DESKRIPSI PROSES 2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk 2.1.1 Spesifikasi Bahan Baku Utama a. Etanol Sifat fisis : Rumus molekul : C2H5OH Berat molekul, gr/mol : 46,07 Titik didih, C : 78,32 Titik lebur, C : -114,1 Tekanan kritis, bar : 63,84 Suhu kritis, C : 243,1 Densitas, gr/ml : 0,7893 Viskositas (20 C), cp : 1,17 Sifat kimia : Reaksi oksidasi. Reaksi oksidasi etanol dengan bantuan katalis K2Cr2O7, KMnO4, Na2Cr2O7 menghasilkan formaldehid. Reaksi : C2H5OH 2H2 + O2 HC2H3O + H2 2H2O Deskripsi Proses 14
15 Reaksi esterifikasi. Reaksi esterifikasi antara etanol dengan asam organik akan membentuk ester dan air. Reaksi : C2H5OH + HCOOH HCOOC2H5 + H2O Reaksi substitusi. Reaksi substitusi antara etanol dengan HCl menggunakan bantuan katalis ZnCl2 menghasilkan etil klorida. Reaksi : C2H5OH + HCl C2H5Cl + H2O (Kirk Othmer, 1998) b. Asam Akrilat Sifat fisis : Rumus molekul : CH2CHCOOH Berat molekul, gr/mol : 72,06 Titik didih (101,3 kpa), C : 141 Titik lebur, C : 13,5 Tekanan kritis, mpa : 5,06 Suhu kritis, C : 380 Densitas (30 C), gr/ml : 1,040 Viskositas (25 C), mpa.s : 1,149 Panas penguapan (101,3 kpa), kj/mol : 45,6 Panas pembakaran, kj/mol : 1376 Deskripsi Proses
16 Sifat kimia : Reaksi esterifikasi. Reaksi esterifikasi terjadi jika asam akrilat direaksikan dengan suatu alkohol membentuk ester dari asam akrilat dan air. Reaksi : CH2 = CHCOOH + ROH CH2 = CHCOOR + H2O Reaksi adisi. Asam akrilat dapat diadisi dengan halogen, hidrogen dan hidrogen sianida. Reaksi : CH2 = CHCOOH + HX H2CX CH2COOR (Kirk Othmer, 1998) 2.1.2 Spesifikasi Bahan Pembantu Asam Sulfat Bentuk Warna : cair : tidak berwarna Kemurnian, % berat : minimal 98% Densitas : 1,84 g/cm 3 Kelarutan Titik didih Titik leleh : larut dalam air : 290 o C : 10 o C (www.wikipedia.com) Deskripsi Proses
17 2.1.3 Spesifikasi Produk Utama a. Etil Akrilat Sifat fisis : Berat molekul, gr/ mol : 100,12 Titik didih (101,3 kpa), C : 99,4 Titik lebur, C : -72 Densitas (20 C), gr/ml : 0,9231 Viskositas (25 C), cp : 0,55 Panas penguapan (99,4 C), kj/mol : 34,8 Sifat kimia : Bereaksi secara tak terkendali dengan oksidan kuat yang akan menyebabkan ledakan dan kebakaran. Mudah terpolarisasi pada suhu yang tinggi. (Kirk Othmer, 1998) 2.2 Konsep Proses 2.2.1 Mekanisme Reaksi Proses pembuatan etil akrilat dengan proses esterifikasi dilakukan dalam reaktor alir tangki berpengaduk, dimana etanol dan asam akrilat dimasukkan bersamaan ke dalam reaktor secara bersamaan. Di dalam reaktor terjadi reaksi sebagai berikut : Deskripsi Proses
18 O + OH OH OH H + ROH - H + RC-OH RC-OH RC-OH RC-OH R O + -H R O OH OH + OH O H + - H2O - H + RC- + OH2 RC + RC RCOR R O R O R O Mekanisme ini dapat diringkas sebagai berikut : O OH O H + RCOH + R OH R-C-OH RCOR + H2O asam karboksilat etanol ester OR Dalam reaksi esterifikasi, ikatan yang terputus adalah ikatan rangkap C-O dari asam karboksilat bukan ikatan O-H dari asam atau ikatan C-O dari alkohol. (Fessenden, 1997) Deskripsi Proses
19 2.2.2 Kondisi Operasi Pada proses ini asam akrilat direaksikan dengan etanol dengan katalis asam sulfat membentuk etil akrilat. Reaksi esterifikasi ini berlangsung pada suhu 80 C dan tekanan atmosferis. Perbandingan mol asam akrilat dan etanol yang digunakan adalah 1:1-1,1. Reaksi tersebut terjadi di dalam Reaktor Alir Tangki Berpengaduk. Yield produk berdasarkan asam akrilat sebesar 97,5 %. (United States Patent 6.337.610, 1984) 2.2.3 Tinjauan Termodinamika Untuk menentukan sifat reaksi (eksotermis/endotermis) dan arah reaksi ( reversible/irreversible), maka perlu perhitungan dengan menggunakan panas pembentukan standar ( Hf o ) pada 1 atm dan 298 K dari reaktan dan produk. Tabel 2.1 Harga ΔG f masing-masing Komponen Komponen Harga ΔG f (kj/kmol) Asam Akrilat (AA) -286.060 Etanol (E) -168.280 Etil Akrilat (EA) -245.450 Air (A) -228.642 (Yaws, 1999) Total harga ΔG R298 K = ΔG f produk - ΔG f reaktan = (ΔG f EA + ΔG f A) (ΔG f AA+ΔG f E) = -19.752 kj/kmol Deskripsi Proses
20 Sedangkan harga ΔH f masing-masing komponen pada suhu 298 K dapat dilihat pada Tabel 2.2 sebagai berikut : Tabel 2.2 Harga ΔH f masing-masing Komponen Komponen Harga ΔH f (kj/kmol) Asam Akrilat (AA) -336.230 Etanol (E) -234.810 Etil Akrilat (EA) -349.530 Air (A) -241.800 Total harga ΔH f 298 K = ΔH f produk - ΔH f reaktan = (ΔH f EA + ΔH f A) (ΔH f AA+ΔH f E) = -20.290 kj/kmol Dari nilai ΔG R pada suhu 298 K, maka diperoleh: Ko = 2.899,5803 Dengan Ko adalah kontanta kesetimbangan pada suhu 25 o C (298 K). Dari persamaan Smith & Vab Ness, 1978: dengan : (Smith & Van Ness, 1987) K T ΔH298 = konstanta kesetimbangan pada suhu tertentu = temperatur tertentu = panas reaksi standar pada 298 K Deskripsi Proses
21 Pada suhu 80 C (353 K) besarnya konstanta kesetimbangan dapat dihitung sebagai berikut : K353 809,4392 Karena harga K = k1/k2 besar, berarti harga k2 jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan harga k1 sehingga diabaikan terhadap k1 dan reaksi dianggap berjalan satu arah (irreversible). Tabel 2.3 Kesimpulan Tinjauan Termodinamika Variabel Nilai (kj/kmol) Batasan Keterangan ΔG R 298 K -19.752 Negatif Reaksi berlangsung K 809,4392 100 Irreversible/ searah ΔH f 298 K -20.290 Negatif Eksotermis 2.2.4 Tinjauan Kinetika Reaksi Proses esterifikasi etanol dan asam akrilat menjadi etil akrilat dan air fase cair dan dengan katalis asam sulfat, reaksi yang terjadi adalah: CH2 = CHCOOH + C2H5OH CH2 = CHCOOC2H5 + H2O asam akrilat etanol etil akrilat air Konstanta Kecepatan Reaksi pembentukan etil akrilat dengan asam sulfat sebagai katalis sesuai dengan Canadian Patent 1 151 207, 1983 dirumuskan sebagai berikut : k1 = Deskripsi Proses
22 dengan : k1 = konstanta kecepatan reaksi pembentukan etil akrilat, L/min mol (Canadian Patent 1 151 207, 1983) 2.3 Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses 2.3.1 Diagram Alir Proses Diagram alir kualitatif dapat dilihat pada lampiran Gambar 2.1. 2.3.2 Tahapan Proses Proses pembuatan etil akrilat dengam proses esterifikasi dapat dibagi menjadi 4 tahap, antara lain : 1. Tahap Penyimpanan Bahan Baku 2. Tahap Persiapan Bahan Baku 3. Tahap Pembentukan Produk 4. Tahap Pemurnian Produk 2.3.2.1 Tahap Penyimpanan Bahan Baku Bahan baku asam akrilat ( CH2CHCOOH) dan etanol (C2H5OH) serta katalis asam sulfat (H 2SO4) disimpan pada fase cair dengan suhu 30 C dan tekanan 1 atm dalam Tangki penyimpanan masing masing T- 01, T-02 dan T-03. Bahan baku (C2H5OH) diperoleh dari PT. Bukitmanikam Subur Persada, Lampung dengan kemurnian 99,5% berat, sedangkan asam akrilat ( CH2CHCOOH) diperoleh dari PT Nippon Shokubai Indonesia (NSI) dengan kemurnian 99,7% berat. Deskripsi Proses
23 2.3.2.2 Tahap Penyiapan Bahan Baku Bahan baku untuk pembuatan etil akrilat adalah asam akrilat dan etanol. Asam akrilat disimpan dalam Tangki (T -01) pada tekanan 1 atm dan suhu 30 C. Dari tangki dipompa sehingga tekanannya menjadi 1,2 atm menuju Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (R-01). Etanol disimpan dalam Tangki (T -02) pada tekanan 1 atm dan suhu 30 C. Dari tangki dipompa sehingga tekanannya menjadi 1,2 atm menuju Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (R-01). Asam sulfat disimpan dalam Tangki (T-03) Keluaran hasil atas Menara Distilasi (MD-01) dan hasil atas Menara Distilasi (MD -02) juga diumpankan ke Reaktor Alir Tangki berpengaduk (R-01). 2.3.2.3 Tahap Pembentukan Produk Bahan baku asam akrilat dan etanol dengan perbandingan 1:1,1 diumpankan ke dalam Reaktor Alir Tangki berpengaduk (R-01) yang beroperasi secara isotermal dan non adiabatik pada suhu 80 C dan tekanan 1 atm. Sebagai katalisator digunakan katalis cair Asam Sulfat. Reaktor yang digunakan adalah Reaktor Alir Tangki berpengaduk sejumlah 4 reaktor yang disusun secara seri. Yield produk berdasarkan asam akrilat sebesar 95 %. Reaksi yang terjadi bersifat eksotermis, sehingga untuk menjaga kondisi isothermal perlu dilakukan penghilangan panas. Pendingin yang digunakan adalah air dari PT Krakatau Tirta Industri (KTI). Deskripsi Proses
24 2.3.2.4 Tahap Pemurnian Produk Tahap ini bertujuan untuk memperoleh produk etil akrilat hingga mencapai kemurnian 99,7 % berat. Produk dari Reaktor (R -04) diumpankan dalam dua buah dekanter yang dirangkai seri. Etil Akrilat dengan kemurnian 96,9% diperoleh dari fraksi ringan Dekanter (D -01) yang kemudian diumpankan lagi ke Dekanter (D -02). Etil akrilat dengan kemurnian 99,7 % berat diperoleh dari fraksi ringan Dekanter (D -02). Fraksi berat dari D-01 diumpankan ke Menara Distilasi (MD -01), sedangkan fraksi berat dari D-02 diproses pada Unit Pengolahan Limbah (UPL). 2.3.2.5 Tahap Pengembalian Katalis dan Bahan Baku Pada tahap ini asam sulfat yang keluar dari Dekanter (D -01) diumpankan ke Menara Distilasi (MD -01) pada suhu 40 o C. Air dan sisa bahan baku diperoleh dari hasil atas Menara Distilasi (MD -01). Hasil bawah Menara Distilasi (MD -01) berupa asam sulfat yang kemudian di recycle kembali ke dalam Reaktor (R-01) sebagai katalis. Kemudian hasil atas Menara Distilasi (MD-01) kemudian diproses lagi untuk memisahkan air dengan sisa bahan baku. Hasil atas Menara Distilasi (MD -01) diumpankan ke Menara Distilasi (MD -02) pada suhu 99 o C. Sisa bahan baku diperoleh dari hasil atas Menara Distilasi (MD -02) kemudian di recycle kembali ke dalam Reaktor (R-01). Kemudian hasil bawah Menara Distilasi (MD-02) diproses pada Unit Pengolahan Limbah (UPL). Deskripsi Proses
25 Deskripsi Proses
26 Deskripsi Proses
27 2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas Produk Kapasitas Satu tahun produksi : Etil akrilat 99,7 % berat : 36.000 ton/tahun : 330 hari Waktu operasi selama 1 hari : 24 jam 2.4.1 Neraca Massa Basis perhitungan Satuan : 1 jam operasi : kg/jam Neraca massa prarancangan pabrik etil akrilat sesuai dengan Gambar 2.2. Tabel 2.4 Neraca Massa Pada Reaktor Komponen Masuk Keluar Arus 1 Arus 2 Arus 3 Arus 10 Arus 11 Arus 4 AA 3.297,0177 0,0000 0,0000 64,2849 0,0000 84,0326 E 0,0000 2151,2279 0,0000 0,0000 419,6085 475,7466 EA 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 1,7149 4.554,7573 W 2,4802 44,2774 0,0833 15,2439 0,0000 881,4024 AS 0,0000 0,0000 29,7759 267,9827 0,0000 297,7586 Total 6.293,6974 6.293,6974 Deskripsi Proses
28 Tabel 2.5 Neraca Massa Pada Dekanter 01 Komponen AA E EA W AS Total Masuk Keluar Arus 4 Arus 5 Arus 6 84,0326 8,4033 75,6293 475,7466 47,5747 428,1719 4.554,7573 4.542,8584 11,8989 881,4024 88,1402 793,2621 297,7586 29,7759 267,9827 6.293,6974 6.293,6974 Tabel 2.6 Neraca Massa Pada Dekanter 02 Komponen AA E EA W AS Total Masuk Keluar Arus 5 Arus 7 Arus 8 8,4033 0,8403 7,5629 47,5747 4,7575 42,8172 4.542,8584 4.541,6685 1,1899 88,1402 8,8140 79,3262 29,7759 2,9776 26,7983 4.716,7524 4.716,7524 Deskripsi Proses
29 Tabel 2.7 Neraca Massa Pada Menara Distilasi 01 Komponen E EA W AA AS Total Masuk Keluar Arus 6 Arus 9 Arus 10 428,1719 428,1719 0,0000 11,8989 11,8989 0,0000 793,2621 777,3969 15,8652 75,6293 11,3444 64,2849 267,9827 0,0000 267,9827 1.576,9450 1.576,9450 Tabel 2.8 Neraca Massa Pada Menara Distilasi 02 Komponen E EA W AA Total Masuk Keluar Arus 9 Arus 11 Arus 12 428,1719 419,6085 8,5634 11,8989 1,7848 10,1141 777,3969 0,0000 777,3969 11,3444 0,0000 11,3444 1.228,8121 1.228,8121 Deskripsi Proses
30 Tabel 2.9 Neraca Massa Total Komponen Masuk Keluar Arus 1 Arus 2 Arus 3 Arus 7 Arus 8 Arus 12 AA 3.297,0177 0,0000 0,0000 0,8403 7,5629 11,3444 E 0,0000 2.151,2279 0,0000 4,7575 42,8172 8,5634 EA 0,0000 0,0000 0,0000 4.541,6685 1,1899 10,1141 W 2,4802 44,2774 0,0833 8,8140 79,3262 777,3969 AS 0,0000 0,0000 29,7759 2,9776 26,7983 0,0000 Total 5.524,1712 5.524,1712 2.4.2 Neraca Panas Basis perhitungan Satuan : 1 jam operasi : kj/jam Tabel 2.10 Neraca Panas Pada Reaktor Komponen Q input (kj) Q output (kj) Q reaktan Q reaksi Q produk Q pendingin Total -30.586.226,6573 0,0000 922.732,6987 0,0000 0,0000 58.379,6532 0,0000-29.721.873,6117-29.663.493,9586-29.663.493,9586 Deskripsi Proses
31 Tabel 2.13 Neraca Panas Pada Dekanter 01 Komponen Q input (kj) Q output (kj) Q umpan Q fase atas Q fase bawah Total 763.559,4159 0,0000 0,0000 692.509,6548 0,0000 71.049,7611 763.559,4159 763.559,4159 Tabel 2.14 Neraca Panas Pada Dekanter 02 Komponen Q input (kj) Q output (kj) Q umpan Q fase atas Q fase bawah Total 461.819,5977 0,0000 0,0000 414.368,7849 0,0000 47.450,8128 461.819,5977 461.819,5977 Tabel 2.11 Neraca Panas Pada Menara Distilasi 01 Komponen Q input (kj) Q output (kj) Q umpan Q top Q bottom Q kondensor Q reboiler Total 559.065,5020 0,0000 0,0000 302.089,4051 0,0000 36.090,3221 0,0000 2.039.143,4229 1.818.257,6482 0,0000 2.377.323.1502 2.377.323,1502 Deskripsi Proses
32 Tabel 2.12 Neraca Panas Pada Menara Distilasi 02 Komponen Q input (kj) Q output (kj) Q umpan Q top Q bottom Q kondensor Q reboiler Total 325.513,6458 0,0000 0,0000 54.291,7073 0,0000 248.186,1407 0,0000 963.168,8618 940.133,0641 0,0000 1.265.646,7099 1.265.646,7099 2.5 Tata Letak Pabrik dan Peralatan Proses 2.5.1 Tata Letak Pabrik Lay out pabrik merupakan suatu pengaturan yang optimal dari seperangkat fasilitas-fasilitas dalam pabrik. Tata letak yang tepat sangat penting untuk mendapatkan efisiensi, keselamatan, dan kelancaran kerja dari para karyawan serta keselamatan proses. Untuk mencapai kondisi yang optimal, maka hal-hal yang harus diperhatikan dalam menentukan tata letak pabrik ini adalah : 1. Pabrik etil akrilat ini merupakan pabrik baru (bukan pengembangan) sehingga penentuan lay out tidak dibatasi oleh bangunan yang ada. 2. Kemungkinan perluasan pabrik sebagai pengembangan pabrik di masa mendatang. Deskripsi Proses
33 3. Faktor keamanan sangat diperlukan untuk bahaya kebakaran dan ledakan, maka perencanaan lay out selalu diusahakan jauh dari sumber api, bahan panas, bahan yang mudah meledak dan jauh dari asap atau gas beracun. 4. Sistem konstruksi yang direncanakan adalah outdoor untuk menekan biaya bangunan dan gedung, dan juga iklim Indonesia memungkinkan konstruksi secara outdoor. 5. Lahan terbatas sehingga diperlukan efisiensi dalam pemakaian pengaturan ruangan/lahan. Secara garis besar lay out dibagi menjadi beberapa bagian utama, yaitu : 1. Daerah administrasi/perkantoran, laboratorium dan ruang kontrol Daerah administrasi 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 dijual. 2. Daerah proses Daerah proses merupakan daerah dimana alat proses diletakkan dan proses berlangsung. 3. Daerah penyimpanan bahan baku dan produk Daerah penyimpanan bahan baku dan produk merupakan daerah untuk tempat bahan baku dan produk. 4. Daerah gudang, bengkel dan garasi Deskripsi Proses
34 Daerah gudang, bengkel dan garasi merupakan daerah yang digunakan untuk menampung bahan-bahan yang diperlukan oleh pabrik dan untuk keperluan perawatan peralatan proses. 5. Daerah utilitas Daerah utilitas merupakan daerah dimana kegiatan penyediaan bahan pendukung proses berlangsung dipusatkan. (Vilbrandt, 1959) Adapun tata letak pabrik etil akrilat yang direncanakan, dapat dilihat pada Gambar 2.4. 2.5.2 Tata Letak Peralatan Proses Lay out atau tata letak peralatan proses adalah tempat dimana alatalat yang digunakan dalam proses produksi. Tata letak peralatan proses harus dirancang sedemikian rupa, sehingga : 1. Memungkinkan pengoperasiannya. 2. Mudah untuk penanganan kebakaran. 3. Mudah untuk perbaikan Adapun tata letak peralatan pabrik etil akrilat yang direncanakan, dapat dilihat pada Gambar 2.5. Deskripsi Proses
35 Pintu Darurat Ruang Generator Area Perluasan PROSES Utilitas UPL Bengkel Safety Laboratorium Control Room Pemadam Kebakaran KANTOR POS KEAMANAN Gudang Garasi mushola Parkir kantin POS KEAMANAN Parkir Poliklinik Keterangan : Taman : Arah jalan Skala = 1 : 1000 Gambar 2.4 Lay Out Pabrik Deskripsi Proses
36 Keterangan : T-01 : Acrylic acid Tank CD : Condenser T-02 : Ethanol Tank DC-02 : Distillation Column T-03 : Sulphuric Acid Tank RB : Reboiler T-04 : Ethyl acrylate Tank AC : Accumulator R : Reactor D-01 : Decanter 01 DC-01 : Distillation Column D-02 : Decanter 02 Gambar 2.5 Lay Out Peralatan Proses Deskripsi Proses