PRARANCANGAN PABRIK n-BUTANOL DARI n-BUTIRALDEHID DENGAN PROSES HIDROGENASI KAPASITAS 60.000 TON PER TAHUN
TUGAS AKHIR
Disusun sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Kesarjanaan Strata 1 Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Oleh:
SRIYANI D 500 030 058
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA SURAKARTA 2013
PRARANCANGAN PABRIK BUTANOL DARI BUTIRALDEHID DENGAN PROSES HIDROGENASI. KAPASITAS 60.000 TON PER TAHUN
Sriyani D500030058 Fakultas : Teknik
abstrak Pabrik n-Butanol dengan proses hidrogenasi n-Butyraldehide dengan kapasitas 60.000 ton per tahun direncanakan beroperasi selama 330 hari per tahun. Kebutuhan n-butyraldehide sebanyak 60.764,2 ton per tahun. Utilitas pendukung proses meliputi penyediaan air sebesar 63.000 kg per jam yang diperoleh dari air sungai, penyediaan saturated steam sebesar 4.468,56 kg per jam yang diperoleh dari boiler dengan bahan bakar sisa dari pemisahan separator sebesar 428,5268 kg per jam yang menahasilkan energi 25.875.340,5 kj, kebutuhan udara tekan sebesar 3.531,42 ft3 per jam, kebutuhan listrik sebesar 244,4 kW didapat dari PLN dan generator set sebesar 300 kW sebagai cadangan, bahan bakar sebanyak 15,41 m3 per jam, menggunakan udara tekan 100 m3 /jam dengan tekanan 10 atm pada 30°C. Pabrik ini didirikan di kawasan industri cikampek dengan luas tanah 20.000 m2 dan jumlah karyawan 111 orang. Proses pembuatan n-Butanol dilakukan dalam reaktor fixed bed catalitik. Pada reaktor ini reaksi berlangsung pada fase gas, irreversible, eksotermis, adiabatic, pada suhu masuk 100?C dan suhu keluar 106,64?C dan tekanan masuk 10 atm dan tekanan keluar 9,9 atm. Pabrik ini digolongkan pabrik tidak beresiko karena kondisi operasinya yaitu pada tekanan 10 atm dan suhu 100?C. Pabrik ini menggunakan modal tetap sebesar Rp 28.785.671.760,89 dan modal kerja sebesar Rp 221.428.244.314,55. Dari analisis ekonomi terhadap pabrik ini menunjukkan keuntungan sebelum pajak Rp 119.884.437.590,95 per tahun setelah dipotong pajak 30% keuntungan mencapai Rp 83.919.106.313,66 per tahun. Percent Return On Investment (ROI) sebelum pajak 54,14% dan setelah pajak 37,90 %. Pay Out Time (POT) sebelum pajak selama 1,56 tahun dan setelah pajak 2,09 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 41,99 %, dan Shut Down Point (SDP) sebesar 28,07 %. Discounted Cash Flow (DCF) terhitung sebesar 29,79 %. Kata kunci : hidrogenasi, FBR, ishothermis, adiabatis
I.
Pendahuluan Latar belakang dan tujuan Salah satu jenis produk kimia yang dibutuhkan dalam jumlah yang terus meningkat adalah industri n-butanol. Dengan rumus molekul C4 H10O, n-butanol merupakan senyawa organik alkohol yang banyak diperlukan oleh berebagai industri digunakan sebagai solven dan sintesis organik. Dari data yang diterima Biro Pusat Statistik (BPS) import untuk n-butanol masih mengalami kekurangan. Mengingat industri di Indonesia belum mampu memenuhi kebutuhan sendiri dan dengan mempertimbangkan adanya bahan baku yang tersedia maka dimungkinkan untuk didirikan pabrik n-butanol di Indonesia. Pertimbangan lain yang mendukung kelayakan pendirian pabrik n-butanol adalah menciptakan lapangan kerja baru serta diharapkan dapat memacu berdirinya pabrik-pabrik lain yang menggunakan n-butanol, sehingga terciptanya diversifikasi produk yang mempunyai nilai ekonomis lebih tinggi yang berarti akan menunjang peningkatan pendapatan negara
II. Tinjauan Pustaka 2.1. Pemilihan proses Ada lima macamproses utama yang digunakan dalam proses pembuatan n-butanol yaitu : 1. Pembuatan n-butanol secara fermentasi 2. Proses Reppe 3. Proses shell hydroformilasi 4. Aldol Kondensasi 5. Proses Oxo hidrogenase Pemilihan proses utama yang digunakan dalam proses pembuatan nbutanol, yaitu : 1. Pembuatan n-butanol secara fermentasi.
Proses ini mulai dikembangkan pada awal tahun 1930,samapi sekarang masih dikembangkan di Commercial Solvents Coorporation dan Publicker Industries. Reaksinya : C6 H10 O5
H2 O
C6 H12 O6
CH3 COCH + CO2
CH3 CH2 CH2CH2 OH + C2 H5 OH + H2 Dari satu gallon molases yang mengandung 6 lb gula menghasilkan 1,45 lb n-butanol,0,4 lb aseton dan 0.07 lb etanol ditambah kabon dioksida dan hidrogen. Dibutuhkan bakteri khusus serta penanganan yang khusus pula dan untuk perkembangan saat ini secara komersial kurang memadai (McKetta, 1983). 2. Proses Reppe Proses ini dikembangkan oleh Badische Anline-und Soda-Fabrik A.G di Jerman. dan dikembangkan secara komersial di Jepang sejak tahun 1965 Japan Butanol menggunakan teknologi BASF. Reaksinya : katalis C4 H9OH + 2CO2
C3 H6 + 3CO + 2H2O o
100 C, 15 atm Katalis ya ng digunakan adalah iron hydrocarbonil dari iron pentacarbonyl, N-alkylpyrrolidine, dan air. Yield alkhohol kurang dari 90 % (McKetta, 1983) 3. Proses shell Hydroformilation Bahan bakunya adalah propilen dan syncgas dijalankan dalam reaktor fase cair beroperasi pada 160
o
C, 35 atm. Katalis yang digunakan
adalah cobalt carbonyl. Yield antara 70-75 % (McKetta, 1983). 4. Aldol kondensasi Sebagai bahan bakunya digunakan asetanilida, kemudian direaksikan dengan NaOH dan dikondensasikan menjadi Aldol pada temperatur
10-30 o C dengan yeld 90% dan untuk skala komersial dikempangkan di Celanese, Amerika Serikat dan Kyowa Jepang (McKetta, 1983) 5. Proses oxo hidrogenase Proses ini merupakan proses yang paling banyak digunakan dalam skala komersial saat ini. Proses ini menggunakan bahan baku propylen, syngas, hidrogen dan terbagi atas 2 tahap yaitu : a. Reaksi pembentukan n-butyraldehyde Reaksinya : C3 H6 + CO + H2
C4 H8 O
Reaksi ini berjalan pada suhu 150 – 200 o C dan tekanan 15 atm dengan katalis Rhodium Carbonil Triphenyl phospine. Dengan proses ini n – butyraldehyde dan i- butiraldehyde yang diperoleh mempunyai pebandingan kurang lebih 10 : 1, dan konversi sebesar 98 %. b. Reaksi pembentukan n-butanol dari n-butiraldehyde Reaksi ini dijalankan dalam fase gas dengan menggunakan katalis nikel dan berjalan pada suhu 100-200o C dan tekanan 5 atm. Konversi yang diperoleh sebesar 97%. Reaksinya : C4 H8O + H2
C4 H9 OH
(McKetta, 1983)
Berdasarkan uraian diatas maka tepat untuk dipilih adalah proses hidrogenasi nya saja, dengan pertimbangan : -
Memiliki konversi reaksi relatif besar, yaitu 75% sehingga ekonomis dipandang lebih menguntungkan.
-
Proses hidrogenasi tidak membutuhkan pemisahan yang rumit, sehingga peralatan yang digunakan lebih sederhana.
-
Kemurnian produk yang dihasilkan tinggi, mencapai 99%.
-
Harga
bahan
baku
pembuatan
hidrogenasi relatif lebih mudah.
n-butanol
dengan
proses
2.2.
Kegunaan Produk n-Butanol mempunyai kegunaan yang cukup luas, yaitu digunakan sebagai diluen yang baik pada pembuatan pelumas kendaraan, sebagai pengekstrak pada industri anti biotik, vitamin dan hormon, juga banyak digunakan sebagai solven pada industri tekstil dan pencelupan. Sebagian besar digunakan pada pembuatan resin urea formaldehid dan plasticizer dibuthil ftalat. Karena sifat fisiknya mendekati gasoline atau bensin premium, n-butanol belum luas dipromosikan sebagai gasohol atau bio-gasoline, artinya 100% n-butanol menggantikan biogasolin untuk mesin pembakaran dalam. Karena titik nyalanya yang tinggi 37ºC sehingga aman dalam pemakaian.
n-Butanol
bersifat
non-polar
karena
memiliki
rantai
hidrokarbon panjang, sehingga kecil penyerapannya terhadap air (kelarutan dalam air hanya 7,7 %) menyerupai gasoline hal ini yang dapat memudahkan n-butanol dicampur dengan gasoline. 2.3.
Sifat Fisik dan Kimia Bahan Baku dan Produk 1. n-Butiraldehid a. Sifat fisika -
Berat molekul (kg/kmol)
: 72,11
-
Titik didih 1 atm (o C)
: 74,8
-
Titik lebur (o C)
: -96,4
-
Viskositas (cp)
: 0,43
-
Specific heat (cal/g.20o C)
: 0,53
-
Temperatur kritis (o C)
: 252
-
Tekanan kritis (atm)
: 39,5
b. Sifat kimia Direaksikan dengan hidrogen membentuk butanol C4 H8O + H2 (Kirk & Othmer, 1991). 2. Hidrogen a. Sifat fisika
C4 H9OH
-
Berat molekul (kg/kmol)
: 2,06
-
Titik didih 1 atm (o C)
: 20,390
o
-
Titik lebur ( C)
: 13,960
-
Viskositas (cp)
: 0,013
-
Specific heat (cal/g.20o C)
: 19,700
-
Temperatur kritis (o C)
: 33,180
-
Tekanan kritis (atm)
: 1,315
b. Sifat kimia Dengan bantuan katalis, gas hidrogen dapat mereduksi asam-asam organik menjadi aldehid dan mereduksi lagi menjadi alkohol. R – COOH + H2
R – COH + H2 O
Asam R – CHO + H2
Aldehid R – OH + H2 O
Aldehid
Alkohol
3. Produk n-Butanol a. Sifat fisika -
Berat molekul (kg/kmol)
: 74,12
-
Titik didih 1 atm (o C)
: 117,73
-
Titik lebur (o C)
: -89,30
-
Viskositas (cp)
: 2,95
-
Specific heat (cal/g.20o C)
: 2,3362
-
Temperatur kritis (o C)
: 287,00
-
Tekanan kritis (atm)
: 48,40
-
Densitas (kg/m3 , 20 o C)
: 810,00
b. Sifat kimia -
Hidrasi katalitik membentuk butena.
-
Esterifikasi dengan asam organik membentuk ester
-
klorinasi tanpa pendingin menghasilkan dikloro butiraldehid dibutil asetal.
-
n-Butanol dengan hidrolisis pada suhu 180o C menghasilkan 5% mercaptan, 33% dibuthyl sulfide dan tert buthyl alkohol.
-
Bereaksi dengan amonia dengan katalis alumina pada 300 – 350 o C menghasilkan but ilamine, dibut ilamine, tributilamine dengan perbandingan 4 : 3 : 1.
-
Dengan H2 SO4 bereaksi menahasilkan ester.
2.4 Tinjauan proses Reaksi hidrogenasi n-butiraldehid menjadi n-butanol. Reaksi ini berjalan dalam reaktor jenis fixed bed katalitik pada suhu 100 – 200 o C dan tekanan 10 atm dengan katalis cobalt. Reaksi ini ditandai dengan masuknya atom hidrogen dalam senyawa n-buthiraldehyde seperti reaksi berikut : Reaksi hidrogenasi n-butiraldehi menjadi n-butanol CH3 CH2 CH2CH=O + H2
CH3CH2 CH2CH2 – OH
?Hr = - 69,710 KJ/kmol Reaksi hidrogenasi i-butiraldehi menjadi i-butanol CH3 CHCH2 CH=O + H2 CH3
CH3 CHCH2 – OH CH3
?Hr = - 58,99 KJ/kmol (McKetta, 1983)
III. Diskripsi Proses Proses pembuatan N-butanol secara umum dibagi 3 tahap proses, yaitu : a. Tahap penyimpanan bahan baku Tujuan dari penyiapan bahan baku adalah untuk mengkondisikan bahan baku sehingga mencapai kondisis operasi reaktor. Bahan baku butiralehid cair yang terdiri dari 99% n-butiraldehid dan 1% i-butiraldehid dan air (sebanyak 3% dari umpan butiraldehid) bekerja pada tekanan 1 atm
dan temperatur 32o C diuapkan di vaporizer (Vp-01) dan dinaikkan tekanannya sampai 10 atm menggunakan kompresor (K-01).
Dan gas
hidrogen terdiri dari 99,5% H2 dan 0,5% N2 dengan tekanan 10 atm dipanaskan (HE-01) untuk mengkondisikan suhu reaksi. b. Tahap reaksi dalam reaktor Reaksi pembuatan n-butiraldehid menjadi n-butanol dalam reaktor (R-01) adalah fase gas sehingga digunakan reaktor jenis fixed bed adiabatis.
Untuk mempercepat reaksi digunakan katalis cobalt yang
berbentuk padatan. Kondisi operasi adiabatis karena panas reaksi yang ditimbulkan tidak terlalu besar. Dengan kondisi operasi adiabatis maka tidak diperlukan pedingin. Reaksi bersifat eksotermis dan berlangsung pada suhu 100 o C sampai 106o C pada tekanan 10 atm. Pada reaktor ini 75% n-butiraldehid akan terkonversi menjadi n-butanol. c. Tahap pemurnian hasil Tujuan dari tahap ini adalah memisahkan produk n-butanol dari impuritasnya sehingga didapatkan produk n-butanol dengan kemurnian 99%. Produk reaktor dan sisa reaktan setelah keluar dari reaktor (R-01) dipisahkan di separator uap cair (SP-01) untuk memisahkan sisa gas H2 dan gas inert N2 dari butanol, butiraldehid dan H2 O. Karena separator uap air (SP-01) beroprasi pada tekanan 1 atm dan 50 o C, sedang produk keluar pada reaktor diturunkan tekanannya dengan kompresor (K-02) hingga 1 atm. Hasil atas separator (SP-01) berupa gas H2 dan inertnya keluar dari sparator ditampung. Sedangkan produk bawah menara destilasi (MD-01) cairan dilewatkan pemanas (HE-02) hingga mencapai kondisi cair jenuhnya pada suhu 101,5 o C dan tekanan 1 atm. Produk bawah menara destilasi 1 terdiri dari 99% n-butanol, 075% i-butanol dan 0,25% air selanjutnya disimpan dalam tangki penyimpan produk utama (T-02). Destilat menara destilasi 1 yang terdiri dari n- butiraldehid, i- butiraldehid, air dan sebagian i-butanol akan diuapkan kemenara destilasi 2 pada tekanan 1 atm dan temperatur 80,6 o C. Menara destilasi 2 bertujuan untuk memanfaatkan sisa butiraldehid sebagai bahan proses
dengan recycle destilat 2 ke mixer kembali. Produk buttom menara destilasi 2 akan dipompakan kepengolahan limbah sebelum dibuang kelingkungan. IV.
Kesimpulan Pabrik Butanol digolongkan pabrik beresiko rendah. Karena bahan baku murah, tidak korosif, dan dilihat dari kondisi operasinya pabrik beroperasi pada suhu (90 - 106,68) ?C dan tekanan 10 atm. Hasil analisis kelayakan ekonomi adalah sebagai berikut: 1. Keuntungan sebelum pajak Rp 119.884.437.590,95 per tahun Keuntungan setelah pajak Rp 83.919.106.313,66 per tahun 2. ROI (Return On Investment) sebelum pajak 54,14 % ROI (Return On Investment) sesudah pajak 37,90 % ROI (Return On Investment) sebelum pajak untuk pabrik beresiko rendah minimal 11 %. 3. POT (Pay Out Time) sebelum pajak 1,56 tahun POT (Pay Out Time) sesudah pajak 2,09 tahun POT (Pay Out Time) sebelum pajak untuk pabrik beresiko rendah maksimal 5 tahun. 4. BEP (Break Even Point) adalah 41,99 % dan SDP (Shut Down Point) adalah 36,22%. BEP untuk pabrik kimia pada umumnya berkisar antara 40% - 60% 5. DCF (Discounted Cash Flow) adalah 28,07 %. DCF yang dapat diterima harus lebih besar dari bunga pinjaman di bank, suku bunga bank saat ini 18 %. Dari data hasil perhitungan analisis ekonomi di atas dapat disimpulkan bahwa pabrik Butanol layak untuk didirikan.
DAFTAR PUSTAKA
Atmowisastro, D., 2007, “Butanol Dipromosikan Sebagai Gasohol”, Warta Pertamina, www.pertamina.com, diakses 5 oktober 2008. Badan Pusat Statistik, 2007, Statistik Perdagangan Luar Negeri Indonesia, Impor menurut Jenis Barang dan Asal, 2007/2008, Volume 1, Badan Pusat Statistik, Jakarta. Brown, G.G, 1978, Unit Operation, John Wiley and Sons. Inc., New York. Brownell, L.E., and Young, E.H, 1959, Process Equipment Design, 1 Willey Eastern Ltd. New Delhi.
rd
Edition,
Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1983, Chemical Engineering, Vol.6, Pergamon Press, Oxford. Kern, D.Q., 1950, Process Heat Transfer, Mc. Graw Hill Book Company Inc., New York. Kirk, R.E. and Othmer, D.F., 1983, Encyclopedia of Chemical Technology, 1st Edition., Vol.20, The Inter Science Encyclopedia, inc., New York. Kirk, R.E. and Othmer, D.F., 1998, Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd Edition., Vol.20, The Inter Science Encyclopedia, inc., New York. Ludwig, E.E., 1950, “Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plant”, Gulf Publishing Company, Boston. MC.Ketta and Willian. Acumgham,1983,”Enchyclopedia of Chemical Processing and Design”, Vol 5, Mc.Graw HillBook.Co,Tokyo. Perry R. H., and Green D., "Chemical Engineer's Hand Book", six edition, Mc Graw Hill Book Company, 1984. Smith, J.M., 1981, “ Chemical Engineering Kinetics ”, 3rd Edition, Mc. Graw Hill Book Company Inc., Singapore.
