LAPORAN TUGAS PRARANCANGAN PABRIK
PRARANCANGAN PABRIK NITROBENZEN DARI BENZEN DAN ASAM NITRAT DENGAN PROSES BEAZZI KAPASITAS 200.000 TON PER TAHUN
Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Kesarjanaan Strata 1 Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun Oleh : HENRI SEPTIAWAN D 500 070 008
Dosen Pembimbing: Dr. Ir H. Ahmad M Fuadi, MT Agung Sugiharto, ST., Meng
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA SURAKARTA 2012
INTISARI Pabrik nitrobenzen dari benzen dan asam nitrat didirikan karena kebutuhan bahan tersebut semakin meningkat dari tahun ke tahun dan masih diimpor, maka pabrik nitrobenzen direncanakan akan didirikan di kawasan industri Cilacap, Jawa tengah dengan kapasitas 200.000 ton per tahun. Bentuk perusahaan yang dipilih adalah perseroan terbatas (PT) yang dipimpin seorang direktur utama. Sistem organisasi pabrik ini adalah “line and staff” dengan jumlah karyawan 170 orang yang terbagi atas kelompok shift dan non shift. Proses pembuatan nitrobenzen (C6H5NO2) ini menggunakan proses nitrasi langsung fase cair dengan perbandingan mol benzen : asam nitrat = 1 : 1,05 dengan konversi 97%. Reaksi bersifat eksotermis dan dijalankan dalam Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB), fase cair-cair, irreversible serta kondisi operasi dijaga isothermal (50oC) dan tekanan 1 atm. Dari analisis ekonomi, pabrik nitrobenzen ini membutuhkan modal tetap sebesar Rp 412.745.794.196,10 dan modal kerja sebesar Rp 482.432.029.382,15. Keuntungan sebelum pajak sebesar Rp 147.647.620.613,40/th. Keuntungan sesudah pajak sebesar Rp 117.318.096.490,72/th. Analisis kelayakan ini memberikan hasil bahwa Percent Return On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 35,53% dan setelah pajak sebesar 28,42%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 2,19 tahun sedangkan setelah pajak sebesar 2,60 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 45,53% kapasitas, dan Shut Down Point (SDP) sebesar 22,66% kapasitas. Discounted Cash Flow (DCF) sebesar 23,47%. Berdasarkan data-data di atas maka pabrik nitrobenzen dari benzen dan asam campuran ini cukup menarik untuk didirikan. Kata kunci: Nitrobenzene, RATB, Analisis kelayakan
PENDAHULUAN 1.1.
Latar Belakang Pendirian Pabrik Pembangunan industri sebagai bagian dari usaha pembangunan ekonomi
jangka panjang diarahkan untuk menciptakan struktur ekonomi yang lebih kokoh dan seimbang. Hal ini tentunya memacu kita untuk lebih efisien dalam melakukan terobosan-terobosan baru sehingga produk yang dihasilkan mempunyai pangsa pasar, daya saing, efektif dan efisien disamping harus ramah lingkungan. Pertumbuhan industri Petrokimia di Indonesia semakin berkembang, perkembangan industri Petrokimia selain akan memberi nilai tambah pada migas sebagai bahan bakunya juga akan mendorong beragamnya produk yang dihasilkan. Salah satu industri yang mempunyai kegunaan penting dan memiliki prospek yang cerah adalah Senyawa Aromatik seperti nitrobenzen. Nitrobenzen (C6H5NO2) dengan nama lain nitrobenzide, nitrobenzol, mononitrobenzol, MNB, C.I. solvent black 6, essence of mirbane, essence of myrbane, mirbane oil, oil of mirbane, oil of myrbane, nigrosine spirit soluble B atau yang sering dikenal dengan minyak nitrobenzol mirban ialah senyawa hasil nitrasi senyawa aromatik yaitu benzen dengan asam penitrasi baik asam campuran (asam nitrat dan asam sulfat) maupun asam nitrat saja. Senyawa ini mempunyai bentuk fisik berupa cairan berwarna kuning muda (pucat) dan mempunyai aroma seperti buah almond, serta mempunyai sifat sangat beracun bila terhisap dan terkena kulit. Sebagian besar nitrobenzen (± 97%) merupakan bahan baku dalam pembutan anilin dan dapat digunakan dalam industri farmasi, sebagai bahan peledak, pewarna, pestisida, obat-obatan dan sebagai pelarut dalam industri cat, sepatu dan lantai, metal polishes, dan sebagainya. Kebutuhan nitrobenzen di Indonesia diperkirakan akan terus meningkat dengan berkembangnya industri-industri yang berbahan baku nitrobenzen di Indonesia. Selain itu nitrobenzen belum diproduksi di dalam negeri sehingga untuk mencukupi kebutuhan di dalam negeri masih didatangkan dari luar negeri (Amerika Serikat, Jepang, Inggris, Malaysia dan Rusia).
1.2.
Tujuan Keuntungan pendirian pabrik nitrobenzen antara lain; dapat memenuhi
kebutuhan nitrobenzen dalam negeri sehingga mengurangi impor dalam negeri yang diharapkan dapat memberi keuntungan dan menambah devisa negara, selain itu dapat membantu pemerintah dalam mengatasi masalah tenaga kerja dan sekaligus dapat mendukung berkembangnya industri-industri di Indonesia dan memacu tumbuhnya industri baru terutama diversivikasi industri nitrobenzen.
TINJAUAN PUSTAKA
1. Macam-Macam Proses Nitrobenzen diproduksi secara umum dengan nitrasi secara langsung benzen dengan menggunakan campuran asam nitrat dan asam sulfat atau dengan asam nitrat saja. Namun secara komersial yang digunakan adalah campuran asam nitrat dan asam sulfat. Karena kedua fase yang berasal dari pencampuran reaksi dan reaktan terdistribusi antara keduanya. Nitrobenzen dapat dibuat dengan beberapa proses sebagai berikut: a.
Nitrasi benzen dengan asam campuran, dengan proses batch Dalam proses ini asam campuran yang digunakan 56-60%
H2SO4, 27-32% HNO3, 8-17% H2O. Temperatur reaksi adalah 5055oC, produk keluar nitrator dipisahkan dalam separator. Produk nitrobenzen dinetralisasai dengan NaOH. Untuk pemurnian dilakukan dengan proses distilasi. Yield 95-98% dan waktu reaksi secara batch berkisar 2-4 jam (Kirk - Othmer, 1996). b.
Nitrasi benzen dengan asam campuran dengan proses kontinyu Proses kontinyu adalah proses Beazzi yang pada prinsipnya
sama dengan proses batch, sedangkan letak perbedaannya adalah: 1. Versi untuk reaktor yang digunakan untuk proses kontinyu lebih kecil, 30 gallon nitrator kontinyu setara 1500 gallon nitrator batch (Faith et al., 1975). 2. Konsentrasi HNO3 untuk penetrasi lebih rendah. Pada batch berkonsentrasi
HNO3
27-32%
sedangkan
pada
kontinyu
konsentrasi HNO3 20-26%. 3. Kecepatan reaksi lebih tinggi, hal ini karena dengan ukuran reaktor lebih kecil, sehingga pengadukan lebih efisien. 4. Waktu reaksi lebih cepat, pada proses batch 2-4 jam, sedangkan pada proses kontinyu 10-30 menit.
Selain mempunyai banyak kelebihan, proses kontinyu juga mempunyai kekurangan sebagai berikut: 5. Penggunaan nitrating agent, dengan salah satu komponen dari penitrasi tersebut adalah H2SO4 yang merupakan asam yang sangat korosif. 6. Perlu untuk rekonsentrasi H2SO4 sehingga dapat diperkirakan, biayanya cukup tinggi (Kirk - Othmer, 1996). c.
Nitrasi benzen dengan asam nitrat Pada proses ini kedudukan asam campuran sebagai asam
penitrasi digantikan dengan asam nitrat dan sisanya air. Proses ini kurang menguntungkan dibutuhkan asam nitrat yang berlebihan untuk menghasilkan nitrobenzen dalam jumlah yang sama. Proses ini membutuhkan bahan baku yang lebih banyak sehingga ukuran alat yang dibutuhkan jauh lebih besar. Jadi dari segi ekonomis juga kurang menguntungkan
Dengan membandingkan keuntungan dan kerugian 3 macam proses di atas, maka dalam perancanan ini dipilih proses nitrasi dengan asam campuran dengan proses kontinyu. Alasan pemilihan proses ini karena lebih efektif dan efisien, sebab kecepatan rekasi yang tinggi maka waktu yang dibutuhkan lebih cepat dan memerlukan reaktor yang lebih kecil jadi biaya yang dibutuhkan juga relatif sedikit. Dalam penggunaan katalis asam sulfat, asam sulfat merupakan asam yang lebih kuat dari pada asam nitrat sehingga asam sulfat lebih mudah melepaskan ion Nitronium (NO2+) dari asam nitrat sehingga akan mempengaruhi kecepatan reaksi serta Asam sulfat merupakan dehydrator yang baik, sehingga air yang terbentuk tidak akan mempengaruhi kecepatan reaksi.
METODE PENELITIAN
1. Konsep Reaksi 1.1. Dasar Reaksi Proses kontinyu adalah salah satu proses pembuatan nitrobenzen yang termasuk reaksi nitrasi, dimana benzen direaksikan dengan asam campuran sehingga menghasilkan nitrobenzen dan produk samping air. Reaksi : C6H6
+ HNO3
C6H5NO2
+ H2O
Proses dijalankan pada suhu 50oC dan tekanan 1 atm pada fase cair dengan perbandingan mol C6H6 : HNO3 adalah 1:1,05. Reaksi berlangsung kontinyu (Mc. Ketta et al.,1983). 1.2. Tinjauan Termodinamika Tinjauan secara termodinamika hanya berlaku untuk reaksi20 kesetimbangan atau reversible, untuk itu perlu kiranya diperiksa terlebih dahulu reaksi nitrasi benzen dengan asam campuran itu termasuk reaksi reversible atau irreversible. Reaksi: 50oC, 1 atm
C6H6 (l) + HNO3 (l)
C6H5NO2 (l) + H2O (l) H2SO4
A. Termodinamika ditinjau dari Entalpi (ΔH) Reaksi nitrasi benzen menjadi nitrobenzen dapat berjalan endotermis atau eksotermis dapat ditentukan dengan meninjau panas pembentukan standar (ΔHf) pada 1 atm 298 K.
Tabel 1. Harga ΔHof Masing-Masing Komponen No 1 2 3 4
Harga ΔHof (Kkal/mol) 11,7180 -41,3500 13,9000 -68,3174 (Perry, 1984)
Komponen C6H6 HNO3 C6H5NO2 H2O
Total ΔHof 298 = Σ ΔHof Produk - Σ ΔHof Reaktan = {(ΔHof C6H5NO2+ΔHof H2O)-(ΔHof C6H6+ΔHof HNO3 )} = {(13,9 + (-68,3174)) - ( 11,718 + (-41,35))} = -24,7854 kkal/mol ΔHof menunjukkan
Harga
negatif
maka
reaksi
pembentukan
nitrobenzen merupakan reaksi eksotermis. B. Termodinamika ditinjau dari Energi Gibbs (ΔG) Perubahan energi Gibbs didapat persamaan: ΔG
= -RT ln K
Diketahui ΔG masing-masing komponen pada 298 K adalah sebagai berikut: ΔGo C6H6 o
= 29,732 kkal/mol
ΔG HNO3
= -19,288 kkal/mol
ΔGo C6H5NO2
= 34,943 kkal/mol
ΔGo H2O
= -56,678 kkal/mol (Dean, 1999)
Perubahan energi Gibas reaksi dapat dihitung dengan persamaan: ΔGo
= Σ ΔGo produk- Σ ΔGo reaktan = (ΔGo C6H5NO2 + ΔGo H2O) – (ΔGo C6H6 + ΔGo HNO3) ={(34,943) + (-56,678)} – {(29,732) + (-19,288)} kkal/mol = - 32,179 kkal/mol
Harga konstanta kesetimbangan dapat diketahui dengan rumus: ΔGo
= - R.T.ln K
(Smith - Van Ness, 1975)
Dimana: R = 1,987 kal/mol.K = 1,987.10 -3 kkal/mol Sehingga: Ln K = ΔGo / (- R.T) = -(-32,179) / (1,987.10 -3 x 298) = 54,345 = 3,996.1023
K
Pada T = T operasi
ln
K
operasi
K 298
ΔHf298 T Tref x R T x Tref
ln K operasi ln K 298
24,7854 323 298 x 1,987.103 323 x 298
= 1,0204.1025
Koperasi
Dari perhitungan di atas tampak bahwa harga K sangat besar sehingga reaksi yang terjadi merupakan reaksi irreversible (searah).
1.3. Tinjauan Kinetika Ditinjau dari kinetika reaksi dapat dilihat dari persamaan berikut : K
= A. Exp. (-E/R.T)
ln k
= -E/R.T + ln A
Dimana harga E =14.000 kal/gmol dan A = 26,22 gmol/L.jam. Dengan R = 1,987 kal/gmol.K, T = 50oC = 323 K. Sehingga diperoleh harga k = 5,5423 L/mol.jam Dari persamaan tersebut terlihat bahwa dengan kenaikan suhu maka harga konstanta kecepatan reaksi (k) akan membesar, artinya kecepatan reaksi ke arah pembentukan produk semakin besar. Tetapi bila suhu reaksi diatas 90oC akan terbentuk dinitrobenzen. (Hougen et al., 1954)
2.1.
Diagram Alir Proses
2.1.1. Langkah Proses Secara keseluruhan proses pembuatan nitrobenzen dengan proses kontinyu dapat dilaksanakan melalui tiga tahapan : 1. Proses penyiapan bahan baku Bahan baku dipanaskan dengan tujuan menyesuaikan kondisi operasi dalam reaktor karena reaktor beroperasi secara isotermis. Mula-mula bahan baku benzen yang berasal dari tangki penyimpan (F-01) dipompakan menuju E-01. Pada E-01 benzen dinaikkan suhunya dari 30oC menjadi 50oC, dari E-01 benzen menuju reaktor. Asam nitrat dari tangki penyimpan (F-02) dipompakan menuju mixer (F-06). Di dalam mixer asam nitrat di campur dengan asam sulfat yang di pompa dari tangki penyimpan (F-03). Komposisi asam campuran adalah : 24,3% HNO3, 61,4% H2SO4, 14,3% H2O. Panas yang timbul sebagai hasil panas pencampuran antara kedua asam tersebut di serap oleh air pendingin di dalam koil pendingin mixer, sehingga asam campuran yang keluar dari mixer menuju reaktor bersuhu 50oC. Perbandingan mol asam nitrat dan benzen didalam reaktor adalah 1:1,05 dengan suhu 50oC dialirkan secara kontinyu. 2. Proses reaksi nitrasi Bahan baku yang masuk ke reaktor melalui puncak reaktor pada kondisi 50oC dan tekanan 1 atm. Reaksi nitrasi antara benzen den asam nitrat berlangsung pada reaktor CSTR dengan laju putaran impeller 1200 rpm agar terjadi pencampuran yang sempurna. Suhu reaksi harus tetap di jaga pada 50oC agar reaksi tetap berlangsung pada fase cairan. Reaksi nitrasi berlangsung secara eksotermis sehingga diperlukan pendingin agar suhu dalam reaktor tetap 50oC. Pendingin reaktor menggunakan air yang masuk pada suhu 30oC dan keluar pada suhu 40oC. Produk yang diperoleh dari reaktor adalah nitrobenzen, produk samping berupa air dan sisa reaktan berupa benzen dan asam nitrat. Produk reaktor selanjutnya diumpankan ke unit pemurnian.
3. Proses pemurnian hasil Pada proses pemurnian ada tiga tahapan yaitu : a. Pemisahan fase organik dan anorganik. b. Netralisasi c. Pemurnian dengan distilasi
a. Pemisahan fase organik dan anorganik Produk reaktor dimasukkan didalam Decanter (Dc-01) untuk memisahkan fase organik dan anorganik. Dekantasi dapat dilakukan karena kedua fase cair tidak saling melarutkan. b. Netralisasi Fase organik dari Decanter (F-07) dipompakan ke netraliser (F-08) untuk menetralkan asam nitrat dan asam sulfat yang terikut dalam fase organik. Natrium hidroksida yang digunakan sebagai penetral mempunyai kadar 40% dipompakan dari tangki penyimpan (F-04). Hasil netralisasi dimasukkan ke Decanter-02 (F-09) untuk memisahkan lapisan yang kaya akan nitrobenzen (lapisan atas) dengan waste (lapisan bawah) yang terdiri dari Na2SO4, NaNO3, H2O, dan sedikit C6H5NO2. c. Pemurnian dengan distilasi Lapisan dari Decanter-02 (F-09) dinaikkan suhunya dengan E-02 dari suhu 59,69oC menjadi 209,4oC dan diumpankan ke Flash Distilasi. Flash Distilasi berfungsi untuk memisahkan produk nitrobenzen dari impuritasnya. Hasil bawah Flash Distilasi dengan suhu 205,7oC dilewatkan pendingin untuk diturunkan suhunya menjadi 40oC dan selanjutnya disimpan dalam tangki penyimpan.
HASIL PENELITIAN Dari analisis ekonomi, pabrik nitrobenzen ini membutuhkan modal tetap sebesar Rp 412.745.794.196,10 dan modal kerja sebesar Rp 482.432.029.382,15. Keuntungan sebelum pajak sebesar Rp 147.647.620.613,40/th. Keuntungan sesudah pajak sebesar Rp 117.318.096.490,72/th. Analisis kelayakan ini memberikan hasil bahwa Percent Return On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 35,53% dan setelah pajak sebesar 28,42%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 2,19 tahun sedangkan setelah pajak sebesar 2,60 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 45,53% kapasitas, dan Shut Down Point (SDP) sebesar 22,66% kapasitas. Discounted Cash Flow (DCF) sebesar 23,47%. Berdasarkan data-data di atas maka pabrik nitrobenzen dari benzen dan asam campuran ini cukup menarik untuk didirikan.
KESIMPULAN Pabrik Nitrobenzen dari benzen dan asam campuran ini digolongkan pabrik beresiko rendah, karena kondisi operasi atmosferis, suplai bahan baku dekat, dan merupakan komoditi ekspor. Hasil analisis kelayakan ekonomi adalah sebagai berikut : 1. Keuntungan sebelum pajak Rp 147.647.620.613,40 per tahun Keuntungan setelah pajak Rp 117.318.096.490,72 per tahun 2. ROI (Return On Investment) sebelum pajak 35,53% ROI sesudah pajak 28,42% ROI sebelum pajak untuk pabrik berisiko rendah minimal 11% (Aries & Newton.1955) 3. POT (Pay Out Time) sebelum pajak 2,19 tahun POT (Pay Out Time) setelah pajak 2,60 tahun POT sebelum pajak untuk pabrik berisiko rendah maksimal sebelum pajak 5 tahun 4. BEP (Break Even Point) adalah 45,53% dan SDP (Shut Down Point) adalah 22,66%. BEP untuk pebrik kimia pada umumnya berkisar antara 40% - 60 %. 5. DCF (Discounted Cash Flow) adalah 23,47%. Dari perhitungan analisa ekonomi di atas dapat disimpulkan bahwa pabrik Nitrobenzen ini layak dan menarik untuk didirikan.
DAFTAR PUSTAKA Biro Pusat Statistik, Semarang, “ Data Import-Eksport Tahun 2001-2006” Brown, G.G., 1950, “Unit Operations”, John Wiley and Sons, Inc., New York Brownell, L.E. and Young, E.H., 1979, “Process Equipment Design”, John Wiley and Sons, Inc., New York Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1983, “Chemical Engineering”, Vol. 6, Pergamon Press, Oxford Dean, J.A, 1999,”Lange’s Hand Book of Chemistry “ 5th Edition, Mc. Graw-Hill Inc., new York Faith ,W.L., Keyes, D.B., and Clark, R.L., 1975, “Industrial Chemicals”, 4th Edition, John Wiley Sons Inc., New York Fessenden, R. and J.S. Fessenden, 1997, “Organic Chemistry”, 3rd.ed., Wadsworth Inc., Belmont, California Geankoplis, C.J. and J.F. Richardson, “Design Transport Process and Unit Operation”, 1989, Pegamon Press, Singapore Groggins, 1987, “Unit Process In Organic Synthesis”, Mc Graw Hill, Singapore Gunawan, W., 2003, Tanggung Jawab Direksi atas Kepailitan Perseroan, Raja Grafindo Persada, Jakarta Holman, J. P., 1988, ”Perpindahan Kalor”, alih bahasa Jasifi E., edisi ke-6, Erlangga, Jakarta Hougen, O.A., Watson, K.M., and Ragatz, R.A., 1954, ”Chemical Process Principle”, Vol III, John Wiley and Sons Inc., New York Iman, S., 1995, Manajemen Proyek, Erlangga, Jakarta Kern, D.Q., 1950, “Process Heat Transfer”, McGraw-Hill International Book Company Inc., New York Kirk R.E., and Othmer, D.F., 1996, “ Encyclopedia of Chemical Technology ”, vol.17, 4nd edition, John Wiley & Sons Inc.,New York Levenspiel, O., 1972, “Chemical Reaction Engineering”, 2nd ed., John Wiley and Sons, inc., Toronto
Masud, M., 1989, Manajemen Tanggung Jawab dan Struktur Organisasi Perusahaan, Erlangga, Jakarta Mc Ketta, and Acumgham, A., 1983, “Enchyclopedia of Chemical Processing and Design”, Vol. 9, Mc. Graw-Hill Inc., new York Perry, R.H., and Green, D., 1984, “ Perry’s Chemical Engineers Hand Book ”, 6th Edition, Mc. Graw Hill Book Company Inc., New York Perry, R.H. and Green, D.W., 1997, “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”, 7th ed., McGraw-Hill Book Company, New York Peters, M.S. and Timmerhaus, K.D., 2004, “Plant Design and Economic for Chemical Engineering”, 5th ed., McGraw-Hill International Book Company Inc., New York Rase, H.F., and Holmes, J. R., 1977, “Chemical Reactor Design for Process Plant, Volume One : Principles and Techniques”, John Wiley and Sons, Inc., New York Smith, J.M., 1985, “Chemical Engineering Kinetics”, 5th ed., McGraw-Hill Book Company,singapore Smith, J.M.,and Van Ness,H.C., 1975, “ Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics ”, 3rd Edition, Mc. Graw Hill Book Company Inc., Kagakusha Ltd., Singapore Treybal, R.E., 1981, “Mass Transfer Operation”, 3rd ed., McGraw-Hill Book Company, Singapore Ulrich, G.D., 1984, “A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics”, John Wiley and Sons, Inc., New York Yaws, 1979, “Thermodynamic and Physical Properties Data”, Mc Graw Hill Book Co. Singpore Nadya Hernandez, http://www.the-innovation-group.com/welcome.htm, 2003, 19 September
