Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Pendirian Pabrik Memasuki era perdagangan bebas Indonesia dituntut untuk mampu bersaing dengan negara lain dalam bidang industri. Perkembangan industri di Indonesia sangat berpengaruh pada ketahanan ekonomi Indonesia yang akan menghadapi banyak kendala di era pasar bebas nanti. Untuk mencapai kemajuan di bidang industri terfokus pada bidang industri kimia, maka kebutuhan bahan–bahan kimia di dalam negeri perlu ditumbuhkan dan dikembangkan. Sektor industri kimia banyak memegang peranan dalam memajukan perindustrian di Indonesia. Inovasi proses produksi maupun pembangunan pabrik baru yang berorientasi pada pengurangan ketergantungan kita pada produk impor maupun untuk menambah devisa negara sangat diperlukan, salah satunya dengan pembangunan pabrik sikloheksana. Sikloheksana merupakan senyawa organik yang termasuk dalam senyawa turunan dari benzena. Sikloheksana yang mempunyai rumus molekul C6H12 berwujud cair pada temperatur kamar dan tekanan atmosferis. Konsumen utama sikloheksana adalah industri asam adipat untuk nylon-6,6, caprolactam untuk nylon-6, lain-lain meliputi bahan pelarut, bahan insektisida, dan plasticizers (www. scholar.google.co.id). Proyeksi kebutuhan sikloheksana global semakin meningkat dari tahun ke tahun. Pada benua Asia jumlah data impor terbesar untuk sikloheksana meliputi China, Thailand, Indonesia, Jepang, dan India (UNdata, 2015). Sehingga pendirian pabrik ini diorientasikan selain untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri juga untuk memenuhi sektor ekspor ke luar negeri. Selain pertimbangan di atas, pendirian pabrik sikloheksana di Indonesia dilakukan atas dasar hal-hal sebagai berikut: 1. Menciptakan lapangan kerja baru, yang berarti turut mengurangi jumlah pengangguran dan memacu pertumbuhan industri-industri baru yang menggunakan bahan baku sikloheksana. Bab I Pendahuluan 1
2 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun 2. Mengurangi ketergantungan pada negara asing. 3. Meningkatkan pendapatan negara dari sektor industri, serta menghemat devisa negara. 4. Meningkatkan kualitas sumber daya manusia Indonesia lewat alih teknologi.
1.2 Kapasitas Perancangan Kapasitas produksi pabrik sikloheksana ditentukan berdasarkan beberapa pertimbangan antara lain : 1.2.1 Prediksi Kebutuhan Sikloheksana di Indonesia Untuk memenuhi kebutuhan produk sikloheksana di dalam negeri, Indonesia masih mengimpor negara lain. Data impor sikloheksana dalam negeri ditunjukkan pada Tabel 1.1. Tabel 1.1 Data Impor Sikloheksana di Indonesia Tahun
Jumlah (kg)
Jumlah (ton)
2009
527.878
527,878
2010
745.969
745,969
2011
638.373
638,373
2012
772.688
772,688
2013
1.058.316
1058,316
2014
1.120.300
1120,300 (Sumber : Badan Pusat Statistik, 2015)
Dari data impor Sikloheksana pada Tabel 1.1, kemudian dilakukan regresi linier untuk mendapatkan tren kenaikan impor Sikloheksana di Indonesia. Regresi linier untuk data impor ditunjukkan pada gambar 1.1.
Bab I Pendahuluan
3 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun
1200000 y = 149862x - 3E+08 1000000 800000 600000
Series1 Indonesia
400000
Linier(Series1) Linear (Indonesia)
200000 0 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
Gambar 1.1 Data Impor Sikloheksana
Dari hasil regresi linear (Gambar I.1) diperoleh perkiraan kebutuhan Sikloheksana pada tahun 2018 : Y = 149862x - 300000000 = 2.421.516 kg = 2.421,516 ton Dari hasil perhitungan dapat diperkirakan kebutuhan sikloheksana di Indonesia pada tahun 2018 adalah sebesar 2.421,516 ton/tahun.
1.2.2 Kebutuhan Sikloheksana di Luar Negeri Selain untuk memenuhi kebutuhan di Indonesia, pabrik Sikloheksana yang akan didirikan ini juga bertujuan untuk memenuhi kebutuhan luar negeri. Kebutuhan Sikloheksana di beberapa neegara di Asia terlihat pada Tabel 1.2. Tabel 1.2 Data impor Sikloheksana di Beberapa Negara di Asia Kebutuhan (ton/tahun)
Negara
2010
2011
2012
2013
2014
China
35.641,023
4914,121
4.537,826
4.362,446
1.394,521
Thailand
10.253,788
10.484,465
14.666,647
15.642,133
21.440,162
India
3.290,619
4.564,128
3.323,889
6.295,558
6.606,809
Jepang
25.324,238
37.868,527
48.720,491
18.387,257
36.106,518
(Sumber: UN Data, 2015)
Bab I Pendahuluan
4 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun
25,000.00
20,000.00
y = 2753x + 6238.3 Thailand
15,000.00
India Linear (Thailand)
10,000.00
Linear (India)
y = 836.38x + 2307.1
5,000.00
2010
2011
2012
2013
2014
Gambar 1.2 Data Kebutuhan Sikloheksana di Luar Negeri
Dari regresi linier terhadap data kebutuhan Sikloheksana di negara Thailand dan India diperoleh persamaan y = 2.753x + 6.238,3 dan y = 836,38x + 2.307,1. Kebutuhan impor pada tahun 2018 diperkirakan sebesar 31.060,3 dan 9.834,52 dengan total sebesar 40.849,82 ton/tahun.
1.2.3 Ketersediaan Bahan Baku dan Katalis Adanya industri yang mendukung pabrik Sikloheksana, terutama dalam hal penyediaan bahan baku merupakan salah satu faktor yang cukup penting. Bahan baku utama yaitu Benzene (C6H6), Hidrogen (H2), dan Katalis (Nickel, (Ni)). Kebutuhan bahan baku dan katalis dapat diperoleh dari produsen – produsen dalam negeri.
Bab I Pendahuluan
5 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun Tabel 1.3 Sumber Bahan Baku dan Katalis No.
Bahan Baku
Produsen
Kapasitas
Sumber
Benzena
PT Pertamina,
120.000
www.pertamina.com
(C6H6)
Cilacap
ton/tahun
Hidrogen (H2)
PT Air
15.000 Nm3/
Liquide,
jam
dan Katalis 1.
2.
www.id.airliquide.com
Cilegon 3.
Nickel, (Ni)
Zibo Yinghe
5.500 ton/tahun
www.zbyinghe.com
Chemical Co., Ltd.
1.2.4
Kapasitas Produksi Pabrik Sikloheksana Beberapa kapasitas pabrik Sikloheksana yang telah berdiri adalah sebagai
berikut Tabel 1.4 Industri Sikloheksana di Berbagai Negara Perusahaan Chevron Phillips Chemical CITGO Petroleum Chevron Phillips Chemical Chevron Phillips Chemical ExxonMobil Chemical Flint Hills Resources Huntsman
Bab I Pendahuluan
Kapasitas
Kapasitas
(galon/tahun)
(ton/tahun)
Port Arthur, Texas
140.000.000
412.000
Corpus Christi, Texas
40.000.000
117.000
Borger, Texas
40.000.000
117.000
Sweeny, Texas
110.000.000
324.000
Beaumont, Texas
65.000.000
191.000
Corpus Christi, Texas
25.000.000
73.000
Port Arthur, Texas
95.000.000
280.000
Lokasi
6 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun Sunoco
Marcus Hook, Pa
46.000.000
135.000
44.000.000
130.000
47.000.000
140.000
Netherland
91.000.000
270.000
Rivneazot
Rivne, Ukraina
10.000.000
30.000
Juyuan Chemical
China
41.000.000
120.000
Ludwigshafen,
BASF
Germany
BP Refining and
Gelsenkierchen,
petrochemical
Germany
ExxonMobil Chemical
(Sumber : Icis Chemical Business Americas, 2007)
Secara komersial, kapasitas pabrik sikloheksana minimum yang memberikan keuntungan adalah 10 juta galon/tahun atau 30.000 ton/tahun yang diproduksi oleh Rivneazot, Rivne, Ukraina. Kapasitas terbesar pabrik sikloheksana adalah 140 juta galon/tahun atau 412 ribu ton/tahun yang diproduksi oleh Chevron Phillips Chemical, Port Arthur, Texas. Berdasarkan pertimbangan dari kebutuhan sikloheksana dan kapasitas pabrik yang telah ada, maka dalam perancangan pabrik ini diambil kapasitas produksi sebesar 40.000 ton/tahun. Kapasitas yang dipilih lebih besar daripada perkiraan kebutuhan impor Indonesia dengan selisih sekitar 37.500 ton dengan mempertimbangkan : 1. Ketersediaan bahan baku. 2. Dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri yang meningkat dari tahun ke tahun 3. Dapat memenuhi kebutuhan ekspor ke beberapa Negara di Asia khususnya Thailand dan India 4. Dapat memberi kesempatan berdirinya industri berbahan baku sikloheksana
Bab I Pendahuluan
7 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun 1.3 Penentuan Lokasi Pabrik Pemilihan lokasi pabrik merupakan salah satu masalah pokok yang menunjang keberhasilan operasi suatu pabrik. Banyak pertimbangan yang menjadi dasar dalam menentukan lokasi pabrik, antara lain : letak pabrik dekat dengan sumber bahan baku, pasar penjunjang, transportasi, tenaga kerja, kondisi sosial politik, dan kemungkinan perluasan area pabrik dimasa yang akan datang. Pabrik Sikloheksana akan direncanakan akan didirikan di Kawasan Industri Cilegon, Banten. Lokasi Pabrik
Gambar 1.3 Lokasi Pendirian Pabrik Sikloheksana
Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi pemilihan lokasi pabrik ini, antara lain : 1. Faktor Utama Faktor primer ini secara langsung mempengaruhi tujuan utama dari pabrik yang meliputi produksi dan dan distribusi produk yang diatur menurut macam dan kualitas, waktu dan tempat yang dibutuhkan konsumen pada tingkat harga yang terjangkau sedangkan pabrik masih memperoleh keuntungan yang wajar. Faktor primer meliputi : a. Penyediaan Bahan Baku dan Katalis Bahan baku memegang peranan penting, dimana dalam proses produksi pabrik sangat bergantung pada ketersediaan bahan baku ini. Lokasi pabrik Bab I Pendahuluan
8 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun yang dekat dengan bahan baku akan lebih menguntungkan. Untuk bahan baku tersebut tidak perlu didatangkan dari luar negeri, tetapi dapat dipenuhi dari dalam negeri, yaitu dari PT Air Liquide yang berlokasi di Cilegon untuk Hidrogen, PT Pertamina, Cilacap untuk Benzena dan PT Antam, Sulawesi untuk Nickel. b. Letak Pabrik dengan Daerah Pemasaran Produk Sikloheksana
merupakan
produk
intermediate
yang
memiliki
penggunaan cukup luas. Sikloheksana banyak digunakan untuk bahan baku pembuatan adipic acid yang nantinya diproses menjadi nylon 6.6, caprolactam yang diproses menjadi nylon 6. Selain itu sikloheksana dapat digunakan sebagai solvent, bahan insektisida, dan plasticizer. Produk ditargetkan untuk dipasarkan baik di dalam negeri maupun diekspor ke luar negeri. Untuk kebutuhan di Indonesia akan dipasarkan antara lain ke PT Elsoro Multi Pratama sebagai produsen caprolactam, PT Graha Jaya Pratama, Jakbar dan PT Asahimas Chemical, Cilegon sebagai produsen pasticizer, PT Ria Indo Agri, Cibubur dan PT Avisa Mandiri, Tanggerang sebagai produsen insektisida. Untuk ekspor ditujukan ke wilayah Asia terutama negara China dan Thailand. c. Sarana dan Transportasi Sarana transportasi untuk penyediaan bahan baku dan pemasaran produk dapat dilakukan lewat jalur darat maupun jalur laut. Untuk jalur laut, digunakan Pelabuhan Krakatau Steel Bandar Samudera Cigading, Banten yang jaraknya sekitar ± 10 km dari lokasi pabrik yang direncanakan. d. Tenaga Kerja Tenaga kerja dapat dipenuhi dengan mudah dari daerah sekitar lokasi pabrik maupun dari luar lokasi pabrik, mengingat Pulau Jawa merupakan wilayah yang banyak terdapat lembaga pendidikan yang menghasilkan tenaga ahli. Kepadatan penduduk yang tinggi akan memudahkan pencarian tenaga bukan ahli.
Bab I Pendahuluan
9 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun e. Utilitas Dalam hal penyediaan air sudah tersedia di dalam kawasan Industri Cilegon, Banten yang diproduksi oleh PT Krakatau Tirta Industri. Sedangkan untuk kebutuhan energi listrik akan dipenuhi oleh PLN. f. Kondisi Tanah dan Daerah Kondisi tanah yang relatif masih luas dan merupakan tanah datar dengan kondisi iklim yang relatif stabil sepanjang tahun sangat menguntungkan untuk pendirian pabrik ini. g. Kebijakan Pemerintah Pendirian pabrik perlu memperhatikan faktor kepentingan pemerintah yang trkait di dalamnya. Kebijakan pengembangan industri berhubungan dengan kesempatan kerja serta hasil – hasilnya. 2. Faktor Penunjang Cilegon sebagai kawasan industri yang telah ditetapkan oleh pemerintah sehingga hal-hal yang sangat dibutuhkan dalam kelangsungan proses produksi suatu pabrik telah tersedia dengan baik seperti sarana transportasi, keamanan lingkungan, energi, faktor sosial, serta perluasan pabrik.
1.4 Tinjauan Pustaka 1.4.1 Macam-Macam Proses Pembuatan Sikloheksana Ada beberapa macam proses dalam pembuatan sikloheksana, yaitu: 1. Proses Hidrogenasi Benzena Pada proses hidrogenasi bahan baku yang digunakan adalah benzena direaksikan
dengan
hidrogen
untuk
menghasilkan
sikloheksana
menggunakan jenis reaktor fixed bed multitube. Suhu reaksi antara 150oC - 250oC. Katalis yang digunakan adalah Ni dengan penyangga (support) berupa alumunium (US Patent 3622645). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:
C6H6 + 3H2
Bab I Pendahuluan
Ni
C6H12…..........................................(1-1)
10 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun 2. Proses Petrolium Fractionation Pada proses ini digunakan crude oil yang diolah terlebih dahulu dengan proses distilasi fraksinasi, crude oil pada proses distilasi fraksinasi dihasilkan parafin, olefin/etilen, naphthene, dan aromatic. Dalam aromatic terdapat benzena, toluena, dan napthalene, sedangkan yang akan digunakan adalah benzena sebagai bahan pembuatan sikloheksana. Produk benzena dipisahkan dari komponen lainnya dengan menggunakan kolom distilasi. Dengan penambahan gas hidrogen akan terbentuk produk sikloheksana. Kondisi operasi suhu 80oC, tekanan 5 atm dengan konversi benzena mencapai 85% (Mc.Ketta, 1982). Tabel 1.5 Kelebihan dan Kelemahan Proses-proses Pembuatan Sikloheksana Proses 1.
Proses
Kelebihan
Kelemahan
Hidrogenasi Proses lebih sederhana Konversi reaksi benzena
Benzena
mencapai 99,9% Efisiensi
yang
Reaksinya memerlukan katalis sehingga diperlukan waktu regenerasi dan
tinggi,
investasi lebih tinggi
adanya recovery H2 Kemurnian produk tinggi 2. Proses Petrolium Fractionation
Reaksinya tidak memerlukan katalis
Konversi yang dihasilkan hanya sebesar 85 % Proses kompleks, dimana
sehingga tidak diperlukan waktu
prosesnya digunakan crude
regenerasi dan investasi
oil yang diolah terlebih
lebih rendah
dahulu
dengan
proses
distilasi fraksinasi
Dengan melihat kelebihan dan kelemahan proses-proses di atas, maka dipilih proses hidrogenasi benzena dalam perancangan pabrik sikloheksana. Reaksi pembentukan sikloheksana yang terjadi di dalam reaktor adalah sebagai berikut : C6H6 + 3H2
Bab I Pendahuluan
C6H12
11 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun 1.4.2. Kegunaan Produk Konsumen utama sikloheksana adalah industri asam adipat, selain itu sikloheksana juga digunakan untuk : a. Caprolactam b. Solvent c. Insektisida d. Plasticizer (www. scholar.google.co.id)
1.4.3. Sifat Fisis dan Kimia Bahan Baku dan Produk
Bahan Baku 1. Benzena (Mc. Ketta, 1982) a. Sifat Fisis Rumus Molekul
= C6H6
Berat molekul, (g/mol)
= 78,114
Titik beku, (pada 1 atm), [oC]
= 5,531
Titik didih (pada 1 atm), [oC]
= 80,094
Densitas (pada 25oC), [g/cm3]
= 0,8736
Tekanan kritis, (atm)
= 48,33
Temperatur kritis, (oC)
= 289,01
b. Sifat Kimia (Kirk and Othmer, 1998) Ada tiga (3) tipe reaksi benzena yang terpenting yaitu : i.
Reaksi subtitusi Reaksi substitusi benzena biasanya terjadi pada cincin aromatik benzena. Contoh reaksi substitusi yaitu pada konversi klorobenzena menjadi fenol dengan bantuan NaOH pada 400oC. C6H5OH…………………..........(1-2)
C6H5Cl 10% NaOH
Bab I Pendahuluan
12 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun ii.
Oksidasi Reaksi yang paling penting adalah oksidasi katalitik Benzena menjadi maleic anhidrid. Sedangkan oksidasi pada fase gas menjadi fenol pada suhu 450-800 oC tanpa adanya katalis.
iii.
Alkilasi Beberapa reaksi alkilasi benzena yang dijumpai dalam industri kimia diantaranya: 1) Reaksi alkilasi benzena dengan propilena membentuk cumene baik pada fase gas maupun cair dengan menggunakan katalis BF3 ataupun AlCl3. 2) Reaksi alkilasi benzena dengan etilena membentuk etilbenzena yang berlangsung pada suhu diatas 370oC dengan adanya katalis zeolit. C6H6
Zeolit
+ (H2C=CH2)
C6H5
C2H5
>370oC, 13 - 27 atm
Benzena(g)
Etilen
Etilbenzena(g)
(g)
2. Hidrogen a. Sifat Fisis (Perry, 2008) Rumus Molekul
= H2
Berat molekul, (g/mol)
= 2,01
Titik lebur, (pada 1 atm), [oC]
= -259,1
Titik didih (pada 1 atm), [oC]
= -252,55
Spesific gravity (pada 20oC)
= 0,069
b. Sifat kimia (Kirk and Othmer, 1998) 1. Proses steam-iron Reaksi antara steam dengan besi pada suhu 1600oF menghasilkan hidrogen dan oksida besi
yang kemudian
direaksikan dengan gas karbon monoksida untuk mendapatkan besi kembali.
Bab I Pendahuluan
13 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun Fe3O4 + 4H2……………………...(1-3)
3Fe + 4H2O
3Fe + 2H2O + 2CO2………..(1-4)
Fe3O4 + 2H2 + 2CO 2. Steam methane reforming
Gas alam bebas sulfur direaksikan dengan uap air dengan bantuan katalis nikel pada suhu 1400-1700oF dan tekanan 200-600 lb/in2.gauge. CO + 3H2………………………….(1-5)
CH4 + 2H2O
3. Gas sintesis yang dihasilkan dalam pembakaran hidrokarbon, direaksikan dengan steam untuk mengkonversi karbon monoksida menjadi karbon dioksida dan hidrogen. CO2 + H2…………………………..(1-6)
CO + H2O
Produk 1. Sikloheksana a. Sifat fisis (Mc.Ketta, 1982) Rumus Molekul
= C6H12
Berat molekul, (g/mol)
= 84,156
Titik beku, (pada 1 atm), [oC]
= 6,55
Titik didih (pada 1 atm), [oC]
= 80,74
Tekanan kritis, (atm)
= 0,12
Temperatur kritis, (oC)
= 281
b. Sifat kimia (Ullman, 1988) Oxidation Oksidasi fase cair dengan udara menggunakan katalis cobalt atau asam borak menghasilkan cyclohexanol dan cyclohexanone. C6H12 +O2
Bab I Pendahuluan
C6H11OH …........................................(1-7)
14 Prarancangan Pabrik Sikloheksana dengan Proses Hidrogenasi Benzena Kapasitas 40.000 Ton/Tahun 1.4.4 Tinjauan Proses secara Umum Dalam pembentukan sikloheksana dengan proses hidrogenasi, terjadi reaksi sebagai berikut:
Ni
C6H6(g) + 3H2(g)
C6H12(g) ….................................(1-8)
Benzena bersama-sama dengan hidrogen diumpankan ke dalam Reaktor fixed bed multitube dalam fase gas. Proses ini terjadi pada suhu yang tinggi antara 170oC sampai 187oC. Suhu reaktor harus dipertahankan dalam batas yang telah ditetapkan hal ini untuk menghindari thermal cracking, reaksi samping yang lain dan tetapan kesetimbangan yang tidak diinginkan yang dapat membatasi konversi benzena. Pada proses ini digunakan katalis nickel (support alumunium) karena reaksi berlangsung di antara suhu 160 oC. Namun, katalis ini mudah teracuni oleh sulfur sehingga komponen sulfur di dalam umpan benzena dan hidrogen harus dijaga dibawah 1 ppm. Benzena dan hidrogen dalam fase gas direaksikan dengan perbandingan 1 : 3 mol untuk menghasilkan 1 mol sikloheksana dengan tekanan 26 atm. Reaksi yang terjadi eksotermis sehingga perlu adanya pendinginan untuk menjaga kondisi operasi. Pemisahan fasa gas dan cair dari produk reaktor dilakukan dengan condenser parsial (CP) terutama untuk pemisahan gas hidrogen yang tidak bereaksi untuk di-recycle ke reaktor. Konversi yang diperoleh dari reaktor sebesar 99,9% (US Patent 3622645).
Bab I Pendahuluan
