BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Proses Pembentukan Etilen Oksida di PT Polychem Indonesia Tbk. Etilen yang sudah berada dalam bentuk gas disaring terlebih dahulu pada sulfur guard bed untuk menghilangkan kandungan sulfurnya, karena sulfur mempunyai sifat korosif dan dapat menjadi racun bagi katalis yang digunakan. Etilen dimasukkan perlahan kedalam OMS (Oxygen Mixed Station), kemudian setelah etilen sudah berada pada OMS gas oksigen yang sudah disaring dari partikel-partikel kecil perlahan-lahan dimasukkan kedalam OMS. Oksigen murni yang digunakan bersifat reaktif sehingga mudah terbakar atau meledak, maka untuk mengantisipasi hal-hal yang tidak diinginkan, pencampuran dilakukan ditempat khusus, yaitu OMS. Gas nitrogen pun dimasukkan sebagai gas ballast dan penyeimbang komposisi. Gas nitrogen tidak akan bereaksi pada proses dan dapat mengendalikan kondisi. Pada neraca komponen zat-zat yang ada setelah melewati OMS, gas nitrogen yang mempunyai fraksi mol paling banyak. Setelah melewati OMS, campuran antara oksigen dan etilen akan ditambahkan EDC (ethylene dichloride) yang berfungsi untuk mencegah (inhibitor) terjadinya reaksi samping. Penambahan EDC ini sangat diperhatikan, sebab bila terlalu banyak menggunakan EDC konversi dari proses pembentukan etilen oksida akan berkurang, sedangkan bila terlalu sedikit akan banyak reaksi samping yang terjadi. Di dalam ethylene feed ada beberapa zat impurities, yaitu metana dan etana. Output yang keluar dari OMS mengandung beberapa senyawa, yaitu etilen, oksigen, etilen oksida, karbon dioksida, air, nitrogen, argon, metan, dan etan. Semua senyawa dalam bentuk gas tersebut sebelum dialirkan menuju Reaktor (R- 110) harus terlebih dahulu dinaikan suhunya pada HE E-111. Etilen dan oksigen masuk ke dalam reaktor yang berbentuk multitubular. Di dalam tube tersebut terdapat katalis AgO 2 (perak) yang disimpan dengan penyangga alumina. Katalis AgO 2 yang digunakan ini berada pada batu alam dengan kandungan 13-17% Ag, 5

2 6 sedangkan yang berada pada bagian shell adalah air boiler yang digunakan untuk menyerap panas reaksi sehingga akan terbentuk kukus (boiler feed water). C 2 H 4 + O 2 C 2 H 4 O (Etilen Oksida) Sedangkan reaksi sampingnya adalah C 2 H O 2 CO H 2 O C 2 H 4 O + 2 O 2 2 CO H 2 O Setelah melewati reaktor ini, akan terbentuk etilen oksida dengan kandungan sekitar 2% - 3% dari berat total, karena output pada reaktor ini masih mempunyai suhu tinggi, maka digunakan untuk memanaskan boiler feed water sehingga menghasilkan steam bertekanan tinggi. Fluida keluaran reaktor dimanfaatkan panasnya pada heat exchanger E-112 untuk membangkitkan steam bertekanan sedang dan pada heat exchanger E-111 digunakan untuk memanaskan umpan awal. Setelah melewati heat exchanger E-111, fluida yang mempunyai kandungan etilen oksida ini dimasukkan ke dalam scrubber. Etilen oksida akan diserap menggunakan cycle water, karena air merupakan pelarut yang baik bagi etilen oksida. Pada scrubber, air akan dimasukkan melalui bagian atas kolom, sedangkan etilen oksida dari bagian bawah kolom. Air yang sudah kaya dengan etilen oksida akan dialirkan ke area-300 (proses stripper dan reabsorption) sedangkan gas-gas yang masih mengandung etilen yang tidak bereaksi sebagian besar dikembalikan ke H-110 untuk direaksikan kembali di reaktor dan sisanya dialirkan menuju area-200. Gas CO 2 dan gas lainnya (recycle gas) dikompresi terlebih dahulu di kompresor (C-115), sebelum dialirkan ke area-200 agar tekanan keluaran sama dengan tekanan di H Karakteristik Bahan Baku dan Produk Karakterisitk Bahan Baku 1) Etilen Bahan baku utama dari EO/EG plant adalah gas etilen 99,9 % volume dengan 0,1% merupakan impuritas. Gas etilen tersebut merupakan reaktan utama yang

3 7 berasal dari Timur Tengah dan PT Chandra Asri. Kebutuhan etilen rata-rata yang dibutuhkan sebagai bahan baku sebesar 150 MT/hr. Tabel 2.1 Data Karakteristik Etilen Rumus molekul CH 2 =CH 2 Berat molekul (g/mol) 28,052 Wujud Gas Kenampakan Tak berwarna Titik leleh ( C) -169 Titik didih ( C) -103,3 Suhu kritis ( C) 9,15 Tekanan kritis (bar) 50,4 Volume kritis (cm 3 /mol) 31 Kemurnian (%) 99,9 Densitas (g/cm 3 ) 0,610 (Sumber: Hysys Software) 2) Oksigen Oksigen murni diperoleh dari udara bebas melalui serangkaian proses pada air separation unit. Oksigen ini akan dimasukkan secara perlahan kedalam reaktor menggunakan alat oxygen mixed system. Tabel 2.2 Data Karakteristik Oksigen Rumus molekul O 2 Berat molekul (g/mol) 15,9994 Wujud Gas Kenampakan Tak berwarna Titik leleh ( C) -218,79 Titik didih ( C) -182,95 Suhu kritis ( C) Tekanan kritis (atm) 49.8 Kemurnian (%) 99,9 Densitas (g/l) 1,429 (Sumber: Hysys Software)

4 Karakteristik Etilen Oksida Produk pada unit proses area-100 adalah etilen oksida. Etilen oksida adalah gas tidak berwarna yang mengembun pada suhu rendah menjadi cair mobile. Hal ini dapat larut dalam semua proporsi dengan air, alkohol, eter, dan pelarut yang paling organik. Uap yang mudah terbakar dan meledak. Tabel 2.3 Data Karakteristik Etilen Oksida Rumus Molekul C 2 H 4 O Berat Molekul 44,05 Titik Didih ( o C) pada 101,3 kpa 10,4 Koefisien ekspansi kubus pada 20 o C/1 o C 0,00158 Tekanan Kritis (Mpa) 7,19 Suhu Kritis ( o C) 195,8 Batas Explosive di Udara (%) Maksimum 100 Minimum 3 Titik Nyala ( o C) < -18 Titik Beku ( o C) -111,7 Panas Pembakaran pada 25 o C (kj/kmol) Kalor Peleburan (kj/kmol) 5,17 Indeks bias 1,3597 (Sumber : repository.ipb.ac.id) Etilen oksida adalah senyawa yang sangat reaktif dan digunakan industri sebagai perantara untuk produk kimia. 2.3 Reaktor Multitubular Reaktor multitubular ini digunakan untuk mereaksikan etilen dengan oksigen. Reaktor jenis ini digunakan karena pada pembentukan etilen oksida diperlukan reaksi katalitik yang menggunakan fix bed atau katalis tersebut disimpan (ditumpuk) pada tube-nya. Reaksi yang berlangsung adalah reaksi eksotermik yang laju reaksinya sangat dipengaruhi oleh suhu lokal. Prinsip kerja reaktor ini sama halnya seperti shell and tube heat exchanger. Dengan menggunakan reaktor jenis ini panas reaksi yang dihasilkan dapat dimanfaatkan langsung oleh fluida yang terdapat di shell.

5 9 Gambar 2.1 Reaktor Multitubular (Sumber: Steam Drum Steam drum pada plant-i merupakan boiler yang mampu menghasilkan uap/steam diatas 10 kg/cm2. Panas yang diterima oleh boiler feed water yang berada pada steam drum diperoleh dari panas reaksi dari reaktor untuk steam drum D-110 dan untuk steam drum D-112 diperoleh dari hasil pertukaran panas heat exchanger E-112. Untuk menghitung kebutuhan air pada steam drum, maka rumus yang digunakan adalah: M air = massa steam 98% (Sumber: Data Desain PT Polychem Indonesia Tbk.) 2.5 Heat Exchanger Heat exchanger adalah alat penukar panas yang dapat digunakan untuk memanfaatkan atau mengambil panas dari suatu fluida untuk dipindahkan ke

6 10 fluida lain. Proses perpindahan panas ini biasanya terjadi dari fasa cair ke fasa cair atau dari fasa uap ke fasa cair. Alat ini menjalankan dua fungsi yaitu 1) memanfaatkan fluida dingin 2) menggunakan fluida panas yang didinginkan Prinsip Kerja Heat Exchanger Prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida pada temperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung. 1) Secara kontak langsung, panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dinginmelalui permukaan kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua fluida. Transfer panas yang terjadi yaitu melalui interfase/penghubung antara kedua fluida. Contohnya, yaitu aliran steam pada kontak langsung yaitu dua zat cair yang immiscible (tidak dapat bercampur), gas-liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida. 2) Secara kontak tak langsung, perpindahan panas terjadi antara fluida panas dan dingin melalui dinding pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir Tipe Shell and Tube Heat Exchanger Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) yang di dalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter yang relatif kecil. Satu jenis fluida mengalir di dalam pipa-pipa, sedangkan fluida lainnya mengalir di bagian luar pipa tetapi masih didalam shell. Keuntungan shell and tube heat exchanger merupakan heat exchanger yang paling banyak digunakan di prosesproses industri karena mampu memberikan ratio area perpindahan panas dengan volume dan massa fluida yang cukup kecil. Selain itu juga dapat mengakomodasi ekspansi termal, mudah untuk dibersihkan, dan konstruksinya juga palingmurah di antara yang lain. Untuk menjamin bahwa fluida pada shell-side mengalir melintasi tabung dan dengan demikian menyebabkan perpindahan kalor yang lebih tinggi, maka didalam shell tersebut dipasangkan sekat/penghalang (baffles).

7 Counter-Flow 1-1 Exchanger Pada counter-flow 1-1 exchanger, fluida dingin masuk dan mengalir di dalam tube dalam satu arah aliran. Fluida panas mengalir secara berlawanan arah di dalam shell. Namun pada HE-111 di PT Polychem Indonesia Tbk. yang masuk melalui tube adalah fluida panasnya, dan sebaliknya. Gambar Shell and Tube Heat Exchanger (Sumber: Koefisien Perpindahan Panas Semakin baik sistem maka semakin tinggi pula koefisien panas yang dimilikinya. Koefisien perpindahan kalor (U) terdiri dari dua macam yaitu : 1) Uc, adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor masih baru 2) Ud, adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor sudah kotor Rumus yang berkaitan adalah:

8 12 Z = Tco Tci Thi Tci Y = Tco Tci Thi Tci Ket: Thi = fluida panas masuk Tho = fluida panas keluar Tci = fluida dingin masuk Tco = fluida dingin keluar Gambar 2.3 Kurva Faktor Koreksi (F T ) untuk Cross-Flow Exchanger Single Pass, Both Fluids Unmixed (Sumber: Geankoplis, 2003) (Sumber: Geankoplis, 2003) T m = F T x lmtd (Sumber: Geankoplis, 2003) Maka, koefisien perpindahan panasnya adalah (Sumber: Geankoplis, 2003) 2.6 Tray Tower Tray tower merupakan bejana vertikal dimana cairan dan gas dikontakkan melalui plate-plate yang disebut sebagai tray. Fungsi dari penggunaan tray adalah

9 13 untuk memperbesar kontak antara cairan dan gas sehingga komponen dapat dipisahkan sesuai dengan rapat jenisnya, dalam bentuk gas atau cairan. Jumlah tahapan atau tray dalam suatu kolom tergantung pada tingginya kesulitan pemisahan zat yang akan dilakukan dan juga ditentukan berdasarkan perhitungan neraca massa dan kesetimbangan. Efisiensi tray dan jumlah tray yang sebenarnya ditentukan oleh desain yang digunakan dan kondisi operasi, sedangkan diameter kolom bergantung pada jumlah gas dan cairan yang melewati kolom per unit waktu. Untuk mendapatkan produk yang baik diperlukan alat kontak antara uap dengan cairan. Beberapa jenis alat kontak antara uap dengan cairan adalah bubble cap tray, grid tray, sieve tray dan valve tray. 2.7 Absorbsi Pengertian Absorbsi ialah proses pemisahan bahan dari suatu campuran gas dengan cara pengikatan bahan tersebut pada permukaan sorben cair yang diikuti dengan pelarutan. Kelarutan gas yang akan diserap dapat disebabkan hanya oleh gaya-gaya fisik (pada absorbsi fisik) atau selain gaya tersebut juga oleh ikatan kimia (pada absorbsi kimia,juga disebut sorpsi kimia). Kecepatan absorbsi merupakan ukuran perpindahan massa antara fasa gas dan fasa cair, disamping pada perbedaan konsentrasi dan luas permukaan absorben Faktor yang Mempengaruhi Kelarutan 1. Suhu Suhu mempengaruhi kelarutan suatu zat. Pada suhu tinggi partikel-partikel akan bergerak lebih cepat dibandingkan pada suhu rendah. Akibatnya kontak antara zat terlarut dengan pelarut menjadi lebih sering dan efektif. Hal ini menyebabkan zat terlarut menjadi lebih mudah larut pada suhu tinggi. Jika kelarutan zat padat bertambah dengan kenaikan suhu, maka kelarutan gas berkurang bila suhu dinaikkan, karena gas menguap dan meninggalkan pelarut.

10 14 2. Daya Hantar Listrik Air murni merupakan penghantar listrik yang buruk. Akan tetapi jika dalam air tersebut ditambahkan zat terlarut maka sifat daya hantarnya akan berubah sesua dengan jenis zat yang dilarutkan. 2.8 Kompresor Sentrifugal Prinsip kompresor sentrifugal adalah kompresor yang bekerja denganmemberikan tambahan energi pada udara atau gas melalui gaya sentrifugal yangdiberikan oleh impelernya. Komprsor sentrifugal pada unit proses pembentukan etilen oksida berfungsi untuk menaikkan tekanan gas CO 2 dan gasgas lainnya ke area CO 2 removal. Kompresor yang dievaluasi pada unit proses pembentukan etilen oksida plant-i di PT polychem Indonesia Tbk. adalah kompresor yang bekerja pada keadaan politropik, yaitu suhu dan tekanan pada kondisi keluaran lebih besar dari masuknya (P 1 <P 2 ; T 1 <T 2 ) sehingga parameter yang dievaluasi pada kompresor sentrifugal adalah: 1) Faktor kompresibilitas 2) Head politropik 3) Efisiensi politropik 4) Daya gas dan daya kompresor Untuk dapat mengetahui harga masing-masing parameter berdasarkan kondisi operasi, maka digunakan berbagai rumus perhitungan dan proses pendekatan. Kompresor sentrifugal didalam proses kerjanya dapat ditinjau dengan menggunakan dua pendekatan : 1. Proses adiabatik (isentropik), yaitu proses dengan menggunakan asumsi ideal, dimana proses berlangsung pada entropi konstan (tidak ada panas yang masuk dan keluar) meskipun pada kenyataannya energi panas tidak bisa dirubah secara keseluruhan menjadi kerja, karena ada kerugian. 2. Proses Politropik adalah proses kerja aktual yang dihasilkan oleh kompresor itu sendiri.

11 Faktor Kompresibilitas (Z) Faktor kompresibelitas gas sangat dipengaruhi oleh jenis/komposisi gas dan tekanan dan temperatur. Bila Z naik dan kapasitas konstan menyebabkan : Daya yang diperlukan kompresor naik. Pressure ratio menurun. dan begitu pula sebaliknya. Untuk mendapakan nilai Z, digunakan rumus dan kurva faktor kompresibilitas di bawah ini: Tr = T Tc (Sumber: Agus, Gambar 2.4 Kurva Faktor Kompresibilitas (Sumber: McGraw, 1954)

12 Efisiensi Politropik Efisiensi politropik dari sebuah kompresor merupakan perbandingan antara kerja politropis aktual dengan kerja adiabatis ideal. Untuk memperoleh efisiensi politropik, maka plot laju alir masuk kompresor ke garis kompresor sentrifugal pada kurva di bawah ini: Gambar 2.5 Kurva Hubungan Laju Alir Masuk Kompresor dan Efisien Politropik (Sumber: Compressor Handbook for the Hydrocarbon Processing Industries, 1979) Head Politropik Head politropik adalah kerja per-satuan massa yang diperlukan oleh kompresor pada proses polytropik reversible dengan kondisi gas masuk dan keluar kompresor yang sama. Ditunjukan dalam rumus : Head poli = 53,35 SG x Zavg x n n 1 x T1 x P2 P1 n 1 n 1 SG (spesific gravity) = BM mix Head poli Head actual = poli Numeric value (ft. lbf kg kg.mol. R) (Sumber: Agus,

13 17 Untuk mencari harga eksponen politropik (n) digunakan persamaan : Keterangan : T1 = Temperatur pada sisi suction. T2 = Temperatur pada sisi discharge. P1 = Tekanan pada sisi suction P2 = Tekanan pada sisi discharge (Sumber: Agus, Daya Gas Daya yang diterima oleh gas dinamakan gas power atau aerodinamic power yang dapat dihitung dengan persamaan : Keterangan : GHP = m x Head actual 550 x poli m = Laju Aliran massa fluida (lb/s) η p= Efesiensi politropik (%) 550= Faktor konversi lbf.ft sec. Head actual (Sumber: Gatot, 2012) Daya Kompresor Daya kompresor merupakan perbandingan antara daya gas dengan efisiensi yang dimiliki kompresor tersebut. Daya dihitung dengan persamaan : Daya Kompesor = Keterangan : GHP = Daya gas (HP) η p= Efesiensi politropik (%) (Sumber: Gatot, 2012)