Prarancangan Pabrik Polistirena dengan Proses Polimerisasi Suspensi Kapasitas Ton/Tahun BAB II DESKRIPSI PROSES. Bentuk : cair.

Transkripsi

1 BAB II DESKRIPSI PROSES. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk.. Spesifikasi Bahan Baku a. Stirena monomer (C 8 H 8 ) Bentuk : cair Warna : jernih Kemurnian : 99,6% (minimal) Impuritas (EB) : 0,4% (maksimal).2. Spesifikasi Bahan Pembantu a. Benzoil Peroxide (C 6 H 5 CO) 2 O 2 Bentuk : granular Warna : putih Kemurnian : 0% (minimal) Densitas (25ºC) :,99 g/cm 3 b. Tricalcium Phosphate (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) Bentuk : kristal padat Warna : jernih Kemurnian : 96% (minimal) Bulk density :,350~,400 kg/m 3 c. Dodecylbenzene Sulfonate (C 8 H 30 O 3 S) Bentuk : cair Bab I Pendahuluan 8

2 9 Prarancangan Pabrik Polistirena Warna : keruh Kemurnian : 96 % Specific gravity :,05 g/cm 3 d. Hydrochloric Acid (HCl) Bentuk : cair Warna : bening Kemurnian : 27,90 % Specific gravity :,42 e. Demineralized Water Bentuk : cair Warna : bening Batasan kandungan : kandungan silica : max. 50 ppm kandungan sulfat kandungan nitrit kandungan besi : max. 50 ppm : max. 230 ppm : max. 2 ppm.3. Spesifikasi Produk a. Polistirena (C 8 H 8 ) n Bentuk : granular Warna : putih kekuningan Kemurnian : Minimal 99,97% Impuritas : Maksimal 0,03% Bulk density :, g/cm 3

3 20 Prarancangan Pabrik Polistirena Specific gravity :,04,065 Berat molekul : 9.00 kg/kmol 2. Konsep Proses 2.. Dasar Reaksi Polistirena dibuat menggunakan bahan baku stirena monomer dengan inisiator benzoil peroksida melalui proses polimerisasi. Reaktor yang digunakan adalah jenis reaktor tangki berpengaduk yang dioperasikan secara batch. Adapun fase reaksi pembentukan polistirena adalah dalam fase cair (liquid). Kondisi operasi dari reaksi di reaktor pada tekanan atm dan suhu 90 o C. Langkah pembuatan polistirena terbagi menjadi 3 tahap yaitu:. Tahap Inisiasi Tahap inisiasi terbagi menjadi 2 tahap: a. Disosiasi Yaitu pembentukan dua radikal bebas dari (I~I) menjadi (I*), dengan kd sebagai sebagai konstanta kecepatan disosiasi. (2.)

4 2 Prarancangan Pabrik Polistirena b. Asosiasi Yaitu suatu molekul monomer (M) terikat dengan radikal bebas (I*), dengan ka sebagai konstanta kecepatan asosiasi. (2.2) 2. Tahap Propagasi Yaitu penambahan monomer (M) terhahap monomer yang telah diaktifkan dengan radikal bebas (IM*), dengan kp sebagai konstanta kecepatan propagasi. (2.3) 3. Tahap Terminasi Yaitu proses penghentian pertumbuhan polimer. Proses ini terjadi ketika dua rantai yang mengalami perpanjangan misal: dengan derajat polimerisasi x dan y saling bertemu. Tahap terminasi dapat terjadi melalui dua proses yaitu:

5 22 Prarancangan Pabrik Polistirena a. Kombinasi Reaksi yang terjadi: (2.4) b. Disproporsionasi Reaksi yang terjadi: (2.5) (Stevens, 995)

6 23 Prarancangan Pabrik Polistirena 2.2. Tinjauan Termodinamika Dalam proses polimerisasi, tinjauan terhadap karakteristik termodinamika sangat diperlukan pengertian tentang prinsip keseimbangan dan panas reaksi, hal ini untuk mengetahui kondisi operasi dan reaksi tersebut optimal. persamaan: Harga K dapat dihitung dengan energi bebas Gibbs ( G) dari ( G) = Hr T S (2.6) Dalam hubungan ini: (Billmeyer, 994) G T Hr = energi bebas Gibbs (kj/mol) = suhu ( C) = panas reaksi polimerisasi (kj/mol) S = entropi (kj/mol C) K = konstanta kesetimbangan reaksi Diketahui: H polimerisasi PS = -63,64 kj/mol (Baasel, 976) S polimerisasi PS = -0,05 kj/mol C (Odian, 99) Dari persamaan (2.4), dengan suhu reaksi polimerisasi stirena 90 C, dapat dihitung G: ( G) = -63,64 kj/mol (90 C (-0,05 kj/mol C))

7 24 berikut: Prarancangan Pabrik Polistirena = -63,64 + 9,45 kj/mol = -54,9 kj/mol Hubungan antara ( G) dengan K dapat diperoleh dari persamaan G = H T S = - RT ln K (2.7) Dari persamaan (2.5) dapat dihitung harga K: (Odian, 99) K = e G/RT (2.8) = e [ 54,9 J / mol 8,34 J / mol K.363 K ] = Tinjauan Kinetika Reaksi polimerisasi stirena monomer, terjadi melalui mekanisme radikal bebas tahap pemicunya (inisiasi). Mekanisme polimerisasi adalah sebagai berikut: a. Inisiasi I R* (2.9) R* + M M* (2.0) I + M Kd M* (2.) b. Propagasi M* + M Kp M2* (2.2) M2* + M Kp M3* (2.3)

8 25 Prarancangan Pabrik Polistirena c. Terminasi Mx* + M Kp M*x+ (2.4) M*x+ + My* Kt Mx+y (2.5) Persamaan laju reaksi polimerisasi dapat ditulis dengan persamaan: d M r A = dt Di mana: = k p f.k d I k t 2 M (2.6) r A = laju kecepatan polimerisasi, mol/l dt k p = konstanta kecepatan laju propagasi, L(mol dt) - M I f = konsentrasi stiren monomer, mol/l = konsentrasi inisiator, mol/l = efisiensi inisiator k d = konstanta kecepatan laju inisiasi, (dt) - k p = konstanta kecepatan laju propagasi, L(mol dt) - k t = konstanta kecepatan laju terminasi, L(mol dt) - 3. Diagram Alir Proses Diagram Alir Proses ditampilkan pada Gambar Diagram Alir Proses Kualitatif Diagram Alir Kualitatif ditampilkan pada Gambar 2.2.

9 26 Prarancangan Pabrik Polistirena 3.2. Diagram Alir Proses Kuantitatif Diagram Alir Kuantitatif ditampilkan pada Gambar Tahapan Proses Pada bagian ini akan dijelaskan tentang jalannya proses polimerisasi stirena monomer menjadi polistirena dengan sistem suspensi dengan peralatan yang dipakai. Adapun urutan jalannya proses akan dibagi menjadi 5 bagian yaitu:. Tahap persiapan bahan baku 2. Tahap reaksi polimerisasi stirena di reaktor 3. Pencucian dan pemisahan produk dari cairan induk 4. Tahap akhir (finishing) produk termasuk drying dan extruding 5. Packaging (pengepakan) produk Secara terperinci proses diuraikan sebagai berikut: a. Tahap persiapan bahan baku Tahap ini bertujuan untuk menyiapkan bahan baku sebelum dimasukkan ke dalam reaktor. Sebelum masuk reaktor suhu bahan baku stirena monomer (SM) dan demineralized water (DW) dipanaskan terlebih dahulu hingga mencapai suhu 90 ᵒC dengan menggunakan penukar panas (HE-0 dan HE-02). b. Tahap proses reaksi Pada tahap reaksi polimerisasi, stirena monomer dan demineralized water masing-masing dipompakan ke dalam reaktor dengan pompa (P-0 dan P-02). Reaksi polimerisasi berlangsung

10 27 Prarancangan Pabrik Polistirena secara batch. Waktu pengisian dan pengosongan tangki masing-masing adalah 90 menit. Kemudian waktu reaksi berlangsung selama 5,5 jam. Reaksi polimerisasi stirena adalah reaksi eksotermis, sehingga agar reaksi berjalan secara isotermis adiabatis, maka digunakan koil pendingin. c. Pencucian dan pemisahan produk dari cairan induk Tahap pencucian Tahap ini bertujuan untuk melarutkan padatan-padatan sisa selain polistirena di dalam tangki pencuci, agar polistirena bisa dipisahkan dalam tahapan selanjutnya. Produk reaktor dialirkan ke dalam tangki pencuci dengan pompa (P-03), serta air dari unit utilitas dan HCl juga dialirkan ke tangki pencuci. Stirena sisa akan terlarut dalam air yang juga berfungsi menurunkan suhu produk reaktor agar bisa dipastikan reaksi polimerisasi telah berhenti. Tahap pemisahan produk dari cairan induknya. Setelah semua padatan sisa selain polistirena terlarut maka perlu dlakukan pemisahan cairan tersebut dari polistirena. Produk tangki pencuci dialirkan ke dalam centrifuge (CT) dengan menggunakan pompa (P-06). Di dalam CT padatan akan terpisah dari cairan induknya dan padatan polistirena akan keluar lewat bagian atas centrifuge. Padatan polistirena langsung dialirkan ke dalam rotary dryer untuk proses selanjutnya.

11 28 Prarancangan Pabrik Polistirena d. Tahap akhir (finishing) produk Ada 3 tahap proses finishing, yaitu: Tahap pengeringan Tahap pemisahan debu Tahap penyeragaman bentuk dan ukuran e. Pengepakan Polistirena keluar dari mesin pemotong dialirkan ke dalam hopper untuk pengepakan.

12 29 Prarancangan Pabrik Polistirena

13 Stirena EB T-0 30 TCP DBS BP 2 S-0 30 Stirena EB TCP DBS BP Polistirena Air Air 5 30 Air 8 30 Stirena EB TCP DBS BP Polstirena Air Asam klorida Polistirena 3 30 Polistirena Air Polistirena Air T Air 90 R WT CT RD EX T Asam Klorida 60 Stirena EB TCP DBS BP Polistirena Air Asam Klorida 2 60 Stirena EB TCP DBS BP Polistirena Air Asam Klorida 4 30 Stirena EB TCP DBS BP Polistirena Air Asam Klorida Keterangan T-0 : Tangki Stirena T-02 : Tangki Air T-03 : Tangki Asam Klorida S-0 : Silo Bahan Pembantu R : Reaktor WT : Wash Tank CT : Centrifuge RD : Rotary Dryer EX : Extruder Nomor arus Tekanan (atm) Suhu ( o C) Gambar 2.2 Diagram Alir Kualitatif

14 Stirena 4560,6 EB 7,68 Total 4.578,28 T-0 TCP 22,0 DBS 0,27 BP,05 Total 33,4 S-0 T Air 8.838,38 Stirena 8,84 EB 7,68 TCP 22,0 DBS 0,27 BP,05 PS 4.55,77 Air 8.838,38 Total 3.450,38 4 Air 8.838,38 5 R WT CT RD EX 7 Air.325,76 8 Stirena 0,44 EB 0,88 TCP,0 DBS 0,0 BP 0,55 PS 4.507,58 Air 220,96 HCl 0,88 Total PS 66,29 3 PS 449,9 Air,33 Total 4.420,52 0 PS 449,9 Air,33 Total 4.420,52 T-03 6 HCl 7,68 Stirena 8,84 EB 7,68 TCP 22,0 DBS 0,27 BP,05 PS 4.55,77 Air 7.676,77 HCl 7,68 Total ,4 2 Stirena 8,40 EB 6,79 TCP 20,99 DBS 0,25 BP 0,50 PS 44,9 Air 8.78,57 HCl 6,79 Total 8.899,48 4 Stirena 0,44 EB 0,88 TCP,0 DBS 0,0 BP 0,55 PS 22,0 Air 29,36 HCl 0,88 Total 245,6 Gambar 2.3 Diagram Alir Kuantitatif

15 32 4. Neraca Massa dan Neraca Panas Produk Kapasitas perancangan : Polistirena : ton/tahun Waktu operasi selama tahun : 330 hari Waktu operasi selama hari : 24 jam 4.. Neraca Massa a. Neraca Massa Reaktor Tabel 2. Neraca Massa Reaktor Masuk Keluar Komponen Arus Arus 2 Arus 3 Arus 4 (kg/jam) (kg/jam) (kg/jam) (kg/jam) Stirena 4.560,6 8,84 EB 7,68 7,68 TCP 22,0 22,0 DBS 0,27 0,27 BP,05,05 Polistirena 4.55,77 Air 8.838, ,38 Total 4.578,28 33, , , , ,08

16 33 b. Neraca Massa Wash Tank Tabel 2.2 Neraca Massa Wash Tank Masuk Keluar Komponen Arus 4 Arus 5 Arus 6 Arus 7 (kg/jam) (kg/jam) (kg/jam) (kg/jam) Stirena 8,84 8,84 EB 7,68 7,68 TCP 22,0 22,0 DBS 0,27 0,27 BP,05,05 Polistirena 4.55, ,77 Air 8.838, , ,77 Asam klorida 7,68 7,68 Total 3.450, ,38 7, , , ,4

17 34 c. Neraca Massa Centrifuge Tabel 2.3 Neraca Massa Centrifuge Masuk Keluar Komponen Arus 7 Arus 8 Arus 9 Arus 2 (kg/jam) (kg/jam) (kg/jam) (kg/jam) Stirena 8,84 0,44 8,40 EB 7,68 0,88 6,79 TCP 22,0,0 20,99 DBS 0,27 0,0 0,25 BP,05 0,55 0,50 Polistirena 4.55, ,58 44,9 Air 7.676,77.325,76 220, ,57 Asam klorida 7,68 0,88 6,79 Total ,4.325, , , , ,89

18 35 d. Neraca Massa Rotary Dryer Tabel 2.4 Neraca Massa Rotary Dryer Komponen Masuk Keluar Arus 9 (kg) Arus 0 (kg) Arus 3 (kg) Arus 4 (kg) Stirena 0,44 0,44 EB 0,88 0,88 TCP,0,0 DBS 0,0 0,0 BP 0,55 0,55 Polistirena 4.507, ,9 66,29 22,0 Air 220,96,33 29,63 Asam klorida 0,88 0,88 Total 4.732, ,52 66,29 245, , ,42 e. Neraca Massa Extruder Tabel 2.5 Neraca Massa Extruder Masuk Keluar Komponen Arus 0 (kg) Arus 2 (kg) Polistirena 4.49,9 4.49,9 Air,33,33 Total 4.420, ,52

19 Neraca Panas a. Neraca Panas Reaktor Tabel 2.6 Neraca Panas Reaktor Input (kj/jam) Generasi (kj/jam) Output (kj/jam) Arus ,80 Q reaksi ,26 Arus ,63 Arus 2 0,00 Arus ,76 Q pendingin ,9 Total ,56 Total , ,82 Total , ,82

20 37 b. Neraca Panas Wash Tank Tabel 2.7 Neraca Panas Wash Tank Masuk Keluar Komponen Arus 4 Arus 5 Arus 6 Arus 7 (kj/jam) (kj/jam) (kj/jam) (kj/jam) Stirena.062,97 0,00 0,00 564,36 EB 2.050,58 0,00 0,00.087,37 TCP 0,00 0,00 0,00 0,00 DBS 0,00 0,00 0,00 0,00 BP 0,00 0,00 0,00 0,00 Polistirena 7.836,32 0,00 0, ,32 Air , ,9 0, ,35 Asam klorida 0,00 0,00 70,54 493,96 Total , ,9 70, , , ,37

21 38 c. Neraca Panas Centrifuge Tabel 2.8 Neraca Panas Centrifuge Masuk Keluar Komponen Arus 7 Arus 8 Arus 9 Arus 2 (kj/jam) (kj/jam) (kj/jam) (kj/jam) Stirena 564,46 0,00 26,5 503,66 EB.087,55 0,00 5,07 970,37 TCP 0,00 0,00 0,00 0,00 DBS 0,00 0,00 0,00 0,00 BP 0,00 0,00 0,00 0,00 Polistirena 0,08 0,00 0,07 0,00 Air , , , ,00 Asam klorida.842,9 0,00 86,07.635,28 Total , , , , , ,84 d. Neraca Panas Rotary Dryer Tabel 2.9 Neraca Panas Rotary Dryer Masuk kj/jam Keluar kj/jam Q umpan ,86 Q produk 5.789,76 Q udara in ,73 Q udara out ,33 Q loss 62.62,5 Total , ,60

22 39 e. Neraca Panas Extruder Tabel 2.0 Neraca Panas Extruder Input Output Komponen Q input Q heater Q output Polistirena , ,92 Air.856,42 6,77 Q heater ,49 Q loss ,44 Total , , , , , ,3

23 40 5. Tata Letak Pabrik dan Peralatan 5.. 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.

24 4 d. Bangunan Bangunan yang didirikan harus memenuhi standard 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.

25 42 Pos Keamanan Area Perluasan Area Perluasan UPL Area Utilitas Area Proses Bengkel 80 m Garasi Generator Utilitas Safety Fire Station Gudang Laboratorium Kantin Poliklinik Area Parkir Pusdiklat & Perpustakaan Masjid Kantor Produksi Kantor pusat Pos Keamanan Jalan Raya 30 m Skala :.000 Gambar 2.4 Tata Letak Pabrik

26 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.

27 44 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.

28 45 80,00 T-02 T-02 T-0 T-0 S-0 R R 60,00 S-02 R R WT T-02 T-02 S-03 R R CT T-03 RD EX Tata Letak Alat Skala :500 Keterangan: T-0 : Tangki Stirena T-02 : Tangki Air T-03 : Tangki Asam Klorida S-0 : Silo TCP S-02 : Silo DBS S-03 : Silo BP R : Reaktor WT : Wash Tank CT : Centrifuge RD : Rotary Dryer EX : Extruder Gambar 2.5 Tata Letak Peralatan