NASKAH PUBLIKASI PRARANCANGAN PABRIK AKRILONITRIL DARI AMONIAK, PROPILENA DAN UDARA DENGAN KAPASITAS 9.000 TON/TAHUN Disusun Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Oleh: Risky Patria Sari D 500 090 023 Dosen pembimbing: 1. Ir. Nur Hidayati, M.T., Ph.D. 2. Eni Budiyati, ST., M.Eng PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA SURAKARTA 2013
INTISARI Akrilonitril disebut juga vinil sianida atau propen nitril merupakan salah satu bahan kimia dalam industri sebagai bahan tambahan dalam industri resins, termoplastik, bahan tambahan dalam sintesa organik, akrilamida, dan ABS resins. Pada saat ini kebutuhan akrilonitril di Indonesia masih didatangkan dari import luar negeri, oleh sebab itu pendirian pabrik akrilonitril di Indonesia sangatlah penting guna mengurangi import akrilonitril dari luar negeri. Bahan baku pembuatan akrilonitril adalah amoniak, propilena dan udara dengan perbandingan mol reaktan propilen : amoniak : udara = 1 : 1,2 : 9,8 yang direaksikan dalam reaktor fixed bed multitube yang beroperasi secara non adiabatik non isothermal pada suhu 307 308,3 o C dan tekanan 1,5 atm dengan katalis Bismuth phosphomolybdate. Alat utama pada proses pembuatan akrilonitril adalah reaktor, absorber, separator dan menara distilasi. Produk utama yang dihasilkan adalah akrilonitril sedangkan produk samping yang dihasilkan adalah asam sianida dan asetonitril. Prarancangan pabrik akrilonitril ini berkapasitas 9.000 ton/tahun dan lokasi pabrik dipilih di daerah Cilegon, Jawa Barat dengan luas area 20.000 m 2. Bentuk perusahaan yang dipilih adalah Perseroan Terbatas dengan pimpinan tertinggi dipegang oleh seorang direktur dan dibantu oleh para manajer dengan jumlah karyawan sebanyak 158 orang. Berdasarkan hasil analisa ekonomi prarancangan pabrik ini membutuhkan modal tetap dan modal kerja sebesar Rp. 236.958.282.596 dan Rp.54.653.079.220 dan didapatkan Return of Invetsment sebelum pajak 27,48%, setelah pajak 13,74%,, Break Even Point 48,18%, Shut Down Point 21,81%, Pay Out Time sebelum pajak 2,67 tahun, setelah pajak 4,21 tahun. Berdasarkan analisa ekonomi tersebut, maka dapat disimpulkan bahwa pabrik Akrilonitril ini layak didirikan. Kata Kunci : Akrilonitril, Prarancangan Pabrik, Ammoksidasi Propilena
Surat Persetujuan Artikel Publikasi Ilmiah Yang bertanda tangan di bawah ini pembimbing skripsi/tugas akhir: Nama : Ir. Nur Hidayati, M.T., Ph.D. NIP/NIK : 975 Telah membaca dan mencermati naskah artikel publikasi ilmiah, yang merupakan ringkasan skripsi/tugas akhir dari mahasiswa: Nama : Risky Patria Sari NIM : D 500 090 023 Program studi : Teknik Kimia Judul skripsi : Prarancangan Pabrik Akrilonitril Dari Amoniak, Propilena dan Udara dengan Kapasitas 9.000 Ton/Tahun Naskah artikel tersebut layak dan dapat disetujui untuk dipublikasikan. Demikian persetujuan ini dibuat, semoga dapat dipergunakan seperlunya. Surakarta,...2013 Dosen pembimbing Ir. Nur Hidayati, M.T., Ph.D. NIK. 975
A. PENDAHULUAN Sebagai negara yang sedang berkembang, pembangunan industri di Indonesia merupakan salah satu usaha jangka panjang untuk merombak struktur perekonomian nasional. Sebagaimana pembangunan yang sedang berjalan saat ini, Indonesia sudah seharusnya menuju era industrialisasi untuk menjadi produsen dunia. Hal ini tentunya memacu kita untuk lebih efisien dalam melakukan terobosan-terobosan baru sehingga produk yang dihasilkan mempunyai pangsa pasar, daya saing, efektif dan efisien tetapi tetap harus ramah lingkungan. Akrilonitril merupakan bahan kimia berbentuk cairan, tidak berwarna, dapat larut dalam hampir semua pelarut organik dan larut di dalam air. Akrilonitril disebut juga vinil sianida atau propen nitril mempunyai rumus molekul H 2 C=CH- C N. Akrilonitril mempunyai banyak kegunaan diantaranya sebagai bahan tambahan dalam industri resin, termoplastik, bahan tambahan dalam sintesa organik, adiponitril, akrilamida dan acrylonitril-butadiene-styrene (ABS) resin. Faktor utama yang melatarbelakangi berdirinya pabrik akrilonitril ini pada dasarnya adalah sama dengan sektor-sektor lain yaitu untuk melakukan suatu usaha yang secara sosial-ekonomi cukup menguntungkan. Karena sifatnya prospektif dimasa akan datang mudah diperoleh bahan baku yaitu amoniak, propilena dan udara yang cukup memadai di Indonesia, teknologi dan tenaga pelaksana yang dibutuhkan dapat terpenuhi sehingga keuntungan dapat dicapai dengan adanya pendirian pabrik akrilonitril ini. Faktor pendukung lainnya adalah diharapkan dengan berdirinya pabrik akrilonitril ini dapat memenuhi kebutuhan akrilonitril dalam negeri. Sehingga dapat mengurangi impor akrilonitril dari luar negeri. Di Indonesia bahan baku akrilonitril tersebut dipergunakan oleh pabrik acrylic fibers dan resin ABS yang selama ini kebutuhan tersebut untuk memenuhinya pemerintah harus mendatangkan dari luar negeri seperti Jepang, Taiwan, Korea, Belgia, Amerika Serikat dan Jerman Barat. Selain dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri juga dapat membantu pemerintah dalam penanggulangan masalah pengangguran di Indonesia yaitu dengan cara menciptakan lapangan pekerjaan baru serta dapat
menghemat devisa negara yang cukup besar karena berkurangnya import akrilonitril serta mengurangi ketergantungan pada negara lain. B. PERANCANGAN KAPASITAS Kapasitas pabrik merupakan faktor yang sangat penting dalam pendirian pabrik karena akan mempengaruhi perhitungan teknis dan ekonomis. Dalam penentuan kapasitas perancangan ini didasarkan pada kebutuhan akan Akrilonitril di Indonesia. Di Indonesia sekarang ini banyak didirikan pabrikpabrik kimia yang menggunakan akrilonitril sebagai bahan baku utamanya diantaranya adalah pabrik acrylic fibers, Resin ABS dan Akrilonitril stiren. Proyek-proyek yang selama ini menggunakan akrilonitril sebagai bahan baku utamanya adalah PT. Hamparan rejeki, PT. Arindo Nusa Fiber, PT. Graha Swakarsa Prima.. C. KONSEP REAKSI Akrilonitril dapat dibuat dengan mereaksikan propilena, amoniak dan udara dengan katalis bismuth phosphomolybdate. Reaksi dapat berjalan optimum pada tekanan 1,5 atm dan suhu 307-308,3 o C. Reaksi dilangsungkan pada reaktor fixed bed multitube (Dutta and Gualy, 1999) : Reaksi utama yang terjadi : C 3 H 6 + NH 3 + 3/2 O 2 C 3 H 3 N + 3H 2 O...(1) Sedangkan reaksi samping yang terjadi : C 3 H 6 + 3/2 NH 3 + 3/2 O 2 3/2CH 3 CN + 3H 2 O...(2) C 3 H 6 + 3 NH 3 + 3 O 2 3 HCN + 6H 2 O...(3) C 3 H 6 + 3 O 2 3CO + 3H 2 O...(4) C 3 H 6 + 9/2 O 2 3CO 2 + 3H 2 O...(5) C 3 H 6 + 3/2 O 2 C 3 H 4 O 2 + H 2 O...(6) Pada proses ini propilena terkonversi menjadi akrilonitril sebanyak 87,1% (Dutta and Gualy, 1999). Reaksi pembentukan akrilonitril adalah reaksi eksothermis, panas yang dihasilkan sangat besar. HR = -515650 KJ/Kmol
(Coulson and Richardson, 1983). Untuk mempertahankan kondisi reaktor maka panas harus diserap oleh fluida pendingin berupa Dowtherm A (Perry and Green, 1999). D. TINJAUAN KINETIKA Persamaan laju reaksi dan konstanta kecepatan reaksi dituliskan sebagai berikut (Dutta and Gualy, 1999) : r 1 = k 1 * x C 0,48 PR C 0,48 0,19 O2 C NH3 r 2 = k 2 * x C 0,43 PR C 0,52 0,47 O2 C NH3 r 3 = k 3 * x C 0,43 PR C 0,52 0,47 O2 C NH3 0,50 r 4 = k 4 * x C PR C O2 0,50 r 5 = k 5 * x C PR C O2 0,50 r 6 = k 6 * x C PR C O2 dimana : k 1 = 0,171 exp -20000/RT k 2 = 0,112 exp -20000/RT k 3 = 0,163 exp -25000/RT k 4 = 0,0529 exp -35000/RT k 5 = 0,110 exp -35000/RT k 6 = 0,215 exp -25000/RT Ditinjau dari kinetika reaksinya, bahwa kecepatan reaksi ammoksidasi akan bertambah besar dengan naiknya temperatur. Hal ini dapat ditunjukkan oleh persamaan berikut ini : k 1 = k 01 *e -E1*/RT dimana : r 1 k 1 * k 01 * E 1 * R T C PR, C O2, C NH3 = Persamaan reaksi = Persamaan kecepatan reaksi = Pre-exponensial faktor reaksi = Energi aktivasi = Konstanta gas = Temperatur = Konsentrasi mol propilena, oksigen dan amoniak
Namun karena merupakan reaksi amoksidasi katalitik, kecepatan reaksinya tidak hanya dipengaruhi oleh tingginya temperatur, tetapi besarnya energi aktivasi juga dapat diturunkan oleh aktivasi katalis. E. DESKRIPSI PROSES Dalam pembuatan akrilonitril dari amoniak, propilena dan udara dilakukan beberapa tahapan sebagai berikut : a. Tahap Penyiapan Bahan Baku b. Tahap Pembentukan Produk c. Tahap Pemisahan Produk 1. Tahap Persiapan Bahan Baku Tujuan dari tahap penyiapan bahan baku ini adalah untuk mengkondisikan bahan baku sehingga sesuai dengan kondisi operasi reaktor. Propilena yang disimpan pada kondisi cair jenuh dalam tangki propilena (T-01), dialirkan menuju expander (EX-01) untuk menurunkan tekanan dari 12,7 menjadi 1,5 atm. Penyiapan bahan baku amoniak juga serupa dengan penyiapan bahan baku propilena. Sedangkan udara dengan temperatur 30 o C dan tekanan 1 atm dilewatkan melalui filter, kemudian dinaikkan tekanannya dengan kompresor (K-01) sehingga tekanannya naik menjadi 1,5 atm dengan temperatur 34,91 o C. 2. Tahap reaksi Proses ammoksidasi propilena bertujuan untuk menghasilkan akrilonitril dalam reaktor (R-01). Propilena, amoniak dan udara direaksikan dalam reaktor fixed bed multitube. Reaktor ini bekerja secara nonisothermal nonadiabatik. Gas umpan masuk reaktor pada suhu 307 o C, tekanan didalam reaktor sebesar 1,5 atm. Dalam proses ini digunakan katalis bismuth phosphomolybdate. Katalis ini ditempatkan pada tube-tube pada reaktor. Reaksi yang terjadi didalam reaktor berlangsung sangat eksotermis, maka untuk menjaga suhu operasi agar tetap pada kondisi suhu 307 o C dan
tekanan 1,5 atm digunakan pendingin. Sebagai pendingin digunakan Dowtherm A. Produk yang keluar dari reaktor berupa campuran gas. 3. Tahap Pemurnian Produk Proses pemisahan bertujuan untuk memisahkan akrilonitril (C 3 H 3 N) dari campuran gas, sehingga diperoleh produk akrilonitril 99%. Gas yang keluar dari reaktor dilewatkan ke waste heat boiler (WHB-01) untuk membuat steam dengan memanfaatkan panas produk keluar reaktor kemudian didinginkan melalui cooler (Co-01). Produk reaktor dialirkan menuju absorber (AB-01). Untuk menyerap produk digunakan air sebagai pelarut. Gas-gas yang tidak terserap oleh air keluar lewat puncak menara, sedangkan gas-gas lain yang keluar pada bagian bawah absorber dipompa (P-01) menuju Co-01 untuk memanfaatkan panas dari Co-01. Kemudian dialirkan ke separator (Sp-01) untuk memisahkan komponen yang keluar pada bagian atas separator dengan komponen yang keluar pada bagian bawah. Selanjutnya hasil bawah Sp-01 dipompa (P-03) menuju ke menara distilasi (MD-01) untuk memurnikan produk. Hasil produk atas berupa HCN, C 3 H 3 N, H 2 O dengan konsentrasi besar pada HCN dikondensasi pada condensor (Cd-01) dan ditampung sementara pada accumulator (Acc-01) yang kemudian dialirkan (arus 11) dengan pompa (P-03) menuju Cooler 02 (Co-02) untuk menurunkan suhu produk dari 41,65ºC menjadi 30ºC dan disimpan pada tangki penyimpan 04 (T-04). Hasil bawah MD-01 dipompa (P-04) menuju ke reboiler (Rb-01) dimana sebagian diuapkan dan sebagian dialirkan (arus 12) menuju menara distilasi 02 (MD-02) untuk memurnikan produk Akrilonitril agar sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Hasil produk atas MD-02 berupa HCN, C 3 H 3 N, H 2 O dengan konsentrasi yang besar pada C 3 H 3 N dikondensasi pada condensor (Cd-02) dan ditampung sementara pada accumulator (Acc-02), kemudian dipompa (P-05) menuju cooler (Co-03) untuk menurunkan suhu produk dari 78 o C menjadi 35 o C dan siap disimpan pada tangki penyimpanan (T-05). Sedangkan hasil bawah menara distilasi (MD-02) dipompa (P-06) menuju ke reboiler (Rb-02) dimana sebagian diuapkan dan sebagian sebagai limbah.
Untuk arus recycle dari arus 7 dan arus 9 bertujuan untuk mengambil kembali dan memisahkan bahan baku yaitu C 3 H 6 dan NH 3 serta mengambil produk samping yang berupa asetonitril (CH 3 CN). Arus 7 dan arus 9 dialirkan menuju Chiller (CH-01) untuk menurunkan suhu keduanya dan siap masuk Separator (Sp-02) untuk memisahkan produk atas dengan produk bawah. Kemudian produk bawah dipompa (P-07) menuju Heater (HE-01) untuk menaikkan suhu umpan siap masuk Separator (Sp-03). Sp-03 untuk memisahkan C 3 H 6 dan NH 3 sebagai produk atas dengan CH 3 CN sebagai produk bawah. Produk atas Sp-03 kemudian dialirkan menuju Kompresor (K-02) untuk menaikan tekanan arus dari 1 atm menjadi 1,5 atm dan diumpankan kembali melewati F-01. Sedangkan untuk produk bawah Sp-03 dialirkan menuju tangki penyimpan (T- 03). F. SPESIFIKASI ALAT UTAMA PROSES Alat-alat yang digunakan dalam proses produksi akrilonitril harus disesuaikan dengan kapasitas perancangan dan standar internasional yang umum digunakan. Dari hasil perhitungan data spesifikasi alat proses pabrik akrilonitril dengan kapasitas 9.000 ton/tahun adalah sebagai berikut: 1. Furnace Kode : F-01 Fungsi : Menaikkan suhu umpan reaktor menjadi 580 K. Jenis : Box type furnace Tekanan : 1,5 atm Beban panas furnace : 3.931.553,3 KJ/jam Bahan bakar : fuel oil Kebutuhan bahan bakar: 133,85 L/jam Digunakan pipa : OD : 4,5 in ID : 4,026 in Sch : 40
Lebar : 6 ft Tinggi : 9 ft Volume furnace : 540 ft3 Tinggi stack : 15,06 m Harga : Rp. 1.869.840.000,00 2. Reaktor Kode : R-01 Fungsi : Sebagai tempat berlangsungnya reaksi antara Propilena, Amoniak dan udara. Jenis : Fixed bed multitube Suhu masuk : 580,15 K Suhu keluar : 652,97 K Tekanan : 1,5 atm Fase reaksi : gas Katalis : Nama : Bismuth phosphomolybdate Fase : padat Bentuk : granular Ukuran : - Dp = 0,3175 cm - b = 1500 kg/m3 - Porositas = 0,411 Tebal shell : 3/16 in Tebal head : 3/16 in Tinggi reaktor : 5,026 m Pipa OD pipa : 1 ½ in ID pipa : 1,37 in Jumlah pipa : 307 buah Triangular pitch : 1 7/8 in
Clearance : 0,375 in ID shell : 34,5 in Jarak baffle : 8,625 in Jumlah baffle : 4 buah Tebal isolasi : 0,35 cm Jumlah : 1 buah Harga : Rp. 1.440.031.600,00 3. Absorber Kode : AB-01 Fungsi : Menyerap gas Akrilonitril yang keluar dari reaktor. Jenis : Packed Tower Jumlah : 1 buah Diameter : 1,5 m Tinggi : 9,91 m Bahan isian : Raschig Ring 1 1/2 in Tebal Shell : 3/16 in Tebal head : 3/16 in Harga : Rp. 636.216.000,00 4. Menara Distilasi 01 Kode : MD-01 Fungsi : Untuk mengambil HCN sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Jenis : Sieve Tray Jumlah : 1 buah Diameter Atas : 0,89 m Diameter Bawah : 0,76 m Tinggi : 7,74 m Jumlah Stage : 28 buah Tebal Shell : 3/16 in
Tebal Head : 3/16 in Bahan : Carbon Steel SA-283 grade C Harga : Rp. 109.221.000,00 5. Menara Distilasi 02 Kode : MD-02 Fungsi : Untuk mengambil Akrilonitril sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Jenis : Sieve Tray Jumlah : 1 buah Diameter Atas : 1,46 m Diameter Bawah : 2,19 m Tinggi : 12,74 m Jumlah Stage : 48 buah Tebal Shell : 1/4 in Tebal Head : 3/16 in Bahan : Carbon Steel SA-283 grade C Harga : Rp. 425.173.000,00 6. Separator 01 Kode Fungsi Jenis Tekanan Temperatur Diameter Panjang Tebal head Tebal shell Jumlah Bahan : Sp-01 : memisahkan Asetonitril dari Akrilonitril dan HCN : Flash drum horizontal : 1 atm : 99,561 o C : 2,35 m : 5,72 m : 3/16 in : ¼ in : 1 buah : Carbon steel SA-283 grade C
Harga : Rp. 197.960.000,00 7. Separator 02 Kode Fungsi : Sp-02 : Untuk memisahkan O 2, N 2, CO, CO 2, C 3 H 8 sebagai produk atas dengan CH 3 CN, C 3 H 3 N, C 3 H 6, NH 3 sebagai produk bawah. Jenis : Flash drum vertical Tekanan : 1 atm Temperatur : -56,22 o C Diameter : 1,87 m Tinggi : 4,78 m Tebal head : 3/16 in Tebal shell : 3/16 in Jumlah : 1 buah Bahan : Carbon steel SA-283 grade C Harga : Rp. 167.580.000,00 8. Separator 03 Kode : Sp-03 Fungsi : Untuk memisahkan C 3 H 6 dan NH 3 dengan CH 3 CN Jenis : Flash drum vertical Tekanan : 1 atm Temperatur : -39,92 o C Diameter : 0,15 m Tinggi : 1,33 m Tebal head : 3/16 in Tebal shell : 3/16 in Jumlah : 1 buah Bahan : Carbon steel SA-283 grade C Harga : Rp. 30.380.000,00
juta G. ANALISA EKONOMI Analisa ekonomi berfungsi untuk mengetahui apakah pabrik yang akan didirikan dapat menguntungkan atau tidak dan layak atau tidak jika didirikan berdasarkan valuasi ekonominya. Berdasarkan evaluasi ekonomi yang telah dilakukan pabrik direncanakan beroperasi selama 330 hari pertahun dengan jumlah karyawan 158 orang, modal tetap sebesar Rp. 236.958.282.596 pertahun. Modal kerja sebesar Rp.54.653.079.220 pertahun. Setelah dipotong pajak keuntungan mencapai Rp.32.899.263.754 pertahun. Percent return on investment (ROI) sebelum pajak sebesar 27,48% dan sesudah pajak sebesar 13,74%. Pay out time (POT) sebelum pajak sebesar 2,67 tahun dan setelah pajak 4,21 tahun. Break event point (BEP) sebesar 48,18%, shut down point (SDP) sebesar 21,81%, discounted cash flow (DCF) sebesar 30,18%. Hasil ini dapat ditunjukkan dalam gambar 1. $45 $40 $35 $30 $25 $20 R a Sa $15 $10 Va $5 $- 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 SDP BEP Fa Gambar 1. Grafik hasil analisis ekonomi pabrik akrilonitril
H. KESIMPULAN Pabrik Akrilonitril digolongkan pabrik beresiko rendah. Karena bahan baku dekat, tidak korosif dan dilihat dari kondisi operasinya pabrik beroperasi pada suhu 307-308,3 C dan tekanan 1,5 atm Kelayakan pabrik berdasarkan analisis ekonomi ditunjukkan dalam tabel 2. Tabel 2. Perbandingan Analisis Ekonomi Perhitungan dan Referensi (Aries and Newton, 1955) Keterangan Perhitungan Referensi ROI (return on investment) sebelum pajak POT (pay out time) sebelum pajak BEP (break even point) SDP (shut down point) DCF (discounted cash flow) 27,48% 2,67 th 48,18% 21,81% 30,18% Low risk 44% High risk 11% Low risk 2th High risk 5th 40%-60% 25-30% Minimal 24% Berdasarkan pertimbangan bahwa ROI, BEP, dan DCF untuk pabrik beresiko rendah perhitungannya memenuhi standar, sehingga pabrik Akrilonitril ini layak untuk didirikan.
DAFTAR PUSTAKA Aries, R.S, and Newton, R.D., 1995, Chemical engineering Cost Estimation, Mc. Graw Hill Book Co Inc., New York. Biro Pusat Statistik, 2012, Statistik Perdagangan Luar Negeri Indonesia. Jakarta. Coulson, J.H., and Richardson, J.F., 1983, Chemical Engineering Design, vol. 6, Pergason Press, Oxford. Dutta S., and Gualy R., 1999, Hydrocarbon Processing Paper, GTC. Technology Corp., Houston, Texas. Perry, R.H., and Green, D., 1999, Perry s Chemical Engineer s Hand Book, 7th ed, Mc Graw Hill Book Company Inc., New York.
Berikut adalah hasil tes turnitin :