Prarancangan Pabrik Mononitrotoluena dari Toluena dan Asam Campuran dengan Proses Kontinyu Kapasitas Ton/Tahun

Transkripsi

1 NASKAH PUBLIKASI Prarancangan Pabrik Mononitrotoluena dari Toluena dan Asam Campuran dengan Proses Kontinyu Kapasitas Ton/Tahun Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Kesarjanaan Strata 1 Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Oleh: Kiswari Diah Puspita D Dosen Pembimbing: Emi Erawati, S.T., M.Eng. Ir. H. Haryanto A.R., M.S. JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2014

2

3

4

5 INTISARI Prarancangan pabrik mononitrotoluena (MNT) dengan bahan baku toluena dan asam campuran dengan menggunakan asam sulfat sebagai katalisnya ini direncanakan beroperasi selama 330 hari/tahun dengan jumlah karyawan 104 orang. Pabrik dengan luas area sebesar m 2 ini direncanakan dibangun pada tahun 2020 di lokasi industri Cilacap, Provinsi Jawa Tengah yang berdekatan dengan Pertamina UP. IV dan PT Multi Nitrotama Kimia di Cikampek sebagai penyedia bahan baku. Pabrik ini beroperasi dengan kapasitas ton/tahun, dengan pertimbangan dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri dan mengurangi ketergantungan impor. Proses pembuatan MNT berlangsung pada fase cair dengan menggunakan reaktor CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) dengan kondisi tekanan pada 1 atm dan suhu 50 0 C. Reaksi berlangsung secara eksotermis, searah, dan non adiabatis. Kebutuhan bahan baku pada pembuatan mononitrotoluena (MNT) ini komponennya yaitu toluena sebesar 3.482,31 kg/jam, asam nitrat sebesar 2.379,87 kg/jam, asam sulfat sebesar 4.365,22 kg/jam. Untuk menunjang proses produksi, maka didirikan unit pendukung yaitu unit penyediaan air sebesar kg/jam,unit penyediaan steam dengan kebutuhan steam sebesar 5.380,44 kg/jam, kebutuhan listrik sebesar 449,66 kw diperoleh dari PLN dan dua buah generator set sebesar 1000 kw sebagai cadangan, kebutuhan bahan bakar sebanyak 110,27 m 3 /jam, penyedian udara tekan sebesar 50 m 3 /jam. Dari analisa ekonomi yang dilakukan terhadap pabrik ini dengan modal tetap Rp ,94 dan modal kerja Rp ,96. Dari analisis ekonomi terhadap pabrik ini menunjukkan keuntungan sebelum pajak Rp ,86 pertahun, setelah dipotong pajak 30%, keuntungan mencapai Rp ,81 pertahun. Return On Investment (ROI) sebelum pajak 26,94% dan setelah pajak 18,85%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak adalah 2,70 tahun dan setelah pajak 3,36 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 48,83% dan Shut Down Point (SDP) sebesar 24,28%. Dari data analisis kelayakan diatas disimpulkan, Pabrik ini menguntungkan dan layak didirikan. Kata kunci : mononitrotoluena, toluena, asam nitrat, asam sulfat, CSTR

6 A. PENDAHULUAN Salah satu bahan kimia yang masih mengimpor dari negara lain adalah produk aromatic compound seperti mononitrotoluena (MNT). MNT merupakan salah satu bahan yang sangat penting dalam industri saat ini dan dirasa mempunyai prospek cerah. Selama ini untuk memenuhi MNT di Indonesia dilakukan dengan mengimpor dari Amerika Serikat, Inggris, dan Jerman. Hal tersebut tidak hanya menuntut pemerintah untuk mengembangkan industri hanya pada migas tetapi juga sebagai pertimbangan untuk mengembangkan industri-industri tersebut. Pendirian pabrik MNT di Indonesia dapat diwujudkan karena didukung oleh beberapa hal, yaitu: Dapat memberikan lapangan pekerjaan karena banyak menyerap tenaga kerja. Memacu tumbuhnya industri baru terutama industri yang menggunakan bahan baku MNT. Pabrik-pabrik industri kimia seperti industri pembuatan zat warna sintetik, dan busa polyurethane semakin berkembang memungkinkan kebutuhan akan mononitrotoluena semakin meningkat. B. PERANCANGAN KAPASITAS Penentuan kapasitas produksi MNT didasarkan pada beberapa pertimbangan antara lain: Ketersediaan bahan baku Bahan baku toluena, asam nitrat, dan asam sulfat telah banyak diproduksi di Indonesia, sehingga kelangsungan bahan baku dan tingkat permintaan MNT yang cukup besar, maka sangat prospektif bila didirikan pabrik MNT di Indonesia. Kebutuhan MNT dalam negeri Direncanakan pabrik MNT didirikan pada tahun Dalam pemilihan kapasitas pabrik MNT ada beberapa pertimbangan yaitu:

7 Kebutuhan MNT dalam negeri. Kapasitas pabrik MNT yang sudah berdiri di seluruh dunia. Prediksi kebutuhan dalam negeri Tabel 1. Data Impor MNT Tahun Kebutuhan Impor (kg) (BPS, 2009) Dari data impor MNT di Indonesia pada setiap tahun di atas maka didapatkan kebutuhan impor rata-rata tiap tahunnya adalah kg/tahun. Kapasitas pabrik MNT di luar negeri Dengan memperhatikan pertimbangan kapasitas perancangan minimum dan kebutuhan impor MNT di Indonesia maka dapat ditentukan kapasitas pabrik MNT yang akan berdiri tahun 2020 sebesar ton/tahun. Kapasitas yang direncanakan ini diharapkan dapat

8 memenuhi kebutuhan dalam negeri serta meninjau kapasitas pabrik MNT diluar negeri yang cukup besar, maka selebihnya produk dapat diekspor ke luar negeri. C. PROSES PEMBUATAN Reaksi pembuatan MNT dari bahan toluena dan HNO 3 termasuk dalam reaksi nitrasi yaitu masuknya gugus (-NO 2 ) ke dalam molekul yang direaksikan menggantikan atom H. Reaksi yang terjadi (Kirk Othmer, 1996) : C + HNO 3(l) 6H5CH3(l) D. TINJAUAN KINETIKA H SO 2 4 Dari segi kinetika, kecepatan C 6H CH NO + H 2O(l) 50 o C.1atm 4 3 2(l) reaksi akan bertambah dengan adanya kenaikan temperatur. Hal ini ditunjukkan oleh hubungan persamaan Arhenius: k= Ae E/RT...(2) Dimana: k : Konstanta kecepatan reaksi A : Faktor tumbukan tingkat pencampuran zat-zat yang bereaksi E : Energi aktivasi R : Tetapan gas umum T : Suhu mutlak Harga k akan mempengaruhi kecepatan reaksi yang ditunjukkan dengan persamaan umum (toxnet) : Reaksi :a A + b B c C + d D...(3) Sehingga : r = k C A C B... (4) Dengan harga k yang besar akan diperoleh harga r yang besar pula, sehingga reaksi berjalan cepat, begitu pula sebaliknya. Diperoleh harga konstanta kecepatan reaksi ke arah produk: k = 2.231,33 3 m /kmol.jam

9 E. DESKRIPSI PROSES Secara keseluruhan proses pembuatan MNT dari toluena dan asam campuran dengan proses kontinyu dapat dilaksanakan melalui tiga tahap: 1. Proses Penyiapan Bahan Baku Bahan baku dipanaskan dengan tujuan menyesuaikan kondisi operasi dalam reaktor karena reaktor beroperasi secara isotermis. Mula-mula bahan baku toluena yang berasal dari tangki penyimpan (T-03) pada suhu lingkungan sebesar 30 o C dinaikkan suhunya dengan heat exchanger (E-02) menjadi suhu 50 o C dipompakan menuju Reaktor (R-01). Di dalam mixer (M-01), asam nitrat dari tangki penyimpan (T-01) dicampur dengan asam sulfat yang dipompa dari tangki penyimpan (T-02) dan hasil rekonsentrasi asam sulfat di mana bahan-bahan tersebut bersuhu 30 o C. Rekonsentrasi asam sulfat dilakukan dengan menggunakan evaporator (V-01). Dimana Komposisi asam campuran adalah 30% HNO 3, 56% H 2 SO 4, 12% H 2 O. Perbandingan mol asam nitrat dan toluena di dalam reaktor adalah 1 : 1 Dialirkan secara kontinyu dengan suhu 50 o C. 2. Proses Reaksi Nitrasi Bahan baku yang masuk ke reaktor melalui puncak reaktor pada kondisi 30 o C dan tekanan 1 atm. Reaksi nitrasi antara toluena dan asam nitrat bersifat eksotermis dan berlangsung pada reaktor alir tangki berpengaduk (RATB). Untuk menjaga suhu reaktor agar tidak lebih dari 50 o C maka diperlukan pendingin. Pendingin reaktor menggunakan air yang masuk pada suhu 30 o C dan keluar pada suhu 40 o C. Produk yang diperoleh dari reaktor adalah MNT, produk samping berupa air dan sisa reaktan berupa toluena dan asam campuran. Produk reaktor selanjutnya diumpankan keunit pemurnian.

10 3. Proses Pemurnian Hasil Pada proses pemurnian ada tiga tahapan yaitu: a. Pemisahan fase organik dan anorganik Produk reaktor dimasukkan di dalam dekanter (X-01) untuk memisahkan fase organik dan anorganik pada tahap pertama. Dekantasi dapat dilakukan karena kedua fase cair tidak saling melarutkan. b. Netralisasi Fase organik dari dekanter (X-01) dipompakan ke netralizer (A-01) untuk menetralkan asam nitrat dan asam sulfat yang terikut dalam fase organik. Natrium hidroksida yang digunakan sebagai penetral mempunyai kadar 40% dipompakan dari tangki penyimpan (T-04). Hasil netralisasi dimasukkan ke dalam Dekanter (X-02) untuk memisahkan garam Na 2 SO 4 dan NaNO 3 yang terbentuk dengan produk. c. Pemurnian dengan distilasi Larutan dari Dekanter (X-02) dinaikkan suhunya dengan HE-02 dari suhu 50 o C menjadi 160,89 o C dan diumpankan ke menara distilasi (MD-01). Menara distilasi berfungsi untuk memisahkan produk MNT dari impuritasnya. Hasil bawah menara distilasi dengan suhu 198,42 o C dilewatkan pendingin untuk diturunkan suhunya menjadi 40 o C dan selanjutnya disimpan dalam tangki penyimpan. F. SPESIFIKASI ALAT UTAMA PROSES Alat-alat yang digunakan dalam proses produksi mononitrotoluena harus disesuaikan dengan kapasitas perancangan internacional yang umumnya digunakan. Dari hasil perhitngan data spesifikasi alat proses pabrik mononitrotoluena dengan kapasitas ton/tahun adalah sebagai berikut: 1. Dekanter

11 a. Dekanter-01 Kode : D-01 Fungsi : Memisahkan produk Reaktor-01 sebanyak 5.574,2006 kg/jam menjadi fase organik sebanyak ,95 kg/jam dan fase anorganik sebanyak 5.879,7514 kg/jam : Continuous Gravity Decanter Silinder Vertical Spesifikasi : a. Tekanan : 1 atm b. Suhu : 50 o C (122 o F) c. Volume : 1,2003 m 3 d. Tinggi : 2,6736 m e. Diameter : 0,7701 m f. Tebal shell : 3 / 16 in (0, m) g. Tebal head : 3 / 16 in (0, m) h. Tinggi head : 0, m Jumlah : 1 Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167) Harga : US $ ,89 b. Dekanter -02 Kode : D-02 Fungsi : Memisahkan produk N-01 sebanyak 5.664,82465 kg/jam menjadi fase organik sebanyak 5.165,2236 kg/jam dan fase anorganik sebanyak 499,6010 kg/jam : Continuous Gravity Decanter Silinder Vertical Spesifikasi : a. Tekanan : 1 atm b. Suhu : 50 o C (122 o F) c. Volume : 1,1078m 3

12 d. Tinggi : 2,2486 m e. Diameter : 0,7495 m f. Tebal shell : 3 / 16 in (0, m) g. Tebal head : 3 / 16 in (0, m) h. Tinggi head : 0, m Jumlah : 1 Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167) Harga : US $ ,81 2. Evaporator Kode : E-01 Fungsi : memekatkan asam sulfat dengan menguapkan kandungan air hasil keluaran bawah D-01 sebanyak 4.409,7716 kg/jam. : Single effect evaporator Kondisi operasi Temperature : 110,67 0 C (231,206 0 F) Tekanan : 1 atm Spesifikasi : - Diameter : 2,1353 m - Tinggi : 6,425 m - Tebal shell : 3/16 in (0, m) - Tebal head : 1/4 in (0, m) Spesifikasi tube - OD : 1,5 in (0,038 m) - ID : 1,37 in (0,0348 m) - Passes : 4

13 - BWG : 16 - Panjang : 12 ft (3,658 m) - Jumlah tube : 45 buah Bahan : Stainless steel type 304 (SA 167) Jumlah : 1 buah Harga : US$ ,07 3. Mixer -01 Kode : M-01 Fungsi : Mencampur larutan asam nitrat sebanyak 2.379,8767 kg/jam dengan asam sulfat sebanyak 4.365,2284 kg/jam : Tangki silinder tegak berpengaduk Bentuk head : Torisperical head Spesifikasi : a.tekanan : 1 atm b. Suhu : 30 o C (86 o F) c. Volume : 3,9609 m 3 d. Tinggi : 2,2547 m e. Diameter : 1,5797 m f. Tebal shell : 3 / 16 in (0, m) g. Tebal head : 3 / 16 in (0, m) h. Tinggi head : 0,3375 m Pengaduk : : Turbin dengan 6 blade disk standar Diameter : 0,5266 m Kecepatan : 157,4574 rpm Daya : 10 Hp Jumlah pengaduk : 1 buah Jumlah : 1 Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167) Harga : US $ ,79

14 4. Menara Distilasi Kode : MD-01 Fungsi : Memisahkan keluaran atas dari Dekanter- 02 sebanyak 165,1345 kg/jam agar sesuai dengan spesifikasi produk : Menara bahan isian (Packed Tower) Bentuk head : Plat Sieve Tray Column Spesifikasi : Tekanan : 1 atm Suhu umpan : 160,89 o C (321,02 o F) Suhu distilat : 118,39 o C (245,102 o F) Suhu bottom : 198,42 o C (389,156 o F) Diameter Enriching : 1,305 m Stripping : 1,7153 m Tinggi : 13,029 m Tebal head : 3/16 in (0, m) Tebal shell : 3/16 in (0, m) Jumlah plate Plate Ideal : 10 buah Plate Aktual : 27 buah Plate Seksi Enriching: 13 buah Plate Seksi Stripping: 14 buah Jumlah : 1 Bahan : Carbon steel (SA-283 C) Harga : US $ ,83

15 5. Netralizer -01 Kode : N-01 Fungsi : Menetralkan HNO 3 dan H 2 SO 4 sebanyak 5.664,820 kg/kjam denga menggunakan NaOH 40% sebanyak 36,248 kg/jam : Tangki silinder tegak berpengaduk Bentuk head : Torisperical head Spesifikasi : a. Tekanan : 1 atm b. Suhu : 50 o C (122 o F) c. Volume : 3,8876 m 3 d. Tinggi : 2,1927 m e. Diameter : 1,5697 m f. Tebal shell : 3 / 16 in (0, m) g. Tebal head : 3 / 16 in (0, m) h. Tinggi head : 0,3115 m Pengaduk : : Turbin dengan 6 blade disk standar Diameter : 0,5232 m Kecepatan : 134,1308 rpm Daya : 5 Hp Jumlah pengaduk : 1 buah Jumlah : 1 Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167) Harga : US $ ,74 6. Reaktor Kode : R-01

16 Fungsi : Sebagai tempat berlangsungnya reaksi toluena sebanyak 3,482,3196 kg/kjam dengan asam campuransebanyak 7.954,1334 kg/jam : Reaktor Alir Tangki Berpengaduk Spesifikasi : a. Tekanan : 1 atm b. Suhu : 50 o C (122 o F) c. Volume : 4, m 3 d. Tinggi : 2,6890 m e. Diameter : 2,0139 m f. Tebal shell : 3 / 16 in (0,00476 m) g. Tebal head : 3 / 16 in (0,00476 m) h. Tinggi head : 0,3375 m Pengaduk : : Turbin dengan 6 blade disk standar Diameter : 0, m Kecepatan : 284 rpm Daya : 157 Hp Jumlah pengaduk : 1 buah Pendingin : : koil pendingin Jumlah koil : 1 Jumlah lilitan : 46 Tinggi koil total : 1,7368 m Jarak dari dasar : 0,20139 m Jumlah reaktor : 2 Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA-167) Harga / unit : US $ ,90

17 G. ANALISIS EKONOMI Analisa ekonomi dimaksudkan untuk mengetahui apakah pabrik yang akan didirikan dapat menguntungkan atau tidak dan layak atau tidak jika didirikan. Berdasarkan evaluasi ekonomi yang telah dilakukan pabrik direncanakan beroprasi selama 330 hari pertahun dengan jumlah karyawan 104 orang, moal tetap sebesar Rp ,94 pertahun. Modal kerja sebesar Rp ,96 pertahun. Setelah dipotong pajak keuntungan mencapai Rp ,81 pertahun. Percent return on investment (ROI) sebelum pajak sebesar 26,94 % dan sesudah pajak sebesar 18,85 %. Pay out tome (POT) sebelum pajak sebesar 2,707 tahun dan setelah pajak 3,365 tahun. Break event point (BEP) sebesar 48,83 %, shut down point (SDP) sebesar 24,28%, Discounted cash flow (DCF) sebesar 25,30%. H. KESIMPULAN Pabrik Mononitrotoluena digolongkan sebagai pabrik beresiko rendah. Karena kondisi operasi pada tekanan 1 atm dan temperatur 50 o C, serta bahan bakunya didatangkan dari dalam negeri. Dari data hasil perhitungan analisa ekonomi di atas dapat disimpulkan bahwa pabrik mononitrotoluena layak untuk dikaji lebih lanjut. I. DAFTAR PUSTAKA Aries, R.S., and Newton, R.D., 1955, Chemical Engineering Cost Estimation, Mc. Graw Hill Book Company, New York. Badan Pusat statistik, 2003, Statistik Perdagangan Luar Negeri. Brown, G.G., 1950, Unit Operations, John Wiley and Sons, Inc., New York. Brownell, L.E. and Young, E.H., 1979, Process Equipment Design, John Wiley and Sons, Inc., New York. Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1983, Chemical Engineering, Vol. 6, Pergamon Press, Oxford

18 Faith, W.L., Keyes, D.B., and Clark, R.L., 1957, Industrial Chemistry, John Wiley and Sons, London Fessenden, R. and J.S. Fessenden, 1986, Organic Chemistry, 3 rd.ed., Wadsworth Inc., Belmont, California Geankoplis, C.J. and J.F. Richardson, Design Transport Process and Unit Operation, 1989, Pegamon Press, Singapore Holman, J. P., 1988, Perpindahan Kalor, alih bahasa Jasifi E., edisi ke-6, Erlangga, Jakarta Kern, D.Q., 1950, Process Heat Transfer, McGraw-Hill International Book Company Inc., New York Kirk R.E., and Othmer, D.F., 1996, Encyclopedia of Chemical Technology, vol.17, 4 nd edition, John Wiley & Sons Inc.,New York Kirk R.E., and Othmer, D.F., 1997, Encyclopedia of Chemical Technology, vol.23, 4 nd edition, John Wiley & Sons Inc.,New York Levenspiel, O., 1972, Chemical Reaction Engineering, 2 nd ed., John Wiley and Sons, inc., Toronto Perry, R.H. and Green, D.W., 1997, Perry s Chemical Engineers Handbook, 7 th ed., McGraw-Hill Book Company, New York Peters, M.S. and Timmerhaus, K.D., 2003, Plant Design and Economic for Chemical Engineering, 5thed., McGraw-Hill International Book CompanyInc., New York Rase, H.F., and Holmes, J. R., 1977, Chemical Reactor Design for Process Plant, Volume One : Principles and Techniques, John Wiley and Sons, Inc., New York Smith, J.M., 1985, Chemical Engineering Kinetics, 5 th ed., McGraw-Hill Book Company,singapore Smith, J.M. and Van Ness, H.C., 1987, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 4 th ed., McGraw-Hill Book Co., New York Treybal, R.E., 1981, Mass Transfer Operation, 3 rd ed., McGraw-Hill Book Company, Singapore

19 Ulrich, G.D., 1984, A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics, John Wiley and Sons, Inc., New York Wallas, Stanley M., 1988, Chemical Process Equipment, Butterworths, Boston. Yaws, 1979, Thermodynamic and Physical Properties Data, Mc Graw Hill Book Co., Singapore bs.pdf Chemicals/RISK_ASSESSMENT/REPORT/2nitrotoluenereport403.p df bombterror.doc+pt.+multi+nitro+kimia&hl=id&ct=clnk&cd=14&g l=id