BAB II DISKRIPSI PROSES. 2.1 Spesifikasi Bahan Baku, Bahan Pendukung dan Produk. Isobutanol 0,1% mol

Transkripsi

1 BAB II DISKRIPSI PROSES 2.1 Spesifikasi Bahan Baku, Bahan Pendukung dan Produk Spesifikasi bahan baku tert-butyl alkohol (TBA) Wujud Warna Kemurnian Impuritas : cair : jernih : 99,5% mol : H 2 O 0,4% mol Isobutanol 0,1% mol (Sumber : Coming Chem Co,.Ltd) Spesifikasi bahan pendukung Asam Sulfat (sebagai katalis) Wujud Kemurnian Impuritas : cair : 98 % massa : H 2 O 2% massa (Sumber : Tahoma mandiri) Spesifikasi produk Isobutylene Wujud Warna Kemurnian : cair : jernih : 99,7% massa 14 Diskripsi Proses

2 Impuritas : H 2 O 0,05% massa TBA 0,25% massa (Sumber : Xiang Ding Chemical INTL Co,.Ltd) 2.2 Konsep Proses Dasar Reaksi Proses pembuatan isobutylene dari tert-butyl alkohol (TBA) yang direaksikan dalam fase cair dengan katalis H 2 SO 4. Persamaan reaksi dehidrasi TBA termasuk orde 2 irreversible dengan tekanan 200 psia dalam reaktor RATB. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : H 3 C CH 3 H 3 C C OH C CH 2 H 2 O CH 3 H 3 C TBA Isobutylene Air TBA Isobutylene + Air Mekanisme Reaksi Reaksi dehidrasi TBA untuk memproduksi isobutylene ini menggunakan reaktor RATB dalam fase homogen yaitu fase cair, dimana didalamnya berisi katalis H 2 SO 4. Pemakaian katalis ini bertujuan untuk mempercepat terjadinya reaksi dehidrasi TBA pada tekanan 200 psia Kondisi operasi Proses pembuatan isobutylene dilakukan pada suhu 192,8 C dan tekanan 200 psia. (Sumber : Patent, EP A1) Diskripsi Proses 15

3 Tinjauan Kinetika Reaksi antara pembuatan isobutylene dari tert-butyl alkohol adalah cair cair. Harga konstanta kecepatan reaksi dicari dengan persamaan sebagai berikut : k C.C K.C C4H8 H2O a C4H10O r C4H10O ; mol/s.m 3 CC4H10O BH2O.CH2O k F ref,c4h10o.exp E C4H10O R x 1 T x 1 T ref Ln K a = -3111,9 x Dimana : 1 T + 14,4056 r = laju reaksi, mol/s.m 3 k = kinetika reaksi, mol/s.kg C = konsentrasi, mol/m 3 F ref E R T T ref Ka = faktor exponensial Arhenius, mol/s.kg = energi aktivasi, kj/mol = konstanta gas, kj/mol K = Temperatur, K = Temperatur referensi, K = konstanta kesetimbangn reaksi ( Sumber : Toumas, 2005 ) Tinjauan Termodinamika Reaksi pembuatan isobutylene: (CH 3 ) 3 COH C(CH 3 ) 2 = CH 2 + H 2 O Diskripsi Proses 16

4 Data : ΔH o f C 4 H 10 O ΔH o f C 4 H 8 ΔH o f H 2 O = -312,4 kj/mol = -17,100 kj/mol = -241,814 kj/mol (Sumber : Perry, 1984) ΔH f 298 = ΔH o f produk - ΔH o f reaktan = (-17,100 + (-241,814)) - (-312,4) = 53,486 kj/mol ΔH f 298 ΔH f 298 = ( - ) maka reaksi berjalan secara eksotermis = ( + ) maka reaksi berjalan secara endotermis Dari reaksi di atas menunjukkan bahwa pembuatan isobutylene tersebut adalah reaksi endotermis atau membutuhkan panas, kerena harga ΔH f 298 menunjukkan harga positif. Tabel 2.1. Data Energi Gibbs G o f,298 (kkal/mol) G o f,465,95 (kkal/mol) C 4 H 8 C 4 H 10 O H 2 O 13,939-42,624-54,862 25, ,429-55,719 (Sumber : Yaws, 1999) G o f,298 = G o f produk - G o f reaktan = (13,939 + (-54,862)) (-42,624) = 1,701 kkal/mol = 7,1217 kj/mol Diskripsi Proses 17

5 G o f,465,95 = G o f produk - G o f reaktan = (25, (-55,719)) (-30,429) = -0,0266 kkal/mol = -0,111 kj/mol G o = - RT ln K dimana : G o = Energi Gibbs, kj/mol Ln K a = -3111,9 x 1 T + 14,4056 Ka = 2268,7548 K >>> 1 Karena harga konstanta kesetimbangan sangat besar maka reaksi termasuk irreversible. (Sumber : Smith & Vannes,1996 ) 2.3 Diagram Alir Proses dan Langkah Proses Diagram alir proses Diagram alir ada tiga macam, yaitu : a. Diagram alir proses (gambar 2.1) b. Diagram alir kualitatif (gambar 2.2) c. Diagram alir kuantitatif (gambar 2.3) Diskripsi Proses 18

6 Gambar 2.1. Diagram Alir Proses Tugas Akhir E-70 E-66 CD-02 E-71 MD-01 E-68 V-4 ACC-01 E-72 P-06 E-78 E-75 RB-01 SP-01 E-74 E-76 E-82 P-05 E-69 T-02 T-03 Isobutylene UPL DIAGRAM ALIR PROSES PRARANCANGAN PABRIK ISOBUTYLENE DARI TERT BUTYL ALKOHOL KAPASITAS TON/TAHUN E-77 H2SO4 P-04 E-67 P-01 E-81 E-79 P-02 P-03 E-73 E-65 E-80 KETERANGAN : ACC : Accumulator CD : Condensor CO : Cooler EV : Expansion Valve MD : Menara Distilasi T : Tangki P : Pompa RB : Reboiler SP : Separator K : Kompresor Diskripsi Proses 19

7 8 4 R CD 5 sp 9 MD 10 P = 4,5 atm T = 192,76 o C 11 Gambar 2.2. Diagram Alir Kualitatif V-23 P = 4,5 atm T = 125 o C P = 1 atm T = 30 o C P = 13,6 atm T = 101,74 o C 2 HE 1 P = 13,6 atm T = 160 o C 3 P = 4,5 atm T = 125 o C P = 13,6 atm T = 192,8 o C 7 purging P = 4,5 atm T = 125 o C 6 P = 4,5 atm T = 125 o C P = 4,5 atm T = 125 o C CD P = 4,5 atm T = 43,843 o C RB P = 4,5 atm T = 149,69 o C HE Diskripsi Proses 20

8 Gambar 2.3. Diagram Alir Kuantitatif Tugas Akhir 1 C4H10O : 11484,595 kg H2O : 11,156 kg Isobutanol : 8,858 kg 11504,609 kg C4H8 : 0,000 kg C4H10O : 20326,869 kg H2O : 14748,278 kg Isobutanol : 35377,950 kg 70453,097 kg 2 HE C4H8 : 11329,545 kg C4H10O : 5360,195 kg H2O : 18382,779 kg Isobutanol : 35380,577 kg 70453,097 kg 3 8 C4H8 : kg C4H10O : 8842,273 kg H2O : 14737,122 kg Isobutanol : 35369,093 kg 58948,488 kg R C4H8 : 11329,545 kg C4H10O : 5360,195 kg H2O : 18382,779 kg Isobutanol : 35380,577 kg 70453,097 kg CD 4 5 C4H8 : 11329,545 kg C4H10O : 5360,195 kg H2O : 18382,779 kg Isobutanol : 35380,577 kg 70453,097 kg 6 7 C4H8 : 0,000 kg C4H10O : 8842,653 kg H2O : 14737,755 kg Isobutanol : 35370,612 kg 58951,020 kg C4H8 : 0,000 kg C4H10O : 0,380 kg H2O : 0,633 kg Isobutanol : 1,519 kg 2,532 kg SP 9 C4H8 : 11329,545 kg C4H10O : 28,755 kg H2O : 86,266 kg Isobutanol : 57,510 kg 11502,077 kg MD CD 10 C4H8 : 11329,545kg C4H10O : 28,409 kg H2O : 5,682 kg 11363,636 kg RB 11 C4H10O : 0,346 kg H2O : 80,584 kg Isobutanol : 57,511 kg 138,441 kg HE 12 C4H10O : 0,346 kg H2O : 80,584 kg Isobutanol : 57,511 kg 138,441 kg Diskripsi Proses 21

9 Tahapan Proses Proses pembuatan isobutylene dapat dibagi dalam empat tahap yaitu: 1. Tahap penyimpanan bahan baku 2. Tahap penyiapan bahan baku 3. Tahap pembentukan produk 4. Tahap pemurnian produk Tahap penyimpanan bahan baku Bahan baku isobutylene yaitu tert-butyl alcohol (TBA) disimpan dalam fase cair pada kondisi suhu 30 o C dan tekanan 1 atm untuk menjaga agar fase senyawa tersebut tetap pada fase cair Tahap penyiapan bahan baku TBA dari T-01 diumpankan ke reaktor (R-01) yang sebelumnya tekanan di naikkan dari 14,69 psia ( 1 atm) menjadi 200 psia (13,6 atm) dan di naikkan suhunya dari 30 o C menjadi 192,8 o C dengan menggunakan HE-01. kemudian ada penambahan bahan baku yang berasal dari hasil bawah separator dengan suhu 125 o C yang sebelumnya dinaikkan suhunya dengan menggunakan HE-01 menjadi 192,8 o C dan tekanan di naikkan dari 66,13 psia (4,5 atm) menjadi 200 psia (13,6 atm) Tahap pembentukan produk Di dalam reaktor terjadi reaksi yang bersifat endotermis dan reversible sebagai berikut : H 3 C CH 3 H 3 C C OH C CH 2 H 2 O CH 3 H 3 C TBA Isobutylene Air Diskripsi Proses 22

10 Reaksi terjadi pada fase cair - cair. Pada suhu 192,8 o C dan tekanan 200 psia. TBA di reaksikan dengan penambahan katalis H 2 SO 4 yang bertujuan untuk mempercepat terjadinya reaksi sehingga menghasilkan isobutylene dengan konversi sebesar 73,63 %. Karena reaksi bersifat endotermis maka untuk mempertahankan kondisi operasi diperlukan koil pemanas Tahap pemurnian produk Produk reaktor berupa cairan yang terdiri atas isobutylene, TBA, H 2 O dan isobutanol. Campuran cairan keluar dari reaktor berupa uap, kemudian uap yang keluar dari reaktor diumpankan ke dalam condenser (CD-01), dikondensasikan sampai suhu 125 o C, dan pada tekanan 4,5 atm sehingga keluaran condenser akan menjadi campuran dua fase yang kemudian diumpankan ke dalam separator (SP-01) untuk dipisahkan fase uap dan fase cairnya. Hasil atas separator yang terdiri atas isobutylene, TBA, H 2 O dan isobutanol, diumpankan ke dalam menara distillasi (MD-01) untuk memisahkan air dari produk dan hasil bawah separator direcyle ke reaktor. Isobutylene, TBA dan sedikit H 2 O yang mempunyai titik didih lebih rendah akan diperoleh sebagai hasil atas menara distilasi MD-01. Hasil atas dari menara distilasi MD-01 keluar pada suhu 43,843 o C yang merupakan produk utama kemudian dikondensasi dalam CD-02 sehingga menjadi cairan dan disimpan dalam tangki penyimpanan (T-03). Sebagian kecil TBA, H 2 O dan isobutanol yang mempunyai titik didih Diskripsi Proses 23

11 lebih tinggi akan diperoleh sebagai hasil bawah MD-01. Hasil bawah menara distilasi MD-01 keluar pada suhu 149,694 o C. 2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas Neraca massa Basis perhitungan Kapasitas/Tahun : 1 jam operasi : ton/tahun Kapasitas produksi/jam : ton 1 tahun x tahun 330hari x 1hari 24 jam kg x1000 ton : 11363,636 kg/jam Neraca Massa Total Tabel 2.2. Neraca massa total Input Arus 1 (kg) Output purging (kg) Arus 10 (kg) Arus 12 (kg) C 4 H ,545 C 4 H 10 O ,595 0,380 28,409 0,346 H 2 O 11,156 0,633 5,682 80,584 Isobutanol 8,858 1,519 57, ,609 2, , ,441 Total , ,609 Diskripsi Proses 24

12 Neraca massa alat Tabel 2.3. Neraca massa pada pertemuan arus 1, 2 dan 8 Input Output Arus 1 (kg) Arus 8 (kg) Arus 2 (kg) C 4 H 8 0,000 0,000 0,000 C 4 H 10 O , , ,869 H 2 O 11, , ,278 Isobutanol 8, , , , , ,097 Total , ,097 Tabel 2.4. Neraca massa Heat Exchanger Input Arus 2 (kg) Output Arus 3 (kg) C 4 H 8 0,000 0,000 C 4 H 10 O , ,869 H 2 O , ,278 Isobutanol , , , ,097 Diskripsi Proses 25

13 Tabel 2.5. Neraca massa Reaktor Input Arus 3 (kg) Output Arus 4 (kg) C 4 H 8 0, ,545 C 4 H 10 O , ,195 H 2 O , ,779 Isobutanol , , , ,097 Tabel 2.6. Neraca massa Kondenser Input Arus 4 (kg) Output Arus 5 (kg) C 4 H ,545 11, C 4 H 10 O 5.360, ,195 H 2 O , ,779 Isobutanol , , , ,097 Tabel 2.7. Neraca massa Separator Input Output Arus 5 (kg) Arus 6(kg) Arus 9 (kg) C 4 H ,545 0, ,545 Diskripsi Proses 26

14 Input Output Arus 5 (kg) Arus 6(kg) Arus 9 (kg) C 4 H 10 O 5.360, ,653 28,755 H 2 O , ,755 86,266 Isobutanol , ,612 57, , , ,077 Total , ,.097 Tabel 2.8. Neraca massa Recycle dan Purging Input Output Arus 6 (kg) Arus 7 (kg) Arus 8 (kg) C 4 H 10 O 8.842,653 0, ,273 H 2 O ,755 0, ,122 Isobutanol ,612 1, , ,020 2, ,488 Total , ,020 Tabel 2.9. Neraca massa Menara Distilasi Input Output Arus 9 (kg) Arus 10 (kg) Arus 11 (kg) C 4 H , ,545 C 4 H 10 O 28,755 28,409 0,346 Diskripsi Proses 27

15 Input Output Arus 9 (kg) Arus 10 (kg) Arus 11 (kg) H 2 O 86,266 5,682 80,584 Isobutanol 57,510 57, , , ,440 Total , ,077 Tabel Neraca massa Cooler Input Arus 11 (kg) Output Arus 12 (kg) C 4 H 8 0,000 0,000 C 4 H 10 O 0,346 0,346 H 2 O 80,584 80,584 Isobutanol 57,510 57, , , Neraca Panas Neraca Panas Total Tabel Neraca Panas Total Input (kj) Output (kj) Arus ,95 Diskripsi Proses 28

16 Input (kj) Output (kj) Q HE ,65 Q S ,46 Q CD ,34 Purging 559,49 Q CD ,67 Arus ,04 Q RB ,05 Arus ,41 Q HE ,17 total , , Neraca Panas Alat Tabel Neraca Panas pada pertemuan arus 1, 2 dan 8 Input (kj) Output (kj) Arus 1 Arus 8 Arus 2 C 4 H 8 0,00 0,00 0,00 C 4 H 10 O , , ,26 H 2 O 233, , ,68 Isobutanol 80, , , , , ,10 total , ,10 Diskripsi Proses 29

17 Tabel Neraca Panas HE-01 Input (kj) Output (kj) Arus 2 Q HE Arus 3 C 4 H 8 0,00 0,00 C 4 H 10 O , ,29 H 2 O , ,88 Isobutanol , ,59 Q HE , , , ,76 total , ,76 Tabel Neraca Panas R-01 komponen Input (kj) Output (kj) Arus 3 Steam Q reaksi Arus 4 C 4 H 8 0, ,15 C 4 H 10 O , ,10 H 2 O , ,83 Isobutanol , ,25 Steam ,46 Q reaksi , , , , ,34 total , ,34 Diskripsi Proses 30

18 Tabel Neraca Panas CD-01 Input (kj) Output (kj) Arus 4 Q CD Arus 5 C 4 H , ,70 C 4 H 10 O , ,96 H 2 O , ,12 Isobutanol , ,09 Q CD , , , ,87 total , ,20 Tabel Neraca Panas SP-01 Input (kj) Output (kj) Arus 5 Arus 6 Arus 9 C 4 H ,70 0, ,88 C 4 H 10 O , , ,50 H 2 O , , ,96 Isobutanol , , , , , ,22 total , ,87 Diskripsi Proses 31

19 Tabel Neraca Panas Purging Input (kj) Output (kj) Arus 6 Arus 7 (purging) Arus 8 (recycle) C 4 H 8 0,00 0,00 0,00 C 4 H 10 O ,55 132, ,03 H 2 O ,80 265, ,57 Isobutanol ,29 161, , ,65 559, ,16 total , ,65 Tabel Neraca Panas MD-01 Input (kj) Output (kj) Arus 9 Q RB Arus 10 Arus 11 Q CD C 4 H , ,50 0,00 C 4 H 10 O , ,45 154,01 H 2 O , , ,69 Isobutanol , ,86 Q RB ,05 Q CD , , , , , ,67 total Diskripsi Proses 32

20 Tabel Neraca Panas CO-01 Input (kj) Output (kj) Arus 11 Arus12 Q HE C 4 H 8 0,00 0,00 C 4 H 10 O 154,01 16,86 H 2 O , ,31 Isobutanol 6.837, ,23 Q HE , , , ,17 total , , Tata Letak Pabrik dan Peralatan Tata Letak Pabrik Lay out pabrik atau tata letak pabrik adalah tempat kedudukan dari bagian-bagian pabrik yang diatur sedemikian rupa sehingga pabrik dapat berfungsi dengan efektif, efisien dan aman. Adapun bagian bagian utama pabrik meliputi : a. Daerah administrasi / perkantoran, laboratorium dan ruang kontrol. Daerah administrasi / perkantoran 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 akan dijual. Diskripsi Proses 33

21 b. Daerah proses, merupakan daerah tempat alat-alat proses diletakkan dan tempat berlangsungnya produksi. c. Daerah pergudangan umum, fasilitas karyawan, bengkel, dan garasi. d. Daerah utilitas, merupakan daerah untuk pengolahan air, pengolahan limbah, tenaga listrik, dan lain sebagainya. Tujuan pengaturan tata letak pabrik antara lain : Mempermudah arus masuk dan keluar area pabrik Proses pengolahan bahan baku menjadi produk lebih efisien. Mempermudah penanggulangan bahaya yang mungkin terjadi seperti kebakaran, ledakan dan lain-lain. Mencegah terjadinya polusi. Mempermudah pemasangan, pemeliharaan dan perbaikan. Untuk mencapai hasil yang optimal, maka dalam menentukan tata letak pabrik perlu dipertimbangkan hal hal sebagai berikut : Perlu disediakan area perluasan produksi yang tidak jauh dari proses lama. Faktor keamanan, terutama bahaya kebakaran. Dalam merencanakan lay out selalu diusahakan untuk memisahkan sumber api dan panas dari sumber bahan yang mudah meledak. Unit-unit yang ada dikelompokkan agar memudahkan pengalokasian bahaya kebakaran yang mungkin terjadi. Diskripsi Proses 34

22 Sistem konstruksi yang direncanakan adalah out door untuk menekan biaya bangunan gedung, sedangkan jalannya proses dalam pabrik tidak dipengaruhi oleh perubahan musim. Fasilitas untuk karyawan seperti masjid, kantin, parkir dan sebagainya diletakkan strategis sehingga tidak mengganggu jalannya proses. Jarak antara pompa dan peralatan proses harus diperhitungkan agar tidak mengalami kesulitan dalam melakukan pemeliharaan dan perbaikkan. Disediakan tempat untuk membersihkan alat agar tidak mengganggu peralatan lain. Jarak antara unit yang satu dengan yang lain diatur sehingga tidak saling mengganggu. Sistem pemipaan diletakkan pada posisi yang tidak mengganggu operator dan memberikan warna atau simbol yang jelas untuk masing-masing proses sehingga memudahkan bila terjadi kerusakan dan kebocoran. Adapun tata letak pabrik isobutylene yang direncanakan, dapat dilihat pada gambar Tata letak Peralatan Lay out peralatan proses atau tata letak peralatan proses adalah tempat kedudukan dari alat-alat yang digunakan dalam proses produksi. Tata letak peralatan proses harus dirancang sedemikian rupa sehingga : Diskripsi Proses 35

23 1. Memungkinkan pengoperasiannya.. 2. Mudah untuk penanganan kebakaran. 3. Mudah untuk perbaikkan. Adapun tata letak peralatan pabrik isobutylene yang direncanakan, dapat dilihat pada gambar 2.5. Diskripsi Proses 36

24 Area Perluasan Pos Bahan Bakar Area Proses U t i l i t a s Bengkel Gudang Laboratorium Pemadam Kebakaran Ruang Kontrol Kantor Kantin Mushola Taman Area Parkir Tamu Klinik Parkir Karyawan Pos Skala 1: Gambar 2.4. Tata Letak Pabrik Diskripsi Proses 37

25 T-02 CD-01 R-01 CD-02 HE-01 MD-01 ACC-01 T-03 RB-01 SP-01 CO-01 T-01 Skala 1 : 1000 Keterangan : T-01 : Tangki TBA T-02 : Tangki H 2 SO 4 T-03 : Tangki Isobutylene R-01 : Reaktor 01 SP-01 : Separator 01 MD-01 : Menara Distilasi 01 HE-01 : Heat Exchanger 01 CD-01 : Condensor 01 CD-02 : Condensor 02 ACC-01 : Accumulator 01 RB : Reboiler 01 CO-01 : Cooler 01 Gambar 2.5. Tata Letak Peralatan Proses Diskripsi Proses 38