Bab II Deskripsi Proses - TRI YOKO BAB II

BAB II DESKRIPSI PROSES

2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk

2.1.1 Spesifikasi Bahan Baku

 Butana Bentuk : cair jenuh Warna : jernih Kemurnian : minimal 99% Impuritas : maksimal 1% propana Density : 600 kg/m

 oksigen Kadar : 23,2 % berat dari udara.

: 20,946 % mol. Warna : jernih Bm : 31,999 g/mol Volume jenis : 0,7 m

/kg Titik didih : - 182,98 C Titik beku : - 218,79 C Temperatur kritis : - 118,57 C Tekanan kritis : 50,43 bar Volume kritis : 73,4 cm

/mol

3 Density cair : 0,8 kg/m

3 Density gas : 1,4292 kg/m

2.1.2 Spesifikasi Bahan Pembantu

 Katalis Mangan Bentuk : padatan / metal Warna : silvery metallic

5 4 . 9 3 8 0 4 5

Berat atom : Fase : solid at 298 K

3 Density : 7470 kg/m o

Melting point : 1519 K atau 1246 C

Boiling point : 2334 K atau 2061 C Thermal conductivity : 7,8 W/m.K

2.1.3 Spesifikasi Produk

 Asam Asetat Bentuk : cair jenuh Warna : jernih Kemurnian : minimal 99,85 % Impuritas : maksimal 1 % asam format

Density : 1049 kg/m

2.2 Konsep Proses

2.2.1 Dasar Reaksi

Pada proses pembuatan asam asetat dengan proses oksidasi n-butana didasarkan pada reaksi sebagai berikut: C

4 H 10 + 5/2 O

2 CH

3 COOH + H

2 O

Asam asetat yang dihasilkan mempunyai kemurnian 99,85 %. Katalis yang digunakan adalah manganese asetat liquid.

2.2.2 Mekanisme Reaksi

Mekanisme reaksi pembentukan asam asetat dari n-butana dan oksigen dengan katalis manganese asetat adalah sebagai berikut :

3+ 2+ +

5 C 2 -C

2 H 5 + 2 Mn C

2 H 8 * + 2 H + 2 Mn

C H

5/2 O C H O

5 2+ 3+ +

2 H

8 O 5 * + 2 H + 2 Mn

2 CH

3 COOH + H

2 O + 2 Mn

Reaksi yang terjadi melibatkan bahan baku dan katalis manganese asetat yang berfungsi sebagai inisiator, yang akan mengarahkan pembentukan radikal bebas. Radikal bebas yang terbentuk akan mengikat oksigen dari udara. Kemudian dengan bantuan katalis akan terbentuk asam asetat.

2.2.3 Kondisi Operasi

Reaksi pembentukan asam asetat merupakan reaksi fase cair dengan

kondisi operasi pada tekanan 50 atm dan suhu 180

C. Kondisi operasi dipilih berdasarkan pertimbangan :

2.2.3.1 Tinjauan Thermodinamika

Dilihat dari reaksi pembentukan asam asetat : C

5/2 O

125.790
484.500
285
16.570
389.900
237.129

G f 298

= exp 403,563 Untuk T = 180 + 273.15 = 453.15 K

/RT ] = exp [ 1000359 J/mol / (8,314 J/ gmol x 298.15)]

f o

= exp [ - G

453,15

reaktan = (-237.129 kJ/mol) + (2 x – 389.900 kJ/mol) – (- 16.570 kJ/mol) = - 1000359 J/mol

produk - G f

= G f

(Smith-Van Ness, sixth edition)

2 CH

4 H

2. T

No. Komponen ∆H (J/mol) ∆G (J/mol) 1.

) Data yang dibutuhkan :

Dilihat dari energi bebas Gibbs (G f

= -986,030 kJ/mol Tanda negatif menunjukkan bahwa reaksi antara n-butana dengan oksigen yang membentuk asam asetat adalah reaksi eksotermis.

C, 50 atm n-butana oksigen asam asetat air H 298

180

2 O

3 COOH + H

3. N- Butane Asam Asetat Air

∆ D Τ+ 1

∆ Cp dT

(

∆CT ∫ = ∆A ln τ +[∆B T )( )] (τ-1)

2 To _T

T R T τ

(Smith-Van Ness, sixth edition) (13.19)

∆ Cp ∆D

∆B

2 2 ∆C

3 3 τ – 1

( ( -1) + T ( -1) + ( ) τ -1) + T τ τ

∫ dT = ∆AT

2 T

3 τ

To (Smith-Van Ness, sixth edition)

(14.19)

o T T f453.15 f298

∆G ∆G ∆H ∆H ∆Cp ∆Cp dT

= + + ∫ dT - ∫

RT RT

T T

RT T R R T

(Smith -Van Ness, sixth edition)

Dengan data sebagai berikut :

-3

; ; T = 453.15 ; ∆A = - 2,0625 ∆B = - 36.93 x 10 τ = 1.52

; ; T = 298.15 ; = - 1129040 ∆C = 11.222 x 10 ∆D = 0.5675 x 10 ∆H Karena harga (K) sangat besar berarti laju reaksi ke kanan (k

1 ) jauh lebih besar

daripada reaksi ke kiri (k 2 ), sehingga dapat dikatakan reaksi adalah irreversible.

2.2.3.2 Tinjauan Kinetika

Pertama-tama gas dilarutkan ke dalam cairan, kemudian keduanya harus menyebar atau bergerak ke permukaan katalis untuk bereaksi hingga tahan untuk berpindah atau terjadi pada antarmuka gas-cairan dan kemudian ke permukaan padatan. Penjelasan diatas menyatakan kecepatan secara umum.

Untuk mengembangkan persamaan kecepatan , mari kita gambarkan teori dua lapis film dan menggunakannya berdasarkan tatanama.

(Levenspiel, Third Edition) (Levenspiel, Third Edition)

Dari gambar 22.2 , kita dapat menulis persamaan kecepatan :

A ’’’

= ρ

Ket :

έ A=

Faktor efektifitas untuk reaksi orde pertama dari A dengan persamaan kecepatan (k A ^’’’

C B )

1 k Ag a i H A k Al a i

H A k Ac a c H A

(k A ^’’’ C B )

A ƒ s Hukum konstanta Henry : H A = A / C A

ρ Dalam hubungan ini :

r ’ = kecepatan reaksi pembentukan asam asetat

k’ = konstanta kecepatan reaksi = 1.77 x 10 m /kg.s Data yang dibutuhkan :

3 Gas stream : v g = 0.01 m /s ; H A = 86000 Pa.m /mol.

3 Liquid stream : v l = 2 x 10 m /s ; C Bo = 400 mol/m

3 Catalyst : dp = 5 mm = 5 x 10 m ; s = 1800 kg/m

3 De = 4.16 x 10 m /m.cat.s

4 3 -1 -4

Kinetik : k Agai = 3 x 10 mol / m .Pa.s; k Alai = 0.02 s ; k Ac = 3.86 x 10 m/s

2.3 Diagram Alir Proses

2.3.1 Diagram Alir Proses

2.3.2 Langkah Proses

Proses pembuatan asam asetat melalui proses oksidasi n-butana dengan menggunakan katalis manganese acetat secara umum digolongkan menjadi tiga tahap, yaitu :

1. Tahap penyiapan bahan baku

2. Tahap pembentukan produk

3. Tahap pemurnian

1. Penyiapan Bahan Baku

Bahan baku n-butana disimpan dalam kondisi cair pada T= 30 C dan tekanan 3 atm pada tangki penyimpan (T-01). N-butana fresh dialirkan dengan pompa menuju reaktor dengan melewati (HE-01) untuk menaikkan suhu dari

o o 30 C menjadi 180 C dan tekanan 50 atm.

Bahan baku udara dikompresikan dengan kompressor 3 stage untuk menaikkan tekanan menjadi 50 atm. Kompressor multistage tersebut dilengkapi 2

intercooler sehingga suhu dapat terjaga pada 180 C.

2. Tahap Pembentukan Produk Aliran arus keluar dari Heat Exchanger pertama (HE-01) yang berisi n- butana fresh dimasukkan ke dalam reaktor yang telah berisi katalis manganese acetat. Kemudian disemprotkan udara dengan tekanan 50 atm melewati cairan tersebut sehingga terjadi reaksi pembentukan asam asetat.

Jenis reaktor yang dipakai adalah bubble reaktor dengan berpendingin air, mengingat reaksi yang bersifat eksotermis yang menghasilkan panas.

Reaktor bekerja secara non isotermal non adiabatis. Suhu reaktor dipertahankan dengan aliran air pendingin yang disirkulasi di shell. Suhu reaksi

dipertahankan sekitar 180 C untuk mempertahan reaksi tetap berlangsung pada fase cair sehingga mempertahankan yield pada kondisi yang diinginkan. Jika suhu reaksi terlalu rendah maka yield akan kurang daripada yang diharapkan, dan bila suhu terlalu tinggi maka akan merusak katalis manganese asetat. Suhu keluar

reaktor 217

C. Selanjutnya produk dari reaktor di alirkan ke condensor untuk dikondensasikan sebelum dimasukkan ke dalam flash drum (FD-01).

3. Tahap Pemurnian Produk dari kondensor dilewatkan ke flash drum (FD-01), untuk memisahkan senyawa condesable (as.asetat, as format, air, dan methanol) dan non condesable (oksigen, karbon dioksida, nitrogen, dan propana). Senyawa

condesable dialirkan ke separator vessel untuk memisahkan n-butana dan

asetaldehid dengan dasar perbedaan densitas. Keluaran separator vessel ada dua,

keluaran yang memiliki densitas kurang dari 1 (n-butana) ditampung ke tangki penyimpanan kedua (T-02), sedangkan keluaran yang memiliki densitas lebih dari 1 menuju kolom destilasi kesatu (D-01).

Kemudian setelah keluar dari separator vessel, campuran produk dipanaskan dahulu di dalam Heat Exchanger (HE-02) sehingga suhunya sekitar

110 C sebelum dimasukkan ke dalam kolom destilasi. Dalam kolom destilasi kesatu (D-01), dengan komponen kunci ringan yaitu air dan asam format sebagai kandungan terbanyak dalam hasil atas yang kemudian dibuang ke Unit Pengolahan Limbah (UPL). Sedangkan hasil bawah dengan komponen kunci berat asam asetat, yang berisi campuran produk dipompa menuju tangki ketiga (T-03). Hasil bawah menara destilasi yang mengandung asam asetat yang cukup banyak (90%).

2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas

2.4.1 Neraca Massa a. Neraca Massa di Sekitar Reaktor Input Output Komponen Arus 1 Arus 2 Arus 3 (Kg/Jam) (Kg/Jam) (Kg/Jam)

N-Butana 8278,85 3961,26 Oksigen 5892,26 58,92 Nitrogen 19048,24 19048,24 Karbon Dioksida 203,18 203,18 Propana 82,79 82,79 Asam Asetat

8750,00 Asam Format

73,15 Air 1314,02 Methanol 13,71

Total 8361,64 25143,68 33505,28 33505,31 b.

Neraca Massa di Flash Drum Input Output Komponen Arus 3 Arus 4 Arus 5 (Kg/Jam) (Kg/Jam) (Kg/Jam)

N-Butana 3961,26 2253,82 1707,44 Oksigen 58,92 58,92 0,00 Nitrogen 19048,24 19048,24 0,00 Karbon Dioksida 203,18 203,18 0,00 Propana 82,79 82,79 0,00 Asam Asetat 8750,00 283,42 8466,58 Asam Format 73,15 4,51 68,63

Air 1314,02 70,30 1243,72 Methanol 13,71 2,50 11,22

Total 33505,28 22007,68 11497,60 33505,28 c.

Neraca Massa di Separator Vessel Input Output Komponen Arus 5 Arus 6 Arus 7 (Kg/Jam) (Kg/Jam) (Kg/Jam)

N-Butana 1707,44 1707,44 Asam Asetat 8466,58 8466,58 Asam Format 68,63 68,63 Air 1243,72 1243,72 Methanol 11,22 11,22

Total 11497,60 1707,44 9790,16 11497,60 d.

Neraca Massa di Destilasi I Input Output Komponen Arus 7 Arus 8 Arus 9 (Kg/Jam) (Kg/Jam) (Kg/Jam)

Asam Asetat 8466,58 370,64 8095,94 Asam Format 68,63 54,06 14,58 Air 1243,72 979,56 264,16 Methanol 11,22 11,22 0,00

Total 9790,16 1415,48 8374,68 9790,16

Neraca Panas Dilampiran

2.5 Lay Out Pabrik dan Peralatan Proses

2.5.1 Lokasi Pabrik

Lokasi pabrik secara geografis akan sangat berpengaruh terhadap sukses atau tidaknya kegiatan industri di pabrik tersebut. Suau pabrik sebaiknya ditempatkan di suatu tempat diman biayanya distribusinya minimum. Tetapi faktor-faktor lain seperti daerah ekspansi dan lingkungan juga harus dipertimbangkan dalam menentukan lokasi pabrik. Faktor-faktor yang harus diperhatikan dalam menentukan lokasi pabrik adalah :

Persediaan bahan makanan Persediaan buruh

Pajak dan peraturan daerah - Pemasaran -

Sumber tenaga dan bahan bakar - Karakteristik temapt
Iklim Fasilitasi transportasi -

Persediaan air - Masyarakat -

Keamanan - negara Bahan-bahan buangan
Perlindungan terhadap banjir dan kebakaran Selain hal-hal diatas, di dalam menentukan lokasi suatu pabrik ada beberapa orientasi, yaitu :

a. Orientasi kepada bahan mentah (Raw Material Oriented), yaitu penentuan lokasi pabrik berdasarkan jarak antara bahan mentah dengan pabrik. Jadi pabrik yang raw material oriented didirikan dekat sumber bahan mentah. b. Orientasi pasar (Market Oriented), yaitu penentuan lokasi pabrik berdasarkan atas jarak antara pabrik dengan daerah pemasaran hasil tersebut.

c. Junction oriented, yaitu penentuan lokasi pabrik berdasarkan atas jarak antara pabrik dengan sumber bahan mentah dan jarak antara pabrik dengan pasar.

d. Dan orientasi-oientasi lain yang dapat menjadi pertimbangan. Di dalam menentukan lokasi pabrik ada faktor lain yang perlu dipertimbangkan, yaitu :  Upah buruh yang rendah  Pajak ringan  Dekat dengan sumber air  Dekat dengan sumber tenaga Namun sifat-sifat bahan baku maupun produk juga digunakan sebagai pertimbangan dalam menentukan lokasi pabrik. Misal pabrik dengan “weight lossing”, dimana hasil produk jauh lebih ringan bila dibandingkan dengan bahan bakunya, maka lokasi pabrik sebaiknya terletak didekat sumber bahan baku. Sedangkan “weight gaining” dimana hasil jauh lebih berat bila dibandingkan dengan bahan bakunya, maka pabrik terletak di daerah pemasaran.

2.5.2 Lay Out Pabrik

Setelah proses flow diagram disusun, sebelum desain pemipaan struktural dan listrik dimulai, maka lay out proses pabrik dan peralatan harus direncanakan terlebih dahulu.

Perencanaan lay out pabrik meliputi perencanaan storage area, proses area dan handling area. Pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam lay out pabrik adalah :

1. Tanah yang tersedia

2. Tipe dan kualitas produk

3. Kemungkinan pengembangan pabrik masa mendatang

4. Distribusi bahan baku, bahan jadi, air, listrik dan lain-lain

5. Keadaan lingkungan cuaca dan sosial

6. Keamanan terhadap bahaya kebakaran, peledakan, gas beracun dan bentuk bangunan

7. Pengaturan terhadap penggunaan lantai ruangan dan elevasi Secara garis besar lay out pabrik ini dibagi menjadi beberapa daerah utama yaitu :

1. Daerah administrasi/perkantoran, laboratorium dan ruang kontrol  Daerah administrasi merupakan pusat kegiatan administrasi pabrik yang mengatur kelancaran operasi  Laboratorium dan ruang kontrol sebagai pusat pengendalian proses, kuantitas dan kualitas bahan yang akan diproses serta produk yang akan dijual.

2. Daerah proses Merupakan daerah alat-alat proses diletakkan dan proses berlangsung

3. Daerah pergudangan umum dan garasi

4. Daerah utilitas

Merupakan daerah dimana terjadi kegiatan penyediaan air, listrik, steam, baan bakar, dan unit pengolahan limbah.

9 Limbah 30*50 1500

17 Poliklinik 20 x 30 600

16 Aula 30 x 50 1500

15 Jalan / taman 10000

14 Kantin 10x30 300

13 Daerah pengembangan 50 x 160 8000

12 Pemadam kebakaran 15 x 20 300

11 Tangki penyimpan 40 x 100 4000

10 Laboratorium 20 x 30 600

8 Utilitas 40 x 80 3200

Adapun perincian luas tanah sebagai bangunan pabrik dapat dilihat pada tabel dibawah ini :

7 Daerah proses 70 x 80 5600

6 Kantor Pusat 40 x 70 2800

5 Gudang 20 x 30 600

4 Bengkel 40 x 40 1600

3 Masjid 30 x 30 900

2 Parkir 20 x 50 1000

1 Pos Keamanan 8 x 5 x 5 200

2 )

Tabel 2.1 Perincian Luas Tanah dan Bangunan Pabrik No. Bangunan Ukuran (m) Luas (m

Jumlah 42700

1 Gambar 2.2 Denah Pabrik Keterangan gambar tata letak pabrik :

1. Pos Keamanan

10. Kantin

2. Taman

11. Masjid

3. Parkir

12. Laboratorium

4. Kantor Pusat

13. Pengolahan Limbah

5. Aula

14. Proses Produksi

6. Poliklinik

15. Tangki Penyimpanan

7. Gudang

16. Utilitas

8. Bengkel

17. Daerah Pengembangan

9. Pemadam Kebakaran

18. Jalan

2.5.3 Lay Out Peralatan

Dalam perancangan lay out peralatan proses ada beberapa hal yang perlu dipertimbangkan, yaitu :

1. Aliran proses bahan baku dan produk Pengaliran bahan baku dan produk yang tepat akan memberikan keuntungan ekonomis yang besar serta menunjang kelancaran dan keamanan produksi.

Perlu diperhatikan elevasi pipa, untuk pipa diatas tanah perlu dipasang pada ketinggian 3 m atau lebih. Sedangkan untuk pemipaan pada permukaan tanah diatur sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu lalu lintas pekerja.

2. Aliran udara Aliran udara di dalam dan sekitar areal proses perlu diperhatikan supaya lancar. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya stagnasi udara pada suatu tempat yang dapat mengakibatkan akumulasi bahan kimia yang dapat membahayakan pekerja. Selain itu perlu diperhatikan juga hembusan angin.

3. Cahaya Penerangan seluruh pabrik harus memadai pada tempat-tempat proses yang berbahaya atau beresiko tinggi perlu diberikan penerangan tambahan.

4. Lalu lintas manusia Dalam perancangan lay out peralatan perlu diperhatikan agar para pekerja dapat mencapai seluruh alat proses dengan cepat dan mudah. Apabila terjadi gangguan alat proses dapat segera diperbaiki. Selain itu keamanan pekerja selama menjalankan tugasnya perlu diperhatikan.

5. Dalam menempatkan alat-alat proses pada pabrik diusahakan agar dapat menekan biaya operasi dan menjamin kelancaran dan keamanan produksi pabrik sehingga dapat menguntungkan dari segi ekonomi.

6. Jarak antar alat proses Untuk alat operasi yang mempunyai tekanan dan suhu operasi yang tinggi sebaiknya dipisahkan dari alat proses lainnya sehingga apabila terjadi ledakan atau kebakaran pada alat tersebut tidak membahayakan alat proses lainnya. Tata letak alat proses harus dirancang sedemikian rupa sehingga :

 Kelancaran proses produksi terjamin  Dapat mengefektifkan penggunaan luas lantai  Biaya material handling menjadi rendah dan menyebabkan turunnya pengeluaran utnuk kapital yang tidak penting.

Jika lay out peralatan proses sedemikian rupa sehingga urut-urutan proses produksi lancar, maka perusahaan tidak perlu membeli alat angkutan yang biayanya mahal.  Karyawan mendapat kepuasan kerja

Jika karyawan mendapatkan kepuasan kerja, maka akan mengakibatkan meningkatnya semangat kerja yang menyebabkan meningkatnya produktivitas kerja.

Keterangan : 1. T-01 : Tangki penyimpan n-butana dengan impuritas Propana.

2. T-02 : Tangki penyimpan n-butana.

3. T-03 : Tangki penyimpan asam asetat.

4. P-01 : Pompa fresh feed N-Butana masuk ke reaktor

5. P-02 : Pompa produk masuk ke separator vessel

6. P-03 : Pompa poduk dari HE ke D-01

7. P-04 : Pompa produk atas D-01 ke UPL

8. P-05 : Pompa produk bawah D-01 ke T-03

9. P-06 : Pompa produk Reaktor ke T-02

10. HE-01 : Heater fresh feed

11. HE-02 : Heater umpan D-01

12. CL-01 : Pendingin hasil Reaktor

13. CD-01 : Kondensor D-01

14. R-01 : Reaktor

15. F-01 : Flash drum

16. E-01 : Expander Valve

17. SV-01 : Separator Vessel

18. D-01 : Kolom destilasi I

19. AC-01 : Accumulator D-01

20. RB-01 : Reboiler D-01

21. F-01 : Filter

22. B-01 : Blower

23. K-01 : Kompresor

Bab II Deskripsi Proses - TRI YOKO BAB II