15 BAB II DESKRIPSI PROSES 2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk 2.1.1 Spesifikasi Bahan Baku Butana Bentuk Warna : cair jenuh : jernih Kemurnian : minimal 99% Impuritas : maksimal 1% propana (CME Group) Density : 600 kg/m 3 oksigen Kadar : 23,2 % berat dari udara. : 20,946 % mol. Warna Bm Volume jenis Titik didih Titik beku : jernih : 31,999 g/mol : 0,7 m 3 /kg : - 182,98 0 C : - 218,79 0 C Temperatur kritis : - 118,57 0 C Tekanan kritis Volume kritis : 50,43 bar : 73,4 cm 3 /mol 15
16 Density cair : 0,8 kg/m 3 Density gas : 1,4292 kg/m 3 2.1.2 Spesifikasi Bahan Pembantu Katalis Mangan Bentuk Warna : padatan / metal : silvery metallic Berat atom : 54.938045 Fase : solid at 298 K Density : 7470 kg/m 3 Melting point Boiling point Thermal conductivity : 1519 K atau 1246 o C : 2334 K atau 2061 o C : 7,8 W/m.K 2.1.3 Spesifikasi Produk Asam Asetat Bentuk Warna : cair jenuh : jernih Kemurnian : minimal 99 % Impuritas : maksimal 1 % terdiri dari asam format dan air (BP p.1.c) Density : 1049 kg/m 3
17 2.2 Konsep Proses 2.2.1 Dasar Reaksi Pada proses pembuatan asam asetat dengan proses oksidasi n-butana didasarkan pada reaksi sebagai berikut: Reaksi utama: C 4 H 10 + 5/2 O 2 2 CH 3 COOH + H 2 O Reaksi samping: CH 3 COOH + H 2 O HCOOH + CH 3 OH (www.wikipedia.com) Asam asetat yang dihasilkan mempunyai kemurnian 99%. Katalis yang digunakan adalah mangan asetat liquid. 2.2.2 Mekanisme Reaksi Mekanisme reaksi pembentukan asam asetat dari n-butana dan oksigen dengan katalis mangan adalah sebagai berikut : H 5 C 2 -C 2 H 5 + Mn C 2 H 8 * + 2 H + + Mn C 2 H 8 * + 5/2 O 2 C 2 H 8 O 5 * C 2 H 8 O 5 * + 2 H + + Mn 2 CH 3 COOH + H 2 O + Mn Reaksi yang terjadi melibatkan bahan baku dan katalis mangan yang berfungsi sebagai inisiator, yang akan mengarahkan pembentukan radikal bebas. Radikal bebas yang terbentuk akan mengikat oksigen dari udara. Kemudian dengan bantuan katalis akan terbentuk asam asetat.
18 2.2.3 Kondisi Operasi Reaksi pembentukan asam asetat merupakan reaksi fase cair dengan kondisi operasi pada tekanan 50 atm dan suhu 180 o C. Kondisi operasi dipilih berdasarkan pertimbangan : 2.2.3.1 Tinjauan Thermodinamika Dilihat dari reaksi pembentukan asam asetat : C 4 H 10 + 5/2 O 2 CH 3 COOH + H 2 O 180 o C, 50 atm n-butana oksigen asam asetat air ΔH 298 = -986,03 kj/mol Tanda negatif menunjukkan bahwa reaksi antara n-butana dengan oksigen yang membentuk asam asetat adalah reaksi eksotermis. Dilihat dari energi bebas Gibbs (G f o ) Data yang dibutuhkan : No. Komponen H (J/mol) G (J/mol) 1. N- Butane - 125790-16570 2. Asam Asetat - 484500-389900 3. Air - 285820-237129 (Smith-Van Ness, sixth edition) G f 298 o = G f o produk - G f o reaktan = (-237129 kj/mol) + (2 x 389900 kj/mol) (- 16570 kj/mol) = - 1000359 J/mol K 453,15 = exp [ - G o f /RT ] = exp [ 1000359 J/mol / (8,314 J/ gmol x 453,15)] = 2,07 x 10 115
19 Untuk T = 180 + 273,15 = 453,15 K T Cp dt = A ln τ +[ B T 0 + ( CT 2 D Τ+ 1 0 + )( )]( τ-1) R T τ 2 2 T 0 2 To (Smith-Van Ness, sixth edition) (13.19) T Cp dt = AT τ 1 0 (τ -1) + B T 2 0 (τ 2 3-1) + C T 0 (τ 3-1) + D ( ) R 2 3 τ To T 0 (Smith-Van Ness, sixth edition) (14.19) G f453.15 o RT T T G f298 - H 0 H 0 1 Cp Cp dt = + + dt - RT 0 RT T T R T R T 0 0 (Smith -Van Ness, sixth edition) Dengan data sebagai berikut : A = - 2,0625 ; B = - 36,93 x 10-3 ; T = 453,15 ; τ = 1,52 C = 11,222 x 10-6 ; D = 0,5675 x 10 5 ; T 0 = 298,15 ; H 0 = - 1129040 Karena harga (K) sangat besar berarti laju reaksi ke kanan (k 1 ) jauh lebih besar daripada reaksi ke kiri (k 2 ), sehingga dapat dikatakan reaksi adalah irreversible. 2.2.3.2 Tinjauan Kinetika Pertama-tama gas dilarutkan ke dalam cairan, kemudian keduanya harus menyebar atau bergerak ke permukaan katalis untuk bereaksi hingga tahan untuk berpindah atau terjadi pada antarmuka gas-cairan dan kemudian ke permukaan padatan. Penjelasan diatas menyatakan kecepatan secara umum. Untuk mengembangkan persamaan kecepatan, mari kita gambarkan teori dua lapis film dan menggunakannya berdasarkan tatanama.
20 (Levenspiel, Third Edition) (Levenspiel, Third Edition) Dari gambar 22.2, kita dapat menulis persamaan kecepatan : 1 -r A = ρ Ag 1 H A H A H A + k Ag a i k Al a + i k Ac a + c (k A C B ) έ A ƒ s Ket : έ A= Faktor efektifitas untuk reaksi orde pertama dari A dengan persamaan kecepatan (k A C B )
21 Hukum konstanta Henry : H A = ρ A / C A Dalam hubungan ini : - r a = kecepatan reaksi pembentukan asam asetat k = konstanta kecepatan reaksi = 3,179 x 10-5 gr/cm 3.s Data yang dibutuhkan : Gas stream : v g = 0.01 m 3 /s ; H A = 86000 Pa.m 3 /mol. Liquid stream : v l = 2 x 10-4 m 3 /s ; C Bo = 400 mol/m 3 Catalyst : dp = 5 mm = 5 x 10-3 m ; ρ s = 1800 kg/m 3 De = 4.16 x 10-10 m 3 /m.cat.s Kinetik : k Agai = 3 x 10-4 mol / m 3.Pa.s; k Alai = 0.02 s -1 ; k Ac = 3.86 x 10-4 m/s 2.3 Diagram Alir Proses 2.3.1 Diagram Alir Proses (Lampiran)
22 2.3.2 Langkah Proses Proses pembuatan asam asetat melalui proses oksidasi n-butana dengan menggunakan katalis mangan secara umum digolongkan menjadi tiga tahap,yaitu : 1. Tahap penyiapan bahan baku 2. Tahap pembentukan produk 3. Tahap pemurnian 1. Penyiapan Bahan Baku Bahan baku n-butana disimpan dalam kondisi cair pada T = 30 o C dan tekanan 3 atm pada tangki penyimpan T-01. N-butana fresh dialirkan dengan pompa menuju reaktor dengan melewati HE-01 untuk menaikkan suhu dari 30 o C menjadi 180 o C dan tekanan 50 atm. Bahan baku udara dikompresikan dengan kompressor 3 stage untuk menaikkan tekanan menjadi 55 atm. Kompressor multistage tersebut dilengkapi 2 intercooler sehingga suhu dapat terjaga pada 180 o C. 2. Tahap Pembentukan Produk Aliran arus keluar dari Heat Exchanger pertama (HE-01) yang berisi n- butana fresh dimasukkan ke dalam reaktor yang telah berisi katalis mangan. Kemudian disemprotkan udara dengan tekanan 55 atm melewati cairan tersebut sehingga terjadi reaksi pembentukan asam asetat. Jenis reaktor yang dipakai adalah bubble reaktor dengan berpendingin air, mengingat reaksi yang bersifat eksotermis yang menghasilkan panas.
23 Reaktor bekerja secara non isotermal non adiabatis. Suhu reaktor dipertahankan dengan aliran air pendingin yang disirkulasi di shell. Suhu reaksi dipertahankan sekitar 180 o C untuk mempertahankan reaksi tetap berlangsung pada fase cair sehingga mempertahankan yield pada kondisi yang diinginkan. Jika suhu reaksi terlalu rendah maka yield akan kurang daripada yang diharapkan, dan bila suhu terlalu tinggi maka akan merusak katalis mangan. Suhu keluar reaktor 217 o C. Selanjutnya produk dalam fase gas dari reaktor dialirkan ke condensor untuk dikondensasikan sebelum dimasukkan ke dalam flash drum (FD-01). 3. Tahap Pemurnian Produk dari kondensor dilewatkan ke flash drum (FD-01), untuk memisahkan senyawa condensable (as.asetat, as format, air, dan methanol) dan non condensable (oksigen, karbon dioksida, nitrogen, dan propana). Senyawa condensable dialirkan ke separator vessel untuk memisahkan n-butana dengan dasar perbedaan densitas. Keluaran separator vessel ada dua, keluaran yang memiliki densitas kurang dari 1 (n-butana) ditampung ke tangki penyimpanan kedua (T-02), sedangkan keluaran yang memiliki densitas lebih dari 1 kg/m 3 menuju kolom destilasi kesatu (D-01). Kemudian setelah keluar dari separator vessel, campuran produk dipanaskan dahulu di dalam Heat Exchanger (HE-02) sehingga suhunya sekitar 99 o C sebelum dimasukkan ke dalam kolom destilasi. Dalam kolom destilasi kesatu (D-01), dengan komponen kunci ringan yaitu air dan asam format sedangkan komponen kunci berat adalah asam asetat. Hasil atas yang berisi methanol, air, asam format, dan sedikit asam asetat dialirkan ke UPL dan hasil
24 bawah yang memiliki banyak komposisi asam asetat dengan impuritas air, asam format sebesar 1% dijadikan sebagai produk pabrik ini. 2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas 2.4.1 Neraca Massa a. Neraca Massa di Sekitar Reaktor Input Output Komponen Arus 1 Arus 2 Arus 3 N-Butana 7096.16 3395.37 Oksigen 5050.51 50.51 Nitrogen 16327.06 16327.06 Karbon Dioksida 174.16 174.16 Propana 70.96 70.96 Asam Asetat 7500 Asam Format 62.70 Air 1126.31 Methanol 11.86 Total 7167.12 21551.72 28718.81 28718.81
25 b. Neraca Massa di Flash Drum Input Output Komponen Arus 3 Arus 4 Arus 5 N-Butana 3395.37 1931.85 1463.52 Oksigen 50.51 50.51 Nitrogen 16327.06 16327.06 Karbon Dioksida 174.16 174.16 Propana 70.96 70.96 Asam Asetat 7500 242.93 7257.07 Asam Format 62.70 3.87 58.83 Air 1126.31 60.26 1066.05 Methanol 11.76 2.14 9.62 Total 28718.81 18863.73 9855.09 28718.81 c. Neraca Massa di Separator Vessel Input Output Komponen Arus 5 Arus 6 Arus 7 N-Butana 1463.52 1463.52 Asam Asetat 7257.07 7257.07 Asam Format 58.83 58.83 Air 1066.05 1066.05 Methanol 9.62 9.62 Total 9855.09 1463.52 8391.56 9855.09
26 d. Neraca Massa di Destilasi I Input Output Komponen Arus 7 Arus 8 Arus 9 Asam Asetat 7257.07 317.69 6939.38 Asam Format 58.83 46.34 12.50 Air 1066.05 839.63 226.42 Methanol 9.62 9.62 0 Total 8391.56 1213.27 7178.30 8391.56 2.4.2 Neraca Panas Di lampiran 2.5 Lay Out Pabrik dan Peralatan Proses 2.5.1 Lokasi Pabrik Lokasi pabrik secara geografis akan sangat berpengaruh terhadap sukses atau tidaknya kegiatan industri di pabrik tersebut. Suatu pabrik sebaiknya ditempatkan di suatu tempat dimana biayanya distribusinya minimum. Tetapi faktor-faktor lain seperti daerah ekspansi dan lingkungan juga harus dipertimbangkan dalam menentukan lokasi pabrik. Faktor-faktor yang harus diperhatikan dalam menentukan lokasi pabrik adalah : - Persediaan bahan makanan - Persediaan buruh - Pemasaran - Pajak dan peraturan daerah - Sumber tenaga dan bahan bakar - Karakteristik tempat
27 - Iklim - Fasilitasi transportasi - Masyarakat - Persediaan air - Keamanan negara - Bahan-bahan buangan - Perlindungan terhadap banjir dan kebakaran Selain hal-hal diatas, di dalam menentukan lokasi suatu pabrik ada beberapa orientasi, yaitu : a. Orientasi kepada bahan mentah (Raw Material Oriented), yaitu penentuan lokasi pabrik berdasarkan jarak antara bahan mentah dengan pabrik. Jadi pabrik yang raw material oriented didirikan dekat sumber bahan mentah. b. Orientasi pasar (Market Oriented), yaitu penentuan lokasi pabrik berdasarkan atas jarak antara pabrik dengan daerah pemasaran hasil tersebut. c. Junction oriented, yaitu penentuan lokasi pabrik berdasarkan atas jarak antara pabrik dengan sumber bahan mentah dan jarak antara pabrik dengan pasar. d. Dan orientasi-oientasi lain yang dapat menjadi pertimbangan. Di dalam menentukan lokasi pabrik ada faktor lain yang perlu dipertimbangkan, yaitu : Upah buruh yang rendah Pajak ringan Dekat dengan sumber air Dekat dengan sumber tenaga Namun sifat-sifat bahan baku maupun produk juga digunakan sebagai pertimbangan dalam menentukan lokasi pabrik. Misal pabrik dengan weight lossing, dimana hasil produk jauh lebih ringan bila dibandingkan dengan bahan
28 bakunya, maka lokasi pabrik sebaiknya terletak didekat sumber bahan baku. Sedangkan weight gaining dimana hasil jauh lebih berat bila dibandingkan dengan bahan bakunya, maka pabrik terletak di daerah pemasaran. 2.5.2 Lay Out Pabrik Setelah proses diagram alir disusun, sebelum desain pemipaan struktural dan listrik dimulai, maka lay out proses pabrik dan peralatan harus direncanakan terlebih dahulu. Perencanaan lay out pabrik meliputi perencanaan storage area, proses area dan handling area. Pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam lay out pabrik adalah : 1. Tanah yang tersedia 2. Tipe dan kualitas produk 3. Kemungkinan pengembangan pabrik masa mendatang 4. Distribusi bahan baku, bahan jadi, air, listrik dan lain-lain 5. Keadaan lingkungan cuaca dan sosial 6. Keamanan terhadap bahaya kebakaran, peledakan, gas beracun dan bentuk bangunan 7. Pengaturan terhadap penggunaan lantai ruangan dan elevasi Secara garis besar lay out pabrik ini dibagi menjadi beberapa daerah utama yaitu : 1. Daerah administrasi/perkantoran, laboratorium dan ruang kontrol Daerah administrasi merupakan pusat kegiatan administrasi pabrik yang mengatur kelancaran operasi
29 Laboratorium dan ruang kontrol sebagai pusat pengendalian proses, kuantitas dan kualitas bahan yang akan diproses serta produk yang akan dijual. 2. Daerah proses Merupakan daerah alat-alat proses diletakkan dan proses berlangsung 3. Daerah pergudangan umum dan garasi 4. Daerah utilitas Merupakan daerah dimana terjadi kegiatan penyediaan air, listrik, steam, baan bakar, dan unit pengolahan limbah. Adapun perincian luas tanah sebagai bangunan pabrik dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
30 Tabel 2.1 Perincian Luas Tanah dan Bangunan Pabrik No. Bangunan Ukuran (m) Luas (m 2 ) 1 Pos Keamanan 8 x 5 x 5 200 2 Parkir 20 x 50 1000 3 Masjid 30 x 30 900 4 Bengkel 40 x 40 1600 5 Gudang 20 x 30 600 6 Kantor Pusat 40 x 70 2800 7 Daerah proses 70 x 80 5600 8 Utilitas 40 x 80 3200 9 Limbah 30*50 1500 10 Laboratorium 20 x 30 600 11 Tangki penyimpan 40 x 100 4000 12 Pemadam kebakaran 15 x 20 300 13 Daerah pengembangan 50 x 160 8000 14 Kantin 10x30 300 15 Jalan / taman 10000 16 Aula 30 x 50 1500 17 Poliklinik 20 x 30 600 Jumlah 42700
31 1 1 17 18 16 13 15 14 12 11 18 7 8 9 10 6 2 5 4 3 18 1 2 1 Gambar 2.2 Denah Pabrik
32 Keterangan gambar tata letak pabrik : 1. Pos Keamanan 2. Taman 3. Parkir 4. Kantor Pusat 5. Aula 6. Poliklinik 7. Gudang 8. Bengkel 9. Pemadam Kebakaran 10. Kantin 11. Masjid 12. Laboratorium 13. Pengolahan Limbah 14. Proses Produksi 15. Tangki Penyimpanan 16. Utilitas 17. Daerah Pengembangan 18. Jalan 2.5.3 Lay Out Peralatan Dalam perancangan lay out peralatan proses ada beberapa hal yang perlu dipertimbangkan, yaitu : 1. Aliran proses bahan baku dan produk Pengaliran bahan baku dan produk yang tepat akan memberikan keuntungan ekonomis yang besar serta menunjang kelancaran dan keamanan produksi. Perlu diperhatikan elevasi pipa, untuk pipa diatas tanah perlu dipasang pada ketinggian 3 m atau lebih. Sedangkan untuk pemipaan pada permukaan tanah diatur sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu lalu lintas pekerja. 2. Aliran udara Aliran udara di dalam dan sekitar areal proses perlu diperhatikan supaya lancar. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya stagnasi udara pada
33 suatu tempat yang dapat mengakibatkan akumulasi bahan kimia yang dapat membahayakan pekerja. Selain itu perlu diperhatikan juga hembusan angin. 3. Cahaya Penerangan seluruh pabrik harus memadai pada tempat-tempat proses yang berbahaya atau beresiko tinggi perlu diberikan penerangan tambahan. 4. Lalu lintas manusia Dalam perancangan lay out peralatan perlu diperhatikan agar para pekerja dapat mencapai seluruh alat proses dengan cepat dan mudah. Apabila terjadi gangguan alat proses dapat segera diperbaiki. Selain itu keamanan pekerja selama menjalankan tugasnya perlu diperhatikan. 5. Dalam menempatkan alat-alat proses pada pabrik diusahakan agar dapat menekan biaya operasi dan menjamin kelancaran dan keamanan produksi pabrik sehingga dapat menguntungkan dari segi ekonomi. 6. Jarak antar alat proses Untuk alat operasi yang mempunyai tekanan dan suhu operasi yang tinggi sebaiknya dipisahkan dari alat proses lainnya sehingga apabila terjadi ledakan atau kebakaran pada alat tersebut tidak membahayakan alat proses lainnya. Tata letak alat proses harus dirancang sedemikian rupa sehingga : Kelancaran proses produksi terjamin Dapat mengefektifkan penggunaan luas lantai Biaya material handling menjadi rendah dan menyebabkan turunnya pengeluaran utnuk kapital yang tidak penting.
34 Jika lay out peralatan proses sedemikian rupa sehingga urut-urutan proses produksi lancar, maka perusahaan tidak perlu membeli alat angkutan yang biayanya mahal. Karyawan mendapat kepuasan kerja Jika karyawan mendapatkan kepuasan dalam, maka akan mengakibatkan meningkatnya semangat kerja yang menyebabkan meningkatnya produktivitas kerja.
35
36 1. T-01: Tangki penyimpan n-butana 2. T-02: Tangki penyimpan n-butana (recycle) 3. T-03: Tangki penyimpan asam asetat 4. P-01: Pompa fresh feed masuk ke reaktor 5. P-02: Pompa produk dari FD ke Expandeer Valve 6. P-03: Pompa poduk dari HE-02 ke menara desitlasi 7. P-04: Pompa dari accumulator 01 ke menara destilasi 8. P-05: Pompa dari reboiler ke tangki 03 9. P-06: Pompa dari separator vessel ke tangki 02 10. HE-01: Heater umpan dari tangki 01 ke reaktor 11. HE-02: Heater produk dari separator vessel ke menara destilasi 12. CL-01 : Pendingin produk dari reaktor ke flash drum 13. CD-01 : Kondensor produk dari menara destilasi 14. R-01 : Reaktor 15. FD-01 : Flash drum 16. F-01 : Filter 17. B-01 : Blower 18. K-01 : Komperessor 19. D-01 : Kolom destilasi I 20. E-02 : Expander Valve 21. AC-01 : Accumulator D-01 22. RB-01 : Reboiler D-01