BAB II DESKRIPSI PROSES

Transkripsi

1 16 BAB II DESRIPSI PROSES II.1. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk II.1.1. Spesifikasi Bahan Baku Nama Bahan Tabel II.1. Spesifikasi Bahan Baku Propilen (PT Chandra Asri Petrochemical Tbk) Air Proses (PT rakatau Tirta Industri) Rumus molekul C 3 H 6 H 2 O Berat molekul, g/mol 42,08 18 Wujud (1 atm, 25 C) Gas Cair Titik didih (1 atm, 25 C), C -47, Titik beku, C - 0 enampakan Tidak berwarna Tidak berwarna emurnian 99,5% (polymer grade) - Impuritas Propana 0,5% - Densitas, g/cm 3-1 Viskositas, cp - 1 II.1.2. Spesifikasi Produk Tabel II.2. Spesifikasi Produk Nama Bahan Isopropil Alkohol Diisopropil Eter (alibaba.com, 2011) (alibaba.com, 2011) Rumus molekul C 3 H 7 OH C 6 H 14 O Berat molekul, g/mol 60,1 102,17 Wujud (1 atm, 25 C) Cair Cair Titik didih (1 atm, 25 C), C 82,3 68,5 emurnian 99% min. 97% min. omposisi C 3 H 7 OH 99% C 6 H 14 O 0,58% H 2 O 0,42% C 6 H 14 O 97,5% C 3 H 7 OH 2,5% 16

2 17 II.1.3. Spesifikasi atalis (Rohm and Hass Company) - Nama katalis : Amberlyst DT - Jenis katalis : cation-exchanger resin - Bentuk : padatan - Bentuk ion : H + - Densitas : kg/m 3 - Diameter : 0,50 0,75 mm - Porositas : 0,38 - Umur : 3 tahun II.2. onsep Proses II.2.1. Dasar Reaksi Proses hidrasi langsung fase cair-gas pembuatan isopropil alkohol dilakukan dengan mereaksikan propilen pada fase gas dan air pada fase cair. Secara umum, dasar reaksi hidrasi langsung fase cair-gas berlangsung menurut mekanisme sebagai berikut (Longsdon and Loke, 1996): C 3 H 6 (g) + H 2 O (aq) C 3 H 7 OH (aq) H H H OH H H + + H H H H H H Propilen Air Isopropil alkohol H +

3 18 Proses reaksi tersebut berlangsung di dalam reaktor trickle bed pada suhu 145,67 C dan tekanan 8 MPa dengan menggunakan katalis Amberlyst DT jenis cation-exchanger resin berbentuk padatan. Reaksi yang terjadi pada pembentukan isopropil alkohol dari propilen dan air adalah sebagai berikut: Reaksi utama: katalis C 3 H 6 (g) + H 2 O (aq) C 3 H 7 OH (aq) (II.1) Propilen Air Isopropil Alkohol Reaksi samping: 2C 3 H 7 OH (aq) C 6 H 14 O (aq) + H 2 O (aq) (II.2) Isopropil Alkohol Diisopropil Eter Air II.2.2. Tinjauan inetika Ditinjau dari segi kinetika, reaksi hidrasi langsung pembentukan isopropil alkohol merupakan reaksi orde dua dan reversible dengan reaksi kimia sebagai faktor yang paling berpengaruh. Persamaan konstanta kecepatan reaksi pembentukan isopropil alkohol sebagai berikut (Pfeuffer, 2011): ecepatan reaksi: r rev, IPA k, IPA C P.C W C A c, IPA r rev, DIPE k, DIPE C 2 IPA C DIPE.C c, DIPE W Harga konstanta kecepatan reaksi: k +, IPA = 1,16 x 10 9.exp ( /R.T) k +, DIPE = 8,56 x 10 5.exp (85600/R.T)

4 19 ondisi operasi dibatasi oleh suhu maksimal yang diperbolehkan. Hal ini berkaitan dengan terbentuknya produk samping, karena pada suhu lebih dari 160 C isopropil alkohol akan banyak berkurang membentuk diisopropil eter. Jadi, reaksi dijalankan pada suhu 145,67 C. II.2.3. Tinjauan Termodinamika Tinjauan secara termodinamika ditujukan untuk mengetahui sifat reaksi (endotermis/eksotermis) dan arah reaksi (reversible/irreversible). Penentuan panas reaksi berjalan secara eksotermis atau endotermis dapat dihitung dengan perhitungan panas pembentukan standar ( H f ) pada P = 1 atm dan T = 298,15. Pada pembentukan isopropil alkohol terjadi reaksi sebagai berikut: Reaksi 1: Berdasarkan Persamaan (II.1) Harga H f masing-masing komponen pada suhu 298,15 dapat dilihat pada Tabel II.1 sebagai berikut: f Masing-masing (Yaws, 1999) H f, kj/mol C 3 H 6 20,42 C 3 H 7 OH -272,59 C 6 H 14 O 318,82 H 2 O -241,80 H f 298,15 = f produk - f reaktan H f 298,15 f C 3 H 7 OH) f C 3 H 6 f H 2 O) = (-272,79 ) (20,42 + (-241,80)) = -51,21 kj/mol arena H f 298,15 bernilai negatif, maka reaksi bersifat eksotermis.

5 20 Reaksi 2: Berdasarkan Persamaan (II.2) H f 298,15 = f produk - f reaktan H f 298,15 f C 6 H 14 O f H 2 O) f C 3 H 7 OH) = (318,82 + (-241,80)) (2 x (-272,59)) = -15,44 kj/mol arena H f 298,15 bernilai negatif, maka reaksi bersifat eksotermis. f Masing-masing (Yaws, 1999) G f, kj/mol C 3 H 6 62,72 C 3 H 7 OH -173,59 C 6 H 14 O -121,88 H 2 O -228,60 G f f produk - f reaktan Dari Smith Van Ness, Equation (13.14): ln 298,15 RT f Dari Smith Van Ness, Equation (13.15) (Smith and Van Ness, 2001): ln 2 1 R(T 2 298,15 T 1 ) dengan : 1 2 T 1 T 2 : konstanta kesetimbangan pada 298,15 : konstanta kesetimbangan pada suhu operasi : suhu standar (25 C) : suhu operasi (145,67 C)

6 21 R : tetapan gas ideal = 8, kj/mol. H 298,15 : panas reaksi standar pada 298,15 Reaksi 1: Berdasarkan Persamaan (II.1) G f 298,15 f C 3 H 7 OH) f C 3 H 6 f H 2 O) = (-173,59) (62,72 +(-228,60)) = -7,71 kj/mol ln 298,15 8, ( 7,71 kj/mol) kj/mol. x 298,15 = 3, ,15 = 22,429 Pada suhu 145,67 C (418,82 ) besarnya konstanta kesetimbangan dapat dihitung sebagai berikut: ln 2 298,15 8, kj 51,21 mol kj (418,82 mol. 298,15 ) ln 2 3,11 5,962 2 = 0,058 arena harga konstanta kesetimbangan kecil, maka reaksi berlangsung bolakbalik (reversible).

7 22 Reaksi 2: Berdasarkan Persamaan (II.2) G f 298,15 f C 6 H 14 O f H 2 O) f C 3 H 7 OH) = (-121,88 + (-228,60)) (2 x (-173,59)) = -3,30 kj/mol ln 298,15 8, ( 3,30 kj/mol) kj/mol. x 298,15 = 1, ,15 = 3,786 Pada suhu 145,67 C (418,82 ) besarnya konstanta kesetimbangan dapat dihitung sebagai berikut: ln 2 298,15 8, kj 15,44 mol kj (418,82 mol. 298,15 ) 2 ln 1,33 1,798 2 = 0,627 arena harga konstanta kesetimbangan kecil, maka reaksi berlangsung bolakbalik (reversible). II.2.4. ondisi Operasi Pembentukan isopropil alkohol berlangsung dalam reaktor trickle bed pada suhu 145,67 C dan tekanan 8 MPa dengan menggunakan katalis padat, yaitu cation-exchanger resin yang menyumbang ion H +. Perbandingan mol reaktan propilen dan air pada proses ini sebesar 1:12 dan konversi propilen menjadi

8 23 isopropil alkohol sebesar 75% dengan produk samping diisopropil eter sebesar 6,3% dari isopropil alkohol yang terbentuk. II.3. Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses II.3.1. Diagram Alir ualitatif Diagram alir kualitatif dapat dilihat pada Gambar II.1. II.3.2. Diagram Alir uantitatif Diagram alir kuantitatif dapat dilihat pada Gambar II.2. II.3.3. Diagram Alir Proses Diagram alir proses dapat dilihat pada Gambar II.3.

9 24

10 25

11 26

12 27 II.3.4. Tahapan Proses Tahapan proses pembuatan isopropil alkohol dari propilen dan air dikelompokkan dalam tiga tahap proses, yaitu: tahap penyiapan bahan baku, tahap pembentukan isopropil alkohol, dan tahap pemurnian. II Tahap Penyiapan Bahan Baku Bahan baku utama yang digunakan adalah propilen dan air. Propilen yang dibeli dari PT Chandra Asri Petrochemical Tbk dan air dibeli dari PT rakatau Tirta Industri. Propilen berupa umpan segar dari pipe line dengan tekanan 7,5 atm dan suhu 30 C mengalir ke arus pertemuan (Tee-01). Recycle propilen dari hasil atas menara distilasi (MD-01) dengan tekanan 7,5 atm dan suhu 37,60 C mengalir ke Tee-01. Suhu campuran propilen segar dan propilen recycle di Tee-01 menjadi 31,72 C. Sebelum masuk reaktor, campuran propilen segar dan propilen recycle di Tee-01 dikompresi untuk menaikkan tekanan dan suhu sesuai kondisi operasi reaktor, yaitu pada tekanan 78,95 atm dan suhu 145,67 C. Bahan baku air yang berupa umpan segar dengan tekanan 1 atm dan suhu 30 C dialirkan menggunakan pompa ke arus pertemuan (Tee-02). Recycle air dari hasil bawah menara distilasi (MD-02) dengan tekanan 1 atm dan suhu 99,89 C dialirkan menggunakan pompa ke Tee-02. Suhu campuran air segar dan air recycle di Tee-02 menjadi 95,17 C. Air masuk heat exchanger (HE-01) untuk dinaikkan suhunya menjadi 145,67 C sesuai dengan kondisi reaktor. emudian air dialirkan ke reaktor menggunakan pompa yang sekaligus berfungsi menaikkan tekanan menjadi 78,95 atm.

13 28 II Tahap Pembentukan Isopropil Alkohol Bahan baku propilen dan air kemudian bercampur di reaktor (R) yang menggunakan tumpukan katalis padat Amberlyst DT jenis cation-exchanger resin membentuk isopropil alkohol. Perbandingan mol air dengan propilen masuk reaktor adalah 12:1. Reaktor yang digunakan adalah reactor trickle bed yang beroperasi pada tekanan 78,95 atm dan suhu 145,67 C. II Tahap Pemisahan Campuran hasil reaksi dari reaktor (R) berupa isopropil alkohol dan diisopropil eter, serta sisa bahan baku dipisahkan dengan menggunakan separator (SP) pada tekanan 7,5 atm dan suhu 87,00 C. eluaran SP dengan fase cair yang berupa campuran isopropil alkohol, diisopropil eter, dan air dipompa ke menara distilasi (MD-02), sedangkan keluaran FD berupa fase gas mengalir ke MD-01 untuk memisahkan bahan baku berupa propilen dan propana yang akan direcycle ke reaktor dari komponen lainnya. Pada MD-02 air dipisahkan sebagai hasil bawah dan direcycle menuju R. Sedangkan hasil atas MD-02 berupa campuran isopropil alkohol, diisopropil eter, dan sedikit air dipompa ke MD-03. Pada MD-03 diisopropil eter dipisahkan sebagai hasil atas dan dipompa ke tangki penyimpanan diisopropil eter (T-01). Sedangkan hasil bawah MD-03 dipompa ke MD-04. MD-04 berfungsi untuk memurnikan isopropil alkohol dengan kemurnian 99% sebagai hasil atas yang kemudian dipompa ke tangki penyimpanan isopropil alkohol (T-02).

14 29 II.4. Neraca Massa dan Neraca Panas II.4.1. Neraca Massa Tabel II.5. Neraca Massa di Tee-01 Masuk (kg/jam) eluar (kg/jam) Arus 1 Arus 6 Arus 8 C 3 H , , ,172 C 3 H 8 248,749 72, ,967 Total 4.760, , , ,139 Tabel II.6. Neraca Massa di Tee-02 Masuk (kg/jam) eluar (kg/jam) Arus 2 Arus 10 Arus 11 C 3 H 7 OH 0, , ,968 H 2 O 2.052, , ,458 Total 2.052, , , ,426 Tabel II.7. Neraca Massa Reaktor (R) Masuk (kg/jam) eluar (kg/jam) Arus 8 Arus 11 Arus 3 C 3 H ,172 0, ,293 C 3 H 8 320,967 0, ,967 C 6 H 14 O 0,000 0, ,980 C 3 H 7 OH 0, , ,080 H 2 O 0, , ,245 Total 6.142, , , ,565 Tabel II.8. Neraca Massa Separator (FD) Masuk (kg/jam) eluar (kg/jam) Arus 3 Arus 4 (Gas) Arus 5 (Cair) C 3 H , ,293 0,000 C 3 H 8 320, ,967 0,000 C 6 H 14 O 667,980 1, ,799 C 3 H 7 OH 5.918,080 7, ,991 H 2 O ,245 17, ,758 Total , , , ,565

15 30 Tabel II.9. Neraca Massa Menara Distilasi (MD-01) Masuk (kg/jam) eluar (kg/jam) Arus 4 Arus 6 (D) Arus 7 (B) C 3 H , , ,529 C 3 H 8 320,967 72, ,749 C 6 H 14 O 1,180 0,000 1,180 C 3 H 7 OH 7,089 0,000 7,089 H 2 O 17,487 0,000 17,487 Total 1.802, , , ,017 Tabel II.10. Neraca Massa Menara Distilasi (MD-02) Masuk (kg/jam) eluar (kg/jam) Arus 5 Arus 9 (D) Arus 10 (B) C 6 H 14 O 666, ,799 0,000 C 3 H 7 OH 5.910, , ,968 H 2 O , , ,091 Total , , , ,548 Tabel II.11. Neraca Massa Menara Distilasi (MD-03) Masuk (kg/jam) eluar (kg/jam) Arus 9 Arus 12 (D) Arus 13 (B) C 6 H 14 O 666, ,788 54,011 C 3 H 7 OH 5.444,023 9, ,768 H 2 O 281,668 0, ,668 Total 6.392, , , ,489 Tabel II.12. Neraca Massa Menara Distilasi (MD-04) Masuk (kg/jam) eluar (kg/jam) Arus 13 Arus 14 (D) Arus 15 (B) C 6 H 14 O 54,011 54,011 0,000 C 3 H 7 OH 5.434, , ,043 H 2 O 281,668 6, ,189 Total 5.770, , , ,446

16 31 Tabel II.13. Neraca Massa Total Masuk (kg/jam) eluar (kg/jam) Arus 1 Arus 2 Arus 7 Arus 12 Arus 14 Arus 15 C 3 H ,409 0, ,529 0,000 0,000 0,000 C 3 H 8 248,749 0, ,749 0,000 0,000 0,000 C 6 H 14 O 0,000 0,000 1, ,788 54,011 0,000 C 3 H 7 OH 0,000 0,000 7,089 9, , ,043 H 2 O 0, ,367 17,487 0,000 6, ,189 Total 4.760, , , , , , , ,525 II.4.2. Neraca Panas Tabel II.14. Neraca Panas di Tee-01 Q masuk (kj/jam) Q keluar (kj/jam) Arus 1 Arus 6 Arus 8a C 3 H , , ,732 C 3 H , , ,042 Total , , , ,773 Tabel II.15. Neraca Panas di Tee-02 Q masuk (kj/jam) Q keluar (kj/jam) Arus 2 Arus 10 Arus 11a C 3 H 6 0, , ,792 C 3 H , , ,210 Total , , , ,003 Tabel II.16. Neraca Panas di ompresor (CP) Q masuk (kj/jam) Q keluar (kj/jam) Arus 8a Arus 8b C 3 H , ,810 C 3 H , ,955 Q kompresor ,992 0,000 Total , ,765

17 32 Tabel II.17. Neraca Panas di Heater (HE) Q masuk (kj/jam) Q keluar (kj/jam) Arus 8a Arus 8b C 3 H 7 OH , ,517 H 2 O , ,777 Q pemanas ,291 0,000 Total , ,294 Tabel II.18. Neraca Panas di Reaktor (R) Q masuk (kj/jam) Q keluar (kj/jam) Arus 8b Arus 11b Q reaksi Arus 3 C 3 H ,810 0, ,388 C 3 H ,955 0, ,254 C 6 H 14 O 0,000 0, , ,390 C 3 H 7 OH 0, , ,861 H 2 O 0, , ,547 Q pendingin 0,000 0, ,388 Total , , , , , ,449 Tabel II.19. Neraca Panas di Separator (SP) Q keluar (kj/jam) Q masuk (kj/jam) Arus 4 Arus 5 Arus 3 Hv Q top Q bottom C 3 H , , ,005 0,000 C 3 H ,254 51, ,410 0,000 C 6 H 14 O ,074 0, , ,696 C 3 H 7 OH ,861 4, , ,399 H 2 O ,547 39, , ,387 Total , , , , , ,124 Tabel II.20. Neraca Panas di Menara Distilasi (MD-01) Q masuk (kj/jam) Q keluar (kj/jam) Arus 4 Q reboiler Arus 6 Arus 7 Q condenser C 3 H , , ,967 C 3 H , , ,904 C 6 H 14 O 701, ,172 0, , ,800 C 3 H 7 OH 1.552,673 0, ,108 H 2 O 5.338,132 0, ,305 Total , , , , , , ,288

18 33 Tabel II.21. Neraca Panas di Menara Distilasi (MD-02) Q masuk (kj/jam) Q keluar (kj/jam) Arus 5 Q reboiler Arus 9 Arus 10 Q condenser C 6 H 14 O , ,664 0,000 C 3 H 7 OH , , , , ,498 H 2 O , , ,445 Total , , , , , , ,055 Tabel II.22. Neraca Panas di Menara Distilasi (MD-03) Q masuk (kj/jam) Q keluar (kj/jam) Arus 9 Q reboiler Arus 12 Arus 13 Q condenser C 6 H 14 O , , ,021 C 3 H 7 OH , , , , ,396 H 2 O ,910 0, ,304 Total , , , , , , ,137 Tabel II.23. Neraca Panas di Menara Distilasi (MD-04) Q masuk (kj/jam) Q keluar (kj/jam) Arus 13 Q reboiler Arus 14 Arus 15 Q condenser C 6 H 14 O 7.084, ,137 0,000 C 3 H 7 OH , , , , ,776 H 2 O , , ,466 Total , , , , , , ,812

19

20 35 II.5. Layout Pabrik dan Peralatan Proses II.5.1. Layout Pabrik Tata letak pabrik merupakan suatu pengaturan yang optimal dari seperangkat fasilitas-fasilitas dalam pabrik. Tata letak yang tepat sangat penting untuk mendapatkan efisiensi, keselamatan kerja dan proses, serta kelancaran kerja para pekerja. Tata letak pabrik isopropil alkohol dapat dilihat pada Gambar II.4. Luas total area pabrik yang akan dibutuhkan untuk mendirikan pabrik isopropil alkohol adalah m 2. Secara garis besar, layout dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu: daerah administrasi/perkantoran, laboratorium, dan ruang kontrol; daerah proses; daerah penyimpanan bahan baku dan produk; daerah gudang, bengkel, dan garasi; serta daerah utilitas (Vilbrant, 1959). 1. 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 dijual. Luas area yang dibutuhkan untuk daerah ini adalah m Daerah proses Merupakan daerah di mana alat proses diletakkan dan proses berlangsung. Luas area yang dibutuhkan untuk daerah ini adalah m Daerah penyimpanan bahan baku dan produk Merupakan daerah untuk tempat bahan baku dan produk. Luas area yang dibutuhkan untuk daerah ini adalah m Daerah gudang, bengkel, dan garasi

21 36 Merupakan daerah yang digunakan untuk menampung bahan-bahan yang diperlukan oleh pabrik dan untuk keperluan perawatan peralatan proses. Luas area yang dibutuhkan untuk daerah ini adalah m Daerah utilitas Merupakan daerah di mana kegiatan penyediaan bahan pendukung proses berlangsung dipusatkan. Luas area yang dibutuhkan untuk daerah ini adalah m 2.

22 37 Ruang Generator UPL Area Perluasan Pabrik Utilitas Gudang Safety Ruang ontrol Poliklinik Laboratorium antor Mushola antin Garasi Parkir Parkir eterangan : Skala 1 : 750 : Taman : Arah Jalan Gambar II.4. Layout Pabrik Isopropil Alkohol

23 38 II.5.2. Layout Peralatan Proses Layout peralatan pada pabrik isopropil alkohol dapat dilihat pada Gambar II.5. Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menentukan layout peralatan proses pada pabrik isopropil alkohol, antara lain: aliran udara, cahaya, lalu lintas manusia, pertimbangan ekonomi, dan jarak antar alat proses (Vilbrant, 1959). 1. Aliran udara. Aliran udara di dalam dan di sekitar peralatan 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. 2. Cahaya. Penerangan sebuah pabrik harus memadai dan pada tempat-tempat proses yang berbahaya atau beresiko tinggi perlu adanya penerangan tambahan. 3. Lalu lintas manusia. Dalam perancangan layout peralatan perlu diperhatikan agar pekerja dapat mencapai seluruh alat proses dengan cepat dan mudah. Hal ini bertujuan apabila terjadi gangguan pada alat proses dapat segera diperbaiki. eamanan pekerja selama menjalankan tugasnya juga diprioritaskan. 4. Pertimbangan ekonomi. Dalam menempatkan alat-alat proses diusahakan dapat menekan biaya operasi, serta menjamin kelancaran dan keamanan produksi pabrik.

24 39 5. Jarak antar alat proses. Untuk alat proses yang mempunyai suhu dan tekanan operasi tinggi, sebaiknya dipisahkan dengan alat proses lainnya, sehingga apabila terjadi ledakan atau kebakaran pada alat tersebut maka kerusakan dapat diminimalkan.

25 40 eterangan Gambar : T : Tangki Penyimpanan MD : Menara Distilasi HE : Heat Exchanger RB : Reboiler R : Reaktor CD : Condenser SP : Separator Acc : Akumulator Gambar II.5. Layout Peralatan Proses