NASKAH PUBLIKASI PRARANCANGAN PABRIK BUTINEDIOL DARI ASETILEN DAN FORMALDEHID Prarancangan Pabrik Butinediol Dari Asetilen Dan Formaldehid Kapasitas 55.000 Ton Per Tahun.
NASKAH PUBLIKASI PRARANCANGAN
PABRIK BUTINEDIOL DARI ASETILEN DAN FORMALDEHID
KAPASITAS 55.000 TON PER TAHUN
Oleh:
Wahyu Aditiya Arif
D 500 060 013
Dosen Pembimbing:
Muhammad Mujiburohman, S.T., M.T., Ph.D.
Ir. H. Haryanto Ar., M.S.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
SURAKARTA
2013
ABSTRAK
Wahyu Aditiya Arif, Haryanto, M. Mujiburohman, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas
Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Butynediol merupakan bahan yang cukup penting dalam sintesis bahan-bahan organik,
seperti butanediol, tetrahydrofuran, dan pyrolidone. Pabrik butynediol dari acetylene dan
formaldehyde dirancang dengan kapasitas 55.000 ton/tahun. Pabrik beroperasi kontinyu selama
330 hari per tahun. Proses pembuatan butynediol dijalankan dalam reaktor fixed bed single tube,
o
irreversible, dengan kondisi operasi berlangsung pada range suhu 100-130 C dan tekanan 2 atm.
Hasil dari reaktor dipisahkan dalam separator, hasil atas separator berupa gas bereaksi dengan
udara menjadi flare dan hasil bawah berupa cairan diumpankan ke menara distilasi. Dari hasil
bawah menara distilasi diperoleh produk butynediol dengan kemurnian yang diinginkan di
pasaran (45%). Hasil atas menara distilasi dipisahkan kembali dengan menggunakan coller untuk
memperoleh produk samping berupa metanol dengan kemurnian sebesar 99%. Pabrik
direncanakan didirikan di Kawasan Industri Gresik (KIG), Jawa Timur dengan luas tanah 1,2 Ha.
Bentuk Perseroan Terbatas dan jumlah karyawan sebanyak 150 orang. Dari analisis ekonomi,
pabrik butynediol ini membutuhkan modal terdiri dari modal tetap dan modal kerja sebesar Rp
104.401.542.770,20. Keuntungan sebelum pajak sebesar Rp 41.389.710.474,34 /th. Keuntungan
sesudah pajak sebesar Rp 16.555.884.189,74 /th. Analisis kelayakan ini memberikan hasil
bahwa Percent Return On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 39,6447% dan setelah pajak
sebesar 15,8679%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 2,0143 tahun sedangkan setelah
pajak sebesar 3,8697 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 44,0718% kapasitas, dan Shut
Down Point (SDP) sebesar 26,1336% kapasitas. Discounted Cash Flow Rate of Return (DCFRR)
sebesar 36,5813%. Berdasarkan data–data di atas maka pabrik butynediol dari acetylene dan
formaldehyde cukup layak untuk didirikan.
Kata Kunci
: Prarancangan Pabrik, Butinediol, Fixed Bed Single Tube
A. Pendahuluan
Sejalan dengan berkembangnya industri di Indonesia, semakin banyak
diversifikasi usaha telah dilakukan. Banyak bahan mentah atau setengah jadi diolah
menjadi produk intermediate atau produk jadi, sehingga mengurangi ketergantungan kita
pada produk impor.
Pertumbuhan industri kimia di Indonesia patut dibanggakan. Tentu saja banyak
alasan mengapa pemerintah begitu bersemangat untuk mengembangkan industri tersebut.
Bukan hanya karena jumlah bahan baku yang cukup memadai di tanah air maupun
wilayah pemasaran yang luas melainkan juga karena prospek dan kelanjutan industri
kimia di Indonesia cukup cerah.
Salah satu industri yang mempunyai kegunaan penting dan mempunyai prospek
yang bagus adalah industri butynediol. Pertimbangan utama yang melatarbelakangi
berdirinya pabrik butynediol ini, pada prinsipnya adalah sama dengan sektor-sektor lain
yaitu untuk melakukan usaha yang secara sosial ekonomi cukup menguntungkan. Karena
sifatnya yang prospektif di masa yang akan datang, dalam pengertian potensi pasar,
mudah diperoleh bahan baku, yakni acetylene dan formaldehyde, teknologi yang
dibutuhkan dapat terpenuhi, dan terdapatnya tenaga pelaksana, maka keuntungan dapat
dicapai dengan adanya pendirian pabrik butynediol. Sifat prospektif ini akan terlaksana
dengan kemampuan modal yang memadai.
Paper ini menampilkan analisis prarancangan pabrik butynediol dari acetylene dan
formaldehyde mulai dari perancangan kapasitas, pemilihan proses, dan alat, serta analisis
ekonomi.
B. Perancangan Kapasitas
Dalam pemilihan kapasitas pabrik butynediol ada beberapa pertimbanganpertimbangan, yaitu:
a. Prediksi Kebutuhan Dalam Negeri
Kapasitas pabrik butynediol ditentukan berdasarkan kebutuhan impor
butynediol dalam negeri yang berasal dari negara-negara lain. Kebutuhan butynediol
di Indonesia terus meningkat dari tahun ke tahun. Hal ini dapat dilihat pada tabel
dibawah ini:
Tabel 1. Kebutuhan butynediol di Indonesia
No
Tahun
Kebutuhan Impor (ton/tahun)
1
2005
4.433.356
2
2006
11.692.243
3
2008
18.529.922
4
2009
240.170.898
5
2010
293.314.041
Sumber : Badan Pusat Statistik 2005-2010
Kebutuhan
Chart Title
35000000
y = 6E+07x ‐ 1E+11
30000000
R² = 0.755
25000000
20000000
15000000
Series1
10000000
Linear (Series1)
50000000
0
‐50000002005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
‐1E+08
Tahun Ke
Gambar 1. Grafik Tahun Versus Kebutuhan butynediol
Dari hasil regresi linear diperoleh perkiraan kebutuhan butynediol
pada tahun 2015 (tahun ke 10):
y = 6E+07x2 - 1E+11
= 6E+07(10)2 – 1E+11
= 5.623,8478 ton
…….…………………………......(1)
Impor butynediol dari tahun 2015 ke tahun – tahun berikutnya mengalami
kenaikan rata-rata sebesar 59,8235%. Berdasarkan data diatas dapat diperkirakan
kebutuhan impor butynediol pada tahun 2015 sebesar 5.623,8478 ton/tahun.
b. Ketersediaan Bahan Baku
Bahan baku formaldehyde dan acetylene telah banyak diproduksi di Indonesia.
Mengingat persediaan bahan baku yang memadai dan kebutuhan butynediol yang
besar, maka sangat prospektif bila mendirikan pabrik butynediol.
c. Kapasitas minimal
Dari pabrik yang sudah beroperasi dibeberapa negara dapat diketahui bahwa
kapasitas minimal perancangan lebih dari 1.000 ton/tahun, dengan kapasitas
maksimalnya sebesar 100.000 ton/tahun. Sampai saat ini sekitar 200.000 ton/tahun
butynediol diproduksi di Eropa. Salah satu pabrik yang sudah berdiri di Cina
memproduksi butynediol sebesar 60.000 ton/tahun.
Pabrik-pabrik kimia yang sudah berdiri di Indonesia yang berkapasitas antara
55.000 ton/tahun sampai 60.000 ton/tahun rata-rata mempunyai luas area pabrik
sebesar 105.000 m2.
Berdasarkan pertimbangan diatas maka dalam perancangan pabrik butynediol
yang akan didirikan pada tahun 2015 ditentukan kapasitas sebesar 55.000 ton/tahun.
Kapasitas ini ditetapkan dengan beberapa tujuan antara lain:
1.
Dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri,
2.
Dapat dieksport sehingga menghasilkan devisa bagi negara,
3.
Dapat merangsang berdirinya industri kimia lain yang menggunakan butynediol
sebagai bahan baku seperti industri butenediol, butanediol, dan tetrahydrofuran.
C. Penentuan Jenis Proses
Pada prinsipnya proses produksi butynediol secara komersial dilaksanakan dengan
cara ”ethynylation”, yaitu dengan mereaksikan acetylene dan formaldehyde dengan
katalisator CuC2.
( Kirk and Othmer, 1980 )
Secara stoikiometri pembentukan butynediol mengikuti persamaan:
C 2 H 2 + 2CH 2 O → HOCH
Acetylene formaldehyde
2
CCCH
2
OH
..................................(2)
butynediol
Proses ini disebut dengan proses Reppe.
Reaksi lain yang mungkin terjadi , yaitu :
C 2 H 2 + CH 2 O → C 3 H 4 O
Acetylene
.......................................................(3)
formaldehyde propargyl aslcohol
(Speight, 2002)
Reaksi ini dapat dilakukan di dalam reaktor fixed bed (memakai tumpukan katalis
padat), atau reaktor slurry. Reaksi berlangsung pada kondisi suhu 100-130°C dan tekanan
2 atmosfer.
(Ullman, 1988)
Diagram Alir Kualitatif Proses dan Material
C H 2O
H2O
CH3OH
C2H2
N2
H2
H2O
C H3O H
C H2O
C 2H 2
N2
H2
H 2O
C H 3O H
C H2O
V P -0 1
T = 76
P = 2 ,2
T -0 1
T = 3 5 °C
P = 1
R -0 1
T = 1 1 0 oC
P = 2 a tm
H2
N2
C2H 2
C2H 2
N2
H2
H2O
C 4 H 6O 2
C H3O H
C H 2O
H 2O
CH3OH
C 4 H 6O 2
T -0 3
T = 3 5 oC
P = 1 a tm
C 2H2
N2
H2
H 2O
CH3OH
C H2O
M D -0 1
T = 1 1 2,1 1 6 2 o C
P = 2 a tm
H 2O
C H 3O H
C 4H 6 O 2
T -0 2
T = 3 5 °C
P = 56
S p -01
T = 9 3 oC
P = 1 ,9 a tm
Gambar 1 Diagram Alir Kualitatif produksi Butynediol kapasitas 55.000 ton/tahun
H2O
C H3O H
C4H6O 2
T -0 3
T = 3 5 oC
P = 1 a tm
Diagram Alir Kuantitatif Proses dan Material
C H 2O
=
H 2O
=
C H 3O H =
=
C 2H 2
H2
N2
H 2O
C H 3O H
C H 2O
4 8 0 9 ,0 8 3 3
8 3 3 2 ,0 6 7 6
2 0 2 5 ,5 5 9 0
1 5 1 6 6 ,7 0 9 9
H2
=
2 ,1 1 7 7
N2
=
1 0 ,5 8 8 5
C 2 H 2 = 3 1 3 6 ,4 2 9 0
= 3 1 4 9 ,1 3 5 2
C 2H 2
H2
N2
H 2O
C H 3O H
C H 2O
T -0 1
T = 3 5 °C
P = 1 ,5 a tm
= 1 0 7 3 ,5 4 2 8
=
2 ,1 1 7 7
=
1 0 ,5 8 8 5
=
5 7 3 ,6 4 2 1
= 4 0 3 ,2 7 0 9
=
4 8 ,5 7 6 6
= 2 1 1 1,7 3 8 6
H 2O
C H 3O H
C 4H 6O 2
=
=
=
=
= 1 0 7 3 ,5 4 2 8
=
2 ,1 1 7 7
=
1 0 ,5 8 8 5
=
5 7 3 ,6 4 2 1
=
4 0 3 ,2 7 0 9
=
4 8 ,5 7 6 6
= 2 1 1 1 ,7 3 8 6
7 6 0 3 ,2 5 7 1
1 6 2 2 ,2 8 8 1
3 4 ,1 1 7 0
9 2 5 9 ,6 6 2 1
T -0 3
T = 3 5 °C
P = 1 a tm
H 2O
C H 3O H
C 4H 6O 2
= 7 7 5 8 ,4 2 5 6
=
1 6 2 2 ,2 8 8 1
= 6 8 2 3 ,3 9 2 9
= 1 6 2 0 4 ,1 0 6 5
M D -0 1
T = 1 1 2 ,1 1 6 2 °C
P = 2 a tm
R -0 1
T = 1 1 0 °C
P = 2 a tm
T -0 2
T = 3 5 °C
P = 5 6 a tm
C 2H 2
H2
N2
H 2O
C H 3O H
C 4H 6O 2
C H 2O
= 2 1 4 7 ,0 8 5 7
=
4 ,2 3 5 4
=
2 1 ,1 7 6 9
= 8 9 0 5 ,7 0 9 7
= 2 4 2 8 ,8 2 9 9
= 6 8 2 3 ,3 9 2 9
=
9 7 ,1 5 3 2
= 2 0 4 2 7 ,5 8 3 7
H 2O
C H 3O H
C 4H 6O 2
H 2O
C H 3O H
C 4H 6O 2
=
1 5 5 ,1 6 8 5
=
0 ,0 0 0 0
= 6 7 8 9 ,2 7 5 9
= 6 9 4 4 ,4 4 4 4
=
7 7 5 8 ,4 2 5 6
= 1 6 2 2 ,2 8 8 1
= 6 8 2 3 ,3 9 2 9
= 1 6 2 0 4 ,1 0 6 5
S P -0 1
T = 9 3 °C
P = 1 ,9 a tm
Gambar 2 Diagram Alir Kuantitatif produksi Butynediol kapasitas 55.000 ton/tahun.
T -0 4
T = 3 5 °C
P = 1 a tm
D. Tinjauan Kinetika
Pada prinsipnya proses produksi butynediol secara komersial dilaksanakan dengan
cara ”ethynylation”, yaitu dengan mereaksikan acetylene dan formaldehyde dengan
katalisator CuC2.
( Kirk and Othmer, 1980 )
Secara stoikiometri pembentukan butynediol mengikuti persamaan:
C 2 H 2 + 2CH 2 O → HOCH
Acetylene formaldehyde
2
CCCH
2
OH
..................................(4)
butynediol
Proses ini disebut dengan proses Reppe.
Reaksi lain yang mungkin terjadi , yaitu :
C 2 H 2 + CH 2 O → C 3 H 4 O
Acetylene
.......................................................(5)
formaldehyde propargyl aslcohol
(Speight, 2002)
Reaksi ini dapat dilakukan di dalam reaktor fixed bed (memakai tumpukan katalis
padat), atau reaktor slurry. Reaksi berlangsung pada kondisi suhu 100-130°C dan tekanan
2 atmosfer.
(Ullman, 1988)
Pada proses pembuatan butynediol, terjadi reaksi antara formaldehyde dengan
acetylene dengan mekanisme sebagai berikut:
1.
⎯
⎯2 → HOCH
C 2 H 2 + 2CH 2 O ⎯ CuC
Acetylene
2.
CCCH
2
OH
formaldehyde
............................................(7)
propargyl alcohol
⎯
⎯2 → HOCH
C 3 H 4 O + C 2 H 2 ⎯ CuC
Propargyl alcohol acetylene
..........................(6)
butynediol
⎯
⎯2 → C 3 H 4 O
C 2 H 2 + CH 2 O ⎯ CuC
Acetylene
3
formaldehyde
2
2
CCCH
2
OH
.............................(8)
butynediol
(Moore, 1964)
Proses ethynylation berlangsung pada suhu 100-130oC. Konversi formaldehyde
sebesar 98,6% dan selektivitas sebesar 98%.
(Chang dkk. 1992)
Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan secara eksotermis atau endotermis
maka perlu pembuktian dengan menggunakan panas reaksi (∆Η) yang dapat ditentukan
dengan persamaan:
∆ H o reaksi = ∆ H of . p − ∆ H of . r .......................................................................(9)
Persamaan reaksi:
C 2 H 2 + 2 CH 2 O → HOCH 2 CCCH 2 OH
.................................................(10)
Jika ∆Η = (−) maka reaksi bersifat eksotermis
Jika ∆Η = (+) maka reaksi bersifat endotermis
∆ H = ∆ H of C 4 H 6 O 2 − ( ∆ H of C 2 H 2 + ∆ H of CH 2 O
...................................(11)
= - 50730,86 Btu/lbmol – (97484,57 - 49827,84) Btu/lbmol
= -98387,59 Btu/lbmol
Dari harga ∆Η sebesar -98387,59 Btu/lbmol dapat disimpulkan bahwa pada reaksi
ethynylation adalah reaksi eksotermis.
Nilai tetapan kesetimbangan (K) dari reaksi pembentukan butynediol adalah
sebesar 1,9953 x 1020, sehingga dapat disimpulkan bahwa rekasi yang terjadi merupakan
reaksi irreversibel, karena nilai tetapan kesetimbangan yang didapat sangat besar.
Ditinjau dari segi kinetika, proses ethynylation dari formaldehyde mempunyai
persamaan kecepatan reaksi sebagai berikut:
−r =
W .k .K f .C f
1 + K f .C f
................................................................................(12)
diketahui pada suhu 383 K, diperoleh harga
k
= 234 x 10-3 kmol/kg h, dan
Kf = 0,47 m3/kmol
Sehingga didapat persamaan baru untuk nilai kecepatan reaksi pada proses
ethynilasi formaldehid sebagai berikut:
−r =
234 x10 −3.W .C f
...........................................................................(13)
1 + 0,47.C f
Keterangan:
W : Berat Katalis (kg/m3)
Kf : Konstanta kesetimbangan adsorpsi formaldehid (m3/kmol)
K : Konstanta kecepatan reaksi (kmol/kg.h)
Cf : Konsentrasi Formaldehid (kmol/m3)
(Chang dkk. 1992)
E. Perancangan Diagram Alir Proses
Alat utama yang digunakan
1.
Reaktor
Tugas : Sebagai tempat berlangsungnya reaksi antara acetylene dan
formaldehyde menjadi butynediol sebanyak 20.427,5837
kg/jam
Jenis
: Reaktor Fixed Bed Single Tube
Kondisi operasi
2.
Suhu
: 110oC
Tekanan
: 2 atm
Separator
Tugas : Memisahkan uap sebanyak 4.235,3841 kg/jam dan cairan
sebanyak 16.204,1065 kg/jam yang berasal dari reaktor
Tipe : Horizontal drum, Torispherical Dished Head
Kondisi operasi
Suhu
: 93,101oC
Tekanan
: 1,9 atm
3.
Menara Destilasi (01)
Tugas
: Memisahkan butynediol dari campurannya
Tipe
: Packed distillation column
Kondisi operasi
a. Puncak menara
b. Umpan menara
c. Dasar menara
.
4.
: Suhu
: 108,670oC
Tekanan
: 1,1 atm
: Suhu
: 88,702oC
Tekanan
: 1,1 atm.
: Suhu
: 174,663oC
Tekanan
: 1 atm
Menara Destilasi (02)
Tugas
: Memisahkan metanol dengan air
Tipe
: Packed distillation column
Kondisi operasi
d. Puncak menara
e. Umpan menara
f. Dasar menara
.
: Suhu
: 74,879oC
Tekanan
: 1 atm
: Suhu
: 108,670oC
Tekanan
: 1,1 atm.
: Suhu
: 112,634oC
Tekanan
: 1 atm
F. Analisis Ekonomi
Dari analisis ekonomi, pabrik butynediol ini membutuhkan modal terdiri dari
modal tetap dan modal kerja sebesar Rp 104.401.542.770,20. Keuntungan sebelum
pajak sebesar
Rp 41.389.710.474,34 /th. Keuntungan sesudah pajak sebesar
Rp
16.555.884.189,74 /th. Analisis kelayakan ini memberikan hasil bahwa Percent Return
On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 39,6447% dan setelah pajak sebesar
15,8679%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 2,0143 tahun sedangkan setelah
pajak sebesar 3,8697 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 44,0718% kapasitas, dan
Shut Down Point (SDP) sebesar 26,1336% kapasitas. Discounted Cash Flow Rate of
Return (DCFRR) sebesar 36,5813%.
Tabel 1 Kesimpulan Evaluasi Ekonomi
Kriteria
Nilai
ROI (b) dalam %
39,6447
ROI (a) dalam %
15,8679
POT (b) dalam tahun 2,0143
Persyaratan
Minimal 11% sebelum
pajak
Pustaka
Aries
and
Newton, 1955
(untuk pabrik beresiko rendah)
Maksimal 5 tahun sebelum
pajak
Aries
and
Newton, 1955
POT (a) dalam tahun 3,8673
BEP dalam %
44,0718
SDP dalam %
26,1336
DCFRR dalam %
36,5813
40-60%
>1,5 Bunga pinjaman bank Mandiri (20%)
Dari hasil perhitungan analisis ekonomi diatas maka dapat diambil kesimpulan
bahwa dari segi ekonomi, pabrik butynediol ini layak untuk didirikan di Indonesia.
Grafik Parameter Analisis Ekonomi
0.3RaMilyar (Rupiah)/tahun
250
200
150
Ra Sa
100
Va
50
Fa
0
0
10
20
SDP
30
BEP
40
50
60
70
80
90
100
Kapasitas produksi/tahun (%)
Gambar 6.2 Grafik Break Even Point dan Shut Down Point
G. KESIMPULAN
Pabrik butynediol digolongkan sebagai pabrik beresiko rendah karena ditinjau
dari segi sifat bahan baku dan produk yang tidak membahayakan dan kondisi operasinya
tidak terlalu tinggi.
Berdasarkan analisis ekonomi terhadap pabrik memberikan hasil sebagai berikut :
1.
Keuntungan sebelum pajak (Pb) sebesar Rp 41,389,710,474.34 /tahun.
Keuntungan sesudah pajak (Pa) sebesar Rp 16,555,884,189.74 /tahun.
2.
ROI sebelum pajak sebesar 39,6447%
ROI sesudah pajak sebesar 15,8679%.
Syarat :ROI minimum untuk pabrik beresiko rendah adalah 11% (Aries
dan
Newton, 1955).
3.
POT sebelum pajak (POTb) selama 2,0143 tahun
POT sesudah pajak (POTa) selama 3,8697 tahun
Syarat : Batas maksimum untuk pengembalian modal adalah selama 5 tahun
(Aries dan Newton, 1955).
4.
Break Even Point (BEP) sebesar 44,0718%
5.
Shut Down Point (SDP) sebesar 26,1336%
Syarat : Nilai BEP untuk pabrik kimia umumnya berkisar antara 40-60%.
6.
Discounted Cash Flow Rate of Return (DCFRR) sebesar 36,5813%.
Syarat: Nilai
minimum DCFRR sebesar 1,5 x bunga bank. Dimana bunga bank
saat ini diantara 10-14%
Dari data di atas maka dapat disimpulkan pabrik butynediol ini layak untuk didirikan.
DAFTAR PUSTAKA
Chang F. W. , J.M. ,Chen & J. C. Guo, The Ethynylation Kinetic of Formaldehyde, Chem.
Eng. Sci. , Vol 47, 1992.
rd
Kirk, R. E., and Othmer, D.F., 1952, Encyclopedia of Chemical Technology, 3 ed., Vol. 1,
The Inter Science Encyclopedia, Inc., New York.
Moore, W. P., 1960, Process for Butynediol, available at http://patft.uspatentonline.com/
accessed on 25/04/2006.
Speight, J. G., 2002, Chemical and Process Design Hand Book, Mc Graw Hill Book Co.,
Inc., New York.
Ullman, 1989, Ullman’s Encyclopedia of Indutrial Chemistry, Vol. A-16, Interscience
Encyclopedia, Inc., New York.
PABRIK BUTINEDIOL DARI ASETILEN DAN FORMALDEHID
KAPASITAS 55.000 TON PER TAHUN
Oleh:
Wahyu Aditiya Arif
D 500 060 013
Dosen Pembimbing:
Muhammad Mujiburohman, S.T., M.T., Ph.D.
Ir. H. Haryanto Ar., M.S.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
SURAKARTA
2013
ABSTRAK
Wahyu Aditiya Arif, Haryanto, M. Mujiburohman, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas
Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Butynediol merupakan bahan yang cukup penting dalam sintesis bahan-bahan organik,
seperti butanediol, tetrahydrofuran, dan pyrolidone. Pabrik butynediol dari acetylene dan
formaldehyde dirancang dengan kapasitas 55.000 ton/tahun. Pabrik beroperasi kontinyu selama
330 hari per tahun. Proses pembuatan butynediol dijalankan dalam reaktor fixed bed single tube,
o
irreversible, dengan kondisi operasi berlangsung pada range suhu 100-130 C dan tekanan 2 atm.
Hasil dari reaktor dipisahkan dalam separator, hasil atas separator berupa gas bereaksi dengan
udara menjadi flare dan hasil bawah berupa cairan diumpankan ke menara distilasi. Dari hasil
bawah menara distilasi diperoleh produk butynediol dengan kemurnian yang diinginkan di
pasaran (45%). Hasil atas menara distilasi dipisahkan kembali dengan menggunakan coller untuk
memperoleh produk samping berupa metanol dengan kemurnian sebesar 99%. Pabrik
direncanakan didirikan di Kawasan Industri Gresik (KIG), Jawa Timur dengan luas tanah 1,2 Ha.
Bentuk Perseroan Terbatas dan jumlah karyawan sebanyak 150 orang. Dari analisis ekonomi,
pabrik butynediol ini membutuhkan modal terdiri dari modal tetap dan modal kerja sebesar Rp
104.401.542.770,20. Keuntungan sebelum pajak sebesar Rp 41.389.710.474,34 /th. Keuntungan
sesudah pajak sebesar Rp 16.555.884.189,74 /th. Analisis kelayakan ini memberikan hasil
bahwa Percent Return On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 39,6447% dan setelah pajak
sebesar 15,8679%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 2,0143 tahun sedangkan setelah
pajak sebesar 3,8697 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 44,0718% kapasitas, dan Shut
Down Point (SDP) sebesar 26,1336% kapasitas. Discounted Cash Flow Rate of Return (DCFRR)
sebesar 36,5813%. Berdasarkan data–data di atas maka pabrik butynediol dari acetylene dan
formaldehyde cukup layak untuk didirikan.
Kata Kunci
: Prarancangan Pabrik, Butinediol, Fixed Bed Single Tube
A. Pendahuluan
Sejalan dengan berkembangnya industri di Indonesia, semakin banyak
diversifikasi usaha telah dilakukan. Banyak bahan mentah atau setengah jadi diolah
menjadi produk intermediate atau produk jadi, sehingga mengurangi ketergantungan kita
pada produk impor.
Pertumbuhan industri kimia di Indonesia patut dibanggakan. Tentu saja banyak
alasan mengapa pemerintah begitu bersemangat untuk mengembangkan industri tersebut.
Bukan hanya karena jumlah bahan baku yang cukup memadai di tanah air maupun
wilayah pemasaran yang luas melainkan juga karena prospek dan kelanjutan industri
kimia di Indonesia cukup cerah.
Salah satu industri yang mempunyai kegunaan penting dan mempunyai prospek
yang bagus adalah industri butynediol. Pertimbangan utama yang melatarbelakangi
berdirinya pabrik butynediol ini, pada prinsipnya adalah sama dengan sektor-sektor lain
yaitu untuk melakukan usaha yang secara sosial ekonomi cukup menguntungkan. Karena
sifatnya yang prospektif di masa yang akan datang, dalam pengertian potensi pasar,
mudah diperoleh bahan baku, yakni acetylene dan formaldehyde, teknologi yang
dibutuhkan dapat terpenuhi, dan terdapatnya tenaga pelaksana, maka keuntungan dapat
dicapai dengan adanya pendirian pabrik butynediol. Sifat prospektif ini akan terlaksana
dengan kemampuan modal yang memadai.
Paper ini menampilkan analisis prarancangan pabrik butynediol dari acetylene dan
formaldehyde mulai dari perancangan kapasitas, pemilihan proses, dan alat, serta analisis
ekonomi.
B. Perancangan Kapasitas
Dalam pemilihan kapasitas pabrik butynediol ada beberapa pertimbanganpertimbangan, yaitu:
a. Prediksi Kebutuhan Dalam Negeri
Kapasitas pabrik butynediol ditentukan berdasarkan kebutuhan impor
butynediol dalam negeri yang berasal dari negara-negara lain. Kebutuhan butynediol
di Indonesia terus meningkat dari tahun ke tahun. Hal ini dapat dilihat pada tabel
dibawah ini:
Tabel 1. Kebutuhan butynediol di Indonesia
No
Tahun
Kebutuhan Impor (ton/tahun)
1
2005
4.433.356
2
2006
11.692.243
3
2008
18.529.922
4
2009
240.170.898
5
2010
293.314.041
Sumber : Badan Pusat Statistik 2005-2010
Kebutuhan
Chart Title
35000000
y = 6E+07x ‐ 1E+11
30000000
R² = 0.755
25000000
20000000
15000000
Series1
10000000
Linear (Series1)
50000000
0
‐50000002005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
‐1E+08
Tahun Ke
Gambar 1. Grafik Tahun Versus Kebutuhan butynediol
Dari hasil regresi linear diperoleh perkiraan kebutuhan butynediol
pada tahun 2015 (tahun ke 10):
y = 6E+07x2 - 1E+11
= 6E+07(10)2 – 1E+11
= 5.623,8478 ton
…….…………………………......(1)
Impor butynediol dari tahun 2015 ke tahun – tahun berikutnya mengalami
kenaikan rata-rata sebesar 59,8235%. Berdasarkan data diatas dapat diperkirakan
kebutuhan impor butynediol pada tahun 2015 sebesar 5.623,8478 ton/tahun.
b. Ketersediaan Bahan Baku
Bahan baku formaldehyde dan acetylene telah banyak diproduksi di Indonesia.
Mengingat persediaan bahan baku yang memadai dan kebutuhan butynediol yang
besar, maka sangat prospektif bila mendirikan pabrik butynediol.
c. Kapasitas minimal
Dari pabrik yang sudah beroperasi dibeberapa negara dapat diketahui bahwa
kapasitas minimal perancangan lebih dari 1.000 ton/tahun, dengan kapasitas
maksimalnya sebesar 100.000 ton/tahun. Sampai saat ini sekitar 200.000 ton/tahun
butynediol diproduksi di Eropa. Salah satu pabrik yang sudah berdiri di Cina
memproduksi butynediol sebesar 60.000 ton/tahun.
Pabrik-pabrik kimia yang sudah berdiri di Indonesia yang berkapasitas antara
55.000 ton/tahun sampai 60.000 ton/tahun rata-rata mempunyai luas area pabrik
sebesar 105.000 m2.
Berdasarkan pertimbangan diatas maka dalam perancangan pabrik butynediol
yang akan didirikan pada tahun 2015 ditentukan kapasitas sebesar 55.000 ton/tahun.
Kapasitas ini ditetapkan dengan beberapa tujuan antara lain:
1.
Dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri,
2.
Dapat dieksport sehingga menghasilkan devisa bagi negara,
3.
Dapat merangsang berdirinya industri kimia lain yang menggunakan butynediol
sebagai bahan baku seperti industri butenediol, butanediol, dan tetrahydrofuran.
C. Penentuan Jenis Proses
Pada prinsipnya proses produksi butynediol secara komersial dilaksanakan dengan
cara ”ethynylation”, yaitu dengan mereaksikan acetylene dan formaldehyde dengan
katalisator CuC2.
( Kirk and Othmer, 1980 )
Secara stoikiometri pembentukan butynediol mengikuti persamaan:
C 2 H 2 + 2CH 2 O → HOCH
Acetylene formaldehyde
2
CCCH
2
OH
..................................(2)
butynediol
Proses ini disebut dengan proses Reppe.
Reaksi lain yang mungkin terjadi , yaitu :
C 2 H 2 + CH 2 O → C 3 H 4 O
Acetylene
.......................................................(3)
formaldehyde propargyl aslcohol
(Speight, 2002)
Reaksi ini dapat dilakukan di dalam reaktor fixed bed (memakai tumpukan katalis
padat), atau reaktor slurry. Reaksi berlangsung pada kondisi suhu 100-130°C dan tekanan
2 atmosfer.
(Ullman, 1988)
Diagram Alir Kualitatif Proses dan Material
C H 2O
H2O
CH3OH
C2H2
N2
H2
H2O
C H3O H
C H2O
C 2H 2
N2
H2
H 2O
C H 3O H
C H2O
V P -0 1
T = 76
P = 2 ,2
T -0 1
T = 3 5 °C
P = 1
R -0 1
T = 1 1 0 oC
P = 2 a tm
H2
N2
C2H 2
C2H 2
N2
H2
H2O
C 4 H 6O 2
C H3O H
C H 2O
H 2O
CH3OH
C 4 H 6O 2
T -0 3
T = 3 5 oC
P = 1 a tm
C 2H2
N2
H2
H 2O
CH3OH
C H2O
M D -0 1
T = 1 1 2,1 1 6 2 o C
P = 2 a tm
H 2O
C H 3O H
C 4H 6 O 2
T -0 2
T = 3 5 °C
P = 56
S p -01
T = 9 3 oC
P = 1 ,9 a tm
Gambar 1 Diagram Alir Kualitatif produksi Butynediol kapasitas 55.000 ton/tahun
H2O
C H3O H
C4H6O 2
T -0 3
T = 3 5 oC
P = 1 a tm
Diagram Alir Kuantitatif Proses dan Material
C H 2O
=
H 2O
=
C H 3O H =
=
C 2H 2
H2
N2
H 2O
C H 3O H
C H 2O
4 8 0 9 ,0 8 3 3
8 3 3 2 ,0 6 7 6
2 0 2 5 ,5 5 9 0
1 5 1 6 6 ,7 0 9 9
H2
=
2 ,1 1 7 7
N2
=
1 0 ,5 8 8 5
C 2 H 2 = 3 1 3 6 ,4 2 9 0
= 3 1 4 9 ,1 3 5 2
C 2H 2
H2
N2
H 2O
C H 3O H
C H 2O
T -0 1
T = 3 5 °C
P = 1 ,5 a tm
= 1 0 7 3 ,5 4 2 8
=
2 ,1 1 7 7
=
1 0 ,5 8 8 5
=
5 7 3 ,6 4 2 1
= 4 0 3 ,2 7 0 9
=
4 8 ,5 7 6 6
= 2 1 1 1,7 3 8 6
H 2O
C H 3O H
C 4H 6O 2
=
=
=
=
= 1 0 7 3 ,5 4 2 8
=
2 ,1 1 7 7
=
1 0 ,5 8 8 5
=
5 7 3 ,6 4 2 1
=
4 0 3 ,2 7 0 9
=
4 8 ,5 7 6 6
= 2 1 1 1 ,7 3 8 6
7 6 0 3 ,2 5 7 1
1 6 2 2 ,2 8 8 1
3 4 ,1 1 7 0
9 2 5 9 ,6 6 2 1
T -0 3
T = 3 5 °C
P = 1 a tm
H 2O
C H 3O H
C 4H 6O 2
= 7 7 5 8 ,4 2 5 6
=
1 6 2 2 ,2 8 8 1
= 6 8 2 3 ,3 9 2 9
= 1 6 2 0 4 ,1 0 6 5
M D -0 1
T = 1 1 2 ,1 1 6 2 °C
P = 2 a tm
R -0 1
T = 1 1 0 °C
P = 2 a tm
T -0 2
T = 3 5 °C
P = 5 6 a tm
C 2H 2
H2
N2
H 2O
C H 3O H
C 4H 6O 2
C H 2O
= 2 1 4 7 ,0 8 5 7
=
4 ,2 3 5 4
=
2 1 ,1 7 6 9
= 8 9 0 5 ,7 0 9 7
= 2 4 2 8 ,8 2 9 9
= 6 8 2 3 ,3 9 2 9
=
9 7 ,1 5 3 2
= 2 0 4 2 7 ,5 8 3 7
H 2O
C H 3O H
C 4H 6O 2
H 2O
C H 3O H
C 4H 6O 2
=
1 5 5 ,1 6 8 5
=
0 ,0 0 0 0
= 6 7 8 9 ,2 7 5 9
= 6 9 4 4 ,4 4 4 4
=
7 7 5 8 ,4 2 5 6
= 1 6 2 2 ,2 8 8 1
= 6 8 2 3 ,3 9 2 9
= 1 6 2 0 4 ,1 0 6 5
S P -0 1
T = 9 3 °C
P = 1 ,9 a tm
Gambar 2 Diagram Alir Kuantitatif produksi Butynediol kapasitas 55.000 ton/tahun.
T -0 4
T = 3 5 °C
P = 1 a tm
D. Tinjauan Kinetika
Pada prinsipnya proses produksi butynediol secara komersial dilaksanakan dengan
cara ”ethynylation”, yaitu dengan mereaksikan acetylene dan formaldehyde dengan
katalisator CuC2.
( Kirk and Othmer, 1980 )
Secara stoikiometri pembentukan butynediol mengikuti persamaan:
C 2 H 2 + 2CH 2 O → HOCH
Acetylene formaldehyde
2
CCCH
2
OH
..................................(4)
butynediol
Proses ini disebut dengan proses Reppe.
Reaksi lain yang mungkin terjadi , yaitu :
C 2 H 2 + CH 2 O → C 3 H 4 O
Acetylene
.......................................................(5)
formaldehyde propargyl aslcohol
(Speight, 2002)
Reaksi ini dapat dilakukan di dalam reaktor fixed bed (memakai tumpukan katalis
padat), atau reaktor slurry. Reaksi berlangsung pada kondisi suhu 100-130°C dan tekanan
2 atmosfer.
(Ullman, 1988)
Pada proses pembuatan butynediol, terjadi reaksi antara formaldehyde dengan
acetylene dengan mekanisme sebagai berikut:
1.
⎯
⎯2 → HOCH
C 2 H 2 + 2CH 2 O ⎯ CuC
Acetylene
2.
CCCH
2
OH
formaldehyde
............................................(7)
propargyl alcohol
⎯
⎯2 → HOCH
C 3 H 4 O + C 2 H 2 ⎯ CuC
Propargyl alcohol acetylene
..........................(6)
butynediol
⎯
⎯2 → C 3 H 4 O
C 2 H 2 + CH 2 O ⎯ CuC
Acetylene
3
formaldehyde
2
2
CCCH
2
OH
.............................(8)
butynediol
(Moore, 1964)
Proses ethynylation berlangsung pada suhu 100-130oC. Konversi formaldehyde
sebesar 98,6% dan selektivitas sebesar 98%.
(Chang dkk. 1992)
Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan secara eksotermis atau endotermis
maka perlu pembuktian dengan menggunakan panas reaksi (∆Η) yang dapat ditentukan
dengan persamaan:
∆ H o reaksi = ∆ H of . p − ∆ H of . r .......................................................................(9)
Persamaan reaksi:
C 2 H 2 + 2 CH 2 O → HOCH 2 CCCH 2 OH
.................................................(10)
Jika ∆Η = (−) maka reaksi bersifat eksotermis
Jika ∆Η = (+) maka reaksi bersifat endotermis
∆ H = ∆ H of C 4 H 6 O 2 − ( ∆ H of C 2 H 2 + ∆ H of CH 2 O
...................................(11)
= - 50730,86 Btu/lbmol – (97484,57 - 49827,84) Btu/lbmol
= -98387,59 Btu/lbmol
Dari harga ∆Η sebesar -98387,59 Btu/lbmol dapat disimpulkan bahwa pada reaksi
ethynylation adalah reaksi eksotermis.
Nilai tetapan kesetimbangan (K) dari reaksi pembentukan butynediol adalah
sebesar 1,9953 x 1020, sehingga dapat disimpulkan bahwa rekasi yang terjadi merupakan
reaksi irreversibel, karena nilai tetapan kesetimbangan yang didapat sangat besar.
Ditinjau dari segi kinetika, proses ethynylation dari formaldehyde mempunyai
persamaan kecepatan reaksi sebagai berikut:
−r =
W .k .K f .C f
1 + K f .C f
................................................................................(12)
diketahui pada suhu 383 K, diperoleh harga
k
= 234 x 10-3 kmol/kg h, dan
Kf = 0,47 m3/kmol
Sehingga didapat persamaan baru untuk nilai kecepatan reaksi pada proses
ethynilasi formaldehid sebagai berikut:
−r =
234 x10 −3.W .C f
...........................................................................(13)
1 + 0,47.C f
Keterangan:
W : Berat Katalis (kg/m3)
Kf : Konstanta kesetimbangan adsorpsi formaldehid (m3/kmol)
K : Konstanta kecepatan reaksi (kmol/kg.h)
Cf : Konsentrasi Formaldehid (kmol/m3)
(Chang dkk. 1992)
E. Perancangan Diagram Alir Proses
Alat utama yang digunakan
1.
Reaktor
Tugas : Sebagai tempat berlangsungnya reaksi antara acetylene dan
formaldehyde menjadi butynediol sebanyak 20.427,5837
kg/jam
Jenis
: Reaktor Fixed Bed Single Tube
Kondisi operasi
2.
Suhu
: 110oC
Tekanan
: 2 atm
Separator
Tugas : Memisahkan uap sebanyak 4.235,3841 kg/jam dan cairan
sebanyak 16.204,1065 kg/jam yang berasal dari reaktor
Tipe : Horizontal drum, Torispherical Dished Head
Kondisi operasi
Suhu
: 93,101oC
Tekanan
: 1,9 atm
3.
Menara Destilasi (01)
Tugas
: Memisahkan butynediol dari campurannya
Tipe
: Packed distillation column
Kondisi operasi
a. Puncak menara
b. Umpan menara
c. Dasar menara
.
4.
: Suhu
: 108,670oC
Tekanan
: 1,1 atm
: Suhu
: 88,702oC
Tekanan
: 1,1 atm.
: Suhu
: 174,663oC
Tekanan
: 1 atm
Menara Destilasi (02)
Tugas
: Memisahkan metanol dengan air
Tipe
: Packed distillation column
Kondisi operasi
d. Puncak menara
e. Umpan menara
f. Dasar menara
.
: Suhu
: 74,879oC
Tekanan
: 1 atm
: Suhu
: 108,670oC
Tekanan
: 1,1 atm.
: Suhu
: 112,634oC
Tekanan
: 1 atm
F. Analisis Ekonomi
Dari analisis ekonomi, pabrik butynediol ini membutuhkan modal terdiri dari
modal tetap dan modal kerja sebesar Rp 104.401.542.770,20. Keuntungan sebelum
pajak sebesar
Rp 41.389.710.474,34 /th. Keuntungan sesudah pajak sebesar
Rp
16.555.884.189,74 /th. Analisis kelayakan ini memberikan hasil bahwa Percent Return
On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 39,6447% dan setelah pajak sebesar
15,8679%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 2,0143 tahun sedangkan setelah
pajak sebesar 3,8697 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 44,0718% kapasitas, dan
Shut Down Point (SDP) sebesar 26,1336% kapasitas. Discounted Cash Flow Rate of
Return (DCFRR) sebesar 36,5813%.
Tabel 1 Kesimpulan Evaluasi Ekonomi
Kriteria
Nilai
ROI (b) dalam %
39,6447
ROI (a) dalam %
15,8679
POT (b) dalam tahun 2,0143
Persyaratan
Minimal 11% sebelum
pajak
Pustaka
Aries
and
Newton, 1955
(untuk pabrik beresiko rendah)
Maksimal 5 tahun sebelum
pajak
Aries
and
Newton, 1955
POT (a) dalam tahun 3,8673
BEP dalam %
44,0718
SDP dalam %
26,1336
DCFRR dalam %
36,5813
40-60%
>1,5 Bunga pinjaman bank Mandiri (20%)
Dari hasil perhitungan analisis ekonomi diatas maka dapat diambil kesimpulan
bahwa dari segi ekonomi, pabrik butynediol ini layak untuk didirikan di Indonesia.
Grafik Parameter Analisis Ekonomi
0.3RaMilyar (Rupiah)/tahun
250
200
150
Ra Sa
100
Va
50
Fa
0
0
10
20
SDP
30
BEP
40
50
60
70
80
90
100
Kapasitas produksi/tahun (%)
Gambar 6.2 Grafik Break Even Point dan Shut Down Point
G. KESIMPULAN
Pabrik butynediol digolongkan sebagai pabrik beresiko rendah karena ditinjau
dari segi sifat bahan baku dan produk yang tidak membahayakan dan kondisi operasinya
tidak terlalu tinggi.
Berdasarkan analisis ekonomi terhadap pabrik memberikan hasil sebagai berikut :
1.
Keuntungan sebelum pajak (Pb) sebesar Rp 41,389,710,474.34 /tahun.
Keuntungan sesudah pajak (Pa) sebesar Rp 16,555,884,189.74 /tahun.
2.
ROI sebelum pajak sebesar 39,6447%
ROI sesudah pajak sebesar 15,8679%.
Syarat :ROI minimum untuk pabrik beresiko rendah adalah 11% (Aries
dan
Newton, 1955).
3.
POT sebelum pajak (POTb) selama 2,0143 tahun
POT sesudah pajak (POTa) selama 3,8697 tahun
Syarat : Batas maksimum untuk pengembalian modal adalah selama 5 tahun
(Aries dan Newton, 1955).
4.
Break Even Point (BEP) sebesar 44,0718%
5.
Shut Down Point (SDP) sebesar 26,1336%
Syarat : Nilai BEP untuk pabrik kimia umumnya berkisar antara 40-60%.
6.
Discounted Cash Flow Rate of Return (DCFRR) sebesar 36,5813%.
Syarat: Nilai
minimum DCFRR sebesar 1,5 x bunga bank. Dimana bunga bank
saat ini diantara 10-14%
Dari data di atas maka dapat disimpulkan pabrik butynediol ini layak untuk didirikan.
DAFTAR PUSTAKA
Chang F. W. , J.M. ,Chen & J. C. Guo, The Ethynylation Kinetic of Formaldehyde, Chem.
Eng. Sci. , Vol 47, 1992.
rd
Kirk, R. E., and Othmer, D.F., 1952, Encyclopedia of Chemical Technology, 3 ed., Vol. 1,
The Inter Science Encyclopedia, Inc., New York.
Moore, W. P., 1960, Process for Butynediol, available at http://patft.uspatentonline.com/
accessed on 25/04/2006.
Speight, J. G., 2002, Chemical and Process Design Hand Book, Mc Graw Hill Book Co.,
Inc., New York.
Ullman, 1989, Ullman’s Encyclopedia of Indutrial Chemistry, Vol. A-16, Interscience
Encyclopedia, Inc., New York.