NASKAH PUBLIKASI PRARANCANGAN PABRIK MALEIC ANHYDRIDE DARI N-BUTANA DAN UDARA KAPASITAS TON/TAHUN

Transkripsi

1 NASKAH PUBLIKASI PRARANCANGAN PABRIK MALEIC ANHYDRIDE DARI N-BUTANA DAN UDARA KAPASITAS TON/TAHUN Diajukan untuk Memenuhi Persyaratan Meraih Gelar Sarjana Teknik Strata 1 pada Prodi Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Oleh : PRASINTA PRIMA D Dosen Pembimbing : HERRY PURNAMA, PhD. ROIS FATONI, PhD. PRODI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA SURAKARTA 2014

2

3 INTISARI Pabrik maleic anhydride dengan bahan baku n-butana dan udara dengan kapasitas ton per tahun direncanakan beroperasi selama 330 hari per tahun. Proses pembuatan maleic anhydride dengan cara oksidasi n-butana dimana udaradan n-butana direaksikan pada suhu 390 o C dan tekanan diatas atmosferis (2 atm) di dalam reaktor fixed bed multitube yang berisi katalis vanadium phosphorus oxide (VPO), reaksi yang terjadi merupakan reaksi eksotermis dan nonadiabatis. Hasil samping dari reaksi tersebut adalah karbonmonoksida dan karbondioksida. Kebutuhan n-butana untuk pabrik ini sebanyak 3.948,507 kg/jam Produk yang dihasilkan berupa maleic anhydride sebanyak 4.392,590 kg/jam. Utilitas pendukung proses meliputi penyediaan air sebesar ,992 kg/jam yang diperoleh dari air sungai Mahakam, penyediaan saturated steam sebesar kg/jam yang diperoleh dari reboiler. Kebutuhan bahan bakar solar baik unuk generator, reboiler dan furnace sebesar 1.838,97 kg/jam, kebutuhan udara tekan sebesar kg/jam, kebutuhan listrik diperoleh dari PLN dan generator sebesar 839,3 kw. Pabrik ini didirikan di kawasan Bontang, Kalimantan Timur dengan luas tanah m 2 dan jumlah karyawan 116 orang. Pabrik maleic anhydride ini menggunakan modal tetap sebesar Rp dan modal kerja sebesar Rp Dari analisis ekonomi terhadap pabrik ini menunjukkan keuntungan sebelum pajak Rp per tahun setelah dipotong pajak 25 % keuntungan mencapai Rp Percent return on investment (ROI) sebelum pajak 44,66% dan setelah pajak 33,49%. Pay out time (POT) sebelum pajak 1,83 tahun dan setelah pajak 2,3 tahun. Break even point (BEP) sebesar 40,16%, dan shut down point (SDP) sebesar 27,64% dan discounted cash flow (DCF) terhitung sebesar 42,55%. Dari data analisis kelayakan di atas disimpulkan, bahwa pabrik ini menguntungkan dan layak untuk didirikan. Kata kunci: maleic anhydride, proses oksidasi n-butana, reaktor fixed bed multitube

4 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Indonesia merupakan salah satu negara berkembang, yang memiliki banyak potensi. Salah satunya adalah potensi bahan alam yang tersedia melimpah di negara ini. Bila potensi ini diolah dengan baik tentunya dapat menjadi penyokong perekonomian. Tidak dapat dipungkiri bahwa perekonomian Indonesia dari waktu ke waktu mengalami perubahan yang cukup signifikan. Salah satu pengolahan yang tepat adalah industri kimia yaitu maleic anhydride. Dapat dilihat dari kebutuhan ekspor maleic anhydride ke Indonesia dari tahun terus mengalami kenaikan, hal ini juga ditunjukkan oleh angka impor yang terus meningkat di tahun tersebut(data ekspor-impor BPS, 2012). Dengan didirikannya pabrik maleic anhydride diharapkan dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri yang semakin meningkat dan memberikan lapangan kerja bagi masyarakat Indonesia. Maleic anhydride dapat terbentuk dari oksidasi benzena, oksidasi butana dan oksidasi butena dengan katalis vanadium oxide. Maleic anhydride banyak dimanfaatkan untuk bahan pembuat fiber glass, alkyl resin, agricultur chemical, plastik dan lain-lain (Krick & Othmer, 1978). Dari ketiga proses oksidasi yang ada, proses oksidasi butana paling menguntungkan untuk digunakan. Bahan baku ini dapat diperoleh dari dalam negeri. Bahan baku n-butana dari PT. Badak NGL di Kalimantan Timur. Dengan pertimbangan adanya bahan baku memadai maka memungkinkan untuk mendirikan pabrik maleic anhydride di Bontang Kalimantan Timur Tujuan Penelitian Tujuan penelitian sebagai berikut: 1. Mengurangi ketergantungan impor maleic anhydride. 2. Melakukan diversifikasi produk yang bernilai ekonomi tinggi yang nantinya dapat menambah devisa negara.

5 Kebutuhan (ton/tahun) TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Kapasitas Rancangan Produksi Berdasarkan data statistik Indonesia kebutuhan maleic anhydride mengalami peningkatan dalam tiga tahun terakhir terlihat pada Tabel 1 berikut: perdagangan bik dalam maupun Tabel 1 Data Ekspor Impor maleic anhydride Indonesia No Tuhun Ekspor (ton/tahun) Impor (ton/tahun) , , , , , , y = x R² = y = x R² = Tahun ke- Impor Ekspor Gambar 1. Grafik kebutuhan ekspor impor maleic anhydride Dari data diatas diperoleh bahwa persamaan garis lurus, diperkiran nilai ekspor tahun dua ribu dua puluh untuk impor dapat mencapai 5886,9 ton/tahun. Sehingga pabrik maleic anhyride berkapasitas ton/tahun. (2020) mencapai 14100,7 ton/tahun. Sedangkan,

6 2.2. Proses Produksi Maleic Anhydride Maleic anhydride diproses dari 3 cara yaitu 1. Reaksi oksidasi benzena Proses oksidasi benzena menggunakan katalis padat vanadium oxide yang diletakkan dalam multitube dengan pendingin dari suatau larutan tang disirkulasi melalui shell side dari reaktor. Recovery gas maleic anhydride yang terbentuk dicairkan dengan mengunakan kondensasi parsial, sedangkan gas yang belum terkondensasi dialirkan ke scrubber untuk dicuci sebagai maleic anhydride dan proses selanjutnya dilakukan proses pemurnian. 2. Reaksi oksidasi butana Maleic anhydride dengan oksidasi butana menggunakan katalis vanadium phophorus oxide (VPO) reaksi yang berjalan sangat eksotermis. Dalam pembentukan maleic anhydride dengan reaksi oksidasi merupakan reaksi eksotermis. Panas eksotemis reaksi yaitu o C. Reaksi butan menjadi maleic anhydride mencapai yeild maksimum pada konversi 85% Othmer, 1978). (Krick & 3. Reaksi oksidasi butena Sedikit pabrik yang menggunakan bahan baku butena sebagai bahan baku dalam pembuatan maleic anhydride. Karena reaksi yang terjadi merupakan reaksi analog dengan reaksi butena. DISKRIPSI PROSES 3.1 Tinjauan Termodinamika Pembuatan maleic anhydride merupakan reaksi oksidasi n-butana yang bersifat eksotermis dan irreversible. Untuk mengetahui bagaimana reaksi berjalan baik secara bolak-balik ataupun searah, dibutuhkan harga konstanta kesetimbangnan reaksi (K). Reaksi: C 4 H ,5 O 2 C 4 H 2 O H 2 O Data ΔHf untuk masing-masing komponen pada temperatur 298 K, tekanan 1 atm adalah: - n-c 4 H 10 : -126,15 kj/mol - H 2 O : -241,80 kj/mol - O 2 : 0 kj/ mol - C 4 H 2 O 3 : -398,30 kj/mol Sehingga ΔH 298 pada reaksi diatas = ΔHf o produk - ΔHf o reaktan

7 = (ΔHf o C 4 H 2 O x ΔHf o H 2 O) (ΔHf o C 4 H 2 O ½ ΔHf o O 2 ) = (-398, x (-241,80)) (-126, x 0) kj/mol = -1365,5 ( - 126,15) kj/mol = ,35 kj/mol ΔH o reaksi bernilai negatif sehingga reaksi bersifat eksotermis. Persamaan Van hoffuntuk mengetahui berjalan secara reversible ataupun irreversible. Data ΔG o pada tekanan 1 atm dan temperatur 298 K : - n-c 4 H 10 : -17,15 kj/mol - H 2 O : -228,45 kj/mol - O 2 : 0 kj/ mol - C 4 H 2 O 3 : -355,60 kj/mol Sehingga ΔH 298 pada reaksi diatas = ΔGf o produk - ΔGf o reaktan = (ΔGf o C 4 H 2 O x ΔGf o H 2 O) (ΔGf o C 4 H 2 O ½ ΔGf o O 2 ) = (-355, x (-228,45)) (-17, x 0) kj/mol = ,71 kj/mol (Yaws, 1979) 3.2 Tinjauan Kinetika Reaksi pembentukan maleic anhydride dengan oksidasi butana merupakan reaksi oksidasi katalitik dengan menggunakan vanadium phosphorous oxide (VPO) sebagai katalis. Selain produk utama, dihasilkan produk samping berupa karbondioksida dan karbomonoksida. Persamaan kecepatan reaksi pembentukan maleic anhydride sebagai berikut : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Dimana: k 1 : konstanta laju reaksi, kmol/ (kg katalis s Pa) (k 1 : 9, ; k 2 : 1, ; k 3 : 2, ) r 1 : laju reaksi, kmol/ (kg katalis s Pa) k diss : konstanta dissosiasi, Pa -1 ( k diss : 0, ) k sorpt : konstanta adsorpsi, Pa -1 ( k sorpt : 0, ) (Schneider, Emig, & Hoffmann, 1987)

8 3.3 Langkah Proses Proses pembuatan maleic anhydride dengan oksidasi butana terbagi menjadi 3 tahap, yaitu: 1. Tahap penyiapan bahan baku 2. Tahap sintesa maleic anhydride 3. Tahap pemurnian Tahap pertama yaitu penyiapan bahan baku, bahan baku yang berupa LPG butana yang disimpan dalam tangki (T-01) dalam bentuk cair dengan kondisi operasi 19,27 o C tekanan 2 atm, kemudian dipompa (P-02) menuju vaporizer (VP-01) untuk merubah fasenya menjadi gas. Udara yang merupakan sumber oksigen (21%) dengan suhu 30 o C tekanan 1 atm. Udara yang diserap dari lingkungan ini dinaikan tekanannya terlebih dahulu menjadi 2 atm dengan kompresor (K-01). Keluaran vaporizer yang berupa gas butana akan di furnace (Fn-01) bersama udara, untuk ditingkatkan suhunya sebesar 390 o C. Selanjutnya masuk ke reaktor (R-01) untuk proses sintesa menjadi maleic anhydride. Tahap sintesa maleic anhydride dengan mereaksikan n-butana dan oksigen (O 2 ) dengan kondisi operasi reaksi 390 o C tekanan diatas atmosferis (2 atm) didalam reaktor fixed bed multitube dan katalis vanadium phosphorous oxide (VPO). Konversi butana menjadi maleic anhydride sebesar 85%, dengan yeild 50-60% dan selektivitasnya 65-75%. Reaksi: C 4 H ,5 O 2 C 4 H 2 O H 2 O ( ) C 4 H ,5 O 2 4 CO + 5 H 2 O C 4 H ,5 O 2 4 CO 2 + 5H 2 O (Krick & Othmer, 1978) Reaksi yang berlangsung diatas ialah reaksi eksotermis. Sehingga dibutuhkan pendingin untuk menjaga reaksi, adapun pendingin yang digunakan ialah downtherm A. Produk yang dihasilkan reaktor berupa campuran gas dengan suhu 376,603 o C dengan tekanan 1,76 atm. Kemudian produk yang telah terbentuk dialirkan ke absoeber (AB- 01) untuk proses pemurnian. Proses pemurnian maleic anhydride melalui 3 alat, yaitu dengan absorber (AB-01), stripper 1 (S-01) kemudian stripper 2 (S-02).

9 Absorben ini bertujuan untuk memisahkan maleic anhydride dengan oksigen, n-butana, i-butana, pentana dan etana yang tidak bereaksi, serta CO, CO 2 yang merupakan produk samping sintesa maleic anhydride. Campuran gas yang keluar dari reaktor (R-01) diturunkan tekanannya menjadi 1,1 atm dengan expander (E-01) terlebih dahulu, kemudian didinginkan dengan cooler (Co-01) untuk dialirkan ke absorber (AB-01) melalui bagian bawah, sedangkan penjerap yaitu dibuthyl phalaet dilewatkan melalui atas. Keduanya dikontakkan secara langsung, dimana campuran gas yang berisikan maleic anhydride akan dijerap oleh dibuthyl phtalate keluar sebagai hasil bawah absorber (AB- 01). Selanjutkan dialirkan ke stripper 1 (S-01). Dalam stripper 1 (S-01) dipisahkan antara maleic anhydride dengan penjerap. Penjerap yang keluar melalui bagian bawah akan di recycle kembali ke absorber (AB-01) dan hasil atas yang kaya akan maleic anhydride akan lanjut ke stripper 2 (S-02). Stripper 2 (S-02) bertugas untuk memurnikan larutan maleic anhydride dengan air dan sedikit dibuthyl phlat hasil pemisahan stripper 1. Diharapkan produk stripper 2 (S-02) mengandung 99,5% maleic anhydride dan sedikit air. Sedangkan hasil atas absorber (AB-01) yang berisikan hasil samping dan sedikit produk serta bahan yang tidak habis bereaksi seperti n-butana, yang nantinya akan dibuang kelingkungan. Namun karena jumlah n-butana yang tidak habis bereaksi masih cukup banyak sehinnga perlu di recycle kembali kedalam reaktor (R-01). Proses recycle n-butana ini dengan pendinginan pada chiller dan dipisahkan dengan separator. Dimana hasil bawah separator yang berupa cairan n-butana, i-butana, pentana dan etana di recycle kemabli bersama make-up bahan baku. Dan hasil atas akan dibuang kelingkungan. 3.4 Spesifikasi Alat Utama Proses Reaktor (R-01) Fungsi : Mereaksikan n-butana dengan oksigen menjadi maleic anhydride Tipe : Fixed bed multitube

10 Jumlah : 1 buah Bahan konstruksi : Stainless steel Kondisi operasi : Suhu : 390 o C Tekanan : 2 atm Fase reaksi : gas-gas Dimensi : Diameter shell : 2,28 m Tinggi shell : 0,01 m Tinggi head : 0,30 m Volume reaktor :15,69 m 3 Tinggi reaktor : 5,34 m Katalis : Nama : Vanadium Phosphorous Oxide (VPO) Absorber (AB-01) Fungsi : Menyerap maleic anhydride hasil reaksi dari reaktor Tipe : Packed tower Jumlah : 1 buah Bahan konstruksi : Carbon steel SA-283 grade C Kondisi operasi : Suhu : 250 o C Tekanan : 1,08 atm Tinggi packing : 7,52 m Jenis packing : Raschingring Diameter menara : 5,49 m Tinggi menara Tebal shell Tebal head : 10,20 m : 0,01 m : 0,01 m Stripper (S-01) Fungsi : Memisahkan dibutyl phthalate dari maleic anhydride Tipe : Packed tower Jumlah Bahan konstruksi SA-283 grade C Kondisi operasi : Suhu Tekanan Tinggi packing Jenis packing Diameter menara Tinggi menara Tebal shell Tebal head Stripper (S-02) Fungsi maleic anhydride Tipe Jumlah Bahan konstruksi SA-283 grade C Kondisi operasi : Suhu Tekanan : 1 buah : Carbon steel : 105 o C : 1 atm : 2,75 m : Berl saddle : 2,03 m : 4,65 m : 0,02 m : 0,45 m : Memurnikan : Packed tower : 1 buah : Carbon steel : 104 oc : 1 atm

11 Tinggi packing Jenis packing Diameter menara Tinggi menara Tebal shell Tebal head Separator (SP-01) Fungsi : 3,45 m : Berl saddle : 2,05 m : 5,32 m : 0,02 m : 0,43 m gas cair keluaran chiller 01 Tipe separator flash drum Jumlah Bahan konstruksi SA-283 grade C Kondisi operasi : Suhu Tekanan Dimensi : Diameter Tinggi : Memisahkan : Vertikal : 1 buah : Carbon steel : 16,65 oc : 1,07 atm : 3,56 m : 8,39 m Volume : 82,53 m 3 Tebal shell Tebal head Separator (SP-02) Fungsi : 0,44 m : 0,38 m gas cair keluaran chiller 02 Tipe separator flash drum Jumlah : Memisahkan : Vertikal : 1 buah Bahan konstruksi SA-283 grade C Kondisi operasi : Suhu Tekanan Dimensi : Diameter Tinggi Volume Tebal shell Tebal head : Carbon steel : -133,8 oc : 1,03 atm : 5,78 m : 13,4 m : 354,15 m3 : 0,31 m : 0,31 m ANALISIS EKONOMI Total penjualan produk per tahun : Rp ,00 Total biaya produksi : Rp ,00 Keuntungan sebelum pajak : Rp ,00 Pajak di Indonesia : 25% Keuntungan setelah pajak : Rp ,00 a. Percent return on invesment (ROI) ROI sebelum pajak : 44, 658 % ROI setelah pajak : 33,494 % b. Pay out time (POT) POT sebelum pajak POT setelah pajak c. Break event point (BEP) : 1,83 tahun : 2,30 tahun

12 BEP : 40,155 % d. Shut down point (SDP) SDP : 27,638 % Gambar 2. Grafik analisis ekonomi KESIMPULAN Hasil analisis kelayakan ekonomi adalah sebagai berikut: 1. Keuntungan sebelum pajak US$ ,26 per tahun Keuntungan setelah pajak US$ ,44 per tahun 2. ROI (Return On Investment) sebelum pajak 44, 658 % ROI (Return On Investment) sesudah pajak 33,494 % ROI (Return On Investment) sebelum pajak untuk pabrik beresiko tinggi minimal 44%. 3. POT (Pay Out Time) sebelum pajak 1,83 tahun POT (Pay Out Time) sesudah pajak 2,30 tahun POT (Pay Out Time) sebelum pajak untuk pabrik beresiko tinggi maksimal 2 tahun. 4. BEP (Break Even Point) adalah 40,155 % dan SDP (Shut Down Point) adalah 27,638 %. BEP untuk pabrik kimia pada umumnya berkisar antara 40% - 60% dan SDP antara 20-30% 5. DCF (Discounted Cash Flow) adalah 42,547%. DCF yang dapat diterima harus lebih besar dari bunga pinjaman di bank. Dari data hasil perhitungan analisis ekonomi di atas dapat disimpulkan bahwa pabrik maleic anhydride layak untuk didirikan.

13 DAFTAR PUSTAKA Anonim. (2010, September). Chemical Engineering Plant Cost Index. Dipetik July 2014, dari Anonim. (2014, July). Matche. Dipetik July 2014, dari Anonim. (2011, April 1). Perbedaan LPG, LNG dan Gas Alam. Dipetik May 6, 2014, dari com Aries, R., & Newton, R. (1955). Chemical Engineerring Cost Estimation. New York: Mc Graw Hill Book Co. Bird, R., Stewart, W., & Lightfoot, E. (1960). Transport Phenomena. New York: John Wiley and Sons. Brown, G. G. (1978). Unit Operation. New York: John Wiley and Sons. Brownell, L., & Young, E. (1979). Process Equipment Design. New York: John Wiley and Sons. Coulson, J., & Richardson, J. (1983). Chemical Engineering Design. Oxford: Pergason Press. Kern, D. (1950). Process Heat Transfer. New York: Mc Graw Hill Internasional Book Company. Krick, R., & Othmer, D. (1978). Encycloepedia of Chemical Technology. New York: A Willey Interscience Publication. Ludwig, E. (1964). Applied Process Design for Chemical and Petrochmical Plant. Boston: Gulf Publishing Company. Perry, R. G. (1997). Perry's Chemical Engineer's Handbook. New York: Mc Graw-HillBook Company. Peter, M., & Timmerhaus, K. (2003). Plant Design and Economic for Chemical Engineering. New York: Mc Graw Hill Internasional Book Company. Schneider, A., Emig, G., & Hoffmann, H. (1987). Kinectics Investigation and Reactor Simulation for The Catalityc Gas-Phase Oxidation of n- Butana to Maleic Anhydride. Smith, J., & Van Ness, H. (1975). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics.

14 Tokyo: Mc Graw Hill Kogakusha. Statistika, B. P. (2012, Desember). Statistika Perdagangan Luar Negeri Indonesia. Dipetik April 2013, dari Sukandar, D. (2011, March 18). Perseroan Terbatas. Dipetik April 2014, dari Treybal, R. (1980). Mass Trasfer Operation. Tokyo: Mc Graw Hill Kogakusha. Ulrich, G. (1954). A Guide to Chemical Enguneering Process Design and Economics. Canada: John Wiley and Sons. Yaws, C. (1979). Thermodynamic and Physical Properti Data. Singapore: Mc Graw Hill Book Co.