PRARANCANGAN PABRIK MONOCHLOROBENZENE DARI BENZENE DAN CHLORINE KAPASITAS 100.000 TON/TAHUN PUBLIKASI ILMIAH Disusun sebagai Salah Satu Syarat Menyelesaikan Program Studi Strata I pada Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik Oleh : Crade Lisa Putri D 500 120 002 PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2016
i
i
i
PRARANCANGAN PABRIK MONOCHLOROBENZENE DARI BENZENE DAN CHLORINE KAPASITAS 100.000 TON/TAHUN ABSTRAK Prarancangan pabrik monochlorobenzene dengan kapasitas 100.000 ton per tahun direncanakan beroperasi selama 330 hari dalam satu tahunnya. Pabrik ini akan didirikan di Kawasan Industri Cilegon, Banten, dengan luas tanah 23.000 m 2 dengan jumlah karyawan 188 orang. Proses pembuatan monochlorobenzene dilakukan dalam reaktor fixed bed multitube menggunakan katalis ferric chloride (FeCl3). Reaksi berlangsung pada fase gas-cair dengan chlorine berupa gas dan benzene berupa cair irreversible, eksotermis, dan beroperasi secara non-adiabatis dan non-isothermal (55-72 o C) pada tekanan 2,36 atm. Kebutuhan bahan baku yang terdiri dai benzene dan chlorine masingmasing sebanyak 13.172,3643 kg per jam dan 11.956,7106 kg per jam. Sedangkan unit pendukung proses (utilitas) meliputi penyediaan air sebesar 226.967,7583 kg per jam, penyediaan saturated steam sebesar 3.141,7971 kg per jam, bahan bakar fuel oil sebanyak 381,2433 liter per jam, listrik diperoleh dari PLN dan generator set sebagai cadangan dengan kapasitas 1200 kw, udara tekan sebesar 50 m 3 per jam. Dari analisis ekonomi yang telah dengan modal tetap sebesar Rp1.007.332.776.785,00 dan modal kerja sebesar Rp479.548.851.888,00 diperoleh Percent Return on Investment (ROI) sebelum pajak 48,59% dan setelah pajak 36,44%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak selama 1,71 tahun dan setelah pajak 2,15 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 45,63%, dan Shut Down Point (SDP) sebesar 28,85%. Internal Rate of Return (IRR) sebesar 35,36%. Berdasarkan hasil analisis ekonomi dapat disimpulkan bahwa pabrik ini menguntungkan dan layak untuk didirikan. Kata kunci: klorinasi benzene, monochlorobenzene, reaktor fixed bed multitube ABSTRACT Preliminary design of monochlorobenzene with a capacity of 175,000 tonnes per year is planned to operate for 330 days per year. This plant will be estbalished in Cilegon with a land area of 23,000 m 2 and the number of employees of 188 people. Monochlorobenzene is produced from benzene and chlorine in a fixed bed multitube reactor with ferric chloride (FeCl3) as catalyst. The reaction occures in the gas-liquid phase where the chlorine is gas and benzene is liquid, irreversible, exothermic and operated in non-adiabatic and non-isothermal conditions at a temperature range 55-72 o C, and pressure 2.36 atm. The needs of raw materials of benzene and chlorine are 13,172.3643 kg per hour and 11,956.7106 kg per hour. The utility unit includes the supply of water is as much as 226,967.7583 kg per hour, supply of saturated steam 3,141.7971 kg per hour, obtained from the boiler with fuel oil as much as 381.2433 L per hour, the compressed air 50 m 3 per hour, and the main power source to meet the needs of electricty obtained of PLN and generator sets as backup with a capacity 1200 kw. The plant of mochlorobenzene requires a fixed capital of IDR1,007,332,776,785 and working capital of IDR479,548,851,888. The Percent Return on Investment (ROI) before tax 48.59% is and after tax is 36.44%. The Pay Out Time (POT) before tax is 1.71 years and after tax is 2.15 years. The Break Even Point (BEP) is 45.63%, and Shut Down Point (SDP) is 28.85%. The Internal Rate of Return (IRR) is 35.36%. 1
Keywords: chlorinated benzene, fixed bed multitube reactor, monochlorobenzene 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Memasuki era industrialisasi dan untuk menghadapi perdagangan bebas, perlu adanya pengembangan dalam dunia perindustrian di Indonesia. Dalam rangka tersebut, perlu didirikan sebuah industri yang dapat bermanfaat besar bagi perkembangan perindustrian di Indonesia. Salah satu jenis industri tersebut adalah industri monochlorobenzene. 1.2 Penentuan Kapasitas Perancangan Pabrik Dalam menentukan kapasitas perancangan perlu melihat kebutuhan produk dalam negeri, dimana dari data Badan Pusat Statistik (BPS) tahun 2010-2014 kebutuhan impor monochlorobenzene terus mengalami peningkatan. Ketersediaan bahan baku juga sangat mempengaruhi kelangsungan proses suatu pabrik, dimana bahan baku pembuatan monochlorobenzene ini adalah benzene yang diperoleh dari Pertamina UP IV Cilacap dan chlorine dari PT Asahimas Chemical. Data impor monochlorobenzene dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 1. Data Impor Monochlorobenzene (Badan Pusat Statistik, 2015) Tahun Ton/Tahun 2010 229.681,58 2011 443.054,58 2012 414.170,50 2013 374.190,75 2014 398.091,75 Dari data tersebut, prarancangan pabrik monochlorobenzene ini dirancang dengan kpasitas 100.000 ton/tahun. 2. DESKRIPSI PROSES Dasar reaksi klorinasi benzene dan chlorine adalah sebagai berikut: C6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl... (1) C6H5Cl + Cl2 C6H4Cl2 + HCl... (2) Reaksi antara benzene dan chlorine menjadi monochlorobenzene dilakukan dalam reaktor fixed bed multitube pada fase cair-gas pada tekanan 2,36 atm dan suhu 55 o C dengan katalis ferric chloride (FeCl3). 2.1 Tinjauan Termodinamika 2
Data nilai ΔH o f untuk masing masing komponen adalah sebagai berikut (Yaws, 1999): ΔH o f C 6 H 6 = 82930 kj/kmol ΔH o f Cl 2 = 0 kj/kmol ΔH o f C 6 H 5 Cl = 51840 kj/kmol ΔH o f HCl = -92300 kj/kmol ΔH o f p C 6 H 4 Cl 2 = 23010 kj/kmol ΔH o f o C 6 H 4 Cl 2 = 29960 kj/kmol Pada reaksi : 1. C 6 H 6 (l) + Cl 2 (g) C 6 H 5 Cl (l) + HCl (g)...(1) ΔHR1 o (298 K) = ΔH o f produk - ΔH o f reaktan (3) = 51840 + (-92300) (82930+0) = -123390 kj/kmol ΔHR1 (328 K) = ΔHR o (298 K) + ΔHproduk - ΔHreaktan... (4) = (-123390) + (4639,5803 + 872,6300) (4028,1666 + 1017,9234) = -122923,8797 kj/kmol 2. C 6 H 5 Cl (l) + Cl 2 (g) C 6 H 4 Cl 2 (l) + HCl (g) ΔHR2 o (298 K) = ΔH o f produk - ΔH o f reaktan (3) = (0,75*23010+ 0,25*29960 + 872,6300) (51840+0) = -119392,5 kj/kmol ΔHR2 (328 K) = ΔHR o (298 K) + ΔHproduk - ΔHreaktan... (4) = (-119392,5) + (0,75*5561,1220 + 0,25*5647,3635 + (872,6300) (4639,5803 + 1017,9234) = -118594,6913 kj/kmol ΔHR (328 K) = ΔHR1 (328 K) + ΔHR2 (328 K)... (5) = -122923,8797 kj/kmol + -118594,6913 kj/kmol = -241518,5710 kj/kmol ΔHReaksi menunjukkan nilai negatif, sehingga reaksi berlangsung secara eksotermis. 3
Harga ΔG o f untuk masing masing komponen adalah sebagai berikut (Yaws, 1999): ΔGf o Cl2 ΔGf o C6H6 ΔGf o C6H5Cl ΔGf o HCl ΔGf o p-c6h4cl2 ΔGf o o-c6h4cl2 = 0 kj/kmol = 129660 kj/kmol = 99160 kj/kmol = -95300 kj/kmol = 77150 kj/kmol = 82680 kj/kmol Pada reaksi pembentukan monochlorobenzene : 1. C 6 H 6 (l) + Cl 2 (g) C 6 H 5 Cl (l) + HCl (g)... (1) ΔG o = ΔG o f produk - ΔG o f reaktan... (6) = 99160 + (-95300) (129660 + 0) = -125800 kj/kmol ΔG o pada suhu 298 K memiliki persamaan : ΔG o = - RT ln K1... (7) Sehingga kontanta kesetimbangan pada suhu 298 K (K1) dapat dihitung dengan persamaan: ln K1 = Go R T... (8) = ( 125800) 8,314. 298 = 50,7755 K1 = e 50,7755 = 1,1260.10 22 Pada suhu reaksi berlangsung 55 o C (328 K), besarnya konstanta kesetimbangan K2 dapat dihitung dengan persamaan: 4
ln K 2 K 1 = [ H R ] [ 1 T 2 1 T 1 ]...(9) K 2 122923,8797 ln = [ ] [ 1 1,1260. 1022 8,314 328 1 298 ] K 2 ln = 4,5379 1,1260. 1022 K 2 = e 4,5379 1,1260. 1022 K 2 = 0,0107 1,1260. 1022 K2 = 1,2043.10 20 Nilai konstanta kesetimbangan K yang diperoleh sangat besar, sehingga reaksi berjalan searah menuju produk atau irreversible. 2. C 6 H 5 Cl (l) + Cl 2 (g) C 6 H 4 Cl 2 (l) + HCl (g)... (2) ΔG o = ΔG o f produk - ΔG o f reaktan... (6) = 0,75*77150 +0,25*82680+(-95300) (99160 + 0) = -115.927,5 kj/kmol ΔG o pada suhu 298 K memiliki persamaan : ΔG o = - RT ln K1... (7) Sehingga kontanta kesetimbangan pada suhu 298 K (K1) dapat dihitung dengan persamaan: ln K1 = Go R T... (8) = ( 115,927,5) 8,314. 298 = 46,7908 K1 = e 46,7908 = 2,0940.10 20 Pada suhu reaksi berlangsung 55 o C (328 K), besarnya konstanta kesetimbangan K2 dapat dihitung dengan persamaan: ln K 2 = [ H ] [ 1 1 ]... (9) K 1 R T 2 T 1 K 2 118594,6913 ln = [ ] [ 1 2,0940. 1020 8,314 328 1 298 ] K 2 ln = 4,3781 2,0940. 1020 K 2 = e 4,3781 2,0940. 1020 5
K 2 = 0,0125 2,0940. 1020 K2 = 2,6278,10 18 Nilai konstanta kesetimbangan K yang diperoleh sangat besar yang jauh dari 1, maka reaksi berjalan searah menuju produk atau irreversible. 2.2 Tinjauan Kinetika Data kinetika pembentukan monochlorobenzene adalah sebagai berikut (Bodman, 1968): r1 = -k1. xb... (10) r2 = -k2. xm... (11) Dimana: r1 = kecepatan reaksi 1 (pers. 1) r2 = kecepatan reaksi 2 (pers. 2) xb = fraksi mol benzene 3. SPESIFIKASI ALAT PROSES 3.1 Reaktor xm = fraksi mol monochlorobenzene k1 = konstanta kinetika pada reaksi 1 (pada 55 o C)= 1,00x10-4 s -1 k2 = konstanta kinetika pada reaksi 2 (pada 55 o C)= 0,15x10-4 s -1 Kode : R 111 Fungsi Jenis Suhu Tekanan Katalis : Sebagai tempat terjadinya reaksi antara benzene dengan chlorine dengan bantuan katalis FeCl3 : Fixed Bed Multitube : 55-72 o C : 2,36 atm : FeCl3 Bahan konstruksi : Stainless Steel SA-314 Dimensi - OD shell : 0,9917 m - ID shell : 0,9790 m - Tinggi : 7,8116 m - Jumlah Tube (Nt) : 384 tube - Tinggi bed katalis : 5,8522 m - OD tube : 1,5000 in 6
- ID tube : 1,3700 in 3.2 Menara Destilasi Tabel 2. Spesifikasi Menara Destilasi Spesifikasi Menara Destilasi 1 Menara Destilasi 2 Kode D-221 D-222 Memisahkan produk Fungsi Memisahkan benzene monochlorobenzene dan dichlorobenzene Jenis Sieve tray Sieve tray Carbon steel SA-283 grade Carbon steel SA-283 Bahan konstruksi C grade C Kondisi operasi Suhu top ( o C) 80,24 138,73 Suhu bottom ( o C) 138,73 171,03 Tekanan (atm) 1 1,08 Diameter (m) 0,8642 1,3991 Tebal shell (in) 0,2500 0,2500 Jenis head Torispherical head Torispherical head Tinggi head (m) 0,2274 0,3239 Tebal head (in) 0,3125 0,3125 Jumlah plate 46 33 Plate Spacing (m) 0,4500 0,4500 Feed plate 41 23 Tinggi total (m) 21,6048 15,0479 3.3 Absorber Kode : D-111 Jenis Fungsi : Menara absorber dengan packing : Menyerap gas HCl menggunakan air Bahan konstruksi : Stainless Steel SA-314 Suhu Tekanan Packing Dimensi : 32,5 o C : 2,36 atm - Jenis : Raschig ring - Bahan : Ceramics - Ukuran : 1,5 in - ID shell : 0,9796 m - OD shell : 0,9955 m 7
- Tebal shell : 0,3125 in - Tebal head : 0,3125 in - Tinggi head : 0,2484 m - Tinggi total : 7,0549 m 3.4 Separator Kode : D-131 Fungsi : Memisahkan keluaran R-111 berupa cairan dan gas Jenis : Horizontal separator with demister Bahan konstruksi : Stainless Steel SA-314 Suhu : 71,28 o C Tekanan : 2,36 atm Dimensi - Diameter : 1,3631 m - Panjang : 4,0893 m - Waktu hold-up : 14 menit 4. UTILITAS Unit pendukung proses (utilitas) merupakan bagian penting yang dapat menunjang kelancaran proses produksi. Dalam prarancangan kali ini, sumber air yang digunakan berasal dari air sungai. Utilitas yang dibutuhkan, antara lain: a. Unit penyediaan air = 226.967,7583 kg/jam b. Unit penyediaan steam = 3.141,7971 kg/jam c. Unit penyediaan bahan bakar = 381,2433 L/jam d. Unit penyediaan listrik = 855,6595 kw e. Unit penyediaan udara tekan = 50 m 3 /jam 5. MANAJEMEN PERUSAHAAN Pabrik ini direncanakan memiliki bentuk perusahaan Perseroan Terbatas (PT) dengan lokasi di Kawasan Industri Cilegon, Banten, dengan jumlah karyawan 188 orang yang tebagi atas karyawan shift dan nonshift. 6. ANALISIS EKONOMI Pada prarancangan pabrik ini, dilakukan analisis ekonomi agar dapat memperkirakan besarnya laba yang diperoleh, lamanya modal investasi, modal 8
350 dapat kembali, kelayakan investasi dan kapan terjadinya titik impas. Analisis ekonomi juga bertujuan untuk mengetahui apakah pabrik yang akan didirikan dapat menguntungkan atau tidak. Pabrik yang akan didirikan dievaluasi pada tahun 2020. Analisis harga alat maupun harga-harga lain diperhitungkan pada tahun evaluasi. 300 Dollar/ tahun ( x 10 6 250 200 150 100 50 S D P 0,3 Ra 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Kapasitas Produksi per tahun (%) B E P R a V a F a S a Gambar 6.2 Grafik Analisis Kelayakan Pabrik Monochlorobenzene 7. KESIMPULAN Hasil analisis ekonomi adalah sebagai berikut: No. Kriteria Hasil Batasan Return On Investment (ROI) Untuk pabrik low risk min 1. - ROI sebelum pajak 48,59% 11%, high risk min 44% (Tabel 54, Aries dan Newton, hal 193) - ROI setelah pajak 36,44% 2. Pay Out Time (POT) - POT sebelum pajak 1,71 tahun - POT setelah pajak 2,15 tahun Untuk pabrik low risk maks 5 tahun, high risk maks 2 tahun (Tabel 55, Aries dan Newton, hal 196) 3. Break Event Point (BEP) 45,63% 40-60% 4. Shut Down Point (SDP) 28,85% 20-30% 9
Lebih besar dari bunga bank 5. Internal Rate of Return (IRR) 39,92% deposito 7% (Bank Bukopin) Dari hasil analisis ekonomi yang sudah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa pabrik monochlorobenzene ini menguntungkan dan layak untuk didirikan. DAFTAR PUSTAKA Aries, R.S., and Newton, R.D., 1955, Chemical Engineering Cost Estimation, Mc. Graw Hill Book Company, New York. Badan Pusat Statistik, 2015, Statistik Perdagangan Luar Negeri. Brannan, C.R., 2002, Rules of Thumb for Chemical Engineer, Gulf Publising, United States of America. Brown, G.G., 1950, Unit Operations, John Wiley and Sons, Inc., New York. Brownell, L.E. and Young, E.H., 1979, Process Equipment Design, John Wiley and Sons, Inc., New York. Bodman, Samuel.W., 1968, The Industrial Practice of Chemical Process Engineering, MIT Press, England. Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 2005, Chemical Engineerin, 4 th ed, Vol. 6, Elsevier Butterworth-Heinemann, Linacre House, Jordan Hill, Oxford. Faith, W.L., Keyes, D.B., and Clark, R.L., 1957, Industrial Chemistry, John Wiley and Sons, London. Fessenden, R.J. and J.S Fessenden, 1999, Kimia Organik, Jilid 1, Terjemahan Aloysius Hadyana Pudjaatmaka, Erlangga, Jakarta. Fogler, H.S., 2006, Elementary of Chemical Reaction Engineering, 3 th ed., Prentice- Hall, Engle Cliffs., NJ Holman, J.P., 2010, Heat Transfer, 10 th ed, Mc.Graw-Hill Companies, Inc, New York. Kern, D.Q., 1950, Process Heat Transfer, Mc. Graw-Hill International Book Company Inc., New York. Kirk, R.E. and Othmer, D.F., 1983, Encyclopedia of Chemical Technology, 3 rd ed., Vol. 6, The Inter Science Encyclopedia, Inc., New York. Levenspiel, O., 1972, Chemical Reaction Engineering 2 nd ed., John Wiley and Sons, Inc., Toronto. 10
Ma sud, Fuad, 2004, Survai Diagnosis Organisasi Konsep dan Aplikasi, Badan Penerbit Universitas Diponegoro, Semarang. Mc.Ketta, J.J., and Cunningham W.A., 1993, Encyclopedia of Chemical Processing and Design, Marcel Dekker, Inc., New York. Perry, R.H. and Green, D.W., 2007, Perry s Chemical Engineers Handbook 8 th ed., Mc. Graw-Hill Book Company, New York. Peters, M.S. and Timmerhaus, K.D., 2003, Plant Design and Economic for Chemical Engineering 5 th ed., Mc. Graw-Hill International Book Company Inc., New York. Rase, H.F., and Holmes, J. R., 1977, Chemical Reactor Design for Process Plant, Volume One : Principles and Techniques, John Wiley and Sons, Inc., New York. Reid, R. C., Praustniz, J. M., and Poling, B. E., 1987, The Properties of Gases and Liquids 4 th ed., Mc-Graw Hill Book Co., New York. Riawan, 1990, Kimia Organik, Bina Rupa Aksara, Jakarta. Smith, J.M., 1985, Chemical Engineering Kinetics 5 th ed., Mc. Graw-Hill Book Company, Singapore. Smith, J.M. and Van Ness, H.C., 1987, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics 4 th ed., Mc. Graw-Hill Book Co., New York. Ulrich, G.D., 1984, A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics, John Wiley and Sons, Inc., New York. Widjaja, G dan Yani, A, 2003, Perseroan Terbatas, Raja Grafindo Persada, Jakarta. Yaws, 1999, Thermodynamic and Physical Properties Data, Mc. Graw Hill Book Co., Singapore. Zamani, 1998, Manajemen, Badan Penerbit IPWI, Jakarta. 11