan sebagian lagi dilewatkan expansion valve sehingga tekanannya akan turun menjadi 1 atm. Hasil bawah FD-01 yang berupa cair masuk ke flash drum 2 (FD-02) sehingga tekannya turun menjadi 1 atm. Penurunan tekanan akan mengakibatkan sebagian cairan berubah menjadi gas. Hasil atas yang berupa gas akan dicampur dengan hasil atas keluaran dari FD-01 yang tekanannya telah diturunkan, kemudian digunakan juga sebagai fuel gas (bahan bakar furnace). Sedangkan

48 35 hasil bawah yang berupa cairan akan digunakan sebagai pendingin di kondensor parsial 1 (CD-01). Kemudian diumpankan ke menara distilasi 1 (MD-01) pada suhu 85,05 o C. Produk utama benzene dengan kemurnian 99,93% berat diperoleh dari hasil atas MD-01. Hasil atas menara distilasi diembunkan dalam kondensor total (CD-02) dan kemudian didinginkan dalam heat exchanger 1 (HE-01) sehingga produk menara distilasi suhunya turun menjadi 40 o C dan akan disimpan ke dalam tangki penyimpanan produk benzene (T-02). Sedangkan hasil bawah yang masih banyak mengandung toluene diumpankan ke menara distilasi 2 (MD-02). Sehingga diharapkan toluene yang akan direcycle mengandung maks. 0,05% diphenyl yang dihasilkan dalam reaksi. Di dalam MD-02 toluene akan terpisah sebagai hasil atas menara distilasi. Uap jenuh hasil atas menara distilasi diembunkan dalam kondensor parsial (CD- 03), hasil cairnya dimasukkan kembali ke dalam menara sebagai refluk dan hasil uapnya direcycle untuk dicampur dengan toluene segar. Sedangkan dari hasil bawah MD-02 dihasilkan produk samping diphenyl. Setelah didinginkan di dalam heat exchanger 2 (HE-02) sampai suhunya 40 o C baru disimpan dalam tangki penyimpan diphenyl (T-03). 2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas Produk Kapasitas Satu tahun produksi : Benzene 99,93% berat : ton/tahun : 330 hari Waktu operasi selama 1 hari : 24 jam

49 Neraca Massa Basis perhitungan Satuan : 1 jam operasi : kg/jam Neraca massa prarancangan pabrik benzene sesuai dengan gambar 2.3. Tabel 2.2 Neraca Massa pada Tee1 Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 1 Arus 3 Arus 2 C 6 H 6 6,541 0,699 7,240 C 7 H , , ,204 Total , , , , ,444 Tabel 2.3 Neraca Massa pada Vaporizer 1 (VP-01) Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 2 Arus 3 Arus 4 C 6 H 6 7,240 0,699 6,541 C 7 H , , ,943 Total , , , , ,484

50 37 Tabel 2.4 Neraca Massa pada Tee2 Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 4 Arus 21 Arus 5 C 6 H 6 6,541 37,896 44,437 C 7 H , , ,489 C 12 H 10 0,000 6,548 6,548 Total , , , , ,473 Tabel 2.5 Neraca Massa pada Tee3 Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 5 Arus 13 Arus 6 H 2 0, , ,000 CH 4 0, , ,536 C 6 H 6 44, , ,000 C 7 H ,489 16, ,000 C 12 H 10 6,548 0,000 6,548 Total , , ,

51 38 Tabel 2.6 Neraca Massa pada Tee4 Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 11 Arus 12 Arus 13 H , , ,000 CH ,529 20, ,536 C 6 H 6 267,563 0, ,563 C 7 H 8 16,511 0,000 16,511 Total 5147, , , , ,610 Tabel 2.7 Neraca Massa pada Reaktor Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 6 Arus 7 H , ,237 CH , ,136 C 6 H 6 312, ,714 C 7 H , ,800 C 12 H 10 6, ,197 Total

52 39 Tabel 2.8 Neraca Massa pada Flash drum 1 (FD-01) Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 8 Arus 9 Arus 14 H , ,237 0,000 CH , , ,689 C 6 H , , ,096 C 7 H ,800 23, ,819 C 12 H ,197 0, ,197 Total , , , , ,084 Tabel 2.9 Neraca Massa pada Tee5 Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 9 Arus 10 Arus 11 H , , ,817 CH , , ,529 C 6 H 6 388, , ,563 C 7 H 8 23,981 7,470 16,511 Total 7.476, , , , ,283

53 40 Tabel 2.10 Neraca Massa pada Flash drum 2 (FD-02) Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 14 Arus 15 Arus 17 CH , ,689 0,000 C 6 H , , ,889 C 7 H ,819 95, ,780 C 12 H ,197 0, ,196 Total , , , , ,801 Tabel 2.11 Neraca Massa pada Tee6 Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 10 Arus 15 Arus 16 H ,420 0, ,420 CH 4 516, , ,607 C 6 H 6 121, , ,262 C 7 H 8 7,470 95, ,509 Total 2.328, , , , ,797

54 41 Tabel 2.12 Neraca Massa pada Menara Distilasi 1 (MD-01) Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 17 Arus 18 Arus 19 C 6 H , ,993 37,896 C 7 H ,780 26, ,393 C 12 H ,196 0, ,196 Total , , , , ,866 Tabel 2.13 Neraca Massa pada Menara Distilasi 2 (MD-02) Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 19 Arus 20 Arus 21 C 6 H 6 37,896 0,000 37,896 C 7 H ,393 4, ,546 C 12 H , ,649 6,548 Total , , , , ,485

55 42 Tabel 2.14 Neraca Massa Total Komponen Input (kg/jam) Output (kg/jam) Arus 1 Arus 12 Jumlah Arus 16 Arus 18 Arus 20 Jumlah H 2 0, , , ,42 0,00 0, ,42 CH 4 0,00 20,00 20, ,60 0,00 0, ,61 C 6 H 6 6,54 0,00 6, , ,99 0, ,25 C 7 H ,94 0, ,94 102,51 26,39 43,85 172,74 C 12 H 10 0,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,65 Jumlah , , Neraca Panas Basis perhitungan Satuan : 1 jam operasi : kj/jam Tabel 2.15 Neraca Panas pada Vaporizer Komponen Q input (kj) Q output (kj) Q umpan(arus 2) ,006 0,000 Q vapor(arus 4) 0, ,717 Q liquid(arus 3) 0, ,127 Q penguapan 0, ,148 Q pemanas ,986 0,000 Total , ,992