LAPORAN TUGAS PRARANCANGAN PABRIK PRARANCANGAN PABRIK BUTYNEDIOL DARI ACETYLENE DAN FORMALDEHYDE KAPASITAS 60.000 TON PER TAHUN
Oleh: Ika Yuliyanti D 500 070 003
Dosen Pembimbing: Muhammad Mujiburohman, ST, MT., Ph.D Ir H. Haryanto AR, H., MS
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA SURAKARTA 2012
ABSTRAK
Butynediol merupakan bahan yang cukup penting dalam sintesis bahan-bahan organik, seperti butanediol, tetrahydrofuran, dan pyrolidone. Pabrik ini dirancang untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri dan tidak menutup kemungkinan untuk diekspor karena selama ini untuk memenuhi kebutuhan butynediol didalam negeri, pemerintah mengimpor dari luar negeri. Pabrik butynediol diharapkan akan memacu tumbuhnya industri hilir yang memanfaatkan butynediol sebagai bahan baku, sehingga dapat menciptakan lapangan kerja yang baru, dan dapat menambah pendapatan daerah setempat. Pabrik butynediol dari acetylene dan formaldehyde dirancang dengan kapasitas 60.000 ton/tahun. Pabrik beroperasi kontinyu selama 330 hari per tahun. Proses pembuatan butynediol dijalankan dalam reaktor fixed bed single tube, irreversible, dengan kondisi operasi berlangsung o
pada range suhu 100-130 C dan pada tekanan 2 atm. Sifat reaksi eksotermis, non adiabatis sehingga dibutuhkan pendingin untuk menjaga agar suhu di dalam reaktor tetap pada range suhu yang diinginkan. Kemudian hasil dari reaktor dipisahkan dalam separator. Hasil atas separator berupa gas bereaksi dengan udara menjadi flare dan hasil bawah separator yang berupa cairan diumpankan ke menara distilasi. Dari hasil bawah menara distilasi diperoleh produk butynediol dengan kemurnian yang diinginkan di pasaran (45%). Hasil atas menara distilasi dipisahkan kembali untuk memperoleh produk samping berupa methanol dengan kemurnian sebesar 99%. Pabrik ini digolongkan beresiko rendah karena beroperasi pada kondisi suhu dan tekanan yang tidak terlalu tinggi serta sifat bahan baku dan produk yang tidak terlalu berbahaya. Pabrik direncanakan didirikan di Kawasan Industri Gresik (KIG), Jawa Timur dengan luas tanah 1,2 Ha. Pabrik direncanakan berbebtuk Perseroan Terbatas ( PT ) dan dengan jumlah karyawan sebanyak 150 orang. Dari analisis ekonomi, pabrik butynediol ini membutuhkan modal terdiri dari modal tetap dan modal kerja sebesar Rp 104,330,855,270.20. Keuntungan sebelum pajak sebesar Rp 43,968,906,196.56/th. Keuntungan sesudah pajak sebesar Rp 17,587,562,478.63/th. Analisis kelayakan ini memberikan hasil bahwa Percent Return On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 42,14% dan setelah pajak sebesar 16,86%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 1,9 tahun sedangkan setelah pajak sebesar 3,7 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 44,14% kapasitas, dan Shut Down Point (SDP) sebesar 28,00% kapasitas. Discounted Cash Flow Rate of Return (DCFRR) sebesar 37,06%. Berdasarkan data–data di atas maka pabrik butynediol dari acetylene dan formaldehyde cukup layak untuk didirikan.
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Pendirian Pabrik Sejalan dengan berkembangnya industri di Indonesia, semakin banyak diversifikasi usaha telah dilakukan. Banyak bahan mentah atau setengah jadi diolah menjadi produk intermediate atau produk jadi, sehingga mengurangi ketergantungan kita pada produk impor. Dalam usaha ini pemerintah memprioritaskan pada pembangunan industri yang dapat merangsang pertumbuhan industri yang lain, sehingga diharapkan pertumbuhan tersebut akan semakin pesat. Pertumbuhan industri kimia di Indonesia patut dibanggakan. Tentu saja banyak alasan mengapa pemerintah begitu bersemangat untuk mengembangkan industri tersebut. Bukan hanya karena jumlah bahan baku yang cukup memadai di tanah air maupun wilayah pemasaran yang luas melainkan prospek dan kelanjutan industri kimia di Indonesia cukup cerah. Salah satu industri yang mempunyai kegunaan penting dan mempunyai prospek yang bagus adalah industri butynediol. Butynediol dengan rumu
HOCH
2
C ≡ CCH
2
OH molekul
mempunyai nama IUPAC adalah but-2-yne-1,4-diol dan sering juga disebut dengan nama 1,4butynediol, 1,4-dihydroxy-2butyne , 2-butyne-1,4-diol , 2-butynediol , bis (hydroxymethyl) acetylene , but-2-in-1,4-diol , dan butynediol. Pertimbangan utama yang melatarbelakangi berdirinya pabrik butynediol ini, pada prinsipnya adalah sama dengan sektor-sektor lain yaitu untuk melakukan usaha yang secara sosial ekonomi cukup menguntungkan. Karena sifatnya yang prospektif di masa yang akan datang, dalam pengertian potensi pasar, mudah diperoleh bahan baku, yakni acetylene dan formaldehyde, teknologi yang dibutuhkan dapat terpenuhi dan terdapatnya tenaga pelaksana, maka keuntungan dapat dicapai dengan adanya pendirian pabrik butynediol, namun sifat prospektif ini akan terlaksana dengan kemampuan modal yang memadai. Di samping itu dengan mendirikan pabrik butynediol yang merupakan pabrik padat modal dan padat teknologi, diharapkan dapat memacu tumbuhnya industri-industri baru yang memakai butynediol, seperti industri butanediol, butenediol, tetrahydrofuran, dan pyrolidone. Dengan memproduksi butynediol diharapkan dapat memenuhi kebutuhan butynediol didalam Negeri. Selama ini untuk memenuhi kebutuhan butynediol pemerintah mengimpor dari luar negeri, seperti dari negara Jepang, Taiwan, Cina, Brazil, Jerman, dsb. Butynediol teryata mempunyai nilai jual yang lebih tinggi sekaligus merupakan bahan dasarbagi industri tekstil dan
cat, digunakan untuk sintesis polyol, produk pembersih, dan anti karat. Berdasarkan pertimbangan tersebut di atas maka pabrik ini layak didirikan di Indonesia.
1.2. Tujuan Keuntungan pendirian pabrik Butynediol antara lain; dapat memenuhi kebutuha Butynediol dalam negeri sehingga mengurangi impor dalam negeri yang diharapkan dapat member keuntungan dan menambah devisa negara, selain itu dapat membantu pemerintah dalam mengatasi masalah tenaga kerja dan sekaligus dapat mendukung berkembangnya industriindustri di Indonesia dan memacu tumbuhnya industri baru terutama diversivikasi industri Butynediol.
TINJAUAN PUSTAKA
1. Proses Pembuatan Pada prinsipnya proses pembuatan butynediol secara komersial dilaksanakan dengan cara ”ethynylation”, yaitu dengan mereaksikan acetylene dan formaldehyde dengan katalisator CuC2 (Kirk and Othmer, 1980). Secara stoikiometri pembentukan butynediol mengikuti persamaan: C 2 H 2 2CH 2 O HOCH
Acetylene
formaldehyde
2
CCCH
2
OH
..................................(1.2)
butynediol
Proses ini disebut dengan proses Reppe. Reaksi lain yang mungkin terjadi , yaitu : C 2 H 2 CH 2 O C 3 H 4 O.......................................................(1.3)
Acetylene
formaldehyde propargyl aslcohol (Speight, 2002).
Reaksi ini dapat dilakukan di dalam reaktor fixed bed (memakai tumpukan katalis padat), atau reaktor slurry. Reaksi berlangsung pada kondisi suhu 100-130°C dan tekanan 2 atmosfer (Ullman, 1988). Dalam pembuatan butynediol, formaldehyde yang digunakan berupa cairan, katalis berupa padatan, dan acetylene berupa gas. Katalis yang biasa digunakan adalah metal acetylide, terutama yaitu cuprous acetylide/copper acetylide (CuC2). Jika acetylene yang diumpankan dalam reaktor berupa cairan maka akan mempengaruhi laju reaksi yang terjadi, karena katalis yang ada akan terlarut dalam acetylene cair tersebut dan tidak dapat tercampur menjadi larutan yang homogen melainkan akan menyebabkan hilangnya substansi dalam katalis, sehingga fungsi katalis untuk mempercepat laju reaksi akan hilang.
METODE PENELITIAN 1. Konsep Proses 1.1. Dasar Reaksi Reaksi yang terjadi dalam proses pembentukan butynediol merupakan reaksi ”ethynylation”, yaitu reaksi antara acetylene dan formaldehyde dengan katalisator CuC2 (cuprous acetylide).
Secara stoikiometri reaksi pembentukan butynediol mengikuti
persamaan: C 2 H 2 2CH 2 O HOCH
Acetylene
formaldehyde
2
CCCH
2
................................... (2.1) OH
butynediol
Kondisi operasi harus dijaga pada suhu 100-130o C. 1.2. Mekanisme Reaksi
Pada proses pembuatan butynediol, terjadi reaksi antara formaldehyde dengan acetylene dengan mekanisme sebagai berikut: 1.
2 HOCH C 2 H 2 2CH 2 O CuC
Acetylene 2.
2
formaldehyde
2 HOCH C 3 H 4O C 2 H 2
acetylene
2
OH ........................(2.2)
..........................................(2.3)
propargyl alcohol
CuC
Propargyl alcohol
CCCH
butynediol
C 3 H 4 O C 2 H 2 CH 2 O CuC
Acetylene 3
formaldehyde
2
2
CCCH
2
OH ...........................(2.4)
butynediol
(Moore, 1964) Proses ethynylation berlangsung pada suhu 100-130oC. Konversi formaldehyde sebesar 98,6% dan selektivitas sebesar 98% (Chang dkk. 1992).
1.3. Tinjauan Termodinamika Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan secara eksotermis atau endotermis maka perlu pembuktian dengan menggunakan panas reaksi ()yang dapat ditentukan dengan persamaan: H
H
o f .r
C 2 H 2 2CH 2 O HOCH
2
o
reaksi
H
o f .p
.....................................................................(2.5)
Persamaan reaksi: CCCH
2
................................................(2.6) OH
Jika △H = (-) maka reaksi bersifat eksotermis Jika △H = (+ ) maka reaksi bersifat endotermis H H of C 4 H 6 O 2 ( H of C 2 H 2 H of CH 2....................................(2.7) O
= - 50730,86 Btu/lbmol – (97484,57 - 49827,84) Btu/lbmol = -98387,59 Btu/lbmol Dari harga △H
sebesar -98387,59 Btu/lbmol dapat disimpulkan bahwa pada reaksi
ethynilasi adalah reaksi eksotermis. Menurut Chang dkk(1992) nilai tetapan kesetimbangan (K) dari reaksi pembentukan butynediol adalah sebesar 1,9953 x 1020, sehingga dapat disimpulkan bahwa rekasi yang terjadi merupakan reaksi irreversibel, karena nilai tetapan kesetimbangan yang didapat sangat besar. 1.4. Tinjauan Kinetika Ditinjau dari segi kinetika, proses ethynilasi dari formaldehyde mempunyai persamaan kecepatan reaksi sebagai berikut:
r
W .k.K f .C f 1 K f .C f
................................................................................(2.8)
diketahui pada suhu 383 K, diperoleh harga k
= 234 x 10-3 kmol/kg h, dan
Kf = 0,47 m3/kmol Sehingga didapat persamaan baru untuk nilai kecepatan reaksi pada proses ethynilasi formaldehid sebagai berikut:
r
234x10 3.W .C f 1 0,47.C f
.........................................................................(2.9)
Keterangan: W : Berat Katalis (kg/m3) Kf : Konstanta kesetimbangan adsorpsi formaldehid (m3/kmol) K : Konstanta kecepatan reaksi (kmol/kg.h) Cf : Konsentrasi Formaldehid (kmol/m3) (Chang dkk. 1992)
2.1. Diagram Alir Proses 2.1.1. Langkah Proses Pada perancangan ini yang digunakan adalah proses ethynylation. Kondisi operasi o
proses pada range suhu 100 -130 C dan tekanan 2 atm. 2.1.2. Tahap persiapan bahan baku Bahan baku formaldehyde dialirkan langsung dari PT. Arjuna Utama Kimia dengan menggunakan pipa. Untuk mengatur kestabilan laju alir formaldehyde yang masuk reaktor maka aliran dari pipa dimasukan ke dalam tangki penampung sementara yang berbentuk silinder horizontal (T-01) dengan waktu penyimpanan selama 3 hari. Formaldehyde dari T-01 dipompa sampai tekanan 1 atm dan diuapkan dalam vaporizer (VP) dengan media pemanas steam jenuh o
sehingga diperoleh suhu 110 C. o
Bahan baku acetylene pada suhu 35 C dan tekanan 58 atm dialirkan langsung dari PT. Samator Gas dengan menggunakan pipa. Untuk mengatur kestabilan laju alir acetylene yang masuk reaktor maka aliran dari pipa dimasukan ke dalam tangki penampung sementara yang berbentuk bola (T-02) dengan waktu penyimpanan selama 7 hari. Selanjutnya acetylene o
dipanaskan dengan pemanas (H-01) sampai suhu 65 C, kemudian dipanaskan kembali sampai o
suhu operasi reaktor sebesar 110 C.
2.3.2. Tahap proses ethynylation Reaksi antara acetylene dan formaldehyde dengan katalisator CuC berlangsung didalam 2
o
reaktor fixed bed (R) pada suhu 100-130 C, tekanan 2 atm. Reaksi yang terjadi merupakan reaksi ethynylation dan bersifat eksotermis. Proses yang berlangsung dalam reaktor adalah non adiabatis, sehingga diperlukan pendingin. 2.1.3. Tahap pemurnian produk Produk reaktor dipisahkan dalam separator (SP). Gas yang keluar dari separator dibuang sebagai flare. Cairan yang keluar dari SP diumpankan ke Menara Distilasi (MD-01) untuk memurnikan produk butynediol. Butynediol merupakan produk bawah yang sudah memenuhi syarat jual, didinginkan dalam cooler (CO-03) kemudian disimpan didalam tangki penyimpanan (T-03). Hasil atas MD-01 yang sebagian besar berupa air dikirim ke Unit Pengolahan Limbah. Produk atas MD-01 didinginkan dalam cooler (CO-04) untuk memperoleh produk samping berupa “methanol”. Selanjutnya methanol disimpan dalam tangki penyimpanan (T-04).
HASIL PENELITIAN
Dari analisis ekonomi, pabrik butynediol ini membutuhkan modal terdiri dari modal tetap dan modal kerja sebesar Rp 104,330,855,270.20. Keuntungan sebelum pajak sebesar
Rp
43,968,906,196.56/th. Keuntungan sesudah pajak sebesar Rp 17,587,562,478.63/th. Analisis kelayakan ini memberikan hasil bahwa Percent Return On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 42,14% dan setelah pajak sebesar 16,86%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 1,9 tahun sedangkan setelah pajak sebesar 3,7 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 44,14% kapasitas, dan Shut Down Point (SDP) sebesar 28,00% kapasitas. Discounted Cash Flow Rate of Return (DCFRR) sebesar 37,06%. Berdasarkan data–data di atas maka pabrik butynediol dari acetylene dan formaldehyde cukup layak untuk didirikan.
KESIMPULAN Pabrik butynediol digolongkan sebagai pabrik beresiko rendah karena ditinjau dari segi sifat bahan baku dan produk yang tidak membahayakan dan kondisi operasinya tidak terlalu tinggi. Berdasarkan analisis ekonomi terhadap pabrik memberikan hasil sebagai berikut : 1. Keuntungan sebelum pajak (Pb) sebesar Rp 43,968,906,196.56/tahun Keuntungan sesudah pajak (Pa) sebesar Rp 17,587,562,478.63/tahun 2. ROI sebelum pajak sebesar 42,14%
ROI sesudah pajak sebesar 16,86% Syarat :ROI minimum untuk pabrik beresiko rendah adalah 11% (Aries dan Newton, 1955). 3. POT sebelum pajak (POTb) selama 1,9 tahun POT sesudah pajak (POTa) selama 3,7 tahun Syarat : Batas maksimum untuk pengembalian modal adalah selama 5 tahun (Aries dan Newton, 1955). 4. Break Even Point (BEP) sebesar 44,70% 5. Shut Down Point (SDP) sebesar 28,00% Syarat : Nilai BEP untuk pabrik kimia umumnya berkisar antara 40-60% 6. Discounted Cash Flow Rate of Return (DCFRR) sebesar 37,06%, Syarat: Nilai minimum DCFRR sebesar 1,5 x bunga bank. Dimana bunga bank saat ini diantara 10-14% Dari data di atas maka dapat disimpulkan pabrik butynediol ini layak untuk didirikan.
DAFTAR PUSTAKA
Agra, S. W., 1985, Ringkasan Reaktor Kimia, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Anonim, 2001, Profil Daerah Kabupaten dan Kota, jilid-1, PT. Kompas Media Nusantara, Jakarta. Anonim, 1998, Indonesia Membangun, jilid-1, Departemen Penerangan RI, Jakarta. Badan Pusat Statistik, 2005 – 2010, Statistik Indonesia, Badan Pusat Statistik, Jakarta. rd
Brown, G.G., et. All., 1973, Unit Operation, 3 ed., Modern Asia Edition, John Wiley and Sons Inc., Tokyo. Brownell, E.L., and Young , E.H., 1977, Process Equipment Design, Wiley Eastern Ltd., New Delhi. Chang F. W. , J.M. ,Chen & J. C. Guo, The Ethynylation Kinetic of Formaldehyde, Chem. Eng. Sci. , Vol 47, 1992. st
Coulson, J.M., and Richardson, J.F., 1983, Chemical Engineering, 1 ed., Vol. 6, Pergamon Press, New York. th
Faith, W.L., Keyes D.B., and Clark, R.L., 1957, Industrial Chemical, 4 ed., John Wiley and Sons Inc., Toronto. Foggler, S, 1999, “Element of Chemical Reaction Engineering”, 3
nd
ed., Prentice Hall Inc.
United State of America. th
Hollman, J.P., 1981, Heat Transfer, 5 ed., Mc Graw Hill Ltd., New York. James M. D. , 1998, “Conceptual Design of Chemical Process”, Mc Graw Hill Company, New York.
Kern, D.Q., 1965, Process Heat Transfer, International Student Edition, Mc Graw Hill Book Co., Inc., Tokyo. rd
Kirk, R. E., and Othmer, D.F., 1952, Encyclopedia of Chemical Technology, 3 ed., Vol. 1, The Inter Science Encyclopedia, Inc., New York. Ludwig, E. E., 1984, Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plant, Vol. 1. 2. 3., Gulf Publishing Company Houston, Texas. Mattew Van Winkle, 1976, “Distilation”, Mc Graw Hill Book Company, Inc., United State of America. rd
Mc Cabe, W. L, 1976, “Unit Operation of Chemical Engineering”, 3 ed., Mc Graw Hill Book Company, Inc., Tokyo. Moore, W. P., 1960, Process for Butynediol, available at http://patft.uspatentonline.com/ accessed on 25/04/2006. th
Perry, R.H., and Green, D.W.,1983, Perry’s Chemical Engineering Handbook, 6 ed., Mc Graw Hill International Book Co., Singapore. Peter, M.S., and Klaus D. Timmerhaus, 1978, Plant Design and Economic for Chemical rd
Engineering, 3 ed., New York. Powell, S.P., 1954, Water Conditioning for Industry, Mc Graw Hill Book Company, Inc., New York. Prater, et al. 1978, Continuous, Low Pressure ethynylation Process for The Production of Butynediol, available at http://patft.uspatentonline.com/ accessed on 19/04/2006. Rase, H.F., 1977, Chemical Reactor Design for Process Plant, Vol. 1, John Wiley and Sons inc., New York. Reid, R. C.,Prausnitzh, J.m., and Sherwood, T. K., 1991, “Sifat Gas dan zat Cair”, Gramedia, Pustaka Utama, Jakarta.
Smith, J.M., and H.C. Van Ness, 1975, Introduction of Chemical Engineering Thermodinamic, rd
3 ed., Mc Graw Hill International Book Co., Singapore. Sularso dan Tahara, H., 1985, Pompa dan Kompressor, PT. Pradnya Paramita, Jakarta. Speight, J. G., 2002, Chemical and Process Design Hand Book, Mc Graw Hill Book Co., Inc., New York. rd
Treyball, R.L., 1980, Mass Transfer Operation, 3 ed., Mc Graw Hill International Book Co., Kogakusya, Tokyo. Ullman, 1989, Ullman’s Encyclopedia of Indutrial Chemistry, Vol. A-16, Interscience Encyclopedia, Inc., New York. Ulrich, G.D., 1984, A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics, John Wiley and Sons, inc., New York. Walas, S. M.,1959, “Reaction Kinetics for Chemical Engineering”, International Student Edition, Mc Graw Hill Book Company, Inc., Kogakusha, Ltd., Tokyo. Yaws C. L., 1993, “Thermodynamic and Physical Property Data”, Gulf Publishing Company, Houston. (www.ap3lr.com/kurs-rupiah-dolar-mandiri-bca) (http://goliath.ecnext.com/coms2/gi_0199-8021863/Chemical-Engineering-Plant-CostIndex.html). ( www.matche.com/EquipCost) (www.icis.com (2011) ( www.tambangnews.com (2011)
