BAB II DESKRIPSI PROSES

Transkripsi

1 BAB II DESKRIPSI PROSES II.1 Spesifikasi Bahan Baku, Bahan Pendukung, dan Produk Spesifikasi Bahan Baku 1. Metanol a. Bentuk : Cair b. Warna : Tidak berwarna c. Densitas : kg/m 3 d. Viskositas : 0,0541 Ns/m 2 e. Kemurnian : 99,5% f. Impuritas (H 2 O) : 0,5% (PT. Kaltim Methanol Industri) 2. Isobutilena a. Bentuk : Cair b. Warna : Tidak berwarna c. Densitas : 589 kg/m 3 d. Viskositas : 0,0179 Ns/m 2 e. Kemurnian : 99,9% f. Impuritas : - N-butana 0,05% - Butena 0,05% (Linan Euro-China Co. Ltd) 11

2 Spesifikasi Bahan Pendukung (Katalis) 1. Amberlyst 15 a. Bentuk : Pellet a. Diameter : 0,00074 m b. Porositas (ε) : 0,32 c. Bulk density : 1012 kg/m 3 (PT. Dow Chemical) Spesifikasi Produk 1. Metil Tersier Butil Eter a. Bentuk : Cair b. Warna : Tidak berwarna c. Densitas : kg/m 3 d. Viskositas : 0,0310 Ns/m 2 e. Kemurnian : 99% f. Impuritas : - Isobutilena 0,05% - Metanol 0,05% (Lyondellbasell Industries N.V.) 12

3 II.2. Konsep Proses Dasar Reaksi Pembuatan Metil Tersier Butil Eter dengan bahan baku Metanol dan Isobutilena merupakan reaksi eterifikasi. Reaksinya adalah sebagai berikut : + Methanol Isobutilena Metil Tersier Butil Eter Reaksi berlangsung dalam fase cair - cair dengan katalis padat. Oleh karena itu reaktor yang dipilih adalah reaktor fixed bed. Katalis yang digunakan pada reaksi eterifikasi metanol dengan isobutilen menjadi MTBE adalah Amberlyst 15. Reaksi bersifat eksotermis, tetapi panas yang dihasilkan reaktor relatif kecil maka tidak memerlukan sistem khusus pemindahan panas. Reaksi ini dijalankan pada suhu 333,15 K dan tekanan 6,06 bar (Ziyang, 2001). Mekanisme Reaksi Reaksi pembentukan Metil Tersier Butil Eter termasuk reaksi heterogen yang melibatkan dua fase yaitu reaktan dalam fase cair dan katalis dalam fase padat. Reaktan berfase cair berupa metanol dan isobutilena bersifat saling melarutkan karena alkohol merupakan salah satu pelarut isobutilena (Matheson Tri-Gas Inc., 2008). Oleh karena itu, mekanisme yang terjadi mengikuti mekanisme reaksi fase gas dengan katalis padat. Maka mekanisme yang terjadi pada reaksi secara umum adalah sebagai commit berikut to user : 13

4 1. Adsorpsi reaktan A ke permukaan, kemudian molekul reaktan A berikatan dengan sisi aktif katalis. 2. Reaksi dipermukaan antara reaktan A dan B menghasilkan produk. 3. Desorpsi produk dari permukaan aktif katalis. Kondisi Operasi Reaksi berlangsung dalam reaktor fixed bed yang dioperasikan pada suhu sekitar 333,15-338,43 K dan tekanan 6,06 bar. Pada kondisi tersebut, konversi isobutilena menjadi metil tersier butil eter mencapai 95%. Suhu dan tekanan yang digunakan pada perancangan ini adalah 333,15 K dan 6,06 bar. Pemilihan suhu dan tekanan tersebut mempertimbangkan beberapa hal sebagai berikut: 1. Reaksi pembuatan metil tersier butil eter merupakan reaksi reversible, pemilihan suhu operasi pada suhu 333,15 K karena merupakan suhu yang menghasilkan konversi maksimal. 2. Reaksi pembentukan metil tersier butil eter bersifat eksotermis dimana akan terjadi kenaikan suhu pada saat reaksi berlangsung sehingga suhu perlu dijaga agar tetap pada rentang yang ditentukan. Tinjauan Kinetika Persamaan kecepatan reaksi eterifikasi isobutilena dengan metanol menghasilkan metil tersier butil eter (MTBE) seperti berikut: CH 3 OH (CH 3 ) 2 C CH 2 (CH 3 ) 3 C O CH 3 14

5 Pada umumnya, model kinetika pada reaksi antara isobutilen dan metanol reaksi yang paling menentukan adalah reaksi permukaan sehingga persamaan reaksi dapat dituliskan sebagai berikut -r = Dengan nilai, = dan Sehingga persamaan dapat diubah menjadi seperti berikut dimana, =, kecepatan pembentukan MTBE, konstanta kesetimbangan / min, kecepatan pembentukan MTBE pada 25 o C J/mol, energi aktivasi = -56,4444 J/(mol.K), perubahan entropy pada reaksi = J/mol, enthalpy adsorbsi (Ziyang,2001) Tinjauan Termodinamika Tinjauan secara termodinamika ditujukan guna mengetahui sifat reaksi (endotermis/eksotermis) dan arah reaksi (reversible/ irreversible). Penentuan panas reaksi berjalan secara eksotermis atau endotermis dapat dihitung dengan perhitungan panas pembentukan standart ( H o f ) pada P= 1,01 bar dan T= 15

6 298,15 o K. Pada proses pembentukan Metil Tersier Butil Eter terjadi reaksi sebagai berikut: Ditinjau dari segi termodinamika dengan harga-harga ΔH f masing-masing komponen pada suhu 25 C (298,15 K) dapat dilihat pada Tabel II.1 Tabel II.1 Harga ΔH f Masing-masing Komponen Komponen Harga ΔH f (J/mol) CH 3 OH C 4 H C 5 H 12 O (Yaws,1999) Maka, ΔH R(298,15K) = ΣΔH o f produk ΣΔH o f reaktan = ( ΔH o f C 5 H 12 O ) ( ΔH o f CH 3 OH + ΔH o f C 4 H 8 ) = ( ) ( ( ) ( ) ) J/mol = J/mol Karena harga ΔH R 298,15 K bernilai negatif, maka reaksi bersifat eksotermis. Sifat reaksi kimia yang reversible atau irreversible dapat diketahui dari harga konstanta kesetimbangan. Data energi Gibbs pada 298,15 K dapat dilihat pada Tabel II.2 Tabel II.2 Harga ΔG f Masing-masing Komponen Komponen Harga ΔG f (J/mol) CH 3 OH C 4 H C 5 H 12 O (Yaws,1999) 16

7 ΔG o f (298,15K) = Σ ΔG o f produk Σ ΔG o f reaktan = (ΔG o f C 5 H 12 O ) (ΔG o f CH 3 OH + ΔG o f C 4 H 8 ) = ( ) ( ( ) + (58.070) ) J/mol = J/mol II.3. Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses Proses pembuatan Metil Tersier Butil Eter dari metanol dan isobutilena dengan proses eterifikasi menggunakan katalis Amberlyst 15 dapat dibagi menjadi tiga tahap, yaitu: 1. Tahap Persiapan Bahan Baku Tahap ini bertujuan menyiapkan metanol dan isobutilena sebelum direaksikan di dalam reaktor. Isobutilena dari tangki penyimpanan (T-01) yang bersuhu 303,15 K dan tekanan 4,05 bar dialirkan dan bertemu dengan isobutilena recycle dari menara distilasi 1 (MD-01). Kemudian cairan dinaikkan tekanannya mencapai 6,06 bar. Metanol dari tangki penyimpanan (T-02) yang bersuhu 303,5 K dan tekanan 1 atm dinaikkan tekanannya mencapai 6,06 bar. Kemudian metanol dan isobutilena bertemu pada Tee 1 sebelum masuk heater (HE- 01). Heater berfungsi menaikkan suhu sampai 333,15 K agar sesuai dengan kondisi operasi reaktor (R-01). 2. Tahap Pembentukan Produk Metanol dan isobutilena dialirkan ke reaktor agar bereaksi menghasilkan metil tersier butil eter. Tahap reaksi terjadi dalam reaktor 17

8 Fixed Bed Singletube, reaksi berlangsung pada suhu 333,15 K dan tekanan 6,06 bar. Reaksi yang terjadi sebagai berikut: CH 3 OH + CH 2 =C(CH 3 ) 2 CH 3 OC(CH 3 ) 3 Reaksi berlangsung secara eksotermis, non-isotermal, adiabatis. Karena reaksi eksotermis, reaktor dioperasikan pada suhu rendah. Pada reaktor yang bekerja secara non isotermal akan terjadi kenaikan suhu reaksi, yang menyebabkan konversi semakin berkurang. Sehingga pada reaksi tersebut, konversi optimum yang bisa dicapai adalah 95%. Hasil reaksi berupa MTBE dan sisa isobutilen, butana, butena, metanol, dan air keluar dari reaktor (R-01) pada suhu 338,43 K dengan tekanan 5,99 bar. 3. Tahap Pemurnian dan Pemisahan Produk Tahap ini bertujuan memisahkan produk dari sisa-sisa reaktan sampai memenuhi spesifikasi produk yang ada dipasaran. Tahap pemisahan dan pemurnian produk terdiri dari : a. Produk keluaran reaktor sebagai umpan menara distilasi 1 (MD- 01), dipanaskan terlebih dahulu dalam heater (HE-02) sampai mencapai suhu 370,65 K dan tekanan 4,05 bar. Kemudian umpan dialirkan menuju menara distilasi 1 (MD-01) guna memisahkan MTBE dengan isobutilena. Hasil atas menara distilasi 1 berupa isobutilena, butena, butana, dan MTBE dikondensasi dalam condenser 1 (CD-01) sampai suhu 307,75 K. Dari condenser 1, cairan di pompa ke accumulator 1 (ACC-01) dimana sebagian direfluks. Sedangkan sisanya diumpankan kembali ke reaktor (Rcommit to user 01) dan sebagian disimpan dalam tangki penyimpanan (T-03). Dan 18

9 hasil bawah berupa MTBE, air, metanol, isobutilena, butena, dan butana dialirkan ke menara distilasi 2 (MD-02). b. Hasil bawah keluaran menara distilasi 1 (MD-01) sebagai umpan menara distilasi 2 (MD-02), didinginkan terlebih dahulu dalam cooler (HE-03) hingga mencapai suhu 334,61 K dan tekanan 1,22 bar. Kemudian umpan dialirkan menuju menara distilasi 2 (MD- 02) guna memisahkan MTBE dengan metanol. Hasil atas menara distilasi 2 berupa MTBE, isobutilena, dan metanol dikondensasi dalam condenser 2 (CD-02) sampai suhu 333,89 K. Dari condenser 2, cairan di pompa ke accumulator 2 (ACC-02) dimana sebagian direfluks. Sedangkan sisanya dialirkan ke dalam tangki penyimpanan (T-04) sebagai produk. Sementara hasil bawah berupa metanol, air, dan sedikit MTBE disimpan dalam tangki penyimpanan (T-05). Dari perhitungan neraca massa, dibutuhkan bahan baku isobutilena sebanyak 4926,09 kg/jam dan metanol sebanyak 2911,76 kg/jam yang menghasilkan metil tersier butil eter 7575,76 kg/jam dengan kemurnian 99,9% (w/w) sehingga dalam 1 tahun produksi metil tersier butil eter sebanyak ton. Neraca massa dapat dilihat pada Tabel II.3. Perhitungan neraca massa dan tabel neraca massa per alat dapat dilihat pada Lampiran B. Tabel neraca panas per alat dapat dilihat pada Lampiran C. 19

10 Tabel II.3 Neraca Massa Total Masuk Keluar Komponen Arus 1 Arus 2 Arus 8 Arus 9 Arus 11 C 5 H 12 O ,798 0,008 0,003 i-c 4 H ,164-3,785 0,000 99,916 C 4 H 8 2,463-1, ,412 2,353 C 4 H 10 2,463-0,110 0,000 1,847 CH 3 OH ,206 0,616 0,000 0,000 H 2 O - 14,559 0,000 14,559 0,000 Sub total 4926, , , , ,119 Total 7837, ,855 Diagram alir terdapat tiga macam, yaitu: a. Diagram alir proses b. Diagram alir kualitatif (Gambar II.1) c. Diagram alir kuantitatif (Gambar II.2) 20

11 P= 4,05 bar T= 34,6C Arus 8 MTBE i-c 4H 8 C 4H 8 C 4H 10 P= 4,05 bar T= 34,6C Arus 4 MTBE i-c 4H 8 C 4H 8 C 4H 10 P= 4,05 bar T= 34,6C Arus 9 MTBE i-c 4H 8 C 4H 8 C 4H 10 P= 1,22 bar T= 60,7C Arus 6 MTBE i-c 4H 8 CH 3OH C 4H 8 C 4H 10 T-03 T-04 P= 4,05 bar T= 30C P= 6,06 bar T= 60C P= 4,05 bar T= 97,5C T-01 T-02 Arus 1 i-c 4H 8 C 4H 8 C 4H 10 P= 1,22 bar T= 30C Arus 2 CH 3OH H 2O Arus Tee i-c 4H 8 C 4H 8 C 4H 10 CH 3OH H 2O R-01 Arus 3 MTBE i-c 4H 8 C 4H 8 C 4H 10 CH 3OH H 2O MD-01 MD-02 P= 1,22 bar T= 61,1C Arus 5 MTBE i-c 4H 8 C 4H 8 C 4H 10 CH 3OH H 2O P= 1,22 bar T= 72,4C Arus 7 CH 3OH H 2O MTBE T-05 Gambar II.1 Diagram Kualitatif 21

12 Gambar II.2 Diagram Kuantitatif 22

13 23

14 II.4. Lay Out Pabrik dan Peralatan Lay out Pabrik Tata letak pabrik merupakan suatu pengaturan yang optimal dari seperangkat fasilitas-fasilitas dalam pabrik, tata letak yang tepat sangat penting agar mendapatkan efisiensi, keselamatan kerja dan proses, serta kelancaran kerja para pekerja, tata letak pabrik Metil Tersier Butil Eter dapat dilihat pada Gambar II.4. Secara garis besar lay out dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu : a. Daerah administrasi / 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 akan 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 penampungan bahan-bahan yang diperlukan oleh pabrik dan keperluan perawatan peralatan proses. e. Daerah utilitas Merupakan daerah dimana kegiatan penyediaan bahan pendukung proses berlangsung dipusatkan. 24

15 A A A A A A A A A A A A A A A A Pintu utama Skala 1 : 1000 Keterangan : 1. Kantor Pusat 6. Kantin 11. Kantor Utilitas 16. Garasi 2. Kantor Produksi 7. Area Proses 12. Control room 17. Pemadam Kebakaran 3. Mushola 8. Area Utilitas 13. Penyimpanan Batubara 18. Parkir 4. Laboratorium 9. Area Perluasan 14. Gudang 19. Pos Keamanan 5. Poliklinik 10. Ruang Generator 15. Bengkel Gambar II.4. Tata Ruang Pabrik 25

16 Lay out Peralatan Tata letak alat menampilkan letak alat-alat di pabrik. Penyusunan tata letak peralatan pabrik harus diperhatikan dengan baik dan mempertimbangkan ukuran, mobilitas, keamanan, serta kemampuan pengawasan. Tata letak alat ditampilkan pada Gambar II.5. T-02 P-01 T-03 P-03 P-02 R MD -01 CD-01 ACC-01 HE-01 HE-02 RB-01 CD-02 ACC-02 T-01 HE-03 MD- 02 P-05 P-04 RB-02 T=04 T-05 Skala 1 : 100 Keterangan: CD-01 = Condenser 01 CD-02 = Condenser 02 CL-01 = Cooler 01 H-01 = Heater 01 H-02 = Heater 02 MD-01 = Menara Distilasi 01 MD-02 = Menara Distilasi 02 P-01 = Pompa 01 P-02 = Pompa 02 P-03 = Pompa 03 P-04 = Pompa 04 P-05 = Pompa 05 R = Reaktor RB-01 = Reboiler 01 RB-02 = Reboiler 02 T-01 = Tangki Isobutilena T-02 = Tangki Metanol T-03 = Tangki Isobutilena Sisa T-04 = Tangki MTBE T-05 = Tangki Metanol Sisa Gambar II.5. Tata Letak Alat Proses 26