PABRIK DISODIUM PHOSPHAT DIHYDRAT DARI SODA ASH DAN ASAM PHOSPHAT DENGAN PROSES KRISTALISASI PRA RENCANA PABRIK

Transkripsi

1 PABRIK DISODIUM PHOSPHAT DIHYDRAT DARI SODA ASH DAN ASAM PHOSPHAT DENGAN PROSES KRISTALISASI PRA RENCANA PABRIK Oleh : VIVIN ROHMAD JAYANTRI JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL VETERAN JAWA TIMUR 2010

2 LEMBAR PENGESAHAN PABRIK DISODIUM PHOSPHAT DIHYDRAT DARI SODA ASH DAN ASAM PHOSPHAT DENGAN PROSES KRISTALISASI Oleh : VIVIN ROHMAD JAYANTRI Disetujui untuk diajukan dalam ujian lisan Dosen Pembimbing, Ir. LULUK EDAHWATI, MT

3 KATA PENGANTAR Dengan mengucapkan rasa syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa dan dengan segala rahmat serta karunianya sehingga penyusun telah dapat menyelesaikan Tugas Akhir Dari Soda Ash Dan Asam Phosphat Dengan Proses Kristalisasi, dimana Tugas Akhir ini merupakan tugas yang diberikan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan program pendidikan kesarjanaan di Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Pembangunan Nasional Surabaya. Tugas Akhir Dari Soda Ash Dan Asam Phosphat Dengan Proses Kristalisasi ini disusun berdasarkan pada beberapa sumber yang berasal dari beberapa literatur, data-data, majalah kimia, dan internet. Pada kesempatan ini kami mengucapkan terima kasih atas segala bantuan baik berupa saran, sarana maupun prasarana sampai tersusunnya Tugas Akhir ini kepada : 1. Bapak Ir. Sutiyono, MT Selaku Dekan FTI UPN Veteran Jawa Timur 2. Ibu Ir. Retno Dewati, MT Selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia, FTI,UPN Veteran Jawa Timur. 3. Ibu Ir. Luluk Edahwati, MT selaku dosen pembimbing. 4. Dosen Jurusan Teknik Kimia, FTI, UPN Veteran Jawa Timur. ii

4 5. Seluruh Civitas Akademik Jurusan Teknik Kimia, FTI, UPN Veteran Jawa Timur. 6. Kedua orangtua kami yang selalu mendoakan kami. 7. Semua pihak yang telah membantu, memberikan bantuan, saran serta dorongan dalam penyelesaian tugas akhir ini. Kami menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, karena itu segala kritik dan saran yang membangun kami harapkan dalam sempurnanya tugas akhir ini. Sebagai akhir kata, penyusun mengharapkan semoga Tugas Akhir yang telah disusun ini dapat bermanfaat bagi kita semua khususnya bagi mahasiswa Fakultas Teknologi Industri jurusan Teknik Kimia. Surabaya, November 2010 Penyusun, iii

5 INTISARI Perencanaan pabrik disodium phosphat dihydrat ini diharapkan dapat berproduksi dengan kapasitas ton disodium phosphat dihydrat/tahun dalam bentuk kristal. Pabrik beroperasi secara kontinyu berjalan selama 24 jam tiap hari dan 330 hari kerja dalam setahun. Industri disodium phosphat dihydrat di Indonesia mempunyai perkembangan yang stabil, hal ini dapat dilihat dengan kegunaan disodium phosphat dihydrat pada industri kimia dengan produk berbentuk serbuk, pengolahan air boiler, makanan, dan lain sebagainya. Secara singkat, uraian proses dari pabrik disodium phosphat dihydrat sebagai berikut : Pertama-tama soda ash direaksikan dengan asam phosphat menghasilkan larutan disodium phosphat. Larutan disodium phosphat kemudian di filtrasi, dan dipekatkan sampai kadar 60% untuk kemudian dikristalisasi menjadi disodium phosphat dihydrat. Kristal kemudian dikeringkan dan didinginkan untuk kemudian dihaluskan sampai 100 mesh sebagai produk akhir. Pendirian pabrik berlokasi di Manyar, Gresik dengan ketentuan : Bentuk Perusahaan Sistem Organisasi Jumlah Karyawan Sistem Operasi Waktu Operasi : Perseroan Terbatas : Garis dan Staff : 206 orang : Kontinyu : 330 hari/tahun ; 24 jam/hari iv

6 Analisa Ekonomi : * Massa Konstruksi : 2 Tahun * Umur Pabrik : 10 Tahun * Fixed Capital Investment (FCI) : Rp * Working Capital Investment (WCI) : Rp * Total Capital Investment (TCI) : Rp * Biaya Bahan Baku (1 tahun) : Rp * Biaya Utilitas (1 tahun) : Rp Steam = lb/hari - Air pendingin = 291 M 3 /hari - Listrik = kwh/hari - Bahan Bakar = liter/hari * Biaya Produksi Total (Total Production Cost) : Rp * Hasil Penjualan Produk (Sale Income) : Rp * Bunga Bank (Kredit Investasi Bank Mandiri) : 19% * Internal Rate of Return : 22,09% * Rate On Investment : 21,90% * Pay Out Periode : 4,1 Tahun * Break Even Point (BEP) : 35,0% v

7 DAFTAR TABEL Tabel VII.1. Instrumentasi pada Pabrik... VII - 5 Tabel VII.2. Jenis Dan Jumlah Fire Extinguisher. VII - 7 Tabel VIII.2.1. Baku mutu air baku harian. Tabel VIII.2.3. Karakteristik Air boiler dan Air pendingin Tabel VIII.4.1. Kebutuhan Listrik Untuk Peralatan Proses Dan Utilitas... Tabel VIII.4.2. Kebutuhan Listrik Untuk Penerangan Ruang Pabrik Dan Daerah Proses.. VIII-7 VIII-9 VIII-60 VIII-62 Tabel IX.1. Pembagian Luas Pabrik. IX - 8 Tabel X.1. Jadwal Kerja Karyawan Proses. X - 11 Tabel X.2. Perincian Jumlah Tenaga Kerja. X - 13 Tabel XI.4.A. Hubungan kapasitas produksi dan biaya produksi XI - 8 Tabel XI.4.B. Hubungan antara tahun konstruksi dengan modal sendiri... XI - 9 Tabel XI.4.C. Hubungan antara tahun konstruksi dengan modal pinjaman... XI - 9 Tabel XI.4.D. Tabel Cash Flow.. XI - 10 Tabel XI.4.E. Pay Out Periode.. XI - 14 Tabel XI.4.F. Perhitungan discounted cash flow rate of return XI - 15 vi

8 DAFTAR GAMBAR Gambar IX.1 Lay Out Pabrik.. IX - 9 Gambar IX.2 Peta Lokasi Pabrik.. IX - 10 Gambar IX.3 Lay Out Peralatan Pabrik.. IX - 11 Gambar X.1 Struktur Organisasi Perusahaan. X - 14 Gambar XI.1 Grafik BEP.. XI - 17 vii

9 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... KATA PENGANTAR... INTISARI... DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR.. DAFTAR ISI... i ii iv vi vii viii BAB I PENDAHULUAN.. I 1 BAB II SELEKSI DAN URAIAN PROSES. II 1 BAB III NERACA MASSA.. III 1 BAB IV NERACA PANAS.. IV 1 BAB V SPESIFIKASI ALAT... V 1 BAB VI PERENCANAAN ALAT UTAMA. VI 1 BAB VII INSTRUMENTASI DAN KESELAMATAN KERJA. VII 1 BAB VIII UTILITAS.. VIII 1 BAB IX LOKASI DAN TATA LETAK PABRIK.. IX 1 BAB X ORGANISASI PERUSAHAAN. X 1 BAB XI ANALISA EKONOMI.. XI 1 BAB XII PEMBAHASAN DAN KESIMPULAN.. XII 1 DAFTAR PUSTAKA viii

10 BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Sodium phosphat merupakan garam dari unsur sodium dan senyawa asam phosphat. Sodium phosphat terbagi menjadi tiga bagian utama, yaitu : monosodium phosphat (NaH 2 PO 4 ), disodium phosphat (Na 2 HPO 4 ), dan trisodium phosphat (Na 3 PO 4 ). Sodium phosphat secara umum digunakan pada industri makanan, dimana sodium phosphat berfungsi sebagai bahan tambahan agar tidak terjadi proses pemisahan minyak dari makanan. (wikipedia.org) Disodium phosphat dikenal dengan kata lain sodium phosphat dibasic. Disodium phosphat dihydrat, merupakan salah satu bentuk produk dari disodium phosphat. Produk disodium phosphat dapat dibagi menjadi beberapa produk berdasarkan molekul H 2 O kristal yang terikat (hydrat), seperti : disodium phosphat anhydrat (murni, tanpa H 2 O kristal), disodium phosphat dihydrat (2 molekul H 2 O), disodium phosphat heptahydrat (7 molekul H 2 O), dan disodium phosphat dodecahydrat (12 molekul H 2 O). (sciencelab) Industri disodium phosphat dihydrat di Indonesia mempunyai perkembangan yang stabil, hal ini dapat dilihat dengan kegunaan disodium phosphat dihydrat pada industri kimia tekstil sebagai pemucat, pengolahan air boiler, makanan, dan lain sebagainya. Pendirian pabrik disodium phosphat dihydrat di Indonesia mempunyai peluang investasi yang menjanjikan dan mempunyai profitabilitas yang tinggi. I - 1

11 Pendahuluan I - 2 I.2. Manfaat Manfaat lebih lanjut dengan didirikannya pabrik ini diharapkan dapat mengurangi impor disodium phosphat dihydrat, sehingga Indonesia tidak mengimpor disodium phosphat dihydrat. Dengan demikian dapat mendorong pertumbuhan industri-industri kimia, menciptakan lapangan pekerjaan, mengurangi pengangguran dan yang terakhir diharapkan dapat menumbuhkan serta memperkuat perekonomian di Indonesia. Kebutuhan disodium phosphat dihydrat di Indonesia dipenuhi oleh beberapa negara pengimpor. Beberapa tahun ini, Indonesia masih membutuhkan disodium phosphat dihydrat dari negaranegara penghasil disodium phosphat dihydrat. I.3. Aspek Ekonomi Disodium phosphat dihydrat sangat penting dalam industri kimia dimana disodium phosphat dihydrat merupakan bahan tambahan yang mampu mencegah pembentukan endapan pada unit boiler. Data kebutuhan dari BPS Surabaya tahun terlihat pada table I.1, sehingga kebutuhan pada tahun 2010 dapat ditentukan dengan metode regresi linier. Tabel I.1. Data impor Sodium di phosphat Tahun Kebutuhan (ton/th) Sumber : BPS Surabaya

12 Pendahuluan I - 3 Digunakan metode Regresi Linier (Peters 4 ed : 760), dengan persamaan : y = a b(x x) Keterangan : a = y (rata-rata harga y : kapasitas) x b = = rata-rata harga x : (tahun) x i x y 2 i x y n 2 x n (n = jumlah data) (x = tahun) Hasil perhitungan ditabelkan sebagai berikut : n x y xy x Jumlah a = y = x = i y i = = x. = (tabel) x. y = x = x = (tabel) x 2 = (12.003) 2 = b = b = (n = jumlah data = 6) Persamaan linier : y = a b(x x) y = (x )

13 Pendahuluan I - 4 Kebutuhan pada tahun 2010, maka x = 2010, sehingga didapat kebutuhan pada tahun 2010, y = ( ) = kg/th ton/th Untuk kapasitas pabrik terpasang direncanakan : Kapasitas produksi terpasang = ton/th Kapasitas produksi harian = ton/th / 330 hari/th 120 ton/hari Dengan demikian, maka penting sekali adanya perencanaan pendirian pabrik disodium phosphat dihydrat di Indonesia, mengingat kebutuhan produk per tahun masih cukup tinggi.

14 Pendahuluan I - 5 I.4. Sifat Bahan Baku dan Produk Bahan Baku : I.4.A. Soda Ash (Chemicalland21, Wikipedia, Perry 7 ed ) Nama Lain Rumus Molekul : Sodium carbonate : Na 2 CO 3 (komponen utama) Rumus Bangun : Berat Molekul : 106 Warna Bau Bentuk : putih : tidak berbau : serbuk 100 mesh Specific gravity : 2,533 Melting point : 851 C (1 atm) Boiling point Solubility, cold water Solubility, hot water : terdekomposisi diatas 851 C : 7,1 kg / 100 kg H 2 O (H 2 O=0 C) : 48,5 kg / 100 kg H 2 O (H 2 O=104 C) Komposisi soda ash : (SREE Int. Indonesia) Komponen % Berat Na 2 CO 3 99,70% Impuritis 0,20% H 2 O 0,10% 100,00%

15 Pendahuluan I - 6 I.4.B. Asam Phosphat (Chemicalland21, Wikipedia, Perry 7 ed ) Nama Lain Rumus Molekul : Phosphoric acid : H 3 PO 4 (komponen utama) Rumus Bangun : Berat Molekul : 98 Warna Bau Bentuk : tidak berwarna : berbau phosphor : liquida pekat Specific gravity : 98 Melting point : 42,35 C (1 atm) Boiling point Solubility, cold water Solubility, hot water : terdekomposisi diatas 213 C : sangat larut : sangat larut Komposisi asam phosphat : (PT. Petrokimia Gresik) Komponen % Berat H 3 PO 4 65,00% H 2 O 35,00% 100,00%

16 Pendahuluan I - 7 Produk : I.4.C. Disodium phosphat dihydrat (Chemicalland21, Wikipedia, Perry 7 ed ) Nama Lain Rumus Molekul : Sodium phosphat dibasic dihydrat : Na 2 HPO 4 (komponen utama) Rumus Bangun : Berat Molekul : 142 (anhydrat) : 178 (dihydrat) Warna Bau Bentuk : putih : tidak berbau : serbuk 100 mesh Specific gravity : 1,679 Melting point : 243 C (sciencelab) Boiling point : 245 C (sciencelab) Solubility, cold water (Perry 7 ed ) Solubility, cold water (sciencelab) Solubility, hot water (sciencelab) : 71 kg/100 kg H 2 O (H 2 O=0 C) : 100 kg/100 kg H 2 O (H 2 O=50 C) : 117 kg/100 kg H 2 O (H 2 O=80 C) Kadar produk : (Lianyungang KCI Co.Ltd.) Kadar disodium phosphat = minimal 98% Kadar air dalam produk = maksimal 0,2%

17 Pendahuluan I - 8 Produk samping : I.4.D. Carbon dioxide (Chemicalland21, Wikipedia, Perry 7 ed ) Nama Lain Rumus Molekul Rumus Bangun : Carbonic acid : CO 2 (komponen utama) : O=C=O Berat Molekul : 44 Warna Bau Bentuk : tidak berwarna : tidak berbau : gas Specific gravity : 1,101 Melting point Boiling point Solubility, cold water Solubility, hot water : -56,6 C : -78,5 C : 179,7 kg/100 kg H 2 O (H 2 O=0 C) : 90,1 kg/100 kg H 2 O (H 2 O=20 C) Kadar produk : (FAO) Kadar carbon dioxide = minimal 99%

18 BAB II SELEKSI DAN URAIAN PROSES II.1. Macam Proses Secara umum pembuatan disodium phosphat dihydrat dapat dilakukan dengan 2 proses berdasarkan bahan baku yang digunakan, yaitu pembuatan disodium phosphat dihydrat dari batuan phosphat dan dari soda ash untuk kemudian direaksikan dengan asam seperti : asam sulfat atau asam phosphat. II.1.1. Disodium phosphat dihydrat dari soda ash dengan proses kristalisasi Sumber : (Keyes : 746) Pada proses ini, digunakan soda ash (Na 2 CO 3 ) sedikit berlebih, untuk kemudian direaksikan dengan asam phosphat (60% - 65%) membentuk disodium phosphat dengan suhu reaksi antara 85 C C. (Keyes : 747) II - 1

19 Seleksi & Uraian Proses II - 2 Reaksi yang terjadi : (Keyes : 746) Na 2 CO 3(S) + H 3 PO 4(L) Na 2 HPO 4(L) + CO 2(G) + H 2 O (L) Campuran produk reaksi kemudian dipisahkan pada filter untuk memisahkan impuritis berupa padatan yang kemudian dibuang ke pengolahan limbah padat, sedangkan larutan disodium phosphat yang terpisah kemudian dikristalisasi pada crystallizer sehingga dihasilkan kristal disodium phosphat dodecahydrat Na 2 HPO 4.12H 2 O. (Keyes : 747) Campuran kristal dan mother liquor kemudian dipisahkan pada filter untuk pemisahan kristal dan mother liquor. Mother liquor yang terpisah direcycle kembali untuk proses selanjutnya, sedangkan kristal disodium phosphat dodecahydrat kemudian dikeringkan pada dryer dengan suhu dibawah 100 C, untuk menghasilkan kristal disodium phosphat dihydrat dan siap dikemas sebagai produk akhir. (Keyes : 747) Yields yang didapat dengan proses ini 90% - 95%. (Keyes : 746)

20 Seleksi & Uraian Proses II - 3 II.1.2. Disodium phosphat dihydrat dari batuan phosphat dengan proses netralisasi Sumber : (US.Patent 1,961,127) Pada proses ini, digunakan batuan phosphat (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) dan asam sulfat dengan perbandingan 3 : 1 yang direaksikan pada digester dengan suhu operasi 80 C, sehingga membentuk asam phosphat dan asam calcium phosphat. Produk digester kemudian difiltrasi untuk memisahkan calcium sulfat yang terbentuk, dan kemudian diumpankan pada mixer. (US.Patent 1,961,127 : 3-4) Pada mixer, campuran kemudian ditambahkan soda ash untuk bereaksi dengan asam phosphat menghasilkan monosodium phosphat. Produk mixer

21 Seleksi & Uraian Proses II - 4 kemudian difiltrasi untuk memisahkan senyawa silikat. Larutan monosodium phosphat kemudian ditambahkan dengan sodium sulfat untuk mengendapkan senyawa calcium, sehingga dihasilkan calcium sulfat. (US.Patent 1,961,127 : 3-4) Larutan monosodium phosphat dinetralisasi dengan penambahan soda ash sehingga didapat endapan besi dan aluminium. Larutan monosodium phosphat kemudian dipekatkan pada evaporator sampai dengan kadar 60% secara vacuum dengan suhu 150 F (66 C). Larutan monosodium phosphat kemudian dikristalisasi pada crystallizer, sehingga dihasilkan kristal monosodium phosphat. (US.Patent 1,961,127 : 3-4) Kristal monosodium phosphat kemudian dinetralisasi pada neutrallizer dengan penambahan larutan encer soda ash (Na 2 CO 3 ) dan sedikit larutan encer soda caustic (NaOH), sehingga dihasilkan produk disodium phosphat dodecahydrat. Produk disodium phosphat dodecahydrat kemudian dikeringkan dengan dryer sehingga sebagian air akan terlepas pada kristal dan membentuk produk disodium phosphat dihydrat. (US.Patent 1,961,127 : 3-4) Yields yang didapat dengan proses ini 93% - 95%. (US.Patent 1,961,127 : 3-4)

22 Seleksi & Uraian Proses II - 5 II.2. Seleksi Proses Parameter Macam Proses Kristalisasi Netralisasi Ca Bahan Baku Utama Na 2 CO 3, H 3 PO 3 (PO 4 ) 2, 4 H 2 SO 4 Bahan pembantu - NaOH, Na 2 SO 4, Na 2 CO 3 Suhu operasi C 80 C Instalasi Peralatan Sederhana Kompleks Yields produk 90-95% 93-95% Dari uraian cara pembuatan disodium phosphat dihydrat yang telah dijelaskan di atas, maka proses yang paling efisien dan efektif adalah pembuatan disodium phosphat dihydrat dari soda ash dengan proses kristalisasi. Keuntungan dari proses ini adalah : 1. Bahan baku tersedia di Indonesia dengan cadangan melimpah. 2. Bahan baku pembantu lebih sedikit dibandingkan proses lainnya. 3. Alat utama lebih sederhana dibandingkan proses lainnya. 4. Yields dan kemurnian produk yang diperoleh cukup tinggi. 5. Investasi lebih ekonomis, dengan menggunakan instalasi sederhana.

23 Seleksi & Uraian Proses II - 6 II.3. Uraian Proses Pada pra rencana pabrik ini, dapat dibagi menjadi 3 Unit pabrik, dengan pembagian unit sebagai berikut : 1. Unit Pengendalian Bahan Baku Kode Unit : Unit Proses Kode Unit : Unit Pengendalian Produk Kode Unit : 300 Adapun uraian proses pembuatan disodium phosphat dihydrat dengan proses kristalisasi adalah sebagai berikut : Pertama-tama soda ash 99,7% dari supplier SREE Int. Indonesia ditampung pada silo F-110 dengan bantuan belt conveyor J-111. Soda ash kemudian diumpankan ke mixer M-112 untuk proses pengenceran berdasarkan persen berat soda ash dengan penambahan air proses dari utilitas sampai dengan kadar Na 2 CO 3 42% (Keyes : 747). Larutan soda ash kemudian diumpankan ke reaktor-1 R-210 untuk direaksikan dengan asam phosphat 65% dari tangki F-120. Pada reaktor terjadi reaksi antara soda ash dengan asam phosphat membentuk disodium phosphat dengan suhu 85 C. (Keyes : 747) Reaksi yang terjadi : (Keyes : 746) Na 2 CO 3(S) + H 3 PO 4(L) Na 2 HPO 4(L) + CO 2(G) + H 2 O (L) Produk atas reaktor berupa gas CO 2 kemudian ditekan dengan compressor G-212 sampai tekanan 24,8 atm untuk kemudian ditampung dalam bentuk liquid pada tangki F-310 sebagai produk samping gas CO 2. Produk bawah berupa larutan disodium phosphat kemudian difiltrasi pada filter press H-220 untuk proses pemisahan impuritis berupa limbah padat dengan filtrat. (Keyes : 747)

24 Seleksi & Uraian Proses II - 7 Filtrat larutan disodium phosphat kemudian dipekatkan pada evaporator V-230, sehingga didapat larutan disodium phosphat jenuh. Larutan disodium phosphat jenuh, kemudian dikristalisasi pada crystallizer S-240 sehingga didapat kristal disodium phosphat dihydrat (Na 2 HPO 4.2H 2 O). (Keyes : 747) Campuran kristal dan mother liquor, kemudian dipisahkan pada centrifuge H-250, dimana mother liquor berupa air dibuang ke pengolahan limbah, sedangkan kristal basah berupa kristal disodium phosphat dihydrat diumpankan pada rotary dryer B-260 dengan screw conveyor J-251. Pada rotary dryer B-260, terjadi proses pengeringan kristal dengan bantuan udara panas secara berlawanan arah. Proses pengeringan berlangsung dengan suhu 100 C (berdasarkan titik didih air). Produk kristal disodium phosphat dihydrat kemudian diumpankan pada cooling conveyor E-270 untuk proses pendinginan sampai suhu kamar (32 C), sedangkan udara panas dan padatan terikut keluar dari dryer kemudian dipisahkan pada cyclone H-261, dimana udara panas dibuang ke pengolahan limbah gas, sedangkan padatan terikut diumpankan ke cooling conveyor E-270 bersamaan dengan produk bawah rotary dryer. Kristal disodium phosphat dihydrat, kemudian diumpankan ke ball mill C- 280 dengan bucket elevator J-271 untuk proses penghalusan. Pada ball mill, kristal dihaluskan sampai ukuran 100 mesh dan kemudian disaring pada screen H Kristal yang tidak lolos ayak kemudian direcycle ke ball mill dengan belt conveyor J-282, sedangkan kristal disodium phosphat dihydrat 100 mesh, kemudian ditampung pada silo F-320 sebagai produk akhir kristal disodium phosphat dihydrat.