Gambar 2.5 Reaksi Esterifikasi Asam Terephthalic dengan Metanol
AT yang berbentuk kristal harus disublimasi terlebih dahulu dengan uap metanol untuk mempurifikasi AT dari zat-zat impurities yang volatilitasnya lebih
rendah serta logam-logam yang tidak tersublimasi. Excess metanol yang digunakan harus sangat berlebihan untuk menyublimasi AT. AT dan metanol dalam fase gas ini
kemudian diesterifikasi di fixed bed reaktor yang berisikan katalis alumina aktif. Reaksi berlangsung sangat cepat pada suhu 300-330
o
C dengan konversi reaktor bisa mencapai 96-99 dan reaksi samping yang sangat sedikit. Suhu reaktor terbatas
pada maksimal 330
o
C karena di atas suhu 330
o
C akan terjadi minor disintegration, reaksi samping akan banyak, dan problem teknik akan muncul. US Patent
3,972,912 AT yang tidak teresterifikasi bisa didesublimasi dan direcycle kembali ke
reaktor. DMT beserta produk lainnya kemudian diembunkan dan dipisahkan dari metanol dengan kristalisasi. US. Patent 3,377,376
2.5 Seleksi Proses
Dengan mempertimbangkan kelebihan dan kekurangan dari ketiga proses di atas, maka dalam pra rancangan pabrik ini, proses yang digunakan adalah proses
yang ketiga, yaitu Esterifikasi AT dan metanol dalam fase gas dengan menggunakan katalis alumina aktif pada reaktor fixed bed. Pemilihan ini didasarkan pada kelebihan
proses ini, jika dibandingkan dengan kedua proses lainnya, yaitu: 1. Biaya bahan baku murah.
2. Pengoperasian mudah karena menggunakan proses yang sederhana 3. Proses tanpa oksidasi cenderung lebih ramah lingkungan.
4. Secara komersial dan ekonomis dapat bersaing dengan proses lain.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2.6 Deskripsi Proses
Dimethyl Terephthalate DMT diproduksi secara kontinu dengan proses esterifikasi Asam Terephthalic AT dengan metanol dalam fase gas. Karena
kebutuhan proses untuk reaksi dalam fase gas maka AT yang berbentuk padatan kristal harus disublimasi terlebih dahulu dengan uap metanol panas. Kebutuhan
panas untuk mensublimasi dan menaikkan suhu uap AT disuplai oleh sensible heat dari uap metanol yang juga berfungsi sebagai reaktan. Proses sublimasi juga
bertujuan untuk mempurifikasi AT dari zat-zat impurities yang volatilitasnya lebih rendah dan logam-logam yang tidak tersublimasi.
Fresh metanol 99,4 massa yang berasal dari tangki penyimpan dinaikkan tekanannya hingga 1,7 atm dan divaporisasi di forced circulation
vaporizer . Uap metanol ini P = 1,7 atm, T = 79
o
C kemudian dicampur dengan uap metanol hasil recycle dari menara distilasi 99,4 massa . Uap metanol hasil
recycle dari menara destilasi T = 64,86
o
C ini terlebih dahulu dinaikkan tekanannya hingga 1,7 atm T = 97,81
o
C dengan menggunakan blower. Campuran uap metanol kemudian dinaikkan suhunya hingga menjadi 385
o
C di Furnace. Excess metanol, tekanan operasi, dan suhu merupakan variabel yang penting
pada proses sublimasi AT. Titik sublimasi normal AT berkisar pada 404
o
C, tetapi AT mulai menyublim pada suhu sekitar 300
o
C. Semakin tinggi suhu uap metanol maka semakin mudah AT untuk menyublim. Suhu metanol sebagai penyublim sangat
terbatas pada suhu reaksi maksimum yang diperbolehkan dalam reaktor. Menurut US Patent 3,972,912 , suhu reaksi maksimal adalah 330
o
C, diatas suhu 330
o
C akan terjadi minor disintegration, reaksi samping akan banyak, dan problem teknik akan
muncul. Suhu metanol yang masuk ke sublimator adalah 385
o
C. Suhu ini dipertimbangkan agar sensible heat dari metanol cukup untuk menyublimasi Fresh
AT dan AT hasil recycle. Suhu ini juga dipertimbangkan agar uap campuran masuk ke reaktor tidak melebihi suhu 324
o
C. Sublimator hanya berupa pipa-pipa dengan U-turn. Pada sublimator , pipa-
pipa didesain sedemikian rupa agar menciptakan kondisi dusting. Karena kondisi dusting ini maka waktu tinggal padatan AT dan metanol pada sublimator hampir
sama sehingga perbandingan AT dan metanol masuk ke reaktor akan sama setiap saat. Ukuran asam Terephthalic yang diproduksi biasanya berkisar 5-300
m
.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Persentase Asam Terephthalic dengan distribusi 30-150
m
paling banyak dihasilkan. AT dengan average diameter 20-30
m
membutuhkan waktu 1 s untuk mengalami sublimasi dengan sempurna dan AT dengan average diameter 100
m
membutuhkan waktu 1-3 s untuk mengalami sublimasi dengan sempurna. Waktu
yang diperlukan akan lebih banyak untuk AT dengan average diameter 300
m
yaitu 5-6 s. Kecepatan gas yang aman agar gas mampu membawa AT dengan baik
dan agar tidak terjadi caking adalah 7-8 ms. US Patent 3,972,912 . Tekanan uap metanol yang dipakai adalah sekitar 1,7 atm. Tekanan yang
sedikit lebih dari tekanan atmosferis ini bertujuan agar gas lebih mudah mengalir dan untuk mengatasi pressure drop. Kondisi tekanan proses yang di atas atmosferis akan
lebih menguntungkan secara teknis dibandingkan kondisi di bawah atmosferis. Tekanan yang didesain tidak boleh tinggi karena tekanan yang tinggi pada suhu tetap
akan menyebabkan fraksi mol jenuh AT di campuran gas akan menurun. Fraksi mol jenuh AT di campuran gas didekati dengan = PA
o
P. Dengan menurunnya fraksi mol jenuh AT di campuran gas maka excess metanol yang dibutuhkan akan lebih
banyak untuk mengencerkan campuran gas agar fraksi mol AT tetap dibawah fraksi mol jenuhnya. Kenaikan excess metanol akan menyebabkan beban panas dalam
pabrik bertambah, akibatnya biaya pabrik akan bertambah . Fraksi mol jenuh AT pada campuran gas hasil sublimator berkisar 2,4 .
Sublimator didesain agar kandungan AT pada campuran gas berkisar 90 dari kadar kejenuhannya. Dengan menggunakan jumlah metanol 9 kali dari berat fresh AT
perbandingan saat masuk ke reaktor diperoleh fraksi mol uap AT pada campuran gas keluar dari sublimator hasil desain berkisar 2,15 yaitu hanya 90 dari harga
fraksi mol jenuhnya. Zat-zat impurities yang volatilitasnya lebih rendah serta logam-logam yang
tidak tersublimasi ini kemudian dipisahkan dari campuran gas melalui 4 buah cyclones. Reaksi esterifikasi dari campuran gas ini kemudian berlangsung secara
adiabatis di 2 buah reaktor fixed bed reaktor secara paralel yang berisikan katalis Alumina A + 1 KOH . Suhu inlet gas reaktor berkisar 324
o
C . Reaksi esterifikasi berlangsung secara eksotermis dan adiabatis sehingga outlet gas reaktor berkisar 330
o
C. Suhu produk keluar gas tidak melebihi suhu 330
o
C walaupun reaksinya
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
eksotermis. Hal ini disebabkan karena excess metanol yang sangat berlebihan , sehingga panas sensible yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu gas juga besar.
Reaksi berlangsung sangat cepat pada suhu 324-330
o
C dengan konversi reaktor bisa mencapai 96 . Reaksi samping berupa pembentukan monomethyl
Terephthalate MMT sangat kecil dan bisa diabaikan. AT yang tidak teresterifikasi dapat direcycle kembali dengan cara didesublimasi didesublimator pada suhu 220
o
C. Untuk mengurangi beban panas pada desublimator maka produk gas keluar reaktor
sebelum masuk ke desublimator terlebih dahulu didinginkan dengan heat exchanger hingga 270
o
C. Titik dew point desublimasi produk gas berkisar pada 260
o
C. Hasil desublimasi dari desublimator berupa padatan yang sedikit basah dengan kandungan
AT sebesar 84 massa dan diangkut dengan belt conveyor untuk direcycle dan ditampung pada Bin.
Selanjutnya produk gas yang keluar dari desublimator diembunkan sebagian di condenser. Suhu operasi condenser didesain pada 72
o
C dengan tekanan atmosferis. Suhu ini dipertimbangkan agar DMT dan AT yang ada di fase gas
mengembun semuanya sehingga sisa gas yang tidak mengembun sudah bebas dari DMT dan AT. Sisa gas hanya berupa uap metanol dan air yang kemudian
dipurifikasi di menara distilasi. Suhu 72
o
C juga didesain agar slurry hasil pengembunan mengandung kadar padatan 40 tidak lebih dari 50 karena alasan
teknis pemompaan. Slurry hasil kondensasi di condensor kemudian disempurnakan proses
kristalisasinya di crystalyzer. crystalyzer akan mendinginkan slurry sampai suhu 10
o
C. Cooling operation dipakai pada crystalyzer karena kelarutan DMT Dimethyl Terephthalate dan AT Asam Terephthalic dalam metanol yang cukup sensitif
terhadap perubahan suhu . crystalyzer digunakan untuk menyempurnakan kristalisasi DMT yang berasal dari condenser. Slurry yang berasal dari condenser mengandung
AT yang tidak habis bereaksi dengan kadar yang sangat kecil. Jika vaporizing operation digunakan, suhu proses kristalisasi akan tinggi sehingga AT tidak akan
pernah terkristal masih larut dalam metanol . AT ini akan terakumulasi terus dan tidak tersaring oleh centrifugal filtration, akibatnya harus dilakukan purging. Purging
secara ekonomis akan merugikan karena campuran dengan kadar AT yang cukup
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
kecil dan dengan kadar DMT yang besar harus dibuang serta akan dibutuhkan unit pengolahan khusus untuk limbah tersebut.
Slurry hasil pendinginan di crystalyzer kemudian difiltrasi dengan centrifugal filtration. Centrifugal filtration tidak dilengkapi dengan proses washing. Dengan
tidak dilakukan proses washing maka padatan hasil filtrasi hanya dibasahi oleh metanol dengan sedikit air. Metanol memiliki tekanan uap yang lebih besar
dibandingkan dengan air sehingga akan lebih mudah diuapkan dibandingkan air. Beban rotary dryer untuk mengeringkan padatan dari cairan metanol akan lebih
ringan dibandingkan untuk mengeringkan padatan dari air. Selain itu dengan tidak adanya proses washing maka pencegahan terhadap timbulnya limbah washing bisa
dicegah dan tidak akan membutuhkan unit pengolahan khusus untuk limbah tersebut. Padatan hasil filtrasi dengan kadar cairan 10 massa cairanmassa total
dikeringkan lebih lanjut di rotary dryer. Udara pengering masuk pada suhu 415 K dan keluar pada suhu 319 K. Kadar cairan kesetimbangan sangat tergantung pada
sifat padatan. Untuk padatan yang non porous dan non hygroscopic, kadar cairan kesetimbangan bisa mendekati nol pada suhu dan tekanan tertentu. Sehingga DMT
dalam bentuk kristal diperkirakan bisa mencapai kadar cairan kesetimbangan yang sangat kecil. Produk padatan keluar dari rotary dryer dengan kadar 0,05 kg
cairan kg padatan kering . Udara pengering yang keluar dari rotary dryer masih mengandung metanol dengan kadar 5,2306 dan selanjutnya metanol pada udara
pengering diembunkan sebagian di condenser kedua. Pengembunan di condenser kedua berlangsung pada suhu -5
o
C dan membutuhkan pendingin brine dari sistem refrigerasi. Walaupun pengembunan dan pengambilan kembali metanol dari udara
pengering tidak begitu ekonomis akan tetapi bisa mencegah timbulnya polusi udara yang berlebihan dari metanol. Hasil embunan ini kemudian dipurifikasi di menara
destilasi. Menara destilasi bertujuan untuk merecycle sisa metanol yang tidak bereaksi
dengan memperoleh hasil metanol dengan kemurnian 99,4 massa pada sisi enriching dan membuang air hasil reaksi esterifikasi pada sisi stripping. Hasil atas
berupa uap metanol dengan kemurnian 99,4 massa dan hasil bawah berupa cairan metanol dengan kadar 1 massa . Hasil atas berupa uap metanol yang
kemudian dinaikkan tekanannya hingga 1,7 atm di Blower dan direcycle kembali
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
untuk bercampur dengan uap fresh metanol dari force circulation vaporizer. Hasil bawah kemudian dioleh ke unit pengolahan limbah.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Pengolahan Limbah
TC
TC
TC
R -01 DE-01
CN-02
RD-01 CF-01
CR-01
RE-01 B-04
TS-01 P-02
P-01 P-03
P-04
P-05 P-06
P-07 P-08
P-09 P-10
BC-02 BC-
01 BE-02
BC-02
BC-03 BC-04
FU-01
F-02
SB-01
BL-01 TC
CN-03
TC TC
F-03
PC CN-01
TC PC
PC
gas hasil pembakaran
furnace Steam
dari utilitas
B-03
BE-03 F-01
VP-03 HE-02
FR LC
LC LC
LC Utilitas
LC Atmosfer
PC FC
RC PC
LI
MD-01
23 12
5 4
13 11
1
TP-01
TP-01
FC FC
BE-01
Utilitas
Utilitas Utilitas
Utilitas Utilitas
B-02
1 2
3 4
6 7
12 13
10
41 33
34 31
28 26
25 23
21 20
16 15
14
B-01
HE-01
CD-03
29 11
38 9
19 CD-01
TS-02
TS-03
TS-04 TS-05
HE-03 PC
LC 24
5 17
18
27
30 32
37 35
39 40
TC CD-02
TC TC
36 TC
FC FC
FC 8
42 43
Asam Tereftalat
Metanol Udara Pembakaran
Cooling Water Steam
Udara Pengering Brine
Fuel Oil
22 F-04
34 35
36 37
38
- -
- -
- 368,3902 110940,5626 110940,5626 55470,2813 55470,2813
18,9429 669,6613
669,6613 334,8307
334,8307 -
- -
- -
- -
- -
- 15825,6000
- -
- -
16212,9331 111610,2240 111610,2240 55805,1120 55805,1120 -5
65 64,86
64,86 64,86
1 1
1 1
1 1298
56721 39432
19716 19716
28 29
30 31
32 33
- 19,3919
19,3919 -
- -
- 3,5144
778,0732 774,5587
774,5587 406,1685 47,4768
0,2750 108,3489
108,0739 108,0739 89,1310
- 7555,6095 7555,6095
- -
- -
- -
- -
- 15825,6000
- -
15825,6000 15825,6000 -
15873,077 7578,7908 24287,0236 16708,2327 16708,2327 495,2995 150
30 50
50 -5
-5 1
1 1
1 1
1 331
73,7 420,1
1751 1298
39 40
41 42
43
- -
- -
- 61,0724
46,4497 14,6228 58350,3389 58350,3389
26744,7312 25297,0703 1447,6609 352,2153
352,2153 -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
26805,8037 25343,5200 1462,2837 58702,5542 58702,5542 98,6
99,3 99,3
158,08 225,0868
1 1
1 1,7
1,65 2517
18812 159
24236 26206
SIMBOL KETERANGAN
B Bin
BC Belt Conveyor
BE Bucket Elevator
BL Blower
CD Condenser
CF Centrifugal Filtration
CN Cyclones
CR Crystalyzer
DE Desublimator
F Fan
FU Furnace
HE Heat Exchanger
MD Menara Distilasi
P Pompa
R Reaktor
RE Reboiler
RD Rotary Dryer
SB Sublimator
TA Tangki Akumulator
TP Tangki Penyimpan
TS Tangki Separator Vapour-Liquid
VP Vaporizer
LC Level Controller
L I Level Indicator
PC Pressure Controller
TC Temperature Controller
FC Flow Controller
FR Flow Recorder
RC Ratio Controller
Nomor Alur Butterfly Valve
Stream Splitting Valve Alur Proses
Alur Utilitas Alur Pengendali
Nomor Alur 16
17 18
19 20
21
269,3374 269,3374
19,3919 19,3919
- 19,3919
55857,8695 55857,8695 55856,8088 55856,8088 45347,4508 10509,3580 1754,3177 1754,3177 1754,2328 1754,2328
938,0156 816,2171
7602,3084 7602,3084 7555,6095 7555,6095 -
7555,6095 -
- -
- -
- -
- -
- -
- 65483,8330 65483,8330 65186,0428 65186,0428 46285,4664 18900,5765
270 220
220 72
72 72
1,06 1
1 1
1 1
28624 27029
27003 27003
16735 821,9
22 23
24 25
26 27
23,0636 3,6707
3,6707 19,3918 3,6707
- 10537,681 9759,6089 9759,6089 778,0732 28,3241 9731,2849
824,4093 763,5372
763,5372 60,8721 8,1922
755,3450 7582,6622
27,0528 27,0528 7555,6095 27,0528
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- 18967,8163 10553,8697 10553,8697 8413,9466 67,2398 10486,6298
10 10
30 30
75 75
1 1
1 1
1 1
114,1 78,44
4011 89
3,3 4008
12 13
14 15
6733,4340 -
6733,4340 269,3374
58351,3996 -
58351,3996 55857,8695 352,3004
- 352,3004 1754,3177
46,6989 -
46,6989 7602,3084 98,7333 98,7333
- -
- -
- -
65582,5663 98,7333 65483,833 65483,833 324
324 324
330 1,6
1 1,5
1,2 31261
31261 30585
3 4
5 6
7
- -
- -
- 720,0762 3600,3810 3600,3810 2880,3048 55470,0342
4,3465 21,7326
21,7326 17,3861
334,8292 -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
724,4227 3622,1136 3622,1136 2897,6909 55804,8634 79
35,8 79
79 97,81
1,7 1,7
1,7 1,7
1,7 40,1625
91,001 1300,68 1040,5456 20480,665
Neraca Massa kgjam Komponen Kg
1 2
Asam tereftalat -
-
Metanol 2880,3048 2880,3048
H20 17,3861
17,3861
Dimetil Tereftalat -
-
Impurities -
-
udara pengering -
-
Total 2897,6909 2897,6909
Temperature
o
C 30
30
Tekanan ATM 1
1,7
Q kW 50,8386
50,8386
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
BAB III HASIL PERHITUNGAN NERACA MASSA
3.1 Sublimator SB-01
Tabel 3.1 Neraca Massa pada Sublimator SB-01 Komponen
Masuk kgjam Keluar kgjam
Alur 9 Alur 10
Alur 11 Alur 12
Asam Tereftalat 6483,4888
249,9455 6733,4340
Metanol 58350,3389
1,0607 58351,3996
Air 352,2153
0,0851 352,3004
Dimetil Tereftalat 46,6989
46,6990 Impuritis
98,7333 98,7333
subtotal 58702,5542
6582,2221 297,7901
65582,5663 total
65582,5663 65582,5663
3.2 Cyclone CN-01
Tabel 3.2 Neraca Massa pada Cyclone CN-01 Komponen
Masuk kgjam Keluar kgjam
Alur 12 Alur 13
Alur 14 Asam Tereftalat
6733,4340 6733,4340
Metanol 58351,3996
58351,3996 Air
352,3004 352,3004
Dimetil Tereftalat 46,6990
46,6990 Impuritis
98,7333 98,7333
subtotal 65582,5663
98,73333 65483,833
total 65582,5663
65582,5663 3.3
Reaktor R-01
Tabel 3.3 Neraca Massa pada Reaktor R-01 Komponen
Masuk kgjam Keluar kgjam
Alur 14 Alur 15
Asam Tereftalat 6733,4340
269,3374 Metanol
58351,3996 55857,8695
Air 352,3004
1754,3177 Dimetil Tereftalat
46,6990 7602,3084
total 65483,833
65483,833
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA