TAHUN

PRARANCANGAN PABRIK MONOCHLOROBENZENE DARI BENZENE DAN CHLORINE KAPASITAS 100.000 TON/TAHUN PUBLIKASI ILMIAH

Disusun sebagai Salah Satu Syarat Menyelesaikan Program Studi Strata I pada Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik

Oleh : Crade Lisa Putri D 500 120 002

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2016

i

i i

i i i

PRARANCANGAN PABRIK MONOCHLOROBENZENE DARI BENZENE DAN CHLORINE KAPASITAS 100.000 TON/TAHUN ABSTRAK Prarancangan pabrik monochlorobenzene dengan kapasitas 100.000 ton per tahun direncanakan beroperasi selama 330 hari dalam satu tahunnya. Pabrik ini akan didirikan di Kawasan Industri Cilegon, Banten, dengan luas tanah 23.000 m2 dengan jumlah karyawan 188 orang. Proses pembuatan monochlorobenzene dilakukan dalam reaktor fixed bed multitube menggunakan katalis ferric chloride (FeCl3). Reaksi berlangsung pada fase gas-cair dengan chlorine berupa gas dan benzene berupa cair irreversible, eksotermis, dan beroperasi secara non-adiabatis dan non-isothermal (55-72oC) pada tekanan 2,36 atm. Kebutuhan bahan baku yang terdiri dai benzene dan chlorine masingmasing sebanyak 13.172,3643 kg per jam dan 11.956,7106 kg per jam. Sedangkan unit pendukung proses (utilitas) meliputi penyediaan air sebesar 226.967,7583 kg per jam, penyediaan saturated steam sebesar 3.141,7971 kg per jam, bahan bakar fuel oil sebanyak 381,2433 liter per jam, listrik diperoleh dari PLN dan generator set sebagai cadangan dengan kapasitas 1200 kW, udara tekan sebesar 50 m3 per jam. Dari analisis ekonomi yang telah dengan modal tetap sebesar Rp1.007.332.776.785,00 dan modal kerja sebesar Rp479.548.851.888,00 diperoleh Percent Return on Investment (ROI) sebelum pajak 48,59% dan setelah pajak 36,44%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak selama 1,71 tahun dan setelah pajak 2,15 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 45,63%, dan Shut Down Point (SDP) sebesar 28,85%. Internal Rate of Return (IRR) sebesar 35,36%. Berdasarkan hasil analisis ekonomi dapat disimpulkan bahwa pabrik ini menguntungkan dan layak untuk didirikan. Kata kunci: klorinasi benzene, monochlorobenzene, reaktor fixed bed multitube ABSTRACT Preliminary design of monochlorobenzene with a capacity of 175,000 tonnes per year is planned to operate for 330 days per year. This plant will be estbalished in Cilegon with a land area of 23,000 m2 and the number of employees of 188 people. Monochlorobenzene is produced from benzene and chlorine in a fixed bed multitube reactor with ferric chloride (FeCl3) as catalyst. The reaction occures in the gas-liquid phase where the chlorine is gas and benzene is liquid, irreversible, exothermic and operated in non-adiabatic and non-isothermal conditions at a temperature range 5572oC, and pressure 2.36 atm. The needs of raw materials of benzene and chlorine are 13,172.3643 kg per hour and 11,956.7106 kg per hour. The utility unit includes the supply of water is as much as 226,967.7583 kg per hour, supply of saturated steam 3,141.7971 kg per hour, obtained from the boiler with fuel oil as much as 381.2433 L per hour, the compressed air 50 m3 per hour, and the main power source to meet the needs of electricty obtained of PLN and generator sets as backup with a capacity 1200 kW. The plant of mochlorobenzene requires a fixed capital of IDR1,007,332,776,785 and working capital of IDR479,548,851,888. The Percent Return on Investment (ROI) before tax 48.59% is and after tax is 36.44%. The Pay Out Time (POT) before tax is 1.71 years and after tax is 2.15 years. The Break Even Point (BEP) is 45.63%, and Shut Down Point (SDP) is 28.85%. The Internal Rate of Return (IRR) is 35.36%.

1

Keywords: chlorinated benzene, fixed bed multitube reactor, monochlorobenzene 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Memasuki era industrialisasi dan untuk menghadapi perdagangan bebas, perlu adanya pengembangan dalam dunia perindustrian di Indonesia. Dalam rangka tersebut, perlu didirikan sebuah industri yang dapat bermanfaat besar bagi perkembangan perindustrian di Indonesia. Salah satu jenis industri tersebut adalah industri monochlorobenzene. 1.2 Penentuan Kapasitas Perancangan Pabrik Dalam menentukan kapasitas perancangan perlu melihat kebutuhan produk dalam negeri, dimana dari data Badan Pusat Statistik (BPS) tahun 2010-2014 kebutuhan impor monochlorobenzene terus mengalami peningkatan. Ketersediaan bahan baku juga sangat mempengaruhi kelangsungan proses suatu pabrik, dimana bahan baku pembuatan monochlorobenzene ini adalah benzene yang diperoleh dari Pertamina UP IV Cilacap dan chlorine dari PT Asahimas Chemical. Data impor monochlorobenzene dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 1. Data Impor Monochlorobenzene (Badan Pusat Statistik, 2015) Tahun Ton/Tahun 2010 229.681,58 2011 443.054,58 2012 414.170,50 2013 374.190,75 2014 398.091,75 Dari data tersebut, prarancangan pabrik monochlorobenzene ini dirancang dengan kpasitas 100.000 ton/tahun. 2. DESKRIPSI PROSES Dasar reaksi klorinasi benzene dan chlorine adalah sebagai berikut: C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl

... (1)

C6H5Cl + Cl2 → C6H4Cl2 + HCl

... (2)

Reaksi antara benzene dan chlorine menjadi monochlorobenzene dilakukan dalam reaktor fixed bed multitube pada fase cair-gas pada tekanan 2,36 atm dan suhu 55oC dengan katalis ferric chloride (FeCl3). 2.1 Tinjauan Termodinamika

2

Data nilai ΔHof untuk masing – masing komponen adalah sebagai berikut (Yaws, 1999): ΔHof 𝐶6 𝐻6

= 82930 kJ/kmol

ΔHof 𝐶𝑙2

= 0 kJ/kmol

ΔHof 𝐶6 𝐻5 𝐶𝑙

= 51840 kJ/kmol

ΔHof 𝐻𝐶𝑙

= -92300 kJ/kmol

ΔHof 𝑝 − 𝐶6 𝐻4 𝐶𝑙2

= 23010 kJ/kmol

ΔHof 𝑜 − 𝐶6 𝐻4 𝐶𝑙2

= 29960 kJ/kmol

Pada reaksi : 1. C6 H6 (l) + Cl2 (g) → C6 H5 Cl (l) + HCl (g)

...(1)

ΔHR1o(298 K) = ΔHof produk - ΔHof reaktan

…(3)

= 51840 + (-92300) – (82930+0) = -123390 kJ/kmol ΔHR1 (328 K) = ΔHRo(298 K) + ΔHproduk - ΔHreaktan

... (4)

= (-123390) + (4639,5803 + 872,6300) – (4028,1666 + 1017,9234) = -122923,8797 kJ/kmol 2. C6 H5 Cl (l) + Cl2 (g) → C6 H4 Cl2 (l) + HCl (g) ΔHR2o(298 K) = ΔHof produk - ΔHof reaktan

…(3)

= (0,75*23010+ 0,25*29960 + 872,6300) – (51840+0) = -119392,5 kJ/kmol ΔHR2 (328 K) = ΔHRo(298 K) + ΔHproduk - ΔHreaktan

... (4)

= (-119392,5) + (0,75*5561,1220 + 0,25*5647,3635 + (872,6300) – (4639,5803 + 1017,9234) = -118594,6913 kJ/kmol ΔHR (328 K) = ΔHR1 (328 K) + ΔHR2 (328 K)

... (5)

= -122923,8797 kJ/kmol + -118594,6913 kJ/kmol = -241518,5710 kJ/kmol ΔHReaksi menunjukkan nilai negatif, sehingga reaksi berlangsung secara eksotermis.

3

Harga ΔGof untuk masing–masing komponen adalah sebagai berikut (Yaws, 1999): ΔGfo Cl2

= 0 kJ/kmol

ΔGfo C6H6

= 129660 kJ/kmol

ΔGfo C6H5Cl

= 99160 kJ/kmol

ΔGfo HCl

= -95300 kJ/kmol

ΔGfo p-C6H4Cl2

= 77150 kJ/kmol

ΔGfo o-C6H4Cl2

= 82680 kJ/kmol

Pada reaksi pembentukan monochlorobenzene : 1. C6 H6 (l) + Cl2 (g) → C6 H5 Cl (l) + HCl (g) ΔGo

= ΔGof produk - ΔGof reaktan

... (1) ... (6)

= 99160 + (-95300) – (129660 + 0) = -125800 kJ/kmol ΔGo pada suhu 298 K memiliki persamaan : ΔGo

= - RT ln K1

... (7)

Sehingga kontanta kesetimbangan pada suhu 298 K (K1) dapat dihitung dengan persamaan: ln K1

= =

−∆Go

... (8)

RT −(−125800) 8,314 . 298

= 50,7755 K1 = 𝑒 50,7755 = 1,1260.1022 Pada suhu reaksi berlangsung 55oC (328 K), besarnya konstanta kesetimbangan K2 dapat dihitung dengan persamaan:

4

𝐾

𝑙𝑛 𝐾2 = [− 1

∆𝐻 𝑅

1

1

2

𝑇1

] [𝑇 −

]

...(9)

𝑙𝑛

𝐾2 −122923,8797 1 1 = [− ][ − ] 22 1,1260. 10 8,314 328 298

𝑙𝑛

𝐾2 = −4,5379 1,1260. 1022

𝐾2 = e−4,5379 1,1260. 1022 𝐾2 = 0,0107 1,1260. 1022 = 1,2043.1020

K2

Nilai konstanta kesetimbangan K yang diperoleh sangat besar, sehingga reaksi berjalan searah menuju produk atau irreversible. 2. C6 H5 Cl (l) + Cl2 (g) → C6 H4 Cl2 (l) + HCl (g) ΔGo

= ΔGof produk - ΔGof reaktan

... (2) ... (6)

= 0,75*77150 +0,25*82680+(-95300) – (99160 + 0) = -115.927,5 kJ/kmol ΔGo pada suhu 298 K memiliki persamaan : ΔGo

= - RT ln K1

... (7)

Sehingga kontanta kesetimbangan pada suhu 298 K (K1) dapat dihitung dengan persamaan: ln K1

= =

−∆Go

... (8)

RT −(−115,927,5) 8,314 . 298

= 46,7908 K1 = 𝑒 46,7908 = 2,0940.1020 Pada suhu reaksi berlangsung 55oC (328 K), besarnya konstanta kesetimbangan K2 dapat dihitung dengan persamaan: 𝐾

𝑙𝑛 𝐾2 = [− 1

∆𝐻

1

1

2

𝑇1

] [𝑇 − 𝑅

]

... (9)

𝐾2 −118594,6913 1 1 = [− ] [ − ] 2,0940. 1020 8,314 328 298 𝐾2 𝑙𝑛 = −4,3781 2,0940. 1020 𝐾2 = e−4,3781 2,0940. 1020 𝑙𝑛

5

𝐾2 = 0,0125 2,0940. 1020 K2 = 2,6278,1018 Nilai konstanta kesetimbangan K yang diperoleh sangat besar yang jauh dari 1, maka reaksi berjalan searah menuju produk atau irreversible. 2.2 Tinjauan Kinetika Data kinetika pembentukan monochlorobenzene adalah sebagai berikut (Bodman, 1968): r1 = -k1 . xB

... (10)

r2 = -k2 . xm

... (11)

Dimana:

r1 = kecepatan reaksi 1 (pers. 1) r2 = kecepatan reaksi 2 (pers. 2) xB = fraksi mol benzene xm = fraksi mol monochlorobenzene k1 = konstanta kinetika pada reaksi 1 (pada 55oC)= 1,00x10-4s-1 k2 = konstanta kinetika pada reaksi 2 (pada 55oC)= 0,15x10-4s-1

3. SPESIFIKASI ALAT PROSES 3.1 Reaktor Kode

: R – 111

Fungsi

: Sebagai tempat terjadinya reaksi antara benzene dengan chlorine dengan bantuan katalis FeCl3

Jenis

: Fixed Bed Multitube

Suhu

: 55-72oC

Tekanan

: 2,36 atm

Katalis

: FeCl3

Bahan konstruksi : Stainless Steel SA-314 Dimensi -

OD shell

: 0,9917 m

-

ID shell

: 0,9790 m

-

Tinggi

: 7,8116 m

-

Jumlah Tube (Nt)

: 384 tube

-

Tinggi bed katalis

: 5,8522 m

-

OD tube

: 1,5000 in

6

-

ID tube

: 1,3700 in

3.2 Menara Destilasi Tabel 2. Spesifikasi Menara Destilasi Spesifikasi Kode

Menara Destilasi 1 D-221

Fungsi

Memisahkan benzene

Jenis

Sieve tray Carbon steel SA-283 grade C

Bahan konstruksi Kondisi operasi Suhu top (oC) Suhu bottom (oC) Tekanan (atm) Diameter (m) Tebal shell (in) Jenis head Tinggi head (m) Tebal head (in) Jumlah plate Plate Spacing (m) Feed plate Tinggi total (m)

80,24 138,73 1 0,8642 0,2500 Torispherical head 0,2274 0,3125 46 0,4500 41 21,6048

Menara Destilasi 2 D-222 Memisahkan produk monochlorobenzene dan dichlorobenzene Sieve tray Carbon steel SA-283 grade C 138,73 171,03 1,08 1,3991 0,2500 Torispherical head 0,3239 0,3125 33 0,4500 23 15,0479

3.3 Absorber Kode

: D-111

Jenis

: Menara absorber dengan packing

Fungsi

: Menyerap gas HCl menggunakan air

Bahan konstruksi : Stainless Steel SA-314 Suhu

: 32,5oC

Tekanan

: 2,36 atm

Packing -Jenis

: Raschig ring

-Bahan

: Ceramics

-Ukuran

: 1,5 in

-ID shell

: 0,9796 m

-OD shell

: 0,9955 m

Dimensi

7

-Tebal shell

: 0,3125 in

-Tebal head

: 0,3125 in

-Tinggi head

: 0,2484 m

-Tinggi total

: 7,0549 m

3.4 Separator Kode

: D-131

Fungsi

: Memisahkan keluaran R-111 berupa cairan dan gas

Jenis

: Horizontal separator with demister

Bahan konstruksi

: Stainless Steel SA-314

Suhu

: 71,28oC

Tekanan

: 2,36 atm

Dimensi -

Diameter

: 1,3631 m

-

Panjang

: 4,0893 m

-

Waktu hold-up

: 14 menit

4. UTILITAS Unit pendukung proses (utilitas) merupakan bagian penting yang dapat menunjang kelancaran proses produksi. Dalam prarancangan kali ini, sumber air yang digunakan berasal dari air sungai. Utilitas yang dibutuhkan, antara lain: a. Unit penyediaan air

= 226.967,7583 kg/jam

b. Unit penyediaan steam

= 3.141,7971 kg/jam

c. Unit penyediaan bahan bakar

= 381,2433 L/jam

d. Unit penyediaan listrik

= 855,6595 kW

e. Unit penyediaan udara tekan

= 50 m3/jam

5. MANAJEMEN PERUSAHAAN Pabrik ini direncanakan memiliki bentuk perusahaan Perseroan Terbatas (PT) dengan lokasi di Kawasan Industri Cilegon, Banten, dengan jumlah karyawan 188 orang yang tebagi atas karyawan shift dan nonshift. 6. ANALISIS EKONOMI Pada prarancangan pabrik ini, dilakukan analisis ekonomi agar dapat memperkirakan besarnya laba yang diperoleh, lamanya modal investasi, modal

8

dapat kembali, kelayakan investasi dan kapan terjadinya titik impas. Analisis ekonomi juga bertujuan untuk mengetahui apakah pabrik yang akan didirikan dapat menguntungkan atau tidak. Pabrik yang akan didirikan dievaluasi pada tahun 2020. Analisis harga alat maupun harga-harga lain diperhitungkan pada tahun evaluasi. 350

Dollar/ tahun ( x 106

300

R a

250 200

S a

150

V a

100 S D P

50

B E P

0,3 Ra 0 0

10

20

30 40 50 60 70 80 Kapasitas Produksi per tahun (%)

90

100

F a

Gambar 6.2 Grafik Analisis Kelayakan Pabrik Monochlorobenzene 7. KESIMPULAN Hasil analisis ekonomi adalah sebagai berikut: No.

1.

Kriteria Return On Investment (ROI)

Hasil

- ROI sebelum pajak

48,59%

- ROI setelah pajak

36,44%

Pay Out Time (POT) 2.

- POT sebelum pajak

1,71 tahun

- POT setelah pajak

2,15 tahun

Batasan Untuk pabrik low risk min 11%, high risk min 44% (Tabel 54, Aries dan Newton, hal 193) Untuk pabrik low risk maks 5 tahun, high risk maks 2 tahun (Tabel 55, Aries dan Newton, hal 196)

3.

Break Event Point (BEP)

45,63%

40 - 60%

4.

Shut Down Point (SDP)

28,85%

20 - 30%

9

Lebih besar dari bunga bank Internal Rate of Return deposito 7% (Bank 5. (IRR) 39,92% Bukopin) Dari hasil analisis ekonomi yang sudah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa pabrik monochlorobenzene ini menguntungkan dan layak untuk didirikan.

DAFTAR PUSTAKA Aries, R.S., and Newton, R.D., 1955, Chemical Engineering Cost Estimation,

Mc.

Graw Hill Book Company, New York. Badan Pusat Statistik, 2015, Statistik Perdagangan Luar Negeri. Brannan, C.R., 2002, Rules of Thumb for Chemical Engineer, Gulf Publising, United States of America. 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. Bodman, Samuel.W., 1968, The Industrial Practice of Chemical Process Engineering, MIT Press, England. Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 2005, Chemical Engineerin, 4th ed, Vol. 6, Elsevier Butterworth-Heinemann, Linacre House, Jordan Hill, Oxford. Faith, W.L., Keyes, D.B., and Clark, R.L., 1957, Industrial Chemistry, John Wiley and Sons, London. Fessenden, R.J. and J.S Fessenden, 1999, Kimia Organik, Jilid 1, Terjemahan Aloysius Hadyana Pudjaatmaka, Erlangga, Jakarta. Fogler, H.S., 2006, Elementary of Chemical Reaction Engineering, 3th ed., PrenticeHall, Engle Cliffs., NJ Holman, J.P., 2010, Heat Transfer, 10th ed, Mc.Graw-Hill Companies, Inc, New York. Kern, D.Q., 1950, Process Heat Transfer, Mc. Graw-Hill International Book Company Inc., New York. Kirk, R.E. and Othmer, D.F., 1983, Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd ed., Vol. 6, The Inter Science Encyclopedia, Inc., New York. Levenspiel, O., 1972, Chemical Reaction Engineering 2nd ed., John Wiley and Sons, Inc., Toronto.

10

Ma’sud, Fuad, 2004, Survai Diagnosis Organisasi Konsep dan Aplikasi, Badan Penerbit Universitas Diponegoro, Semarang. Mc.Ketta, J.J., and Cunningham W.A., 1993, Encyclopedia of Chemical Processing and Design, Marcel Dekker, Inc., New York. Perry, R.H. and Green, D.W., 2007, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook 8th ed., Mc. Graw-Hill Book Company, New York. Peters, M.S. and Timmerhaus, K.D., 2003, Plant Design and Economic for Chemical Engineering 5th ed., Mc. Graw-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. Reid, R. C., Praustniz, J. M., and Poling, B. E., 1987, The Properties of Gases and Liquids 4th ed., Mc-Graw Hill Book Co., New York. Riawan, 1990, Kimia Organik, Bina Rupa Aksara, Jakarta. Smith, J.M., 1985, Chemical Engineering Kinetics 5th ed., Mc. Graw-Hill Book Company, Singapore. Smith, J.M. and Van Ness, H.C., 1987, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics 4th ed., Mc. Graw-Hill Book Co., New York. Ulrich, G.D., 1984, A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics, John Wiley and Sons, Inc., New York. Widjaja, G dan Yani, A, 2003, Perseroan Terbatas, Raja Grafindo Persada, Jakarta. Yaws, 1999, Thermodynamic and Physical Properties Data, Mc. Graw Hill Book Co., Singapore. Zamani, 1998, Manajemen, Badan Penerbit IPWI, Jakarta.

11