digilib.uns.ac.id 1 TUGAS AKHIR PRARANCANGAN PABRIK ACRYLAMIDE DARI ACRYLONITRILE MELALUI PROSES HIDROLISIS KAPASITAS 17.000 TON/TAHUN Disusun Oleh : 1. Fitri Wulandari I 0508018 2. Fitria Ayuluthfi P I 0508045 JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2012 i
digilib.uns.ac.id 2
digilib.uns.ac.id 3 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia-nya sehingga Penulis dapat menyelesaikan penyusunan laporan tugas akhir dengan judul Prarancangan Pabrik Acrylamide dari Acrylonitrile melalui Proses Hidrolisis Kapasitas 17.000 ton/tahun. Pada kesempatan ini Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Kedua Orangtua dan keluarga atas doa, dukungan baik berupa materi dan semangat yang senantiasa diberikan. 2. Bregas S. T. Sembodo, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing I dan Dr. Sunu Herwi Pranolo selaku Dosen Pembimbing II, atas bimbingan dan bantuannya dalam penulisan tugas akhir. 3. Teman-teman Mahasiswa Teknik Kimia 2008 B, khususnya Deasy, Dian, Acil, Fharish, Lendra, Merry, Ester, Adi, Nova dan Mita. Penulis menyadari bahwa laporan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, karena itu penulis membuka diri terhadap segala saran dan kritik yang membangun. Semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis pada khususnya dan pembaca pada umumnya. Surakarta, Oktober 2012 Penulis ii
digilib.uns.ac.id 4 DAFTAR ISI Halaman Judul... i Kata Pengantar... ii Daftar Isi... iii Daftar Tabel... v Daftar Gambar... vi Intisari... vii BAB I PENDAHULUAN... 1 I.1. Latar Belakang... 1 I.2. Kapasitas Perancangan... 2 I.3. Pemilihan Lokasi Pabrik... 4 I.4. Tinjauan Pustaka... 5 I.4.1. Macam macam Proses... 5 I.4.2. Kegunaan Produk... 8 I.4.3. Sifat Fisis dan Kimia... 8 I.4.4. Tinjauan Proses Secara Umum... 11 BAB II DESKRIPSI PROSES.. 13 II.1. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk... 13 II.1.1. Spesifikasi Bahan Baku... 13 II.1.2. Spesifikasi Produk... 14 II.2. Konsep Proses... 15 II.2.1. Dasar Reaksi... 15 II.2.2. Pemakaian Katalis... 15 II.2.3. Mekanisme Reaksi... 15 II.2.4. Tinjauan Kinetika... 16 II.2.5. Tinjauan Termodinamika... 16 II.2.6. Kondisi Operasi... 18 II.3. Diagram Alir Proses... 19 II.3.1. Diagram Alir Proses... 19 II.3.2. Langkah Proses... 23 II.4. Neraca Massa dan Neraca Panas... 24 II.4.1. Neraca Massa... 24 II.4.2. Neraca Panas... 25 II.5. Tata Letak Pabrik dan Peralatan Proses... 26 BAB III SPESIFIKASI PERALATAN PROSES... 29 BAB IV UNIT PENDUKUNG PROSES DAN LABORATORIUM... 36 IV.1. Unit Pendukung Proses... 36 IV.2. Unit Penyediaan dan Pengolahan Air... 36 iii
digilib.uns.ac.id 5 IV.3. Unit Penyediaan Steam dan Bahan Bakar... 38 IV.4. Unit Pengadaan Listrik... 39 IV.5. Unit Penyediaan Udara Tekan... 39 IV.6. Unit Nitrogen... 40 IV.7. Unit Pengolahan Limbah... 40 IV.8. Laboratorium... 40 BAB V MANAJEMEN PERUSAHAAN.. 43 V.1. Bentuk Perusahaan... 43 V.2. Struktur Organisasi... 43 V.3. Tugas dan Wewenang... 46 V.4. Pembagian Jam Kerja Karyawan... 48 V.5. Status Karyawan dan Sistem Upah... 50 V.6. Kesejahteraan Sosial Karyawan... 52 BAB VI ANALISIS EKONOMI... 53 VI.1. Penaksiran Harga Peralatan... 54 VI.2. Dasar Perhitungan... 56 VI.3. Hasil Perhitungan... 56 Daftar Pustaka... 62 Lampiran iv
digilib.uns.ac.id 6 DAFTAR TABEL Tabel I.1 Kapasitas Produksi Pabrik Acrylamide di Dunia... 3 Tabel I.2 Perbandingan Beberapa Proses Pembuatan Acrylamide... 7 Tabel II.1 Harga ΔH f º masing-masing komponen... 17 Tabel II.2 Harga ΔG f º masing-masing komponen... 17 Tabel II.3 Neraca Massa Mixer... 24 Tabel II.4 Neraca Massa Reaktor... 24 Tabel II.5 Neraca Massa Menara Destilasi... 25 Tabel II.6 Neraca Massa Total... 25 Tabel II.7 Neraca Panas Mixer... 25 Tabel II.8 Neraca Panas Reaktor... 26 Tabel II.9 Neraca Panas Menara Destilasi... 26 Tabel II.10 Neraca Panas Total... 26 Tabel III.1 Spesifikasi Tangki... 29 Tabel III.2 Spesifikasi Reaktor... 30 Tabel III.3 Spesifikasi Mixer... 31 Tabel III.4 Spesifikasi Menara Destilasi... 32 Tabel III.5 Spesifikasi Alat Penukar Panas... 33 Tabel III.6 Spesifikasi Pompa Proses... 35 Tabel IV.1 Perhitungan Kebutuhan Air... 38 Tabel IV.2 Spesifikasi Boiler... 38 Tabel IV.3 Kebutuhan Steam dan Bahan Bakar... 39 Tabel IV.4 Spesifikasi Kompresor... 40 Tabel V.1 Jadwal Pembagian Kelompok Shift... 50 Tabel V.2 Perincian Golongan, Kualifikasi, Jumlah dan Gaji Karyawan. 51 Tabel VI.1 Index Harga Alat... 55 Tabel VI.2 Fixed Capital Investment... 56 Tabel VI.3 Working Capital Investment... 57 Tabel VI.4 Direct Manufacturing Cost... 57 Tabel VI.5 Indirect Manufacturing Cost... 57 Tabel VI.6 Fixed Manufacturing Cost... 58 Tabel VI.7 General Expense... 58 Tabel VI.8 Variable Cost... 58 Tabel VI.9 Regulated Cost... 59 Tabel VI.10 Analisa Kelayakan... 59 v
digilib.uns.ac.id 7 DAFTAR GAMBAR Gambar I.1 Grafik Impor Acrylamide di Indonesia... 2 Gambar I.2 Lokasi Pabrik Acrylamide di Cilegon... 4 Gambar II.1 Diagram Alir Kualitatif... 20 Gambar II.2 Diagram Alir Kuantitatif... 21 Gambar II.3 Diagram Alir Proses... 22 Gambar II.4 Tata Letak Pabrik Acrylamide... 27 Gambar II.5 Tata Letak Peralatan Proses... 28 Gambar IV.1 Skema Pengolahan Air... 37 Gambar V.1 Struktur Organisasi... 45 Gambar VI.1 Chemical Engineering Cost Index... 55 Gambar VI.2 Grafik Analisis Kelayakan Pabrik... 60 vi
digilib.uns.ac.id 8 INTISARI Fitri Wulandari dan Fitria Ayuluthfi Pranatami, 2012, Prarancangan Pabrik Acrylamide dari Acylonitrile melalui Proses Hidrolisis Kapasitas 17.000 ton/tahun, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta Acrylamide merupakan senyawa organik yang sering dimanfaatkan sebagai bahan dasar pembuatan polyacrylamide yang berguna sebagai flokulan pada water treatment dan aditif pada pengolahan limbah industri kertas. Untuk pemenuhan kebutuhan acrylamide di dalam negeri maka direncanakan pendirian pabrik acrylamide dari acrylonitrile melalui proses hidrolisis di dalam reaktor fixed bed single tube, pada suhu 70 C dan tekanan 3,03 bar. Pabrik acrylamide dirancang dengan kapasitas 17.000 ton/tahun. Bahan bakunya berupa acrylonitrile sebanyak 0,37 kg/kg produk, air sebanyak 0,63 kg/kg produk dan produk yang dihasilkan adalah larutan acrylamide 50%. Lokasi pabrik direncanakan di Cilegon, Banten dan dibangun di atas tanah seluas 7.500 m 2, pabrik beroperasi selama 24 jam per hari selama 330 hari per tahun dengan keperluan tenaga kerja 0,06 manhour/kg produk. Kebutuhan utilitas meliputi air sebanyak 1,47 liter/kg produk, steam sebanyak 0,03 kg/kg produk, batubara (bahan bakar boiler) sebanyak 0,02 kg/kg produk, listrik sebesar 0,05 kwh/kg produk, LDO (bahan bakar generator) sebanyak 0,02 liter/kg produk, serta udara tekan pada suhu 35 C dan tekanan 7,85 bar sebanyak 0,02 m 3 /kg produk. Bentuk perusahaan dipilih Perseroan Terbatas (PT), dengan struktur organisasi line and staff. Sistem kerja karyawan berdasarkan pembagian jam kerja yang terdiri dari karyawan shift dan non shift. Pabrik direncanakan mulai dikonstruksi tahun 2015 dan beroperasi pada 2017 dengan umur pabrik 10 tahun. Modal tetap pabrik sebesar Rp 79.521.416.387,- dan biaya produksi sebesar Rp 31.743,5/kg produk. Dari hasil analisis ekonomi diperoleh, ROI (Return on Investment) sebelum dan sesudah pajak sebesar 53% dan 39%, POT (Pay Out Time) sebelum dan sesudah pajak selama 1,60 tahun dan 2,03 tahun, BEP (Break Event Point) 42% dan SDP 29%. Sedangkan DCF (Discounted Cash Flow) sebesar 15%. Hasil evaluasi ekonomi menunjukkan prarancangan pabrik acrylamide dari acrylonitrile melalui proses hidrolisis kapasitas 17.000 ton/tahun layak didirikan. vii
digilib.uns.ac.id 1 BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi disertai dengan kemajuan sektor industri menuntut semua negara ke arah industrialisasi. Sampai saat ini, pembangunan industri di Indonesia terus mengalami peningkatan terutama pembangunan industri kimia. Namun, Indonesia masih banyak mengimpor bahan baku atau produk industri kimia dari luar negeri. Salah satu contoh adalah acrylamide yang berfungsi penting sebagai bahan baku maupun bahan penunjang proses industri. Ketergantungan impor yang lebih besar dari ekspor menyebabkan devisa negara berkurang, sehingga perlu usaha penanggulangan. Salah satu caranya dengan pendirian pabrik untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri. Acrylamide (atau amida akrilat) adalah senyawa organik sederhana dengan rumus kimia C 3 H 5 ON dan nama IUPAC-nya adalah 2-propenamida. Acrylamide merupakan salah satu bahan dasar berbagai jenis industri diantaranya polyacrylamide yang berguna sebagai flokulan proses pemisahan padatan halus tersuspensi. Selain itu polyacrylamide juga berfungsi sebagai thickening agent bagi air dan sebagai bahan pembantu penyerapan zat warna pada proses pembuatan kertas. Selama ini kebutuhan tersebut baik dalam bentuk monomer dan polimernya, masih diimpor dari luar negeri (Gambar I.1). Alasan utama pendirian pabrik acrylamide antara lain adalah pabrik acrylamide yang ada belum mampu memenuhi kebutuhan acrylamide di Indonesia, sedangkan kebutuhan bahan flokulan dan thickening agent cukup besar terutama untuk pengolahan air, pengolahan mineral dan pabrik kertas. Peningkatan industri kimia di Indonesia harus diimbangi dengan meningkatnya kebutuhan bahan baku maupun bahan penunjang. Karena itu, pabrik acrylamide perlu didirikan dengan pertimbangan pertimbangan 1
digilib.uns.ac.id 2 sebagai berikut: a. Penghematan devisa negara, dengan adanya pabrik acrylamide didalam negeri maka impor acrylamide dapat dikurangi. b. Penambahan devisa negara dengan mengekspor sebagaian hasil produksi acrylamide ke luar negeri. c. Perluasan lapangan kerja baru pada penduduk disekitar wilayah industri yang didirikan. d. Pemicu pendirian pabrik pabrik baru menggunakan bahan baku acrylamide. I.2 Kapasitas Perancangan Kapasitas produksi pabrik acrylamide ditentukan berdasarkan pertimbangan: a. Kebutuhan Acrylamide di Indonesia Kebutuhan acrylamide di Indonesia mengalami peningkatan setiap tahun (Gambar I.1). Dari data data impor acrylamide tersebut dapat dilakukan prediksi untuk kebutuhan pada masa yang akan datang. Kebutuhan impor ( ton/tahun) 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 y = 197.8x + 2263. R² = 0,5 0 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Tahun Gambar I.1 (UNdata, 2012) Grafik Impor Acrylamide di Indonesia
digilib.uns.ac.id 3 Bila dilakukan pendekatan regresi linier, akan diperoleh persamaan : dengan : y = 197,89 x + 2.263,24 y = kebutuhan impor acrylamide (ton/tahun) x = tahun Jadi pada tahun 2017 diperkirakan Indonesia membutuhkan acrylamide sebesar 5.000 ton/tahun. b. Kebutuhan Bahan Baku Acrylonitrile sebagai bahan baku proses diperoleh dari Tong Suh Petrochemical Corp, Korea Selatan, dengan kapasitas produksi 300.000 ton/tahun. c. Kapasitas Pabrik yang Sudah Ada Berdasarkan Tabel 1.1 kapasitas pabrik minimal yaitu 16.500 ton/tahun dan kapasitas maksimalnya adalah 71.500 ton/tahun. Sedangkan pabrik yang sudah berdiri di Indonesia yaitu PT. Tridomain Chemical, Cilegon, mempunyai kapasitas produksi 10.000 ton/tahun. Tabel I.1 Kapasitas Produksi Pabrik Acrylamide di Dunia Nama Perusahaan Kapasitas Produksi (ton /tahun) Chemtall (Riberico, GA) 71.500 Ciba Specialty Chemicals (Suffolk, VA) 16.500 Cytec Industries ( Fortier, LA, US) 45.000 Nalco ( Garyville,LA, US) 17.500 (ICIS Chemical Business Americas, 2005) d. Kapasitas Potensial Dari ketiga pertimbangan di atas, maka ditentukan kapasitas perancangan pabrik pada tahun 2017 yaitu sebesar 17000 ton/tahun. Produksi ini terdistribusi sebanyak 30% untuk pemenuhan kebutuhan dalam negeri dan 70% diekspor ke Australia dan New Zealand. Acrylamide tidak diproduksi di Australia. Kebutuhan impor acrylamide rata-rata di Australia sebanyak 11.400 ton/tahun dan New Zealand sebanyak 600 ton/tahun.
digilib.uns.ac.id 4 I.3 Pemilihan Lokasi pabrik Lokasi pabrik merupakan salah satu faktor yang paling penting dalam pendirian pabrik untuk kelangsungan operasi pabrik. Pertimbangan penentuan lokasi pabrik adalah jarak pabrik dengan sumber bahan baku, jarak pabrik dengan pasar, transportasi, tersedianya tenaga kerja, dan tersedianya sumber air dan tenaga. Hal utama yang harus diperhatikan adalah suatu pabrik harus dilokasikan sedemikian rupa sehingga mempunyai biaya produksi dan distribusi seminimal mungkin serta memiliki kemungkinan yang baik untuk dikembangkan. Gambar I.2 Lokasi Pabrik Acrylamide di Cilegon Berdasarkan faktor faktor tersebut di atas maka lokasi pabrik acrylamide akan didirikan di Cilegon, Banten dengan pertimbangan sebagai berikut: 1. Ketersediaan bahan baku Bahan baku merupakan kebutuhan utama bagi keberlangsungan operasi sehingga keberadaannya harus diperhatikan. Acrylonitrile yang menjadi bahan baku diperoleh dari Tong Suh Petrochemical, Korea Selatan, sehingga dipilih Cilegon karena letaknya yang berdekatan dengan pelabuhan sehingga meminimalkan biaya transport.
digilib.uns.ac.id 5 2. Pemasaran Produk Produk acrylamide akan diekspor setelah kebutuhan dalam negeri terpenuhi. Acrylamide merupakan bahan intermediate yang sebagian besar digunakan untuk pembuatan polyacrylamide. Lokasi pabrik di dalam negeri dipilih dekat dengan target penjualan utama yaitu pabrikpabrik pembuat polimer (polyacrylamide) untuk industri kertas, water treatment, seperti BASF, Rohm and Haas, Clariant. 3. Utilitas Kebutuhan air proses dibeli dari PT. KTI (Krakatau Tirta Industri), sedangkan kebutuhan listrik dapat disuplai dari PLN, disamping itu energi listrik juga bisa diperoleh dengan menggunakan generator diesel (apabila listrik mati) yang mampu menyediakan listrik pada pabrik ini. Kebutuhan bahan bakar dibeli dari Pertamina. I.4 Tinjauan Pustaka Acrylamide sudah ditemukan sejak tahun 1893, namun baru mulai diproduksi secara komersial setelah ditemukannya acrylonitrile pada tahun 1940. Untuk pertama kalinya acrylamide ditawarkan dalam dunia perdagangan pada tahun 1952 oleh American Cyanamid Company dan produksi secara komersial mulai tahun 1954. Pada masa sekarang pabrik acrylamide sudah tersebar di USA, Jepang, dan Eropa (Kirk Orthmer, 1991). I.4.1 Macam-Macam Proses Secara komersial, pembuatan acrylamide dapat dilakukan dengan 3 macam proses, yaitu: a. Proses Asam Sulfat Proses asam sulfat merupakan metode konvensional yang mereaksikan acrylonitrile dengan asam sulfat monohidrat (H 2 SO 4.H 2 O) diikuti dengan pemisahan produk dari garam sulfat menggunakan netralisasi basa. Reaksi yang terjadi : CH 2 =CHCN + H 2 SO commit 4.H 2 O to user CH 2 =CHCONH 2.H 2 SO 4
digilib.uns.ac.id 6 Proses ini menghasilkan yield monomer yang cukup besar, baik dalam bentuk kristal maupun larutan. Tapi proses ini juga menghasilkan produk sulfat yang tidak dikehendaki. Reaksi biasanya berlangsung pada glassline equipment pada suhu 90 100 o C dengan waktu tinggal 1 jam. Reaksi yang terjadi sangat eksotermis. Semakin lama waktu tinggal dan semakin tinggi suhu dapat menaikkan selektivitas dari impuritas, terutama polimer dan asam akrilat. Akrilamid sulfat yang dihasilkan dinetralisasi dengan penambahan amonia hingga dihasilkan kristal acrylamide dan ammonium sulfat sebagai hasil samping. Reaksi yang terjadi: CH 2 =CHCONH 2.H 2 SO 4 + 2 NH 3 CH 2 = CHCONH 2 + (NH 4 ) 2 SO 4 Bagian tersulit dan mahal dari proses ini adalah pemisahan acrylamide dengan ammonium sulfat. Pada proses ini sulit diperoleh kemurnian yang tinggi. Pada saat ini proses ini tidak lagi digunakan untuk memproduksi acrylamide secara komersial (Kirk Othmer, 1991). b. Proses Biologi Proses biologi dikembangkan oleh Nitto Chemical Industry pada tahun 1985 menggunakan mikroorganisme untuk menghasilkan acrylamide dari acrylonitrile melalui proses hidrolisis enzimatis. Reaksi ini menggunakan katalis nitrile hidralase yaitu enzim nitriasically active yang dihaslikan oleh mikroorganisme seperti Corynebacterium N-774, Bacillus, Bacteridium, Micrococcus, Nacardia, dan Pseudomonas. Jenis bakteri yang dikembangkan adalah Rhodococcus rhodochous, yang dapat meningkatkan kapasitas dari 6000 ton/tahun menjadi 20.000 ton/tahun. Reaksi ini dijalankan pada suhu 0-15 o C dan ph 7-9 dengan konversi yang hampir sempurna dan produk samping seperti asam akrilat dalam jumlah kecil (Kirk Othmer, 1991).
digilib.uns.ac.id 7 c. Proses Hidrolisis Katalitik Kelemahan pada proses asam sulfat dapat diatasi dengan mengembangkan proses hidrolisis katalitik menggunakan katalis padat, misalnya mangaan dioksida, tembaga oksida, tembaga krom oksida, raney copper. Proses ini menghasilkan selektivitas hampir 100%, tergantung dari jenis katalis yang digunakan (Kirk Othmer, 1991). Katalis raney copper terdiri dari 2%-45% berat aluminium dengan kisaran diameter 0,002 0,5 inchi ( US Patent No. 3.920.740, 1975 ). Reaksi yang terjadi: CH 2 =CHCN (l) + H 2 O (l) RaneyCoppe r CH 2 =CHCONH 2(l) Reaksi terjadi pada kisaran suhu 70 120 o C. Proses ini mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan proses asam sulfat yaitu tidak adanya produk samping reaksi sehingga pemurnian yang mahal dapat dihindari dan terjadi peningkatan konversi dari 80% dengan proses asam sufat menjad 97% (WHO, 1985). Kisaran komposisi reaktan masuk reaktor adalah 5%-50% berat acrylonitrile (US Patent No. 4.302.597, 1981). Dari bermacam - macam proses pembuatan acrylamide yang telah diuraikan, maka ditentukan proses hidrolisis katalitik fase cair dengan pertimbangan seperti terlihat pada Tabel I.2. Tabel I.2 Metode Asam Sulfat Pemisahan antara produk utama dengan produk samping cukup sulit dan mahal Konversi : 80% Perbandingan Beberapa Proses Pembuatan Acrylamide Proses Biologi Menguntungkan untuk skala di atas 30.000 ton/tahun Prosesnya kompleks Konversi : 98% lebih Hidrolisis Katalitik Tidak adanya produk samping sehingga tidak memerlukan pemurnian yang mahal. Tidak memerlukan alat pemisah katalis dari hasil reaksi Konversi : 97%
digilib.uns.ac.id 8 I.4.2 Kegunaan Produk Acrylamide merupakan bahan intermediate yang sebagian besar digunakan untuk pembuatan polyacrylamide. Polyacrylamide digunakan dalam Enhanced Oil Recovery (EOR) sebagai bahan aditif, sebagai flokulan pada pengolahan air limbah, dan digunakan sebagai aditif pada industri kertas (Kirk Othmer, 1991). I.4.3 Sifat Fisis dan Kimia a. Bahan baku 1. Acrylonitrile (C 3 H 3 N) Sifat Fisis: Fase (25 o C) : cair Berat Molekul : 53 kg/kmol Titik didih : 77,3 o C Titik beku : -83,5 o C Titik nyala : 0 o C Densitas (20 o C) : 806 kg/m 3 Tekanan uap (20 o C) : 0,115 bar Kelarutan dalam air (20 o C) : 7,3%berat Viskositas (25 o C) : 0,34 cp H o l (25 o C) : 150 kj/mol G o g (25 o C) : 195 kj/mol Sifat Kimia: Reaksi pada acrylonotrile terjadi pada ikatan rangkap karbon dan atau bagian nitril. Homopolimer dan kopolimer paling mudah terjadi pada fase cair. Reaksi reaksi yang terjadi pada acrylonitrile diantaranya:
digilib.uns.ac.id 9 Hidrolisis dengan asam sulfat menjadi acrylamide sulfat (C 3 H 5 NO.H 2 SO 4 ) dan dapat berubah menjadi acrylamide dengan netralisasi menggunakan basa. Hidrolisis total menghasilkan asam akrilat dengan menggunakan asam mineral / basa. Hidrolisis parsial menghasilkan acrylamide dengan menggunakan katalis tembaga maupun biokatalisator. Adisi Diels-Alder membentuk produk senyawa siklis. Hidrogenasi dengan menggunakan katalis metal menghasilkan propionitrile (C 3 H 5 N) dan propilamina (C 3 H 9 N) Hidrodimerisasi menghasilkan adiponitrile Adisi halogen menghasilkan dihalopropionitrile (Kirk Othmer, 1991) 2. Air Sifat Fisis: Berat molekul : 18,015 kg/kmol Densitas (25 o C) : 998 kg/m 3 Fase : cair Specific gravity : 1,00 Titik beku : 0 C Titik didih : 100 C Viskositas : 0,8949 cp ( Kirk Othmer, 1991) Sifat Kimia: Merupakan kovalen polar Elektrolit lemah, mampu menghantarkan listrik karena terionisasi H 2 O (l) H + (aq) + OH - (aq) Dapat menguraikan garam menjadi asam dan basa
digilib.uns.ac.id 10 Bereaksi dengan oksida logam membentuk hidroksida yang bersifat ion (basa) Bereaksi dengan oksida non logam membentuk asam (Pudjaatmaka, 1984) 3. Katalis Jenis : Raney Copper Luas permukaan : 95.000 m 2 /kg Volume pori total : 0,0003 m 3 /kg Bulk density : 1.200 kg/m 3 Kadar : 48% Cu, 21% Al (BASF, 2009) Diameter : 5,08 10-5 1,27 10-2 m (US Patent No. 3.920.740, 1975) b. Produk Acrylamide (C 3 H 5 ON) Sifat Fisis: Fase (25 o C) : kristal padat putih Berat molekul : 71,08 kg/kmol Titik leleh : 84,5±0,3 C Tekanan uap : 9,3 10-5 Titik didih (0,03 bar) : 136 C Densitas : 1.122 kg/l Panas polimerisasi : -82,8 kj/mol Kelarutan (30 C) : 215,5 kg/100 L air Sifat Kimia: Acrylamide merupakan monomer yang memiliki ikatan rangkap yang reaktif dan ikatan amida. Sehingga reaksi yang terjadi pada Acrylamide juga melibatkan kedua jenis ikatan tersebut. Berikut ini beberapa jenis ikatan dari acrylamide :
digilib.uns.ac.id 11 Reaksi nonkatalis acrylamide dengan amina primer menghasilkan produk mono atau bis. RNH 2 +CH 2 =CHCONH 2 RNHCH 2 CH 2 CONH 2 RN(CH 2 CH 2 CONH 2 ) 2 Bereaksi dengan keton aktif menghasilkan adducts yang akan berubah menjadi lactam. Lactam dapat terhidrolisis menjadi propionat. Pada kondisi asam, acrylamide dapat dipisahkan dari air dengan cara klorinasi. Bereaksi dengan Dienes membentuk Diels Alder. Acrylamide dapat teroksidasi menggunakan katalis osmium tetraoxide menghasilkan glikol engan natrium hipoklorit. Oksidasi acrylamide tanpa katalis menghasilkan N-vinil-N - akriloilurea. Bereaksi dengan asam sulfat berkonsentrasi menghasilkan garam akrilamid sulfat yang apabila reaksi dilanjutkan dengan alkohol akan menghasilkan akrilat ester. Dehidrolisis acrylamide menggunakan mangaan dioksida atau fospor pentaoksida pada 500 o C menghasilkan acrylonitrile. Aldehid beraksi dengan acrylamide pada kondisi netral atau basa menghasilkan N-metiloakrilamide. (Kirk Othmer, 1991) I.4.4 Tinjauan Proses Secara Umum Secara umum hidrolisis merupakan proses dekomposisi dengan air. Hidrogen bergabung dengan komponen yang satu dan ion hidroksil dengan komponen yang lain hasil dekomposisi. XY + H 2 O HY + XOH Reaksi hidrolisis banyak dipakai dalam industri untuk memecah suatu senyawa lain. Kadang kadang untuk senyawa tertentu reaksi hidrolisis dilakukan tidak sempurna atau dengan hidrolisis parsial seperti pembuatan
digilib.uns.ac.id 12 acrylamide dari acrylonitrile dengan pengaturan kondisi operasi dan jenis katalis yang tepat. Reaksi hidrolisis sempurna pada acrylonitrile menggunakan katalis asam akan menghadilkan produk asam akrilat. Reaksi hidrolisis acrylonitrile merupakan reaksi eksotermis fase cair-cair dengan katalis padat (Kirk Othmer, 1991). Reaksi menggunakan reaktor fixed bed dengan katalis raney copper dan menghasilkan produk akhir berupa larutan acrylamide 50%. Mekanisme reaksi: (Fessenden and Fessenden, 1999) Dengan, R : H 2 C = CH Secara umum pembentukan acrylamide sebagai berikut : Mula mula bahan baku acrylonitrile dan air menuju tangki pencampur. Pada tangki pencampur ini juga ditambahkan arus recycle acrylonitrile dan air dari menara destilasi. Perbandingan umpan masuk reaktor adalah 13% berat acrylonitrile dalam air. Larutan umpan 13% berat acrylonitrile dimasukkan kedalam reaktor fixed bed (Onuoha & Wainwright, 1984). Dengan suhu masuk reaktor 70 o C dan tekanan masuk reaktor 3,03 bar yang diatur agar reaksi tetap pada fase cair. Disini terjadi proses hidrolisis acrylonitrile menjadi acrylamide dengan adanya katalis raney copper. Pada reaksi ini tidak ada hasil samping. Produk reaktor yang terdiri atas acrylamide, sisa reaktan acrylonitrile dan air kemudian dialirkan ke unit pemisahan. Di unit pemisahan hasil keluaran reaktor dipisahkan berdasarkan perbedaan titik didih sehingga menghasilkan produk acrylamide yang sesuai spesifikasi.
digilib.uns.ac.id 13 BAB II DESKRIPSI PROSES II.1. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk II.1.1. Spesifikasi Bahan Baku 1. Acrylonitrile Fase : cair Warna : tidak berwarna Aroma : seperti bawang merah dan bawang putih Specific gravity : 0,8060 Titik didih : 77-79 C Titik leleh : -84 ~ -83 C Kelarutan : 0,0073 kg/1 kg air (20 C), sangat larut dalam etanol dan eter Komposisi bahan : > 99% Acrylonitrile (Asumsi 100% Acrylonitrile) (Tongsuh Petrochemical Corp., Ltd., 1997) 2. Air Berat molekul : 18,015 kg/kmol Densitas (25 o C) : 998 kg/m 3 Fase : cair Specific gravity : 1,00 Titik beku : 0 C Titik didih : 100 C Viskositas : 0,8949 cp (Kirk Othmer, 1991) 13
digilib.uns.ac.id 14 Kualitas air PT. KTI: memenuhi syarat air bersih (Sugiarto, 2006) Standar air bersih Bau : tidak berbau Jumlah zat padat terlarut : 0,0015 kg/l Rasa : tidak berasa Suhu : 30 C ph : 6,5 9,0 (Depkes RI, 1990) 3. Katalis Jenis : Raney Copper Luas permukaan : 9.500 m 2 /kg Volume pori total : 0,0003 m 3 /kg Berat jenis ( bulk ) : 1.200 kg/m 3 Kadar : 48% Cu, 21% Al Diameter : 0,0032 m (BASF, 2009) II.1.2. Spesifikasi Produk Acrylamide 50% larutan Bentuk : cair Warna : bening ph : 5 6,5 Titik didih (1 atm) : 104 C Densitas : 1,038 Specific gravity (25 C) : 1,0412 Viskositas (25 C) : 2,71 cp Flammibilty : nonflammable (Kirk Othmer, 1991)
digilib.uns.ac.id 15 II.2. Konsep Proses II.2.1 Dasar Reaksi Reaksi pembuatan acrylamide dari acrylonitrile dan air merupakan reaksi eksotermis. Reaksi berlangsung pada suhu 70 120 C dan tekanan 3,03 bar. Konversi reaksi sebesar 97% (WHO, 1985). Reaksi berjalan baik pada reaktor fixed bed (Kirk Othmer, 1991). Reaksi berlangsung pada kondisi adiabatis dan non-isotermal. Reaksi yang terjadi adalah : Reaksi yang terjadi adalah : H H H H H C = C C N + H 2 O RaneyCoppe r C = C C N H H O H acrylonitrile air acrylamide II.2.2 Pemakaian Katalis Reaksi hidrolisis acrylonitrile menjadi acrylamide merupakan reaksi cair-cair dengan katalis padat yang berlangsung dalam reaktor fixed bed. Katalis yang digunakan adalah raney copper. Katalis raney copper terdiri dari 2%-45% berat aluminium dengan kisaran diameter 0,002 0,5 inchi (US Patent No. 3.920.740, 1975). Katalis raney copper memiliki umur aktif hingga 2 tahun (Onuoha & Wainwright, 1984). II.2.3 Mekanisme Reaksi Reaksi pembentukan acrylamide dengan proses hidrolisis acrylonitrile adalah termasuk reaksi heterogen yang melibatkan dua fase yaitu reaktan dalam fase cair dan katalis dalam fase padat. Mekanisme reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: 1. Transfer massa reaktan dari badan utama fluida ke permukaan luar katalis (external diffusion) 2. Transfer massa reaktan dari permukaan luar ke permukaan dalam pori pori katalis (internal diffusion).
digilib.uns.ac.id 16 3. Adsorpsi reaktan pada permukaan katalis (chemisorbsion). 4. Reaksi pada permukaan katalis. 5. Desorbsi produk reaksi dari permukaan dalam katalis. 6. Transfer massa produk dari permukaan dalam ke permukaan luar katalis. 7. Transfer massa produk dari permukaan luar ke badan utama fluida. (Fogler, 1999) Untuk reaksi pembentukan acrylamide ini tahap yang berlangsung lambat adalah adsorpsi acrylonitrile, air dan acrylamide di permukaan katalis. Sehingga kecepatan reaksi keseluruhan dikontrol oleh adsorpsi pada permukaan katalis (Onuoha & Wainwright, 1984). II.2.4 Tinjauan Kinetika Persamaan kecepatan reaksi hidrolisis acrylonitrile menjadi acrylamide adalah sebagai berikut : r 3.39 10-8 C 0.66 C 1.27 C C -0.46 Dengan r : kecepatan reaksi hidrolisis (kmol/s.kg) C A : konsentrasi acrylonitrile (kmol/m 3 ) C B : konsentrasi air (kmol/m 3 ) C C : konsentrasi acrylamide (kmol/m 3 ) (Onuoha & Wainwright, 1984) II.2.5 Tinjauan Termodinamika Pada reaksi dipermukaan katalis, terjadi reaksi hidrolisis antara acrylonitrile dengan air menghasilkan acrylamide. Dengan tinjauan termodinamika, penentuan sifat reaksi berjalan secara eksotermis atau endotermis dapat diketahui dari perhitungan ΔH 298. Reaksi hidrolisis: CH 2 =CHCN (l) + H 2 O (l) RaneyCoppe r CH 2 =CHCONH 2(l)
digilib.uns.ac.id 17 Tabel II.1 Harga ΔH f º masing-masing komponen Komponen Harga ΔH f º (kj/mol) C 3 H 3 N 180,6 H 2 O -285,8 C 3 H 5 ON -170 ΔH R º = ΔH f º produk ΔH f º reaktan n.δh f º C 3 H 5 ON (n.δh f º C 3 H 3 N + n. ΔH f º H 2 O) = [-170 (180,6 285,8)] kj/mol = -64,8 kj/mol = -64.800 J/mol Karena harga ΔH yang dihasilkan negatif, maka reaksi bersifat eksotermis. Dalam tinjauan termodinamika, hubungan antar panas reaksi, suhu dan konstanta kesetimbangan adalah sebagai berikut: d ln K H dt RT Bila persamaan tersebut diturunkan menjadi: o 2 (Smith-VanNess, 1975) ln K K' H R 0 1 1 ' T T (Smith-Van Ness, 1975) Sifat reaksi yang reversible atau irreversible dapat diketahui dari harga konstanta kesetimbangan. Tabel II.2 Harga ΔG f º masing-masing komponen Komponen Harga ΔG f º (kj/mol) C 3 H 3 N 191,1 H 2 O -237,1 C 3 H 5 ON -97,9
digilib.uns.ac.id 18 Bila ditinjau dari energi bebas Gibbs diperoleh : ΔG f º 298 = ΔG f º produk ΔG f º reaktan ΔG f º C 3 H 5 ON (ΔG f º C 3 H 3 N + ΔG f º H 2 O) = [-97,9 (191,1 237,1)] kj/mol = -51,9 kj/mol = -51.900 kj/mol Harga konstanta kesetimbangan pada keadaan standar ΔG f º 298 = -R.T ln K (298) -51.900 = -8,314 298 ln K (298) K (298) = 1,252 10 9 Harga konstanta kesetimbangan pada keadaan 343 K ln(k (343) / 1,252 10 9 ) = - ((-64.800/8,314) (1/343-1/298)) K (343) = 1,049 10 7 Dari perhitungan di atas dapat disimpulkan bahwa reaksi yang terjadi adalah reaksi searah. II.2.6 Kondisi Operasi Reaksi pembentukan acrylamide dari acrylonitrile dan air merupakan reaksi hidrolisis, dijalankan dalam reaktor fixed bed, yang beroperasi pada tekanan 3,03 bar dan kisaran suhu 70 120 C (WHO, 1985). Kondisi operasi sebagai berikut : a. Komposisi acrylonitrile masuk reaktor Kisaran komposisi reaktan masuk reaktor adalah 5%-50% berat acrylonitrile (US Patent No. 4.302.597, 1981). Komposisi reaktan masuk reaktor adalah 13% berat acrylonitrile, karena komposisi ini merupakan batas kelarutan acrylonitrile dalam air yang dapat dicapai pada suhu operasi (70 C). b. Temperatur Kisaran temperatur reaksi adalah 70 120 C (WHO, 1985). Dipilih suhu masuk reaktor 70 C.
digilib.uns.ac.id 19 c. Tekanan Tekanan tidak terlalu berpengaruh pada reaksi. Tekanan masuk reaktor sebesar 3,03 bar agar reaksi tetap berjalan dalam fase cair. II.3 Diagram Alir Proses II.3.1 Diagram Alir Diagram alir prarancang pabrik acrylamide, yaitu : a. Diagram Alir Kualitatif (Gambar 2.1) b. Diagram Alir Kuantitatif (Gambar 2.2) c. Diagram Alir Proses (Gambar 2.3)
20 Arus 3 C3H3N H2O 134,17 C; 2,99 bar Arus 5 H2O C3H3N C3H5ON 110 C; 3,03 bar Arus 1 C3H3N 30 C; 3,03 bar Arus 2 H2O 30 C; 3,03 bar MIXER REAKTOR (70 C; 3,03 bar) MENARA DISTILASI Arus 4 H2O C3H3N 70 C; 3,03 bar Arus 6 H2O C3H3N C3H5ON 141,82 C; 3,46 bar Gambar II.1 Diagram Alir Kualitatif Acrylamide
21 Arus 3 H2O 4205,4 kg/jam C3H3N 24,8 kg/jam Arus 5 H2O 5278,6 kg/jam C3H3N 24,8 kg/jam C3H5ON 1073,2 kg/jam Arus 1 C3H3N 801,2 kg/jam Arus 2 H2O 1345,3 kg/jam MIXER REAKTOR MENARA DISTILASI Arus 4 H2O 5550,7 kg/jam C3H3N 825,9 kg/jam Arus 6 H2O C3H3N C3H5ON 1073,2 kg/jam 0,02 kg/jam 1073,2 kg/jam Gambar II.2 Diagram Alir Kuantitatif Acrylamide
22 DIAGRAM ALIR PROSES PRARANCANGAN PABRIK ACRYLAMIDE DARI ACRYLONITRILE MELALUI PROSES HIDROLISIS KAPASITAS 17.000 TON/TAHUN 5 3,03 111,7 S out HE-02 133,8 TC CD KETERANGAN GAMBAR ACC : ACCUMULATOR CD : CONDENSOR EV : EXPANSION VALVE HE : HEAT EXCHANGER M : MIXER MD : MENARA DISTILASI P : POMPA R : REAKTOR RB : REBOILER T-01 : TANGKI ACRYLONITRILE T-02 : TANGKI H2O T-03 : TANGKI ACRYLAMIDE P-04 W out W in LC ACC W S : WATER : STEAM LI T-01 FC 1 3,03 30 3 2,99 133,8 R S in TC FC 135,9 2 1 FC FRC FC P-05 6 T-03 LI FC LI LC PC TC FRC : FLOW CONTROLLER : LEVEL INDICATOR : LEVEL CONTROLLER : PRESSURE CONTROLLER : TEMPERATURE CONTROLLER : FLOW RATIO CONTROLLER : ARUS MASSA P-01 1,01 : ARUS UTILITAS 45 : ARUS PENGENDALI PNEUMATIC 2 : ARUS PENGENDALI ELECTRIC 3,03 30 M LI MD HE-03 : GATE VALVE : THROTTLE VALVE FC T-02 FC 4 LI 70 HE-01 3,03 P-03 101,4 P-02 W out TC 1,21 146,9 W out W in TC : NOMOR ARUS : TEMPERATUR, o C : TEKANAN, bar W in EV DIAGRAM ALIR PROSES PRARANCANGAN PABRIK ACRYLAMIDE MELALUI PROSES HIDROLISIS ACRYLONITRILE KAPASITAS 17.000 TON/TAHUN Komponen Arus (kg/jam) Arus 1 Arus 2 Arus 3 Arus 4 Arus 5 Arus 6 C3H3N 801,16-24,76 825,91 24,78 0,02 H2O - 1345,30 4212,37 5557,68 5285,59 1073,22 C3H5ON - - - - 1073,22 1073,22 Jumlah 801,16 1345,30 4237,13 6383,59 6383,59 2146,46 LC 43 TC RB S in S out 3,48 146,9 JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2012 Fitri Wulandari NIM. I 0508018 Bregas S T Sembodo, S.T., M.T. NIP. 19711206 199903 1 002 Digambar Oleh : Dosen Pembimbing : Fitria Ayuluthfi P. NIM. I 0508045 Dr. Sunu Herwi Pranolo NIP. 19690316 199802 1 001
digilib.uns.ac.id 23 II.3.2 Langkah Proses a. Tahap Persiapan Bahan Baku Mula mula bahan baku acrylonitrile dan air yang berasal dari tangki penyimpanan (30 C, 1,01 bar), dipompa menuju mixer. Mixer ini juga menerima arus recycle (acrylonitrile dan air) dari menara distilasi. Komposisi umpan masuk reaktor adalah 13% berat acrylonitrile. Dari mixer diperoleh campuran acrylonitrile dan air dengan komposisi 13% acrylonitrile yang kemudian dipompa menuju reaktor. b. Tahap Pembentukan Acrylamide Campuran acrylonitrile dan air dengan komposisi 13% acrylonitrile masuk ke dalam reaktor yang merupakan reaktor fixed bed. Reaktor bekerja secara adiabatis dan non isotermal, dengan suhu reaktor 70 o C dan tekanan 3,03 bar, agar reaksi tetap berjalan pada fase cair. Di dalam reaktor terjadi proses hidrolisis acrylonitrile menjadi acrylamide dengan adanya katalis raney copper dalam bed reaktor. Produk reaktor terdiri atas acrylamide, sisa acrylonitrile dan air. c. Tahap Pemurnian Produk Produk keluaran reaktor (acrylamide, sisa acrylonitrile dan air) diumpankan ke dalam menara distilasi untuk menguapkan acrylonitrile dan air, sehingga diperoleh hasil bawah larutan acrylamide 50%. Tekanan operasi kolom dijaga 3,03 bar. Selanjutnya hasil atas menara distilasi dialirkan kembali ke mixer. Sedangkan produk bottom sebagai hasil bawah distilasi dialirkan dan dipanaskan menggunakan heat exchanger menuju accumulator. Produk dari accumulator sebagian dialirkan kembali ke dalam menara distilasi dan sebagian lagi diturunkan suhunya hingga 45 C menuju tangki penyimpanan acrylamide.
digilib.uns.ac.id 24 II.4 Neraca Massa dan Neraca Panas Produk : acrylamide 50% solution Kapasitas : 17.000 ton/tahun Satu tahun produksi : 330 hari Waktu operasi selama 1 hari : 24 jam II.4.1 Neraca Massa Gambar II.2 Neraca massa prarancangan pabrik acrylamide sesuai dengan Tabel II.3 Neraca Massa Mixer Input Output Komponen Arus 1 Arus 2 Arus 3 (recycle) Arus 4 kg/jam kg/jam kg/jam kg/jam C 3 H 3 N 801,16-24,76 825,91 H 2 O - 1.345,30 4.212,37 5.557,68 Total 6.383,59 6.383,59 Tabel II.4 Neraca Massa Reaktor Input Output Komponen Arus 4 Arus 5 kg/jam kg/jam C 3 H 3 N 825,91 24,78 H 2 O 5.557,68 5.285,59 C 3 H 5 ON - 1.073,22 Total 6.383,59 6.383,59 Tabel II.5 Neraca Massa Menara Distilasi Input Output Komponen Arus 5 Arus 3 Arus 6 kg/jam kg/jam kg/jam C 3 H 3 N 24,78 24,76 0,02 H 2 O 5.285,59 4.212,37 1.073,22 C 3 H 5 ON 1.073,22 0 1.073,22 Total 6.383,59 6.383,59
digilib.uns.ac.id 25 Tabel II.6 Neraca Massa Total Input Output Komponen Arus 1 Arus 2 Arus 6 kg/jam kg/jam kg/jam C 3 H 3 N 801,16-0,02 H 2 O - 1.345,30 1.073,22 C 3 H 5 ON - - 1.073,22 Total 2.146,46 2.146,46 II.4.2 Neraca Panas Tabel II.7 Neraca Panas Mixer Komponen Input(kJ/jam) Output (kj/jam) Arus 1 8.249,21 - Arus 2 28.182,57 - Arus 3 1.925.609,19 - Arus 4-1.908.644,79 Q pelarutan - 53.396,18 Total 1.962.040,97 1.962.040,97 Tabel II.8 Neraca Panas Reaktor Komponen Input(kJ/jam) Output (kj/jam) Arus 4 1.122.523,20 - Arus 5-2.102.026,85 Q reaksi 979.503,65 - Total 2.102.026,85 2.102.026,85 Tabel II.9 Neraca Panas Menara Destilasi Komponen Input(kJ/jam) Output (kj/jam) Q umpan 2.699.525,12 - Q top - 1.925.609,19 Q bottom - 811.236,83 Q condenser - 13.046,85 Q reboiler 50.367,75 - Total 2.749.892,87 2.749.892,87
digilib.uns.ac.id 26 Tabel II.10 Neraca Panas Total Komponen Input (kj/jam) Output (kj/jam) Arus 1 8.249,21 - Arus 2 28.182,57 - HE-02 597.498,28 - Q reboiler 50.367,75 - Q reaksi 979.503,65 - Arus 6-130.676,26 HE-01-786.121,59 Q condenser - 13.046,85 HE-03-680.560,57 Q pelarutan - 53.396,18 Total 1.663.801,45 1.663.801,45 II.5 Tata Letak Pabrik dan Peralatan Proses Tata letak pabrik adalah tempat kedudukan dari seluruh bagian pabrik, meliputi tempat kerja alat, tempat kerja karyawan, tempat penyimpanan barang, tempat penyediaan sarana utilitas, dan sarana lain bagi pabrik. Beberapa faktor perlu diperhatikan dalam penentuan tata letak pabrik, antara lain adalah pertimbangan ekonomis (biaya konstruksi dan operasi), kebutuhan proses, pemeliharaan keselamatan, perluasan di masa mendatang. Bangunan pabrik meliputi area proses, area tempat penyimpanan bahan baku dan produk, area utilitas, bengkel mekanik untuk pemeliharaan, gudang untuk pemeliharaan dan plant supplies, ruang kontrol, laboratorium untuk pengendalian mutu dan pengembangan, unit pemadam kebakaran, kantor administrasi, kantin, poliklinik, tempat ibadah, area parkir, dan taman bagi para pegawai. Pengaturan letak peralatan proses pabrik harus dirancang seefisien mungkin. Beberapa pertimbangan perlu diperhatikan yaitu ekonomi, kebutuhan proses, operasi, perawatan, keamanan, perluasan dan pengembangan pabrik. Peletakan alat-alat proses harus sebaik mungkin sehingga memberikan biaya konstruksi dengan operasi minimal. Biaya konstruksi dapat diminimalkan dengan mengatur letak alat sehingga menghasilkan pemipaan terpendek dan membutuhkan bahan konstruksi paling sedikit. Peletakan alat harus memberikan ruangan cukup bagi masing-masing alat agar dapat beroperasi commit to dengan user baik, dengan distribusi utilitas
digilib.uns.ac.id 27 mudah. Peralatan membutuhkan perhatian lebih dari operator harus diletakkan dengan ruang kontrol. Valve, tempat pengambilan sampel, dan instrumen harus diletakkan pada ketinggian tertentu sehingga mudah dijangkau oleh operator. Peletakan alat harus memperhatikan ruangan untuk perawatan. Misal, pada heat exchanger memerlukan cukup ruang untuk pembersihan pipa. Peletakan alat-alat proses harus sebaik mungkin, agar jika terjadi kebakaran tidak ada pekerja terperangkap di dalamnya serta mudah dijangkau kendaraan atau alat pemadam kebakaran. Susunan tata letak pabrik harus sangat diperhatikan sehingga memungkinkan adanya distribusi bahan-bahan dengan baik, cepat dan efisien. Hal tersebut akan sangat mendukung kelancaran di dalam proses produksi pabrik yang dirancang. Sketsa tata letak pabrik dapat dilihat pada Gambar II.4 dan gambar tata letak peralatan proses dapat dilihat pada Gambar II.5. 95 m UPL Area Perluasan Area Proses Area Perluasan Utilitas 77,5 m Pemadam Kebakaran Ruang Genera tor Ruang Kontrol Bengkel Laboratorium Parkir Jembatan Timbang Parkir Mobil Loading Gudang Pintu Darurat P o s U Poliklinik Kantin P o s Parkir Diklat Musholla Perkantoran Keterangan: Taman Arah jalan P o s Skala = 1: 800 Gambar II.4 Tata Letak Pabrik Acrylamide
digilib.uns.ac.id 28 T-03 HE-03 REB ACC CD T-02 R MD 40 m HE-02 T-01 HE-01 M Control Room Keterangan Gambar : T-01 = Tangki Acrylonitrile T-02 = Tangki Acrylamide M = Mixer R = Fixed Bed Reactor MD = Menara Destilasi HE-01 = Cooler 1 HE-02 = Heater 1 HE-03 = Cooler 2 CD = Condenser REB = Reboiler ACC = Accumulator 30 m Skala = 1 : 500 Gambar II.5 commit Tata letak to user peralatan proses
digilib.uns.ac.id 29 BAB III SPESIFIKASI PERALATAN PROSES Tabel III.1 Nama alat Spesifikasi Tangki Tangki Kode T-01 T-02 T-03 Fungsi Tipe Menyimpan bahan baku C 3 H 3 N selama 30 hari Silinder vertikal dengan flat bottom dan conical roof Carbon Steel SA 283 grade C Menyimpan bahan baku H 2 O selama 7 hari Silinder vertikal dengan flat bottom dan conical roof Menyimpan produk C 3 H 5 ON selama 30 hari Silinder vertikal dengan flat bottom dan conical roof Material Carbon steel SA 283 grade C Jumlah 1 1 1 Kondisi operasi - Tekanan, bar - Suhu, C 1,01 30 1,01 30 Carbon steel SA 283 grade C 1,01 45 Volume, m 3 214,74 65,42 406,60 Dimensi - Diameter, m - Tinggi total, m - Tebal silinder, m Course 1 Course 2 - Tebal head, m 9,14 4,02 0,01 0,01 0,01 6,10 3,98 0,01 0,01 0,01 12,19 4,49 0,02 0,02 0,02 29
digilib.uns.ac.id 30 Tabel III.2 Spesifikasi Reaktor Kode Fungsi R mereaksikan acrylonitrile dan air dengan bantuan katalis Raney Copper sehingga menghasilkan acrylamide Fixed bed catalytic reactor 1 buah Carbon Steel Tipe Jumlah Material Kondisi operasi - Tekanan, bar 3,03 - Suhu, o C 70 Katalis - Bahan Raney Copper - Bentuk Granular - Diameter, m 0,003 - ρ bulk, kg/m 3 1200 Spesifikasi Shell - ID, m 3 - Tebal shell, m 0,009 Spesifikasi Head - Bentuk - Tebal head, m - Tinggi head, m Tinggi Total, m 14,15 Volume Reaktor, m 3 95,51 Ukuran pipa 2 in SN 40 Isolator - Bahan isolasi - Tebal isolasi, m Torispherical Dished Head 0,016 0,63 Asbestos 0,05
digilib.uns.ac.id 31 Tabel III.3 Spesifikasi Mixer Kode M Fungsi mencampur acrylonitrile dan air agar larutan umpan homogen Tipe Tangki alir berpengaduk Jumlah 1 buah Kondisi operasi - Tekanan, bar 3,03 - Suhu, o C 101,37 Spesifikasi shell - IDs, m 1,37 - Tebal, m 0,006 - Material Carbon Steel 283 grade C Spesifikasi head - Bentuk Torisperical dished head - Tebal, m 0,009 - Tinggi, m 0,28 Spesifikasi Pengaduk - Jenis Turbin dengan 6 flat blade, 4 baffle - Di, m 0,45 - L, m 0,11 - Kecepatan Pengadukan, rpm 160 - Daya Pengadukan, HP 1 Tinggi total mixer, m 1,87
digilib.uns.ac.id 32 Tabel III.4 Kode Fungsi Tipe Jumlah Material Spesifikasi Menara Distilasi Kondisi operasi - Umpan Suhu, o C Tekanan, bar - Puncak Suhu, o C Tekanan, bar - Bawah Suhu, o C Tekanan, bar Menara - Diameter, m - Tinggi, m - Tebal shell, m Atas Bawah Head - Tipe - Tebal head atas, m - Tebal head bawa, m - Tinggi head atas, m - Tinggi head bawah, m Plate - Tipe - Jumlah plate (termasuk reboiler parsial) - Plate spacing, m - Plate umpan MD Memisahkan hasil keluaran reactor (acrylonitrile sisa reaksi, air dan acrylamide) sehingga diperoleh produk sesuai spesifikasi Tray tower 1 buah 135,92 3,03 134,17 2,99 141,81 3,48 1,07 27,29 0,006 0,02 Torisperical dished head 0,008 0,008 0,22 0,22 Sieve tray 42 0,5 2
33 Tabel III.5 Spesifikasi Alat Penukar Panas Nama Alat Cooler 1 Heater Cooler 2 Kode HE-01 HE-02 HE-03 Jumlah 1 1 1 Fungsi Mendinginkan umpan reaktor Memanaskan umpan MD Mendinginkan hasil keluaran expansion valve Tipe Double pipe Double pipe Double pipe Beban kerja, kj/jam 786121,59 597498,28 680560,57 Luas transfer panas, m 2 6,42 6,72 9,48 Annulus Fluida Umpan reaktor Low Pressure Steam Hasil keluaran expansion valve Suhu operasi, C 101,37/70 154,44/154,44 146,9/45 Debit, kg/jam 6383,59 284,60 2146,46 Panjang, m 4,57 6,09 3,66 ΔP, bar 0,13 0,0005 0,0006 Material konstruksi Carbon steel SA 283 grade C Carbon steel SA 283 grade C Carbon steel SA 283 grade C Inner pipe Fluida Air Umpan MD Air Suhu operasi, C 30/40 111,70/135,92 30/40 Jumlah hairpin 4 2 10 Debit, kg/jam 18801,03 6383,59 16276,41 ΔP, bar 0,05 0,004 0,22
34 Tabel III.5 Nama Alat Condenser Total Reboiler Kode CD RB Jumlah 1 1 Fungsi Mengkondensasikan hasil atas MD Memanaskan hasil bawah MD Tipe Double pipe Kettle reboiler Beban kerja, kj/jam 13.046,85 50367,75 Luas transfer panas, m 2 0,09 2,49 Annulus Fluida Air pendingin Shell side: hasil bawah MD Suhu operasi, C 30/40 141,82/146,61 Debit, kg/jam 311,62 11290,38 Panjang, m 3,66 - ΔP, bar 0,0002 - Material konstruksi Carbon steel SA 283 grade C Stainless steel SA 167 type 304 Inner pipe Fluida Keluaran MD Tube side: Low pressure steam Suhu operasi, C 133,85/133,81 154,44/154,44 Jumlah hairpin 1 Length: 72 in, Nt: 16 Debit, kg/jam 5753,21 23,99 ΔP, bar 0,26 0,0006
35 Tabel III.6 Spesifikasi Pompa Proses Nama Alat Pompa-01 Pompa-02 Pompa-03 Pompa-04 Pompa-05 Kode P-01 P-02 P-03 P-04 P-05 Jumlah 1 1 1 1 1 Fungsi Tipe Mengalirkan fresh acrylonitrile dari T-01 ke M Centrifugal pump, single stage Mengalirkan fresh water dari unit UTL ke M Centrifugal pump, single stage Mengalirkan hasil keluaran M menuju R Centrifugal pump, single stage Mengalirkan hasil keluaran R menuju MD Centrifugal pump, single stage Mengalirkan cairan refluks ACC ke MD dan M Centrifugal pump, single stage Kapasitas, gpm 5,32 6,95 36,91 36,62 33,04 Power pompa, HP 1 1 1/8 3 3 Power motor, HP 2 2 1/6 5 5 NPSH required, m 0,37 0,44 1,34 1,33 1,25 NPSH available, m 38,18 31,24 22,34 44,18 24,99 Bahan konstruksi Commercial steel Commercial steel Commercial steel Commercial steel Commercial steel Pipa: Nominal ¾ 1/3 2 2 ¾; 1 ¼ SN 40 40 40 40 40 ID pipa, m 0,02 0,007 0,05 0,05 0,02; 0,04
digilib.uns.ac.id 36 BAB IV UNIT PENDUKUNG PROSES DAN LABORATORIUM IV.1 Unit Pendukung Proses Unit pendukung proses atau utilitas merupakan bagian penting dalam penunjang proses produksi suatu pabrik. Utilitas di pabrik acrylamide meliputi unit penyediaan dan pengolahan air, unit penyediaan udara tekan, unit pengadaan listrik, unit pengadaan steam, dan unit pengadaan bahan bakar. Unit penyediaan dan pengolahan air berfungsi untuk penyediaan dan pengolahan air meliputi air pendingin, air proses, air konsumsi umum dan sanitasi, serta air pemadam kebakaran. Unit penyediaan udara tekan berfungsi menyediakan udara tekan pada kebutuhan instrumentasi pneumatic dan udara tekan di bengkel, sedangkan unit pengadaan listrik berfungsi menyediakan listrik sebagai tenaga penggerak peralatan proses, utilitas, elektronik, AC, maupun untuk penerangan. Listrik disuplai oleh PLN dan generator sebagai cadangan apabila listrik dari PLN mengalami gangguan. Steam sebagai media pemanas pada reboiler dan heat exchanger dipenuhi oleh unit pengadaan steam, sementara bahan bakar untuk boiler dan generator disediakan unit pengadaan bahan bakar. Nitrogen digunakan sebagai gas pembersih alat-alat proses. IV.2 Unit Penyediaan dan Pengolahan Air Pabrik ini menggunakan air tawar dari PT. Krakatau Tirta Industri yang dibagi menjadi empat yaitu demineralized water untuk reaksi hidrolisis dengan pengolahan terlebih dahulu sama seperti pengolahan air untuk keperluan umpan boiler (lihat Gambar IV.1), kebutuhan air proses ini tercantum pada Tabel IV.1. Kedua air umpan boiler, kebutuhan air umpan boiler tercantum pada Tabel IV.1. Ketiga, air pendingin untuk pendingin alat proses, kebutuhan air pendingin tercantum pada Tabel IV.1. Terakhir, air konsumsi dan sanitasi digunakan untuk pemenuhan air minum, laboratorium, kantor, perumahan dan pertamanan, di dalam pabrik ini membutuhkan 542,92 kg/jam atau dengan laju 0,55 m 3 /jam. 36
digilib.uns.ac.id 37 Air dari KTI Clarifier Sand Filter Bak Penampung Air Bersih Air Pendingin Tangki Air Sanitasi Ion Exchange Air Konsumsi dan Sanitasi Tangki Demin Water Deaerator Tangki Air Umpan Boiler Tangki Air Umpan Reaktor Air Umpan Boiler Air Umpan Reaktor Gambar IV.1 Skema Pengolahan Air
digilib.uns.ac.id 38 Tabel IV.1 No. 1. 2. 3. Perhitungan Kebutuhan Air Proses Kebutuhan air, kg/jam Laju alir, m 3 /jam Air proses (umpan proses hidrolisis) 1345,31 1,35 Air make up umpan boiler (HE- 02, reboiler) 60,99 0,06 Air make up pendingin (HE-01, condenser, HE-03) 659,63 0,66 Total 2065,93 2,08 Kebutuhan spesifik 1,47 liter/kg produk IV.3 Unit Penyediaan Steam dan Bahan Bakar Pabrik acrylamide ini menggunakan low pressure steam (6,18 bar) yang digunakan untuk pemenuhan kebutuhan panas pada heat exchanger dan reboiler. Untuk pemenuhan kebutuhan steam digunakan satu boiler, kebutuhan steam dilebihkan 20% karena kemungkinan adanya kebocoran pada saat pendistribusian. Boiler dipakai tipe fire tube boiler dengan bahan bakar batubara. Spesifikasi boiler tercantum pada Tabel IV.2, kebutuhan steam dan bahan bakar tercantum pada Tabel IV.3. Tabel IV.2 Spesifikasi Boiler Spesifikasi Low Pressure Steam Tekanan steam, bar 6,18 Tipe Fire tube boiler Jumlah 1 buah Kapasitas, kj/jam 732.092,26 Heating surface, m 2 23,16 Bahan bakar Batubara
digilib.uns.ac.id 39 Tabel IV.3 Kebutuhan Steam dan Bahan Bakar Spesifikasi Steam Bahan bakar Batubara LDO Tekanan, bar 6,18 - - Kebutuhan spesifik, per kg 0,03 kg 0,02 kg 0,02 L produk Specific gravity 0,97 1,2 0,87 Densitas, kg/m 3 62,43 915,52 873,35 Suhu, C 160 30 35 Entalpi, kj/kg 2.077,11 23.100 44.702,51 IV.4 Unit Pengadaan Listrik Kebutuhan tenaga listrik dipenuhi oleh PLN dan generator pabrik, hal ini bertujuan agar pasokan tenaga listrik dapat berlangsung kontinyu meskipun ada gangguan pasokan dari PLN. Generator digunakan arus bolak-balik dengan pertimbangan tenaga listrik cukup besar, tegangan dapat dinaikkan atau diturunkan sesuai kebutuhan menggunakan transformer. Kebutuhan energi listrik di pabrik ini meliputi keperluan proses, utilitas, rumah tangga, laboratorium, perkantoran dengan jumlah total 95.288,54 kwh/bulan. IV.5 Unit Penyediaan Udara Tekan Kebutuhan udara tekan untuk perancangan pabrik acrylamide ini diperkirakan sebesar 50 m 3 /jam, suhu 35 C dan tekanan 7,82 bar. Penyediaan udara tekan menggunakan kompresor dengan dryer berisi silica gel untuk penyerapan kandungan air. Spesifikasi kompresor tercantum pada Tabel IV.4.
digilib.uns.ac.id 40 Tabel IV.4 Spesifikasi Tipe Spesifikasi Kompresor Jumlah Suhu udara, C 35 Tekanan, bar 7,82 Kapasitas, m 3 /jam 50 Tekanan suction, bar 1,01 Tekanan discharge, bar 7,82 Efisiensi 80% Daya, Hp 7 ½ Keterangan Kompresor udara, single stage reciprocating compressor 1 buah IV.6 Unit Nitrogen Nitrogen digunakan sebagai gas pembersih alat-alat proses saat pabrik shut down. Kebutuhan nitrogen yang diperkirakan sebesar 90 m 3 diperoleh secara plant to plant dari PT Air Liquide Indonesia. IV.7 Unit Pengolahan Limbah Limbah cair pabrik acrylamide berupa oily water dari buangan pelumas pada pompa dan alat lain, diolah dengan pemisahan berdasarkan perbedaan massa jenisnya. Pengolahan air sisa proses dengan penetralan dalam kolam penetralan, sedangkan air buangan sanitasi diolah dalam unit stabilisasi dengan menggunakan lumpur aktif, aerasi dan desinfektan CaOCl. Limbah padat berasal dari limbah domestik berupa sampah-sampah dari keperluan sehari-hari ditampung dalam bak penampungan dan selanjutnya dikirim ke Tempat Pembuangan Akhir (TPA). IV.8 Laboratorium Laboratorium memiliki peranan sangat besar di dalam suatu pabrik untuk perolehan data-data yang diperlukan. Data-data tersebut digunakan untuk evaluasi unit-unit yang ada, menentukan tingkat efisiensi dan untuk pengendalian mutu.
digilib.uns.ac.id 41 Pengendalian mutu atau pengawasan mutu di dalam suatu pabrik pada hakekatnya dilakukan dengan tujuan mengendalikan mutu produk yang dihasilkan agar sesuai dengan standar yang ditentukan. Pengendalian mutu dilakukan mulai bahan baku, saat proses berlangsung dan juga pada hasil atau produk. Pengendalian rutin dilakukan agar kualitas dari bahan baku dan produk yang dihasilkan sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Dengan pemerikasaan secara rutin juga dapat diketahui apakah proses berjalan normal atau menyimpang. Jika diketahui analisis produk tidak sesuai dengan yang diharapkan maka dengan mudah dapat diketahui atau diatasi. Laboratorium berada di bawah bidang teknik dan perekayasaan yang mempunyai tugas pokok antara lain : a. Sebagai pengontrol kualitas bahan baku dan pengontrol kualitas produk b. Sebagai pengontrol proses produksi c. Sebagai pengontrol mutu air proses, air pendingin dan lain-lain yang berkaitan langsung dengan proses produksi Laboratorium melaksanakan kerja 24 jam sehari dalam kelompok kerja shift dan non-shift. 1. Kelompok shift Kelompok ini melaksanakan tugas pemantauan dan analisa-analisa rutin terhadap proses produksi. Dalam pelakasanaan tugasnya, kelompok ini menggunakan sistem bergilir, yaitu sistem kerja shift selama 24 jam dengan dibagi menjadi 3 shift. Masing-masing shift bekerja selama 8 jam. 2. Kelompok non-shift Kelompok ini melaksanakan tugas analisa khusus yaitu analisa yang sifatnya tidak rutin dan menyediakan reagen kimia yang diperlukan di laboratorium. Dalam rangka membantu kelancaran pekerjaan kelompok shift, kelompok ini melaksanakan tugasnya di laboratorium utama dengan tugas antara lain menyediakan reagen kimia untuk analisa laboratorium, melakukan analisa bahan pembuangan penyebab