JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 1 Pabrik Adiponitrile Dari Akrilonitrile Merry Puspamega, Sri Wahyuni, Minta Yuwana, dan Heru Setyawan Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Kampus Sukolilo, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: sheru@chem-eng.its.ac.id Abstrak Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari teknik pencangkokan gugus sulfonat pada silika dari waterglass dengan template PEG sebagai katalis asam padat dan menganalisa pengaruh penambahan konsentrasi template terhadap kapasitas ion. Penelitian diawali dengan proses pembuatan sol silika dari Waterglass+PEG+HCl dengan konsentrasi PEG antara 0,0044 0,022 gr/ml. Template PEG dapat dihilangkan dengan cara ekstraksi solvothermal dan kalsinasi. Proses selanjutnya yaitu mencangkok silika dengan gugus sulfonat. Pengujian karakterisasi produk dilakukan dengan beberapa analisa diantaranya uji gugus fungsi (FTIR), uji volume, luas permukaan, dan diameter pori (BET), uji SEM, dan kapasitas ionik dengan analisis titrimetri. Hasil menunjukkan bahwa pada proses penghilangan template PEG dengan metode kalsinasi ternyata berhasil menghilangkan senyawa PEG lebih baik dibandingkan dengan metode ekstraksi solvothermal, tetapi berdasarkan pada hasil BET, penghilangan template melalui proses kalsinasi menghasilkan luas permukaan yang lebih kecil jika dibandingkan dengan kondisi sebelum template dihilangkan, sedangkan ekstraksi solvothermal menghasilkan luas permukaan silika yang lebih besar. Untuk pengaruh konsentrasi template PEG, didapatkan hasil bahwa luas permukaan partikel silika cenderung turun dengan penambahan template dan naik kembali pada konsentrasi 0,0178 gr/ml. Kapasitas ionik menunjukan bahwa kapasitas ionik terbesar didapat pada silika dengan metode solvothermal yaitu sebesar 12,603 mmol/gr silika Kata kunci: katalis asam padat, silika tersulfonasi, template PEG I. PENDAHULU E sterifikasi asam organik dan alkohol merupakan salah satu reaksi paling mendasar dan penting dalam industri kimia. Produk ester secara luas dimanfaatkan sebagai pelarut, pengemulsi, dalam industri pangan, farmasi, kosmetik, ataupun pelumas dalam pengolahan logam, industri tekstil, dan plastik (R. Liu, 2008). Produk ester yang berasal dari minyak nabati sebenarnya dapat digunakan sebagai pelumas, tetapi saat ini belum banyak menarik perhatian industri. Padahal sebenarnya, pemakaian pelumas berbasis minyak nabati telah dikenal jauh sebelum penggunaan pelumas berbasis mineral. Di samping itu pula, berdasarkan data tahun 2007 untuk minyak kelapa sawit, Indonesia telah menjadi negara produsen CPO terbesar di dunia dengan total produksi sekitar 16 juta ton. Maka dapat disimpulkan bahwa diperlukan pemanfaatan yang maksimal dalam penggunaan minyak kelapa sawit di Indonesia, yang salah satunya adalah dengan pembuatan pelumas berbasis minyak nabati. Proses pembuatan pelumas berbasis minyak nabati ternyata membutuhkan katalis dalam di dalam reaksinya. Pada umumnya digunakan katalis homogen, tetapi ternyata katalis ini memiliki beberapa kelemahan. Katalis homogen ternyata kurang menguntungkan karena mengandung toksisitas yang tinggi sehingga dapat menimbulkan pencemaran pada lingkungan, menyebabkan korosi karena terdapat pengeluaran asam buangan, dan sulitnya memisahkan katalis pada produk akhir reaksi. Oleh karena itulah digunakan penggantian katalis homogen asam dengan katalis asam padat, seperti zeolit, alumina, atau resin pengganti ion yang saat ini telah digunakan secara komersial. Namun, ternyata masih terdapat beberapa kelamahan pada katalis-katalis tersebut. Untuk menanggulangi kendala tersebut, para peneliti telahmenaruh banyak minat pada penggunaan katalis padat sistem heterogen (heterogenouscatalyst). Katalis heterogen umumnya lebih murah, kereaktifannya yang tinggi, ramah lingkungan, waktu reaksi yang tidak lama, selektivitas yang baik, penanganan sederhana, dan juga menghemat energi. Salah satu contoh bahan dasar dari katalis heterogen ini adalah silika. Dari beberapa riset yang telah dilakukan, silika memiliki kestabilan yang baik, luas permukan yang lebih besar, harga ekonomis, serta kemudahan gugus organik dalam menjangkar ke permukaan untuk menyediakan pusat katalitis (R. Gupta, 2008). Terlebih lagi, silika merupakan senyawa yang memiliki banyak gugus silanol (Si-OH) pada permukaannya, yang memungkinkan penyediaan tempat bagi senyawa lain untuk dicangkokkan. Oleh karena itu, bahan ini memiliki potensi yang besar untuk digunakan sebagai katalis asam padat yang dapat dicangkok dengan gugus sulfonat (- SO 3 H).
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 2 Uraian Proses Sel Elektrolisis Katolit Reservoir II. PROSES H2O Tangki Water Spray +ADN Strip per ADN + H2O H2O Destilasi Vakum Gambar III.1 Bagan Proses hidrodimerisasi Monsanto dari akrilonitril menjadi adiponitril. adalah akrilonitril dan ADN adalah adiponitril. Bahan baku akrilonitril dialirkan ke dalam tangki katalit reservoir agar kondisinya sesuai untuk berekasi di dalam elektrolisis sel. Akriloitril dan Adiponitril yang terdapat dalam katalit reservoir akan kemudian di alirkan ke sel elektrolisis bersama dengan Na 4 EDTA, Borax, garam quaternary ammonium, dan Na 2 HPO 4 (keempat zat ini berfungsi sebagai larutan buffer dan pencegah korosi pada plat katoda dan anoda). Elektrolisis berlangsung di dalam stak dengan plateplate elektroda yang dipasang secara paralel. Masing-masing sel terdiri dari katoda (pada satu sisi, dan anoda pada sisi yang lain. Sel tersebut harus dilapisi pelindung dan setiap ruang elektrolit harus memiliki pipa yang menghubungkan jalan masuk (inlet) dan jalan keluar (outlet) dan aliran penghubung untuk mengalirkan aliran elektrolit. Selain itu, sel juga harus didesain untuk meminimalisasi jarak antar elektroda karena memperhitungkan konsumsi energi yang akan digunakan dan mencegah terjadinya konslet listrik. Di dalam sel elektrolisis juga dilengkapi dengan cooler yang berfungsi untuk menjaga suhu larutan tetap 40 o C. Pada katoda di sel elektrolisis terjadi reaksi seperti berikut ini: (acrylonitril) (adiponitrile) Sedangkan pada anoda, terjadi reaksi berikut ini: H 2 O ½ O 2 + 2H + + 2 e - Karena dibutuhkan laju alir katolit yang cepat, maka menjadi penting untuk menghindari terbentukanya reaksi samping, konversi dari akrilonitril menjadi adiponitril sekali melewati katolit di dalam sel sebesar 88%. Setelah dari elktrolisis sel, larutan (sedikit akrilonitril, air, dan adiponitril) mengalir secara berlanjut ke dalam plant stripper untuk memisahkan akrilonitril yang terikut dengan adiponitril. Acrylonitril dalam fase gas yang keluar dari stripper kemudian di masukkan ke dalam tangki water spray untuk kemudian akan dicampurkan lagi ke dalam tangki katolit reservoir. Sedangkan untuk tahap terakhirnya adalah destilasi vakum yang akan memisahakan adiponitril dengan air. Dari proses ini, dengan konversi akrilonitril menjadi adiponitril sebesar 88%, produk akhir adiponitril memiliki kemurnian 97%. ADN III. GAMBAR PERUSAHA II1.1 Bentuk Badan Perusahaan Bentuk badan perusahaan dalam Pabrik Adiponitril dari Akrilonitril ini dipilih Perseroan Terbatas (PT). Perseroan Terbatas merupakan suatu persekutuan yang menjalankan perusahaan dengan modal usaha yang terbagi beberapa saham, dimana tiap sekutu (disebut juga persero) turut mengambil bagian sebanyak satu atau lebih saham. Hal ini dipilih karena beberapa pertimbangan sebagai berikut: 1. Modal perusahaan dapat lebih mudah diperoleh yaitu dari penjualan saham maupun dari pinjaman. 2. Pemilik modal adalah pemegang saham sedangkan pelaksanaanya adalah dewan komisaris. 3. Tanggung jawab pemegan saham terbatas, karena segala sesuatu yang menyangkut kelancaran produksi ditangani oleh pemimpin perusahaan. 4. Kekayaan pemegang saham terpisah dari kekayaan perusahaan, sehingga kekayaan pemegang saham tidak menentukan modal perusahaan. II1.2 Struktur Organisasi Pabrik Adiponitril Direktur Utama Tugas :Melaksanakan fungsi pimpinan tertinggi perusahaan, memimpin semua kegiatan pabrik secara keseluruhan, menerapkan sistem kerja dan arah kebijaksanaan perusahaan serta bertanggung jawab terhadap kelangsungan pabrik Direktur Teknik dan Produksi Tugas : Memimpin pelaksanaan kegiatan pabrik yang berhubungan dengan bidang produksi, teknik, pengembangan, pemeliharaan peralatan dan laboratorium Direktur Keuangan dan Administrasi Tugas :Bertanggung jawab terhadap masalah-masalah pabrik yang berhubungan dengan administrasi, personalia, keuangan, hubungan masyarakat, keamanan, keselamatan kerja dan hal umum lainnya Kepala Bagian 1. Kepala Bagian Proses Produksi dan Utilitas Bertanggung jawab atas jalannya operasi pabrik seharihari serta menjaga kelangsungan proses produksi dan penyediaan utilitas 2. Kepala Bagian Keuangan Memimpin pengelolaan bidang keuangan termasuk pembelian bahan baku, bahan pembantu. 3. Kepala Bagian Teknik dan Istrumentasi Bertanggung jawab terhadap pengelolaan pabrik secara teknis yang berupa pemeliharaan alat, bengkel, gudang dan perlengkapannya serta fasilitas penunjang kegiatan produksi 4. Kepala Bagian Penelitian pengembangan dan Pengendalian Mutu Memimpin Aktivitas laboratorium, pengendalian mutu, penelitian dan pengembangan 5. Kepala Bagian Administrasi Mengelola bidang yang berhubungan dengan administrasi pabrik, personalia dan tata usaha 6. Kepala Bagian Umum
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 3 Mengelola bidang hubungan masyarakat, keamanan dan kesejahteraan karyawan III.3 Status Karyawan dan Pengupahan Sistem pengupahan karyawan dibedakan menurut status karyawan, tingkatan pendidikan dan besar kecilnya tanggung jawab/kedudukannya serta keahlian dan masa kerja. Menurut statusnya karyawan pabrik dapat digolongkan menjadi 3 golongan sebagai berikut : a. Karyawan Tetap Karyawan tetap adalah karyawan yang diangkat dan diberhentikan dengan surat keputusan (SK) direksi dan mendapat gaji bulanan berdasarkan kedudukan, keahlian dan masa kerja. b. Karyawan Harian Karyawan yang diangkat dan diberhentikan oleh direksi tanpa SK dari direksi dan mendapat upah harian yang dibayar setiap akhir pekan. c. Pekerja Borongan Pekerja borongan adalah tenaga yang diperlukan oleh pabrik bila diperlukan pada saat tertentu saja, misalnya : tenaga shut down, bongkar muat bahan baku. Pekerja borongan menerima upah borongan untuk suatu pekerjaan tertentu. IV. STUDY KELAYAK Pabrik Adiponitril ini berkapasitas 1.500 ton/tahun. Proses yang dipilih untuk pembuatan adiponitril adalah dengan menggunakan hidrodimerisasi dari akrilonitril dengan proses elektrokimia. Dalam hal ini, akrilonitril akan digunakan sebagai bahan baku utama. Dan untuk memenuhi kapastias produksi adiponitiril dalam setahun, dibutuhkan akrilonitril sebanyak 208,401 kg/jam. Pabrik ini akan didirikan di Cilegon, Banten dan beroperasi pada tahun 2014, yang dekat dengan dermaga dan kelancaran pemasaran. Pabrik direncanakan memiliki 64 karyawan. Berikut merupakan analisa ekonomi yang dilakukan. Dari hasil analisa ekonomi, didapat indikator kelayakan pendirian pabrik sebagai berikut : Laju pengembalian modal (IRR) : 25,04 % Waktu pengmbalian modal (POT) : 10 tahun Titik Impas (BEP) : 66 % Net Present Value (NPV) : Rp.90.917.961.903,97 Ditinjau dari berbagai hal tersebut diatas, maka pabrik pengolahan adiponitrile dari akrilonitrile dinyatakan layak untuk didirikan dikarenakan Interest rate of return dari pabrik lebih besar dari pada bunga bank. Diharapkan dengan adanya pabrik ini dapat menutupi kebutuhan pangan nasional. V. ALISA EKONOMI Analisa ekonomi merupakan salah satu parameter apakah suatu pabrik tersebut layak didirikan atau tidak, Untuk menentukan kelayakan suatu pabrik secara ekonomi, diperlukan perhitungan bahan baku yang dibutuhkan dan produk yang dihasilkan menurut neraca massa yang telah tercantum dalam Bab III. Harga peralatan untuk proses berdasarkan spesifikasi peralatan yang dibutuhkan seperti yang tercantum dalam appendiks C dihitung berdasarkan pada neraca massa dan energi. Selain yang tersebut diatas, juga diperlukan analisa biaya yang diperlukan untuk beroperasi dan utilitas, jumlah dan gaji karyawan serta pengadaan lahan untuk pabrik. Analisa Ekonomi dimaksudkan untuk dapat mengetahui apakah suatu pabrik yang direncanakan layak didirikan atau tidak. Ujian itu pada pra desain pabrik Adiponitril dari Akrilonitril ini dilakukan evaluasi atau studi kelayakan dan penilaian investasi. Faktor-faktor yang perlu ditinjau untuk memutuskan hal ini adalah : 1. Laju Pengembalian Modal ( Internal Rate of Return / IRR) 2. Waktu Pengembalian Modal Minimum ( Pay Out Time / POT ) 3. Titik Impas ( Break Even Point / BEP ) V.1 Laju Pengembalian Modal ( Internal Rate of Return/IRR ) Dari hasil perhitungan pada Appendiks D, didapatkan bunga pinjaman yaitu 12% per tahun. Dengan harga IRR = 25,04 % yang didapatkan dari perhitungan menunjukkan bahwa pabrik ini layak didirikan. Karena IRR lebih besar dari bunga. V.2 Waktu Pengembalian Modal ( Pay Out Time / POT ) Dari perhitungan yang dilakukan pada Appendiks D didapatkan bahwa waktu pengembalian modal minimum adalah 10 tahun. Hal ini menunjukkan bahwa pabrik ini layak untuk didirikan karena POT yang didapatkan lebih kecil dari perkiraan usia pabrik. V.3 Titik Impas ( Break Even Point / BEP ) Analisa titik impas digunakan untuk mengetahui besarnya kapasitas produksi dimana biaya produksi total sama dengan hasil penjualan. Biaya tetap (FC) dan Biaya variabel (VC), Biaya semi variabel (SVC) dan biaya total tidak dipengaruhi oleh kapasitas produksi. Dari perhitungan yang dilakukan pada Appendiks D didapatkan bahwa Titik Impas (BEP) = 66%. VI. UTILITAS Utilitas merupakan sarana penunjang suatu industri, karena utilitas merupakan penunjang proses utama dan memegang peranan penting dalam pelaksanaan operasi dan proses. Sarana utilitas pada pabrik Adiponitril dari Akrilonitril ini meliputi : 1. Air Berfungsi sebagai sanitasi, air pendingin, dan air untuk feed boiler. 2. Steam Digunakan untuk keperluan turbin sebagai pembangkit listrik dan pemanas reboiler. 3. Listrik Berfungsi sebagai tenaga penggerak dari peralatan proses maupun penerangan. 4. Bahan bakar Berfungsi untuk bahan bakar boiler dan generator. Maka untuk memenuhi kebutuhan utilitas pabrik diatas, diperlukan unit-unit sebagai penghasil sarana utilitas, yaitu :
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 4 VI.1 Unit Pengolahan Air Kebutuhan air untuk pabrik diambil dari air sungai, dimana sebelum digunakan air sungai perlu diolah lebih dulu, agar tidak mengandung zat-zat pengotor, dan zat-zat lainnya yang tidak layak untuk kelancaran operasi. Air pada pabrik Adiponitril dari Akrilonitril ini digunakan untuk kepentingan : Air proses, meliputi : air proses, air pendingin dan air umpan boiler Pada unit pengolahan air ini, peralatan yang digunakan meliputi : pompa air boiler, bak pendingin, kation-anion exchange. VI.2 Unit Penyediaan Steam Steam yang dibutuhkan untuk proses dihasilkan dari boiler dan pendingin dari reaktor autothermal. Kebutuhan steam digunakan sebagai pemanas di reboiler dan sebagian besar dipakai untuk menggerakkan turbin untuk menghasilkan listrik, karena kebutuhan back-up jika sewaktu-waktu supply listrik dari PLN terhambat. Peralatan yang dibutuhkan untuk pembangkit steam yaitu Boiler. VI.3 Unit Pembangkit Tenaga Listrik Kebutuhan listrik yang diperlukan untuk pabrik Adiponitril dari Akrilonitril ini diambil dari PLN dan generator sebagai penghasil tenaga listrik, dengan distribusi sebagai berikut : Untuk proses produksi diambil dari PLN dan generator jika sewaktu-waktu ada gangguan listrik dari PLN Untuk penerangan pabrik dan kantor, diambil dari generator VI.4 Unit Pendingin Unit penyediaan air bertugas untuk memenuhi kebutuhan air ditinjau dari segi panas. Penggunaan air sebagai media pendingin pada alat perpindahan panas dikarenakan faktor berikut : Air dapat menyerap jumlah panas yang tinggi per satuan volume Air merupakan materi yang mudah didapat dan relatif murah Tidak mudah mengembang atau menyusut dengan adanya perubahan suhu Mudah dikendalikan dan dikerjakan Tidak mudah terdekomposisi Syarat air pendingin adalah tidak boleh mengandung : a. hardness : yang memberikan efek pada pembentukan kerak b. besi : penyebab korosi c. silika : penyebab kerak d. minyak : dapat menyebabkan turunnya heat transfer Pada air pendingin ditambahkan zat kimia yang bersifat menghilangkan kerak, lumut, jamur, dan korosi. VII. RINGKAS Berdasarkan uraian sebelumnya, dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Perencanaan Operasi : 24 jam/hari selama 330 hari/tahun. 2. Kapasitas Produksi : 1.500 ton/tahun 3. Kebutuhan Bahan Baku : 1650,537 ton/tahun 4. Jumlah Tenaga Kerja : 64 orang 5. Lokasi : Cilegon, Banten Jawa Barat 6. Bentuk Perusahaan : Perseroan Terbatas 7. Struktur Organisasi : Garis dan Staf 8. Analisa Ekonomi : a. Permodalan - Modal Tetap (FCI) : Rp. 3.930.928.243,- - Modal Kerja (WCI) : Rp. 1.248.647.795,- - Modal Total (TCI) : Rp. 8.324.318.632,- - Biaya Total Pertahun (TPC) : Rp. 90.295.371.870,- - Hasil Penjualan Pertahun : Rp. 94.444.826.374,- b. Indikator Kelayakan - Bunga Bank : 12 % - Internal Rate of Return : 25,4 % - POT : 10 tahun - Break Even Point : 66 % Ditinjau dari berbagai hal tersebut diatas, maka pabrik adiponitrile dari acrylonitrile dengan metode hidrodimerisasi dengan proses elektrokimia yang berlokasi di daerah Cilegon-Banten dinyatakan layak untuk didirikan. UCAP TERIMA KASIH Penulis S.W. M.P. (inisial nama mahasiswa) mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ir.Minta Yuwana,MS selaku dosen pembimbing serta Bapak Prof. Dr. Ir. Heru Setyawan, M. Eng. selaku kepala laboratorium Elektrokimia dan korosi yang telah membimbing kami dari awal penelitian hingga penulisan laporan ini. Tidak hanya banyak ilmu pangetahuan dan wawasan keteknik-kimiaan yang kami dapatkan, tetapi juga banyak arahan dan nasehat tentang kejujuran, kedisiplinan, dan bagaimana menjadi mahasiswa yang berkualitas. DAFTAR PUSTAKA [1] G Austin, T. George. Shreve s Chemical Process Industries, 5 th ed, McGraw-Hill Book Company, New York 1984 [2] Brownell, Young, Process Equipment Design, John Wiley and Sons, New York, 1959. [3] Geankoplis, Christie J, Transport Processes and Unit Operations. 3 rd edition. Prentice Hall, Inc. 1993. [4] Himmelblau, D. M, Basic Principle and Calculation in Chemical Engineering, 5 th ed, Prentice Hall Inc, London, 1989. [5] Kern, D. Q, Process Heat Transfer, Mc. Graw Hill Book Company, Japan, 1965.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 5 [6] Mc. Cabe, Unit Operation for Chemical Engineering, 3 rd ed, Mc. Graw Hill Book Company, New York, 1976. [7] Othmer, Kirk, Encyclopedia Of Chemical Technology, Third Editon, John Wiley and Son Inc, Canada, 1982. [8] Perry, Robert H. dan Don Green. Perry s Chemical Engineering Handbook, 5 th editon. Mc. Graw Hill International Edition. 1984. [9] Peters, M. S, dan Timmerhaus, K. D, Plant Design and Economics for Chemical Engineering, 4 th ed, Mc. Graw Hill Book Company, Singapore, 1990. [10] Stanley M. Walas, Chemical Process Equipment, London, Butterworth Publishers, 1988 [11] Ulrich, G. D, A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economic, John Wiley and Sons, New York, 1984. [1] Van Ness, S, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 4 th ed, International Edition, Mc. Graw Hill Book Company, Singapore, 1987.