BAB II DESKRIPSI PROSES

Transkripsi

1 BAB II DESKRIPSI PROSES 2.1. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk Spesifikasi bahan baku Ethylene Dichloride (EDC) a. Rumus Molekul : b. Berat Molekul : 98,96 g/mol c. Wujud : Cair d. Kemurnian : 99,8% wt e. Tekanan Uap (20 o C) : 61 mmhg f. Impuritas : 0,2% wt g. Titik Lebur (1 atm) : -35,3 o C h. Titik Didih (1 atm) : 83,5 o C i. Titik Nyala : 13 o C j. Specific Gravity (20 o C) : 1, Spesifikasi produk Vinyl Chloride Monomer (VCM) a. Rumus Molekul : C2H3Cl b. Berat Molekul : 62,50 g/mol c. Titik Beku (1 atm) : -154 o C d. Titik Didih (1 atm) : -13 o C e. Titik Nyala : -78 o C f. Specific Gravity (25 o C) : 0,9106 g. Viskositas (20 o C) : 0,01072 cp h. Tekanan Uap (25 o C) : mmhg i. Wujud : cair j. Kemurnian : 99,8% wt ( 15

2 k. Impuritas : 0,2% wt ( Konsep Proses Dasar Reaksi Pembuatan Vinyl Chloride Monomer dengan bahan baku Ethylene dichloride merupakan proses pirolisis/thermal cracking. Reaksinya adalah sebagai berikut : CH2ClCH2Cl(g) CH2=C(g) + (g) Reaksi utama perekahan EDC, selain menghasilkan VCM juga sebagai hasil samping. Reaksi lanjutan yang menghasilkan fraksi ringan dan fraksi berat seperti acethylene dapat dihindari dengan cara-cara sebagai berikut : Menjaga suhu pada range yang diijinkan ( o C) dengan mengatur laju bahan bakar. Pendinginan setelah keluar reaktor akan menghentikan reaksi perekahan Fase Reaksi Mekanisme reaksi pembentukan VCM dari EDC terjadi pada fase gas Kondisi Reaksi Cracking EDC untuk menghasilkan VCM dijalankan pada fase gas non-katalitik dengan suhu antara o C dan tekanan 3 30 bar. Rasio konversi EDC tergantung dari suhu perekahan. Tingginya suhu perekahan akan mengakibatkan tingginya rasio konversinya. Konversi EDC menjadi VCM pada kondisi tersebut diatas adalah 45-55% Sifat Reaksi Proses pembuatan Vinyl Chloride Monomer dengan cara pirolisis EDC dilakukan dalam non-isothermal plug flow reactor yang 16

3 terdapat di dalam furnace box. Reaksi ini merupakan reaksi homogen nonkatalitik fase gas Tinjauan Termodinamika Panas Reaksi ( Hr) Panas reaksi ( Hr) dapat digunakan untuk mengetahui apakah reaksinya endotermis atau eksotermis. Berikut merupakan perhitungan panas reaksi untuk reaksi: CH2ClCH2Cl(g) CH2=C(g) + (g) Tabel 2.1 Harga H o f Masing-masing H o f (kj/mol) -129,70 C2H3Cl 28,45-92,30 (Yaws,1999) H o r298,15 = H o f produk - H o f reaktan = ((28,45+(-92,30))- (-129,70)) kj/mol = 65,85 kj/mol Karena harga H o r298,15 positif, maka reaksi bersifat endotermis Energi Bebas Gibbs ( G o ) Tabel 2.2 Harga G o f Masing-masing G o f (kj/mol) -73,85 C2H3Cl 42,93-95,30 (Yaws,1999) Maka, G o r298,15 = G o f produk - G o f reaktan = ((42,93+(-95,30))- (-73,85)) kj/mol = 21,48 kj/mol 17

4 ln K 298,15 = ΔGo f 298,15 R.T J/mol = 8,314 J.298,15 K mol.k = - 8,665 K298,15 = 1, Pada suhu 480 o C (753 K) nilai konstanta kesetimbangan dapat dihitung dengan persamaan berikut : ln K = HO r 298,15 K 298,15 R K ln 1, = J/mol J 8,314 mol. K K753 = 1611,63 ( 1 T 1 T 298,15 ) Karena reaksi fase gas-gas maka dicari nilai Kp : Kp = (R.T) Δn. K753 = (8, ). 1611,63 = 1, ( ,15 ) Nilai Kp >> 1, maka reaksi berlangsung searah yakni kearah kanan (irreversible) Tinjauan Kinetika Reaksi pirolisis EDC merupakan reaksi order 1. Reaksinya mengikuti reaksi berikut: CH2ClCH2Cl(g) k CH2=C(g) + (g) Reaksi dapat dituliskan sebagai berikut: A k B + C Persamaan kecepatan reaksinya dapat ditulis: -ra = k.ca Nilai konstanta kecepatan reaksi (k) pembentukan VCM mengikuti persamaan umum kinetika menurut Arrhenius : Dimana : k k = A.e Ea RT = konstanta kecepatan reaksi 18

5 A = Faktor frekuensi tumbukan (s -1 ) Ea T R = Energi Aktivasi (kal/mol) = suhu mutlak (K) = Tetapan Gas Ideal, (1,987 kal/mol.k) Nilai konstanta kecepatan reaksi untuk proses ini adalah : k1 = e RT 2.3. Diagram Alir Proses dan Deskripsi Proses Diagram Alir Kualitatif Diagram alir proses dapat dilihat pada Gambar Diagram Alir Kuantitatif Diagram alir kuantitatif ditunjukkan pada gambar Process Flow Diagram Process flow diagram ditunjukkan pada gambar 2.3 (Ullman, 2001) 19

6 F1 P = 1 atm T = 35 o C F2 P = 10 atm T = 86,75 o C F F3 C2H3Cl P = 9,99 atm T = 481,10 o C PC F10 P = 4,83 atm T = 145,39 o C F3 C2H3Cl P = 9,99 atm T = 122,91 o C S C2H3Cl P = 9,99 atm T = 122,91 o C F4 F6 P = 6,21 atm T = 35 o C F4 C2H3Cl P = 6,2 atm T = 106,86 o C AB F7 C2H3Cl P = 6,2 atm T = 43 o C F5 P = 5 atm T = 122,59 o C F8 P = 6,2 atm T = 51,85 o C MD F9 P = 7,3 atm T = 152,38 o C F5 P = 9,99 atm T = 122,91 o C Keterangan : F = Furnace PC = Partial Condenser S = Separator AB = Absorber MD = Menara Distilasi Gambar 2.1 Diagram Alir Kualitatif 20

7 : ,87 kg/jam : 109,09 kg/jam ,96 kg/jam F2 F10 : ,60 kg/jam : 49,08 kg/jam ,68 kg/jam : ,54 kg/jam ,54 kg/jam F6 : ,38 kg/jam C2H3Cl : ,34 kg/jam : 4,93 kg/jam : 0,02 kg/jam ,68 kg/jam F4 AB F7 : 33,12 kg/jam C2H3Cl : ,34 kg/jam : 4,93 kg/jam ,39 kg/jam MD F1 : ,27 kg/jam : 60,01 kg/jam ,28 kg/jam F F3 : ,38 kg/jam C2H3Cl : ,34 kg/jam : ,14 kg/jam : 109,09 kg/jam ,96 kg/jam PC F3 : ,38 kg/jam C2H3Cl : ,34 kg/jam : ,14 kg/jam : 109,09 kg/jam ,96 kg/jam S F4 : ,38 kg/jam C2H3Cl : ,34 kg/jam : 4,93 kg/jam : 0,02 kg/jam ,68 kg/jam F8 : ,27 kg/jam : ,56 kg/jam ,83 kg/jam : ,21 kg/jam : 109,07 kg/jam ,28 kg/jam F5 F9 : 0,61 kg/jam : 59,99 kg/jam 60,60 kg/jam F5 : ,21 kg/jam : 109,07 kg/jam ,28 kg/jam Keterangan : F = Furnace PC = Partial Condenser S = Separator AB = Absorber MD = Menara Distilasi Gambar 2.2 Diagram Alir Kuantitatif 21

8 Deskripsi Proses Secara keseluruhan reaksi perekahan EDC menjadi VCM dapat dibagi menjadi tiga tahap, yaitu : 1. Tahap penyiapan bahan baku 2. Tahap pembentukan Vinyl Chloride Monomer 3. Tahap separasi dan pemurnian Tahap Penyiapan Bahan Baku Bahan baku Ethylene dicloride disimpan dalam fase cair pada tangki penyimpanan (T-01) yang dirancang dengan kapasitas penyimpanan 30 hari produksi. Bahan baku Ethylene dichloride disimpan pada P = 1 atm dan suhu 35 o C. Ethylene dichloride dicampur dengan arus recycle dari hasil atas menara destilasi (MD) kemudian dialirkan ke dalam reaktor (F) secara kontinyu Tahap Pembentukan Vinyl Chloride Monomer Proses pembentukan Vinyl Choride Monomer merupakan reaksi endotermis yang berlangsung pada fase gas dalam sebuah reaktor plug flow yang dimulai pada suhu reaksi 450 o C dan tekanan 10 atm sampai suhu tertentu sehingga diperoleh konversi reaksi yang diinginkan yaitu sebesar 55%. Karena suhu saat proses pirolisis Ethylene dicloride menjadi Vinyl Choride Monomer pada suhu tinggi, maka dipilih reaktor jenis furnace. Pada proses ini dihasilkan produk samping berupa asam klorida (). Reaksi yang terjadi adalah : C o C,3 30bar 2H 4Cl2 C ( g) 2H 3Cl( g) ( g) Tahap Separasi dan Pemurnian Produk keluar reaktor terdiri dari campuran EDC, VCM, dan dalam fase gas. Arus keluar reaktor ini dilewatkan ke dalam partial condenser (PC) untuk didinginkan secara mendadak agar tidak terjadi 23

9 reaksi lanjutan, dimana produk keluaranreaktor didinginkan dengan pendingin downtherm A. Hasil atas kondensor parsial dilewatkan ke dalam menara absorber (AB) untuk menyerap gas yang diumpankan dari dasar menara. Sebagai penyerap, digunakan air yang diumpankan dari atas menara. Hasil absorber berupa dialirkan ke dalam tangki penyimpanan (T- 02). Hasil atas absorber yang mengandung VCM, EDC, dan sedikit kemudian ditampung di dalam tangki penyimpanan produk (T-03). Hasil bawah kondenser parsial yang mengandung EDC dan air diumpankan ke dalam MD untuk menghilangkan kandungan airnya. Hasil atas MD berupa EDC dan sedikit air diumpankan ke arus umpan sebagai recycle menuju reaktor, dan arus bawah MD yang berupa air dan sedikit EDC dialirkan ke bak penyimpanan (BU-04). 2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas Kemurnian produk : Vinyl Chloride Monomer (99,8%) Kapasitas perancangan : ton/tahun Waktu operasi selama 1 tahun : 330 hari Waktu operasi selama 1 hari : 24 jam Neraca Massa Diagram alir neraca massa sistem tabel Basis perhitungan : 1 jam operasi Satuan : kg Tabel 2.3 Neraca Massa Reaktor (F) Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 2 Arus 3 EDC , ,14 VCM , ,38 109,08 109,08 SUBTOTAL , ,96 24

10 TOTAL , ,96 Tabel 2.4 Neraca Massa Partial Condenser (PC) Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 3 Arus 4 Arus 5 EDC ,14 4, ,21 VCM , , , ,38 109,08 0,01 109,07 SUBTOTAL , , ,28 TOTAL , ,96 Tabel 2.5 Neraca Massa Absorber (AB) Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 4 Arus 6 Arus 7 Arus 8 EDC 4,93 4,93 VCM , , ,38 33, ,27 0, , ,56 SUBTOTAL , , , ,83 TOTAL , ,22 Tabel 2.6 Neraca Massa Menara Distilasi (MD) Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 5 Arus 9 Arus 10 EDC ,21 0, ,60 VCM 109,07 59,99 49,07 SUBTOTAL ,28 60, ,68 25

11 TOTAL , ,28 Tabel 2.7 Neraca Massa Total Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 1 Arus 6 Arus 7 Arus 8 Arus 9 EDC ,27 4,93 0,60 VCM ,34 33, , , ,56 59,99 SUBTOTAL , , , ,83 60,60 TOTAL , , Neraca Panas Diagram alir neraca panas system table Basis perhitungan Satuan : 1 jam : kj Tabel 2.8 Neraca Panas Tee Masuk (kj/jam) Keluar (kj/jam) Arus 1 Arus 10 Arus 2 EDC , , ,35 VCM 2.515, , ,53 SUBTOTAL , , ,88 TOTAL , ,88 Tabel 2.9 Neraca Panas Reaktor Masuk (kj/jam) Keluar (kj/jam) Arus 2 Pemanas Reaksi Arus 3 EDC , ,88 26

12 VCM , , , , ,78 SUBTOTAL , , , ,68 TOTAL , ,25 Tabel 2.10 Neraca Panas Kondenser Parsial Masuk (kj/jam) Keluar (kj/jam) Arus 3 Beban Kondenser Arus 4 Arus 5 EDC ,88 416, ,53 VCM , , , , ,78 2, ,85 SUBTOTAL , , , ,38 TOTAL , ,91 Tabel 2.11 Neraca Panas Ekspander Masuk (kj/jam) Keluar (kj/jam) Arus 4 in Arus 4 out Panas Hilang EDC 416,89 344,56 VCM , , , ,13 2, SUBTOTAL ,71 60, ,04 TOTAL , ,71 27

13 Tabel 2.12 Neraca Panas Absorber Masuk (kj/jam) Keluar (kj/jam) Arus 4 Pelarutan Arus 6 Arus 7 Arus 8 Penyerapan EDC 416,89 72,07 0,60 VCM , , , , ,09 2, , , ,88 SUBTOTAL , , , , , ,88 TOTAL , ,12 Tabel 2.13 Neraca Panas Throtling Valve Masuk (kj/jam) Keluar (kj/jam) Arus 5 in Arus 5 out Panas Hilang EDC , ,20 VCM , ,94 SUBTOTAL , , ,59 TOTAL , ,75 Tabel 2.14 Neraca Panas Menara Distilasi Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 5 Qr Arus 9 Arus 10 Qc EDC ,64 109, ,56 VCM , , ,50 SUBTOTAL , , , , ,25 TOTAL , ,85 28

14 Tabel 2.15 Neraca Panas Total Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 1 Arus 6 Q Pemanas Qr Arus 8 Arus 9 Arus 7 Qc Q PC Q hilang EDC ,50 109,05 72,07 VCM , , , , , , ,48 SUBTOTAL , , , , , , , , , ,62 TOTAL , ,81 29

15 2.5 Tata Letak Pabrik dan Peralatan Proses Tata Letak Peralatan Proses Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menentukan lay out peralatan proses pada pabrik vinyl chloride monomer, antara lain (Vilbrant, 1959): 1. Aliran bahan baku dan produk Pengaliran bahan baku dan produk yang tepat akan memberikan keuntungan ekonomi yang besar serta menunjang kelancaran dan keamanan produksi. 2. Aliran udara Aliran udara di dalam dan di sekitar area proses perlu diperhatikan kelancarannya. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya stagnasi udara pada suatu tempat sehingga mengakibatkan akumulasi bahan kimia yang dapat mengancam keselamatan pekerja. 3. Cahaya Penerangan seluruh pabrik harus memadai dan pada tempattempat proses yang berbahaya atau beresiko tinggi perlu adanya penerangan tambahan. 4. Lalu lintas manusia Dalam perancangan lay out pabrik perlu diperhatikan agar pekerja dapat mencapai seluruh alat proses dangan cepat dan mudah. Hal ini bertujuan apabila terjadi gangguan pada alat proses dapat segera diperbaiki. 5. Pertimbangan ekonomi Dalam menempatkan alat-alat proses diusahakan dapat menekan biaya operasi dan menjamin kelancaran dan keamanan produksi pabrik. 6. Jarak antar alat proses Untuk alat proses yang mempunyai suhu dan tekanan operasi tinggi sebaiknya dipisahkan dengan alat proses lainnya, sehingga 30

16 apabila terjadi ledakan atau kebakaran pada alat tersebut maka kerusakan dapat diminimalkan. U T-03 A T-03 B T-03 C AB T-01 F PC S MD U C RB BU- 04 T-02 Keterangan : T-01 : Tangki penyimpanan ethylene dichloride T-02 : Tangki penyimpanan Skala 1:200 T-03 A/B/C : Tangki penyimpanan vinyl chloride monomer BU-04 F PC S AB MD : Bak penampungan limbah bottom MD : Reaktor Furnace : Kondenser Parsial : Separator : Absorber : Menara distilasi C-02 : Kondenser MD RB : Reboiler MD Gambar 2.5 Tata Letak Peralatan Proses 31

17 2.5.2 Tata Letak Pabrik Tata letak pabrik adalah pengaturan atau penyusunan peralatan proses dan fasilitas pabrik lainnya, sedemikian rupa sehingga pabrik dapat berfungsi dengan efektif, efisien dan aman. Tata letak pabrik yang baik bertujuan agar : Mempermudah arus masuk dan keluar area pabrik Proses pengolahan bahan baku menjadi produk lebih efisien Mempermudah penanggulangan bahaya yang mungkin terjadi seperti kebakaran, ledakan dll. Mencegah terjadinya polusi. Memudahkan pemasangan, pemeliharaan, dan perbaikan. Menekan biaya produksi serendah mungkin dengan hasil yang maksimum. Untuk mencapai hasil yang optimal, maka hal-hal yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan tata letak pabrik adalah (Vilbrant, 1959): 1. Pabrik vinyl chloride monomer ini.merupakan pabrik baru (bukan pengembangan), sehingga penentuan lay out tidak dibatasi oleh bangunan yang ada. 2. Kemungkinan perluasan pabrik sebagai pengembangan pabrik di masa depan. 3. Sistem kontruksi yang direncanakan adalah outdoor untuk menekan biaya bangunan dan gedung, dan juga karena iklim Indonesia memungkinkan konstruksi secara outdoor. 4. Letak masing-masing alat produksi sedemikian rupa sehingga memberikan kelancaran dan keamanan bagi tenaga kerja. Selain itu, penempatan alat-alat produksi diatur secara berurutan sesuai dengan urutan proses kerja masing-masing berdasarkan pertimbangan teknik, sehingga diapat diperoleh efisiensi teknis dan ekonomis. 32

18 5. Alat-alat yang berisiko tinggi harus diberi jarak yang cukup sehingga aman dan mudah mengadakan penyelamatan jika terjadi kecelakaan, kebakaran dan sebagainya. 6. Jalan-jalan dalam pabrik harus cukup lebar dan memperhatikan faktor keselamatan manusia, sehingga lalu lintas dalam pabrik dapat berjalan dengan baik. Perlu dipertimbangkan juga adanya jalan pintas jika terjadi keadaan darurat. 7. Letak kantor dan gudang mudah dijangkau dari jalan utama Secara garis besar lay out dibagi menjadi beberapa bagian utama, yaitu (Vilbrant, 1959): a. Daerah perkantoran, laboratorium dan ruang kontrol Merupakan pusat kegiatan administrasi pabrik yang mengatur kelancaran operasi. Laboratorium dan ruang kontrol sebagai pusat pengendalian proses, kualitas dan kuantitas bahan yang akan diproses serta produk yang dijual b. Daerah proses Merupakan daerah dimana alat proses diletakkan dan proses berlangsung. c. Daerah penyimpanan bahan baku dan produk. Merupakan daerah untuk tangki bahan baku dan produk. d. Daerah gudang, bengkel dan garasi. Merupakan daerah untuk menampung bahan-bahan yang diperlukan oleh pabrik dan untuk keperluan perawatan peralatan proses. e. Daerah utilitas Merupakan daerah dimana kegiatan penyediaan bahan pendukung proses berlangsung dipusatkan. 33

19 13 U Keterangan : 1. Pos keamanan 7. Gudang 13. Unit proses 2. Garasi 8. Control room 14. Masjid 3. Parkir karyawan 9. Laboratorium 15. Pembangkit listrik 4. Kantin 10. Klinik 16. Area perluasan 5. Kantor 11. Pemadam 6. Bengkel 12. Unit Utilitas Gambar 2.4 Tata Letak Pabrik 34