Prarancangan Pabrik Metil Salisilat dari Metanol dan Asam Salisilat Kapasitas Ton/Tahun BAB II DESKRIPSI PROSES. : jernih, tidak berwarna

Transkripsi

1 BAB II DESKRIPSI PROSES 1. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk 1.1. Spesifikasi Bahan Baku a. Metanol ( Fase (25 o C, 1 atm) : cair Warna : jernih, tidak berwarna Densitas (25 o C) : 0,787 g/cm 3 Viskositas (25 o C) Impuritas Kemurnian : 0,541 cp : H 2 O 0,15% berat : CH 3 OH 99,85% berat b. Asam Salisilat ( Fase (25 o C, 1 atm) : padat, bentuk serbuk Warna : putih Densitas (20 o C) : 1,443 g/cm 3 Kemurnian : C 7 H 6 O 3 100% berat 1.2. Spesifikasi Bahan Pembantu Asam Sulfat ( Fase (25 o C, 1 atm) Warna : cair : jernih, tidak berwarna Densitas (18 o C) : 1,834 g/cm 3 Bab II Deskripsi Proses 14

2 Impuritas Kemurnian : H 2 O 2% berat : H 2 SO 4 98% berat 1.3. Spesifikasi Produk Metil Salisilat ( Fase (25 o C, 1 atm) Warna : cair : jernih, tidak berwarna Densitas (25 o C) : 1,182 g/cm 3 Impuritas Kemurnian : CH 3 OH maks 1% berat : C 8 H 8 O 3 min 99% berat 2. Konsep Proses 2.1. Dasar Reaksi Proses pembuatan metil salisilat dari metanol dan asam salisilat dengan katalisator asam sulfat pekat dilakukan melalui esterifikasi dengan reaksi sebagai berikut (Chandavasu, 1997): C 7 H 6 O 3 + CH 3 OH C 8 H 8 O 3 + H 2 O...(2.1) 2.2. Mekanisme Reaksi Reaksi esterifikasi berlangsung dalam dua tahap. Tahap pertama yaitu protonasi gugus karbonil pada asam salisilat oleh katalis asam sulfat. Tahap kedua alkohol akan menyerang gugus karbonil pada asam salisilat yang terprotonasi. Sebuah proton hidrogen pada asam salisilat hilang dan digantikan dengan gugus karbon dari alkohol sehingga terbentuk ester (metil Bab II Deskripsi Proses 15

3 salisilat) dan air. Asam sulfat pada akhir reaksi dapat diperoleh kembali (Chandavasu, 1997) Kondisi Operasi Kondisi operasi pada proses pembuatan metil salisilat dari asam berlangsung pada fase cair sehingga akan mempermudah dalam pengendalian reaksi. Reaksi berlangsung reversible (dapat balik). Agar reaksi berjalan ke arah kanan maka salah satu reaktan dibuat berlebih yaitu metanol. Perbandingan mol reaktan metanol dan asam salisilat masuk reaktor adalah 8:1. Pada kondisi ini konversi kesetimbangan yang dicapai yaitu 95,81 % (Chandavasu, 1997). Konversi reaksi diambil 95% dari konversi kesetimbangan sehingga diperoleh konversi reaksi sebesar 91,02% (Smith, 1985) Tinjauan Termodinamika endotermis atau eksotermis. Entalpi reaksi metanol dan asam salisilat dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut : lnk e = - o + o...(2.2) RT R Dari hasil plot antara ln Ke vs 1 / T diperoleh persamaan y = ,26x + 24,33, maka dengan mensubtitusi nilai R = 0, kj/mol.k pada slope o = + 64,83 kj/mol (Chandavasu, 1997). Bab II Deskripsi Proses 16

4 Karena entalpi reaksi bernilai positif, maka reaksi antara metanol dan asam salisilat merupakan reaksi endotermis. Untuk reaksi endotermis, maka kenaikan suhu akan mengakibatkan kenaikan harga konstanta kesetimbangan (K e ). Pada kondisi suhu reaksi 63 o C, diperoleh konstanta kesetimbangan sebesar K e = 3,114 (Chandavasu, 1997). Harga K e yang kecil menunjukan bahwa reaksi pembuatan metil salisilat merupakan reaksi reversible Tinjauan Kinetika Konversi kesetimbangan yang dicapai pada kondisi operasi T = 63 o C, P = 1 atm dengan perbandingan mol metanol dan asam salisilat 8:1 dan konsentrasi katalis asam sulfat 1,1 mol/l adalah sebesar X Ae = 0,9581 (Chandavasu, 1997). Untuk reaksi reversible, konversi reaksi diambil 95% dari konversi kesetimbangan, maka diperoleh konversi reaksi sebesar X A = 0,9102 (Smith, 1985). Secara umum reaksi esterifikasi metanol dan asam salisilat dapat disimbolkan sebagai berikut (Chandavasu, 1997): A + B C + D...(2.3) Keterangan A = asam salisilat B = metanol C = metil salisilat D = air Bab II Deskripsi Proses 17

5 Persamaan kecepatan reaksi: (-r a ) = k 1. C A. C B k -1. C C. C D...(2.4) Keterangan k 1 k -1 C A C B C C C D = konstanta kecepatan reaksi esterifikasi = konstanta kecepatan reaksi hidrolisa = konsentrasi asam salisilat = konsentrasi metanol = konsentrasi air = konsentrasi metil salisilat dengan: C A = C AO (1 X A ) C B = C BO C AO.X A = C AO.(M 1 X A ), dengan M 1 = C C = C CO C AO.X A = C AO.(M 2 X A ), dengan M 2 = C D = C DO C AO.X A = C AO.(M 3 X A ), dengan M 3 = Maka persamaan kecepatan reaksi menjadi: (-r a ) = k 1.C AO 2.(1 X A ).(M 1 X A ) - k -1.C AO 2.(M 2 + X A ).(M 3 + X A )...(2.5) Keterangan C AO X A = konsentrasi asam salisilat awal = konversi reaksi Bab II Deskripsi Proses 18

6 k 1 k -1 = 0,0233 L/mol.jam = 0, L/mol.jam 3. Diagram Alir Proses 3.1. Diagram Alir Proses Kualitatif Diagram Alir Kualitatif ditampilkan pada Gambar Diagram Alir Proses Kuantitatif Diagram Alir Kuantitatif ditampilkan pada Gambar 2.2. Diagram Alir Proses ditampilkan pada Gambar Langkah Proses A. Tahap Reaksi Asam salisilat disimpan di dalam silo (SI-01) pada suhu 30 o C dan tekanan 1 atm. Sementara penyimpanan metanol dilakukan pada suhu 30 o C dengan tekanan 1 atm di dalam tangki metanol (T-01). Metanol dari tangki penyimpan (T-01) dipompa menuju reaktor 1 (R-01). Asam salisilat dari silo (SI-01) diangkut dengan belt conveyor dan bucket elevator menuju reaktor (R-01). Di dalam reaktor, bahan-bahan tersebut dicampur bersama recycle metanol dari hasil atas menara distilasi 1 (MD-01) dan recycle katalis asam sulfat dari hasil bawah menara distilasi 2 (MD-02), sehingga diperoleh perbandingan mol asam salisilat dan metanol 1:8. Bab II Deskripsi Proses 19

7 Esterifikasi dilakukan di dalam 2 seri reaktor alir tangki berpengaduk (RATB) yang bekerja secara isothermal non-adiabatic. Reaktor dioperasikan pada suhu 63 o C dengan tekanan 1 atm. Untuk menjaga suhu reaksi, pemanasan diberikan dengan saturated steam. Produk keluar reaktor 2 (R-02) pada suhu 63 o C, lalu dipompa menuju menara distilasi 1 (MD-01). B. Tahap Pemurnian Produk keluar reaktor 2 (R-02) dipompa ke menara distilasi 1 (MD-01) untuk memperoleh kembali metanol. Hasil atas MD-01 berupa metanol, air, dan sedikit metil salisilat dikembalikan ke reaktor 1 (R-01) untuk direaksikan kembali. Hasil bawah MD-01 dipompa menuju menara distilasi 2 (MD-02) untuk memisahkan asam sulfat. Hasil bawah MD-02 berupa campuran metil salisilat, asam salisilat, dan asam sulfat dikembalikan ke reaktor 1 (R-01) untuk di proses kembali. Hasil atas MD-02 berupa campuran air, metil salisilat, dan asam salisilat dipompa menuju menara distilasi 3 (MD-03). Pemisahan di MD-03 menghasilkan hasil atas berupa campuran air dan sedikit metil salisilat. Hasil atas MD-03 ini kemudian dipompa menuju Unit Pengolahan Limbah (UPL). Sedangkan hasil bawah MD-03 sebagai produk dengan kemurnian metil salisilat 99% disimpan dalam tangki penyimpanan produk (T-02). Bab II Deskripsi Proses 20

8 Gambar 2.1 Diagram Alir Kualitatif Bab II Deskripsi Proses 21

9 kg/jam Komponen Arus 1 Arus 2 Arus 3 Arus 4 Arus 5 Arus 6 Arus 7 Arus 8 Arus 9 Arus 10 CH3OH 288,81 0, , ,04 20,87 20,87 20,87 0, ,17 0,00 H2O 0,43 0,00 125,55 152,69 151,15 151,15 149,64 1,51 1,54 0,00 C8H8O3 0,00 0, , , , ,70 12, ,97 0,00 12,73 C7H6O3 0, ,62 322,12 114,00 114,00 1,14 0,00 1,14 0,00 112,86 H2SO4 0,00 0,00 468,44 468,44 468,44 0,00 0,00 0,00 0,00 468,44 Total 289, , , , , ,86 183, , ,71 594,03 Gambar 2.2 Diagram Alir Kuantitatif Bab II Deskripsi Proses 22

10 kg/jam Komponen Arus 1 Arus 2 Arus 3 Arus 4 Arus 5 Arus 6 Arus 7 Arus 8 Arus 9 Arus ,81 0, , ,04 20,87 20,87 20,87 0, ,17 0,00 CH3OH H2O 0,43 0,00 125,55 152,69 151,15 151,15 149,64 1,51 1,54 0,00 C8H8O3 0,00 0, , , , ,70 12, ,97 0,00 12,73 C7H6O3 0, ,62 322,12 114,00 114,00 1,14 0,00 1,14 0,00 112,86 H2SO4 0,00 0,00 468,44 468,44 468,44 0,00 0,00 0,00 0,00 468,44 Total 289, , , , , ,86 183, , ,71 594,03 Bab II Deskripsi Proses 23

11 4. Neraca Massa dan Neraca Panas 4.1. Neraca Massa a. Neraca Massa Reaktor 1 (R-01) Tabel 2.1 Neraca Massa Reaktor (R-01) kg/jam Komponen Input Output Arus 1 Arus 2 Arus 9 Arus 10 Arus 3 CH 3 OH 288,81 0, ,17 0, ,30 H 2 O 0,43 0,00 1,54 0,00 125,55 C 8 H 8 O 3 0,00 0,00 0,00 12, ,20 C 7 H 6 O 3 0, ,62 0,00 112,86 322,12 H 2 SO 4 0,00 0,00 0,00 468,44 468,44 Total 289, , ,71 594, , ,60 b. Neraca Massa Reaktor 2 (R-02) Tabel 2.2 Neraca Massa Reaktor 2 (R-02) kg/jam Komponen Input Output Arus 3 Arus 4 CH 3 OH 2.135, ,04 H 2 O 125,55 152,69 C 8 H 8 O , ,43 C 7 H 6 O 3 322,12 114,00 H 2 SO 4 468,44 468,44 Total 4.107, ,60 Bab II Deskripsi Proses 24

12 c. Neraca Massa Menara Distilasi 1 (MD-01) Tabel 2.3 Neraca Massa Menara Distilasi 1 (MD-01) kg/jam Komponen Input Output Arus 4 Arus 5 Arus 9 CH 3 OH (LK) 2.087,04 20, ,17 H 2 O (HK) 152,69 151,15 1,54 C 8 H 8 O , ,43 0,00 C 7 H 6 O 3 114,00 114,00 0,00 H 2 SO 4 468,44 468,44 0,00 Total 2.039, , , ,61 d. Neraca Massa Menara Distilasi 2 (MD-02) Tabel 2.4 Neraca Massa Menara Distilasi 2 (MD-02) kg/jam Komponen Input Output Arus 5 Arus 6 Arus 10 CH 3 OH 20,87 20,87 0,00 H 2 O 151,15 151,15 0,00 C 8 H 8 O 3 (LK) 1.285, ,70 12,73 C 7 H 6 O 3 (HK) 114,00 1,14 112,86 H 2 SO 4 468,44 0,00 468, ,86 594,03 Total 2.039, ,90 Bab II Deskripsi Proses 25

13 e. Neraca Massa Menara Distilasi 3 (MD-03) Tabel 2.5 Neraca Massa Menara Distilasi 3 (MD-03) kg/jam Komponen Input Output Arus 6 Arus 7 Arus 8 CH 3 OH 20,87 20,87 0,00 H 2 O (LK) 151,15 149,64 1,51 C 8 H 8 O 3 (HK) 1.272,70 12, ,97 C 7 H 6 O 3 1,14 0,00 1,14 H 2 SO 4 0,00 0,00 0,00 Total 1.445,86 183, ,62 f. Neraca Massa Total Tabel 2.6 Neraca Massa Total kg/jam Komponen Input Output Arus 1 Arus 2 Arus 8 Arus 9 CH 3 OH 288,81 0,00 20,87 0,00 H 2 O 0,43 0,00 149,64 1,51 C 8 H 8 O 3 0,00 0,00 12, ,97 C 7 H 6 O 3 0, ,62 0,00 1,14 H 2 SO 4 0,00 0,00 0,00 0,00 Total 289, ,62 183, , , ,86 Bab II Deskripsi Proses 26

14 4.2. Neraca Panas a. Neraca Panas Reaktor 1 (R-01) Tabel 2.7 Neraca Panas Reaktor 1 (R-01) Input (kj/jam) Generasi (kj/jam) Output (kj/jam) Konsumsi (kj/jam) Arus ,84 Arus ,17 Q reaksi ,82 Arus ,61 Arus ,31 Arus ,82 Q steam ,42 Total ,42 Total 0, ,17 Total ,82 Total , ,42 b. Neraca Panas Reaktor 2 (R-02) Tabel 2.8 Neraca Panas Reaktor 2 (R-02) Input (kj/jam) Generasi (kj/jam) Output (kj/jam) Konsumsi (kj/jam) Arus ,17 Arus ,75 Q reaksi ,17 Q kondensat ,75 Total ,92 Total 0, ,75 Total ,17 Total , ,92 Bab II Deskripsi Proses 27

15 c. Neraca Panas Menara Distilasi 1 (MD-01) Tabel 2.9 Neraca Panas Menara Distilasi 1 (MD-01) Input (kj/jam) Output (kj/jam) Arus ,01 Arus ,68 Q R ,32 Arus ,31 Q C ,35 Total , ,34 d. Neraca Panas Menara Distilasi 2 (MD-02) Tabel 2.10 Neraca Panas Menara Distilasi 2 (MD-02) Input (kj/jam) Output (kj/jam) Arus ,95 Arus ,27 Q R ,05 Arus ,99 Q C ,74 Total , ,00 Bab II Deskripsi Proses 28

16 e. Neraca Panas Menara Distilasi 3 (MD-03) Tabel 2.11 Neraca Panas Menara Distilasi 3 (MD-03) Input (kj/jam) Output (kj/jam) Arus ,47 Arus ,57 Q R ,60 Arus ,50 Q C ,00 Total , ,07 f. Neraca Panas Total Tabel 2.12 Neraca Panas Total Input (kj/jam) Output (kj/jam) Arus ,84 Arus ,57 Arus ,61 Arus ,50 Jaket Reaktor ,42 Cooler ,54 Jaket Reaktor ,75 Cooler ,09 Reboiler ,32 Cooler ,23 Reboiler ,05 Kondensor ,35 Reboiler ,60 Kondensor ,74 Kondensor ,00 Q loss ,58 Total , ,58 Bab II Deskripsi Proses 29

17 5. Tata Letak Pabrik dan Peralatan 5.1. Tata Letak Pabrik Tata letak merupakan pengaturan secara optimal fasilitas-fasilitas dalam pabrik. Tata letak yang tepat sangat bermanfaat bagi efisiensi, keselamatan, dan kelancaran para pekerja dan proses. Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam melakukan pengaturan tata letak pabrik yaitu: a. Perluasan Lahan Area khusus untuk perluasan lahan harus masuk dalam perhitungan rencana tata letak. Area ini dipersiapkan jika di kemudian hari kapasitas pabrik diperbesar. b. Keamanan Keamanan merupakan faktor penting dalam menjaga stabilitas operasi pabrik. Potensi bahaya seperti kebakaran, ledakan, asap, atau senyawa beracun harus diperhatikan. Alat-alat pemadam kebakaran seperti APAR dan hidran air harus disediakan. Jarak antar bangunan dan tangki harus diperhatikan agar memberikan ruang bagi pekerja untuk menyelamatkan diri. c. Ketersediaan Tanah Harga tanah merupakan faktor penentu bagi pabrik untuk menyediakan area pabrik. Jika harga tanah tinggi, maka penempatan bangunan dan alat harus seefisien mungkin guna menghemat ruang. Bab II Deskripsi Proses 30

18 d. Bangunan Bangunan yang didirikan harus memenuhi standar kekuatan fisik maupun kelengkapannya seperti ventilasi, sanitasi, dan pendingin udara jika diperlukan. e. Instalasi dan Utilitas Tata letak bangunan harus memperhatikan kemudahan dalam hal instalasi dan utilitas. Pekerja akan mudah dalam pemasangan jika peralatan mudah dijangkau dan tersusun rapi. f. Akses Jalan Raya Jalan raya merupakan penunjang transportasi kendaraan pembawa bahan baku menuju pabrik. Susunan jalan dan bangunan harus memberikan keleluasaan bagi kendaraan untuk masuk dan keluar pabrik. Secara umum tata letak pabrik dibagi menjadi beberapa daerah utama yaitu: a. daerah perkantoran, b. daerah proses dan ruang kontrol, c. daerah pergudangan, bengkel, dan garasi, dan d. daerah utilitas. Denah tata letak bangunan ditampilkan pada Gambar 2.4 berikut ini. Bab II Deskripsi Proses 31

19 Pos Keamanan Area Perluasan Area Utilitas Generator Utilitas Gudang Area Perluasan Area Proses Safety Fire Station Laboratorium UPL Bengkel Garasi Kantin Poliklinik Area Parkir 35 Masjid Kantorpusat 6 24 Pusdiklat& Perpustakaan Kantor Produksi Pos Keamanan Skala 1 : Satuan dalam meter (m) Gambar 2.4 Tata Letak Pabrik Bab II Deskripsi Proses 32

20 5.2. Tata Letak Peralatan Tata letak adalah pengaturan kedudukan alat-alat dalam proses produksi. Tata letak alat harus diatur sedemikian rupa sehingga kelancaran dan keamanan produksi terjamin. Hal-hal yang diperhatikan dalam tata letak alat yaitu: a. Aliran Bahan Baku dan Produk Aliran bahan baku dan produk harus sesederhana mungkin. Jumlah belokan dan tekukan dalam sistem pemipaan harus seminimal mungkin. Penempatan pipa juga harus memperhatikan lalu lintas pekerja. b. Aliran Udara Aliran udara yang baik akan menghindari stagnasi (pemampatan) udara pada suatu lokasi. Udara segar dan bersikulasi mendukung produktivitas dan keselamatan pekerja. c. Cahaya Penerangan area pabrik harus memadai. Pemasangan lampu harus memperhatikan kebutuhan lumen ruangan. Area proses dan perkantoran diberikan pencahayaan optimal. d. Lalu Lintas Manusia Letak peralatan disusun agar memberikan ruang bagi pekerja untuk melintas dan menjangkau seluruh area proses dengan mudah. Pengaturan lalu lintas bagi pekerja memperhatikan aspek keamanan dan kemudahan. e. Jarak Antar Alat Alat-alat dengan tekanan dan suhu tinggi sebaiknya diberi jarak lebih jauh dari alat lainnya. Jarak antar alat juga berfungsi sebagai jalur penyelamatan bagi pekerja. Bab II Deskripsi Proses 33

21 Gambar 2.5 Tata Letak Alat Bab II Deskripsi Proses 34