PRARANCANGAN PABRIK FATTY ALCOHOL ETHOXYLATE DARI FATTY ALCOHOL DAN ETILEN OKSIDA KAPASITAS 50.000 TON/TAHUN
Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Srata I pada Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik
Oleh:
SUCI AMALIA FEBRIYANTI D 500 120 046
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2016 i
i
ii
iii
PRARANCANGAN PABRIK FATTY ALCOHOL ETHOXYLATE DARI FATTY ALCOHOL DAN ETILEN OKSIDA KAPASITAS 50.000 TON/TAHUN Abstrak Prarancangan pabrik fatty alcohol ethoxylate (FAE) dari fatty alcohol dan etilen oksida dengan kapasitas 50.000 ton/tahun ini direncanakan beroperasi selama 330 hari per tahun. Pabrik ini akan didirikan di kawasan industri Cilegon, Provinsi Banten dengan luas tanah 21.968 m2 dan jumlah karyawan 192 orang. Bahan baku berupa fatty alcohol diperoleh dari PT Ecogreen Oleochemicals, Batam dan etilen oksida diperoleh dari PT. Polychem Indonesia, Cilegon. Reaksi yang digunakan dalam pembuatan FAE adalah etoksilasi. Reaksi berlangsung di dalam reaktor gelembung dengan menggunakan katalis potasium hidroksida (KOH). Reaksi berlangsung pada fasa cair-gas, irreversible, isothermal, nonadiabatis dan eksotermis pada suhu 180 °C dan tekanan 2 atm. Produk samping dari reaksi ini berupa dietilen glikol. Kebutuhan bahan baku fatty alcohol pada pembuatan FAE sebesar 40.127 ton/tahun dan etilen oksida sebesar 18.974 ton/tahun. Utilitas pendukung proses meliputi unit penyediaan air sebesar 141,075 m3/jam, unit penyedia bahan bakar solar sebesar 488,6 kg/jam, unit pembangkit listrik membutuhkan daya sebesar 344,6 kWh yang diperoleh dari PLN. Pabrik FAE menggunakan modal tetap Rp 760.406.850.974. Keuntungan sebelum pajak Rp 323.005.900.175, keuntungan setelah pajak Rp 242.254.425.131. Percent Return On Investment before tax = 42,37 %; Percent Return On Investment after tax = 31,78%, Pay Out Time before tax = 1,91 tahun; Pay Out Time after tax = 2,39 tahun. Dari analisa ekonomi, maka diperoleh Break Even Point (BEP) = 40,97%; Shut Down Point (SDP) = 20,08% dan Interal Rate of Return berdasarkan Discounted Cash Flow (DCF) = 39,51%. Kata kunci : etoksilasi, fatty alkohol etoksilat, reaktor gelembung
Abstract
Preliminary design of fatty alcohol ethoxylate (FAE) from fatty alcohol and ethylene oxide with a capacity of 50.000 tons/year is planned to operate for 330 days per year. The factory will be established in CIlegon, Banten Province with a land area of 21.968 m2 and the number of employees are 192 people. Raw material of fatty alcohol obtained from PT. Ecogreen Oleochemicals, Batam and ethylene oxide obtained from PT. Polychem Indonesia, Cilegon. The manufacturing process of FAE is ethoxylation. The reaction occured in bubble column reactor with potassium hydroxide as catalyst. The reaction occured in the liquid-gas phase, irreversible, isothermal, non-adiabatic and exothermic at temperature of 180 °C and pressure of 2 atm. The by-product of this reaction is diethylene glycol. Raw material of fatty alcohol required for the plant is 40.127 tons/year and 18.974 tons/year of ethylene oxide. The utilities for supporting process are water supply of 141,075 m3/hour, power plants unit as much as 344,6 kWh is obtained from the PLN. FAE factory requires a fixed capital of IDR 760.406.850.974. The profit before tax is IDR 323.005.900.175, the profit after tax is IDR 242.254.425.131. Percent Return On Investment before tax = 42,37 %; Percent Return On Investment after tax = 31,78%, Pay Out Time before tax = 1,91 years; Pay Out Time after tax = 2,39 years. From 1
economic analysis, shows Break Even Point (BEP) = 40,97%; Shut Down Point (SDP) = 20,08% and Internal Rate of Return based on Discounted Cash Flow (DCF) = 39,51%.
Keywords : bubble column reactor, ethoxylation, fatty alcohol ethoxylate 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pendirian Pabrik Meningkatnya taraf hidup penduduk Indonesia mendorong kesadaran yang lebih terhadap perawatan tubuh. Hal ini memicu pula berkembangnya industri-industri yang menghasilkan produk-produk perawatan tubuh seperti sampo, sabun dan kosmetik sehingga berakibat pada meningkatnya kebutuhan industri. Kelompok industri ini banyak membutuhkan surfaktan dan salah satu surfaktan yang banyak digunakan oleh kelompok industri ini adalah fatty alcohol ethoxylate (FAE). FAE merupakan surfaktan nonionik yang digunakan sebagai bahan baku ataupun bahan pembantu dalam industri kimia. Industri kimia yang menggunakan bahan baku FAE adalah industri detergen. Selain itu juga digunakan sebagai wetting dan cleaning agents dalam kosmetik, pertanian, tekstil, kertas, minyak dan berbagai industri lainnya. Saat ini kebutuhan FAE di Indonesia dipenuhi oleh PT. Polychem Indonesia dan sebagian besar masih mengimpor dari Singapore dan Jerman. 1.2 Kapasitas Perancangan Kebutuhan FAE tidak hanya diperlukan di Indonesia tetapi juga di luar negeri. Pabrik FAE yang sudah berdiri secara global beserta kapasitasnya dapat dilihat pada tabel berikut:
Tabel 1. Perusahaan FAE di Dunia Perusahaan
Kapasitas (Ton)
Venus Ethoxyethers Pvt. Ltd
30.000
Thai Ethoxylate Co., Ltd
50.000
India Glycols. Ltd
70.000
Dalam penentuan kapasitas pabrik, salah satu persyaratan yang digunakan adalah kapasitas minimum pabrik yang sudah berdiri di Indonesia. Pabrik FAE yang sudah berdiri di Indonesia adalah PT. Polychem di Cilegon dengan kapasitas 60.000 ton/tahun. Berdasarkan pertimbangan dari kapasitas pabrik yang sudah berdiri dan kebutuhan impor, maka kapasitas untuk prarancangan pabrik FAE yang akan didirikan adalah sebanyak 50.000 ton/tahun. 2
2. DESKRIPSI PROSES Dasar reaksi pembentukan FAE adalah reaksi etoksilasi, dengan reaksi sebagai berikut: Reaksi utama FAE (Serio dkk, 2005) : C12H25OH + 2 C2H4O
katalis
C12H25O(C2H4O)2H
(1)
Reaksi samping (Kosswig dkk, 2012) : H2O + 2 C2H4O
(HOCH2CH2)2O
(2)
Proses ini berjalan dalam reaktor gelembung yang berlangsung pada fase cair-gas, dengan kondisi eksotermis pada suhu 180 °C dan tekanan 2 atm menggunakan katalis KOH. 2.1 Tinjauan Termodinamika Perhitungan tinjauan termodinamikanya adalah sebagai berikut: Data panas pembentukan pada 298 K (Yaws, 1999) : ΔHof C12H26O
: -442,83 kJ/mol
ΔHof C2H4O
: -52,63 kJ/mol
ΔHof C12H25O(C2H4O)2H
: -760,84 kJ/mol
ΔH298 =ΣΔH°f produk – ΣΔH°f reaktan
(3)
= -760,84 kJ/mol – (-442,83 kJ/mol + 2(-52,63 kJ/mol)) = -212,75 kJ/mol Pada suhu operasi 180 °C = 453,15 K ΔH(T) = ΔH298 + ∫ Cpdt produk - ∫ Cpdt reaktan ΔH (T) = (-212,75 + 99,1326 – 100,6318) kJ/mol = -214,2491 kJ/mol Karena harga entalpinya negatif maka reaksi termasuk eksotermis sehingga sistem membebaskan energi. Perubahan energi Gibbs dapat dihitung dengan persamaan (Smith and VanNess, 1975): ∆𝐺298 = −𝑅 𝑇 ln 𝐾 dimana : ΔG298 : Energi bebas Gibbs standar reaksi pada 298K (kJ/mol) R
: Konstanta gas (R = 8,314.10-3 kJ/mol.K)
T
: Temperatur (K)
Data energi Gibbs pada 298°K (Yaws, 1999) : ΔGof C12H26O
: -87,07 kJ/mol
ΔGof C2H4O
: -13,10 kJ/mol
ΔGof C12H25O(C2H4O)2H
: -245,7 kJ/mol
3
(4)
ΔG298
= ΣΔG°f produk – ΣΔG°f reaktan
(5)
= -245,7 – (-87,07+(2×(-13,10))) = -132,43 kJ/mol ΔG298
= - R T ln K
-132,43 kJ/mol
= -8,314 x 10-3 kJ/mol × 298 K × ln K
-132,43 kJ/mol
= -2,4776 kJ/mol × ln K
ln K
= 53,4246
K
= 1,5923 x 1023, pada 298 K
Dari persamaan (Smith and VanNess, 1975) : Ln (K/K1) = (ΔH298/R) x (1/T – 1/T1)
(6)
dimana: K1
: Konstata kesetimbangan pada temperatur tertentu
T1
: Temperatur tertentu
ΔH(T) : Panas reaksi pada 453,15 K = -214,2491 kJ/mol Pada suhu T1 = 180 °C = 453.15 K besarnya konstanta kesetimbangan dapat dihitung sesuai dengan persamaan 6 sebagai berikut: = (ΔH(T) / R) x (1/T – 1/T1)
Ln (K/K1)
Ln (1,5923x1023/ K1) = -(-214,2491 / 8,314.10-3) x (1/298,15 – 1/453,15) Ln (1,5923x1023/ K1 ) = 29,5641 (1,5923x1023/ K1)
= 6,9104 x 1012
K1
= 2,3042x1010 pada 453,15 K
Reaksi pembentukan FAE berlangsung searah atau irreversible karena harga konstanta kesetimbangan (K) yang besar. 2.2 Tinjauan Kinetika Reaksi yang terjadi di
dalam
reaktor
adalah
reaksi
pembentukan
FAE
(C12H25(CH2CH2O)2OH). Etilen oksida masuk ke dalam reaktor dan bereaksi dengan chain starter. Reaksi berlangsung pada temperatur 180°C pada awal reaksi. Perhitungan kinetika reaksinya adalah (Serio dkk, 1995) : −𝐸𝑎
k = A exp ( 𝑅𝑇 ) = 0,1828 dm3/mol detik
4
3. SPESIFIKASI ALAT 3.1 Reaktor Kode
: R-101
Fungsi
: Mereaksikan fatty alcohol dengan etilen oksida untuk menghasilkan produk utama berupa fatty alcohol ethoxylate dan produk samping berupa diethylene
glycol
dengan
bantuan
katalis
potassium hidroksida yang dilarutkan dalam air Tipe
: Reaktor Gelembung
Jumlah
: 1 buah
Volume
: 4,6036 m3
Kondisi Operasi
: T = 180 °C P = 2 atm
Material
: Stainless Steel 304
Diameter
: 1,480 m
Tebal head
: 3/16 in
Tebal shell
: 3/16 in
Tinggi head
: 0,3115 m
Tinggi total
: 1,962 m
Lubang gas masuk (Orifice)
Diameter
: 3 mm
Jumlah
: 52166,9585 buah
Pendingin
Tipe
: Koil dan Jaket
Susunan Koil
: Helix
Bahan Pendingin
: Air
Jumlah lilitan
: 12 lilitan
IPS
: 2 ½ in
Diameter Luar
: 2.88 in
SN
: 40
Diameter dalam
: 2.469 in
Diameter helix
: 1.4056 m
Jarak antar lilitan
: 0.0732 m
5
Diameter luar jaket
: 2,431 m
Tebal Jaket
: 3/18 in
3.2 Mixer Kode Fungsi
: M-101 : Mencampur fatty alcohol dengan katalis potassium hidroksida
Tipe
: Tangki berpengaduk, silinder tegak dengan torispherical head
Jumlah
: 1 buah
Material
: Low Alloy Steel SA 204 Grade C
Volume
: 5,4376 m3
Diameter
: 1,7586 m
Tinggi shell
: 1,7586 m
Tebal shell
: 0,25 in
Tebal head
: 0,25 in
Tinggi head
: 0,3643 m
Tinggi total
: 2,4873 m
Pengaduk
Jenis Pengaduk
: Turbin 6 blade disk standard
Diameter
: 0,5862 m
Kecepatan
: 150 rpm
Daya
: 10 Hp
Pemanas
Tipe
: Jaket
Diameter
: 2,7136 m
Tebal Jaket
: 3/16 in
4. UNIT PENDUKUNG PROSES DAN LABORATORIUM Utilitas pendukung proses meliputi unit penyediaan air sebesar 141,075 m3/jam, unit penyedia bahan bakar solar sebesar 488,6 kg/jam, unit pembangkit listrik membutuhkan daya sebesar 344,6 kWh yang diperoleh dari PLN.
6
5. MANAJEMEN PERUSAHAAN Bentuk Perusahaan yang akan digunakan pada Prarancangan Pabrik FAE ini adalah Perseroan Terbatas (PT). Perseroan Terbatas adalah bentuk perusahaan yang modalnya didapat dari penjualan saham, yang berarti dalam tiap kelompok dapat ikut mengambil bagian sebanyak satu saham atau lebih. Alasan pemilihan bentuk perusahaan Perseroan Terbatas (PT) adalah: 1.
Saham didapatkan dengan mudah yaitu dengan cara menjualnya di pasar modal atau dengan melakukan pinjaman dari pihak yang berkepentingan, seperti badan usaha atau perseorangan.
2.
Pemegang saham memiliki tanggung jawab yang terbatas, sehingga kelancaran produksi hanya dipegang oleh pimpinan perusahaan.
3.
Para pemegang saham dapat memilih orang yang ahli sebagai dewan komisaris dan direktur utama yang berpengalaman.
6. ANALISA EKONOMI Pada prarancangan pabrik FAE ini akan dilakukan analisa ekonomi agar dapat memperkirakan kelayakan investasi, besarnya laba yang diperoleh, lamanya modal investasi dapat dikembalikan dan kapan terjadinya titik impas. Titik impas adalah dimana total biaya produksi sama dengan keuntungan yang diperoleh. Analisa ekonomi juga bertujuan untuk mengetahui apakah pabrik yang didirikan dapat menguntungkan atau tidak.
100
Ra
75
Sa
50 V a
BEP
25
SDP
Dollar/ tahun ( x 106
125
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 Fa
Kapasitas Produksi per tahun (%)
Gambar 1. Grafik Analisa Ekonomi Dari hasil analisa ekonomi, maka dapat diambil kesimpulan bahwa pabrik FAE melalui proses etoksilasi dengan kapasitas 50.000 ton/tahun ini layak didirikan.
7
7.
KESIMPULAN
Hasil analisa kelayakan ekonomi adalah sebagai berikut : a. Modal tetap yang dibutuhkan sebesar Rp. 760.406.850.974 b. Modal kerja yang dibutuhkan sebesar Rp. 131.019.863.192 c. Keuntungan sebelum pajak sebesar Rp. 323.005.900.175 dan sesudah pajak sebesar Rp. 242.254.425.131 d. Percent Return on Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 42,37% dan sesudah pajak 31,78%. ROI untuk pabrik beresiko rendah sebelum pajak minimal 11% (Aries and Newton, 1955). e. Pay Out Time (POT) sebelum pajak 1,91 tahun dan sesudah pajak 2,39 tahun. POT pabrik sebelum pajak maksimal 5 tahun (Aries and Newton: 1955). f. Break Event Point (BEP) sebesar 40,97% dan Shut Down Point (SDP) sebesar 20,08%. g. Discounted Cash Flow atau DCF sebesar 39,51% sedangkan suku bunga pinjaman di bank sekitar 10% per tahun.
DAFTAR PUSTAKA Aries, R.S., Newton, R.D., 1955, Chemical Engineering Cost Estimation, McGraw-Hill Book Company, New York. Brown, G.G. dkk, 1950, Unit Operations. John Wiley & Sons, Inc, New York. Brownell, L.E., Young E.H., 1959, Process Equipment Design. John Wiley & Sons, Inc, New York. Chiu, Y.N., Naser, J., Ngian, K.F., Pratt, K.C., 2009, Computation of The Flow and Reactive Mixing in Dual-Rushton Ethoxylation Reactor, Chemical Engineering and Processing, 48 : 977-987. Froment, G.F., Bischoff, K.B., Wilde, J.D., 2011, Chemical Reactor Analysis and Design, John Wiley & Sons, Inc., New York. Kern, D.Q., 1950, Process Heat Transfer, McGraw-Hill Book Company Inc, New York. Kirk, R.E., Othmer, V.R., 1999, Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons Inc., New York. Kosswig, K., Huls, A., Marl, 2012, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley and Sons Inc., Jerman. Kusmiyati, 2014, Kinetika Reaksi Kimia dan Reaktor, Graha Ilmu, Yogyakarta. Ludwig, E.E., 1997, Process Design for Chemical and Petrochemical Plants, 2th ed, Gulf Publishing Company, Amerika. 8
Perry, R.H., Green, D., 1999, Perry’s Chemical Engineer’s Handbook, 7th ed, McGraw-Hill Book Company, New York. Peters, M.S., Timmerhaus, K.D., West, R.E., 1991, Plant Design and Economics for Chemical Engineers, 4th ed, McGraw-Hill Inc, New York. Richardson, J.F., Peacock, D.G., 1994, Chemical Engineering, 3rd ed, Elsevier Ltd, London. Santacesaria, E., Serio, M.D., Garaffa, R., Addino, G., 1992, Kinetics and Mechanisms of Fatty Alcohol Polyethoxylation. 1. The Reaction Catalyzed by Pottasium Hydroxide, Ind. Eng, Chem. Res., 31(11) : 2413-2418. Serio, M.D., Tesser, R., Felippone F., Santacesaria E., 1995, Ethylene Oxide Solubility and Ethoxylation Kinetic in The Synthesis of Nonionic Surfactant, Ind. Eng. Chem. Res, 34(11) : 4092-4098. Serio, M.D., Tesser, R., Santacesaria, E., 2005, Comparison of Different Reactor Type Used in The Manufacture of Ethoxylated, Propoxylated Products, Ind. Eng. Chem. Res, 44(25) : 9482-9289. Smith, J.M and Van Ness, H.C., 1987, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 4th ed, McGraw-Hill Book Company, New York. Treybal, R.E., 1981, Mass-Transfer Operations, 3th ed, McGraw-Hill Companies Inc., New York. Ulrich, G.D., 1954, A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics, John Willey & Sons, Kanada. Yaws, C.L., 1999, Chemical Properties Handbook, McGraw-Hill Companies Inc, USA. US Patents : 2.586.767 US Patents : 3.359.331 http://www.polychemindo.com/polyester-chemical/32/3/1 Diakses pada tanggal 3 Juni 2015 www.alibaba.com Diakses pada tanggal 15 September 2016 http://search.molinstincts.com/properties/constantProperty.ce?0001-mii3 tanggal 5 Juni 2016
Diakses
https://www.bps.go.id/all_newtemplate.php Diakses pada tanggal 3 Juni 2015 http://www.ecogreenoleo.com/products.html Diakses pada tanggal 15 September 2016
9
pada
