TUGAS AKHIR PRARANCANGAN PABRIK TRIMETILETILENA DENGAN PROSES ISOMERISASI METIL BUTENA KAPASITAS 15.000 TONTAHUN

TUGAS AKHIR PRARANCANGAN PABRIK TRIMETILETILENA DENGAN PROSES ISOMERISASI METIL BUTENA KAPASITAS 15.000 TON/TAHUN

Oleh:

Chenvika Cicylia Pekerto

I 1504004

Nasrifah Nur Rohmani

I 1504013

PROGRAM STUDI S-1 NON REGULER TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA

TUGAS AKHIR

PRARANCANGAN PABRIK TRIMETILETILEN A

DENGAN PROSES ISOMERISASI METIL BUTENA KAPASITAS 15.000 TON/TAHUN

Oleh :

Chenvika Cicylia Pekerto

I 1504004

Nasrifah Nur Rohmani

I 1504013

Dipertahankan di depan tim penguji :

1. Ir. Samun Triyoko NIP. 19470421 198503 1 001

2. Wirawan Ciptonugroho,S.T., M.S. NIP. 19831223 200912 1 004

Pembimbing

Dwi Ardiana S, S.T., M.T. NIP. 19730131 199802 2 001

2. ..................................................... Disahkan Ketua Program Studi S-1 Non Reguler Jurusan Teknik Kimia

Enny Kriswiyanti A., S.T., M.T.

Puji Syukur kepada Allah, karena rahmat dan ridho-Nya, penulis akhirnya dapat menyelesaikan penyusunan laporan tugas akhir dengan judul “Prarancangan Pabrik Trimetiletilena Dengan Proses Isomerisasi Metil Butena 15.000 ton/tahun”.

Dalam penyusunan tugas akhir ini penulis memperoleh banyak bantuan baik berupa dukungan moral maupun material dari berbagai pihak. Oleh karena itu sudah sepantasnya penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Kedua orang tua dan keluarga atas dukungan doa, materi dan semangat yang senantiasa diberikan tanpa kenal lelah.

2. Dwi Ardiana Setyawardhani, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing atas bimbingan dan bantuannya dalam penulisan tugas akhir.

3. Ir. Samun Triyoko selaku Dosen Penguji I dan Wirawan Ciptonugroho, S.T., M.S. selaku Dosen Penguji II dalam ujian pendadaran tugas akhir.

4. Dr. Sunu H. Pranolo selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia FT UNS.

5. Teman-teman mahasiswa Teknik Kimia FT UNS. Penulis menyadari bahwa laporan tugas akhir ini masih jauh dari

sempurna. Oleh karena itu penulis membuka diri terhadap segala saran dan kritik yang membangun. Semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis pada khususnya dan pembaca pada umumnya.

Surakarta, Maret 2012

Penulis

5.3.3. Dewan Direksi…………………………………………. 109

5.3.4. Staf Ahli……………………………………………….. 110

5.3.5. Penelitian dan Pengembangan (Litbang)……………… 110

5.3.6. Kepala Bagian…………………………………………. 111

5.4. Pembagian Jam Kerja Karyawan……………………………… 115

5.4.1. Karyawan non shift / harian…………………………… 115

5.4.2. Karyawan Shift……..………………………………….. 117

5.5. Status Karyawan dan Sistem Upah……………………………. 118

5.5.1. Karyawan Tetap……………………………………….. 118

5.5.2. Karyawan Kontrak…………………………………… 119

5.5.3. Karyawan Borongan…………………………………… 119

5.6. Penggolongan Jabatan, Jumlah Karyawan, dan Gaji………….. 119

5.6.1. Penggolongan Jabatan…………………………………. 119

5.6.2. Jumlah Karyawan dan Gaji……………………………. 120

5.7. Kesejahteraan Sosial Karyawan……………………………….. 122

5.8. Manajemen Produksi………………………………………….. 123

5.8.1. Perencanaan Produksi…………………………………. 124

5.8.2. Pengendalian Produksi………………………………… 125 BAB VI ANALISA EKONOMI

6.1. Penaksiran Harga Peralatan …………………………………… 133

6.2. Penentuan Total Capital Investment (TCI)…………………..... 136

6.2.1. Modal Tetap (Fixed Capital Investment)……………… 136

6.3 Penentuan Biaya Produksi Total………………………………. 148

6.3.1. Manufacturing Cost……………………………………. 148

6.3.2. General Expense……………………………………….. 155

6.4. Keuntungan (Profit)………………………………………….... 157

6.5. Analisa Kelayakan…………………………………………….. 158

Daftar Pustaka ……………………………………………………………….... Lampiran A. Data-Data Sifat Fisis ……………………………………………. Lampiran B. Neraca Massa …………………………………………………… Lampiran C. Neraca Panas ……………………………………………………. Lampiran D. Perancangan Reaktor ……………………………………………

Tabel 6.6 Working Capital Investment........................................................... 148 Tabel 6.7 Raw Material Inventory................................................................... 149 Tabel 6.8 Daftar Gaji Karyawan..................................................................... 150 Tabel 6.9 Daftar Gaji Supervisi..................................................................... 150 Tabel 6.10 Manufacturing Cost......................................................................... 154 Tabel 6.11 Management Salaries...................................................................... 155 Tabel 6.12 General Expenses............................................................................ 157

Gambar I.1 Grafik impor Trimetiletilena di Indonesia dari tahun 1997– 2006…...…….………………………………………………... 4

Gambar II.1 Diagram Alir Proses….………………………………………. 25 Gambar II.2 Diagram Alir Kualitatif..……………………………………... 26 Gambar II.3 Diagram Kuantitatif………………………………………...... 27 Gambar II.4 Tata Letak Pabrik Trimetiletilena……..……………………… 46 Gambar II.5 Tata Letak Peralatan Proses………………………………….. 49 Gambar IV.1 Skema Pengolahan Air Umpan Boiler, Air Proses, Air

Konsumsi dan Sanitas…………………………………………. 76

Gambar IV.2 Unit Penyediaan Udara Tekan………………………………… 79 Gambar V.1 Struktur Organisasi Pabrik Trimetiletilena…………………… 116 Gambar VI.1 Grafik Hubungan Tahun Dengan Index Cost.………………... 134 Gambar VI.2 Grafik Analisa Kelayakan ……...…….……………………. 163

INTISARI

Chenvika Cicylia Pekerto dan Nasrifah Nur Rohmani, 2012, Prarancangan Pabrik Trimetiletilena dengan Proses Isomerisasi Metil Butena, Kapasitas 15.000 ton/tahun. Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta.

Trimetiletilena banyak digunakan sebagai bahan baku pembuatan isopropene, karet sintesis. Prarancangan pabrik trimetiletilena dengan proses isomerisasi metil butena kapasitas 15.000 ton/tahun dengan bahan baku metil butena 76.235,9 ton/tahun. Pabrik ini direncanakan didirikan di kawasan industri Krakatau Industrial, Cilegon pada tahun 2012 dan beroperasi pada tahun 2014.

Pembentukan trimetietilena merupakan reaksi isomerisasi yang dilakukan dengan cara mereaksikan metil butena. Reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis dan dilakukan dalam reaktor fixed bed multitube. Tahap reaksi ini berlangsung pada kondisi 80 o

C dan tekanan 3 atm. Produk yang dihasilkan adalah trimetiletilena dengan kemurnian 95%. Tahapan proses meliputi persiapan bahan baku metil butena, pembentukan trimetiletilena di reaktor, dan pemurnian hasil di menara distilasi.

Dalam perancangan pabrik ini alat utama yang digunakan reaktor dan menara distilasi. Sedangkan alat pendukung berupa tangki penyimpan bahan dan produk, separator, heat exchanger, expander dan pompa.

Untuk menunjang proses produksi, maka didirikan unit pendukung yaitu unit utilitas yang meliputi pengadaan dan pengolahan air, listrik, steam, bahan bakar, dan udara tekan. Laboratorium digunakan untuk menjaga mutu dan kualitas bahan baku dan produk sesuai dengan spesifikasi yang diharapkan. Limbah yang dihasilkan oleh pabrik Trimetiletilena adalah limbah proses purging Pengolahannya dengan cara menampung sementara dalam tangki penyimpanan untuk diteliti dan dijadikan sebagai produk yang lain dengan spesifikasi yang baru dan air buangan sanitasi diolah sampai kadar yang ditentukan oleh unit pengolahan limbah kawasan PT. KIEC .

Bentuk perusahaan yang dipilih adalah Perseroan Terbatas (PT), dengan struktur organisasi line and staff. Sistem kerja karyawan berdasarkan pembagian jam kerja yang terdiri dari karyawan shiff dan non-shift.

Dari hasil analisa ekonomi diperoleh, ROI (Return on Investment) sesudah pajak sebesar 31,50%, POT (Pay Out Time) sesudah pajak selama 2,4 tahun, BEP (Break Even Point) 42,41%, dan SDP (Shutdown Point) 36,16%. Sedangkan DCF ( Discounted Cash Flow ) sebesar 20,94%. Jadi dari segi ekonomi pabrik tersebut layak untuk didirikan.

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Pendirian Pabrik

Indonesia merupakan salah satu negara yang berpotensi disektor minyak dan gas bumi, sehingga minyak dan gas bumi dapat dijadikan komoditi penting untuk pemasukan devisa negara. Di samping itu minyak dan gas bumi dapat diproses lagi menjadi produk-produk baru yang lebih menguntungkan.

Salah satu modal untuk mencapai tujuan tersebut adalah kekuatan sumber daya alam dan sumber daya manusia. Berdasarkan modal utama tersebut, maka pengembangan industri diarahkan untuk pendalaman dan pemantapan struktur industri yang dikaitkan dengan sektor ekonomi lain.

Pengembangan industri yang perlu mendapat perhatian pemerintah adalah pengembangan industri kimia dasar. Dengan berkembangnya industri ini akan membuka lapangan kerja baru bagi rakyat Indonesia sehingga dapat meningkatkan taraf hidup masyarakat Indonesia.

Peningkatan kebutuhan harus diimbangi dengan peningkatan industri, oleh sebab itu pemerintah telah menggalakan pembangunan disektor industri terutama dalam bidang industri kimia dasar. Salah satu diantaranya adanya pendirian pabrik trimetiletilena.

Pendirian pabrik trimetiletilena diharapkan mampu merangsang berdirinya pabrik kimia lain dan mampu menyuplai kebutuhan dalam negeri. Trimetiletilena Pendirian pabrik trimetiletilena diharapkan mampu merangsang berdirinya pabrik kimia lain dan mampu menyuplai kebutuhan dalam negeri. Trimetiletilena

1. Menurunnya jumlah impor yang berarti menghemat devisa negara, dan dimungkinkan nanti kita mengekspor trimetiletilena sehingga menambah devisa negara.

2. Sebagai pemasok bahan baku bagi industri-industri dalam negeri yang menggunakan trimetiletilena sebagai bahan bakunya.

3. Membuka lapangan kerja sehingga membantu mengatasi masalah pengganguran.

4. Meningkatkan kesejahteraan penduduk sekitar pabrik.

5. Merangsang dan membantu berkembangnya industri yang manggunakan bahan dasar atau bahan pembantu trimetiletilena.

1.2 Kapasitas Perancangan

Dalam perancangan kapasitas rancangan pabrik trimetiletilena ini ada beberapa pertimbangan, antara lain kebutuhan dalam negeri, ketersediaan bahan baku dan kapasitas minimal yaitu kapasitas pabrik yang sudah ada.

1.2.1 Kebutuhan trimetiletilena dalam negeri

Berdasarkan data statistik dari biro statistik, kebutuhan akan trimetiletilena di Indonesia adalah sebagai berikut :

Tahun

Jumlah (kg)

(Biro Pusat Statistik, 1999-2004)

1.2.2 Ketersediaan bahan baku

Kebutuhan bahan baku trimetiletilena yang berupa methyl butene dari Sanghai Office Manufacture dengan perusahan Hebei Smart Chemicals Co., Ltd dengan kapasitas 20.000 ton/tahun dengan kebutuhan 15.564 ton/tahun.

(http://www.ec21.com/offer_detail/Sell_2_METHYL_1_BUTENE.html)

1.2.3 Kapasitas minimal

Dari literatur diperoleh data bahwa pabrik yang telah memproduksi trimetiletilena berada di Amerika dan Eropa barat yaitu Kellogg Company yang mempunyai kapasitas rancangan sebesar 50.000 ton/tahun.

(http://www.kelloggcompany.com/) ExxonMobil Biomedical Sciences Inc. dengan kapasitas produksi sebesar sebesar 15.000 ton/tahun. (http://www.chem.unep.ch/irptc/sids/oecdsids/513359.pdf) (http://www.kelloggcompany.com/) ExxonMobil Biomedical Sciences Inc. dengan kapasitas produksi sebesar sebesar 15.000 ton/tahun. (http://www.chem.unep.ch/irptc/sids/oecdsids/513359.pdf)

Pabrik trimetiletilena direncanakan dibangun pada tahun 2012 dan akan beroperasi pada tahun 2014. Berdasarkan pertimbangan dari data impor Indonesia dan kapasitas minimum pabrik trimetiletilena diatas maka dengan menggunakan analisa regresi linier untuk data impor, akan dapat diperkirakan kebutuhan trimetiletilena pada tahun 2014.

Gambar 1.1. Data impor trimetiletilena di Indonesia tahun 2005—2010

Dari regresi linier terhadap data impor trimetiletilena didapatkan

persamaan regresi y = 4,0753 . 10 5 x – 8,0271 . 10 8 .

Indonesia cenderung meningkat setiap tahunnya, dan pada tahun 2014, diperkirakan kebutuhan impor trimetiletilena mencapai 18.051.715 kg/tahun.

Pemilihan kapasitas produksi yang direncanakan pada tahun 2014 adalah 15.000 ton/tahun guna mencukupi kebutuhan dalam negeri dan mengurangi ketergantungan impor.

1.3 Pemilihan Lokasi Pabrik

Lokasi pabrik sangat berpengaruh pada keberadaan suatu pabrik, baik dari segi komersial maupun kemungkinan pengembangan di masa mendatang.

Pabrik trimetiletilena direncanakan akan didirikan di daerah kawasan industri Krakatau Industrial Estate Cilegon (PT. KIEC), propinsi Banten dengan pertimbangan sebagai berikut :

1. Kemudahan transportasi Daerah tersebut dekat dengan pelabuhan untuk keperluan tranportasi impor serta jalan raya dan jalan tol yang memadai sehingga memudahkan pengangkutan bahan baku dan produk.

2. Keadaan Geografis Kawasan industri Cilegon berada dalam daerah yang beriklim tropis, sehingga cuaca dan iklim relatif stabil. Begitu pula keadaan tanah yang relatif stabil.

3. Regulasi dan Perijinan Karena terletak dalam kawasan industri, maka segala macam perijinan menjadi lebih mudah. Adanya dorongan dari pemerintah daerah dalam 3. Regulasi dan Perijinan Karena terletak dalam kawasan industri, maka segala macam perijinan menjadi lebih mudah. Adanya dorongan dari pemerintah daerah dalam

4. Tersedianya sarana pendukung Fasilitas pendukung berupa air, energi dan bahan bakar tersedia cukup memadai karena merupakan kawasan industri. Kebutuhan utilitas dapat dipenuhi oleh perusahaan penyedia jasa pemenuhan kebutuhan utilitas. Kebutuhan tenaga listrik dipenuhi oleh PT. PLN unit PLTU Suralaya yang lokasinya tidak jauh dari kawasan industri. Kebutuhan air dapat dibeli dari PT. Krakatau Tirta Industri (PT. KTI) yang berada dalam kawasan industri

5. Tersedianya tenaga kerja Tenaga kerja baik tenaga biasa sampai tenaga ahli tersedia dalam jumlah yang cukup.

1.4 Tinjauan Pustaka

1.4.1 Macam-macam proses

Reaksi pembuatan trimetiletilena merupakan reaksi isomerisasi :

Beberapa proses pembuatan trimetiletilena yang telah digunakan adalah :

1. Proses Tekanan Tinggi Pada proses pembuatan trimetiletilena dengan bahan butene, menggunakan katalis nikel sulfida. Kondisi operasi reaksi yang optimal pada tekanan sekitar 1. Proses Tekanan Tinggi Pada proses pembuatan trimetiletilena dengan bahan butene, menggunakan katalis nikel sulfida. Kondisi operasi reaksi yang optimal pada tekanan sekitar

2. Proses Tekanan Rendah Proses ini merupakan proses yang umum digunakan. Proses ini merupakan proses isomerisasi dengan bahan baku methyl butene. Katalis yang digunakan adalah palladium 0,3 % wt yang terdekomposisi dalam alumina. Konversi yang dihasilkan adalah 82 %. Tekanan operasi sekitar 3 bar, dengan temperatur operasi optimal kurang lebih 80 °C.

(US. 4,724,274) Dalam pembuatan trimetiletilena ini dipilih proses tekanan rendah, karena proses ini mempunyai kelebihan di banding proses tekanan tinggi, yaitu :

1. Produk yang dihasilkan banyak

2. Temperatur reaksi lebih rendah

3. Katalis yang digunakan lebih murah

4. Biaya peralatan dan produksi yang lebih sedikit

1.4.2 Kegunaan produk

Trimetiletilena merupakan salah satu bahan kimia yang dapat digunakan diberbagai sektor kehidupan seperti:

1. Sebagai bahan baku pabrik isopropena

2. Sebagai bahan baku dalam pembuatan karet sintetis

3. Sebagai bahan baku pembuatan TAME 3. Sebagai bahan baku pembuatan TAME

4. Sebagai bahan baku pembuatan ETBE ETBE atau Etil Tersier Butil Eter biasa digunakan sebagai zat aditif dalam memproduksi gasolin dari minyak mentah.

5. Sebagai bahan baku pembuatan MTBE MTBE atau Metil Tersier Butil Eter merupakan zat yang berfungsi untuk anti knoking sehingga bisa menaikkan angka oktan pada bensin. Dapat pula digunakan sebagai solven dikarenakan mempunyai titik didih yang tinggi.

(http://en.wikipedia.org/wiki/2-Methyl-2-butene)

1.4.3 Sifat Fisika dan Kimia

1.4.3.1 Bahan Baku

1. Metil Butena Rumus kimia:

Sifat fisis : Ø Berat Molekul

: 70,134 g/mol

Ø Titik didih

: 31 °C

Ø Titik leleh

: -137 °C

Ø Density pada 25 °C : 0,654 gr/cm 3

(Perry and Green,1986)

Ø Penampilan Ø Kelarutan

: tidak larut dalam air

Ø Viskositas

: 0,1822 cP pada 25 °C

Sifat kimia :

1. Metil Butena dapat terisomerisasi menjadi trimetiletilena dengan katalisator asam sulfat. Reaksi :

2. Metil Butena dapat terklorinasi menjadi 2-Metil Dikloro 2-Butena. Reaksi :

Cl 2

2. 1-Pentene Rumus kimia:

CH 2 = CH – CH 2 – CH 2 – CH 3

Sifat fisis : Ø Berat Molekul

: 70,134 g/mol

Ø Titik didih

: 30 °C

Ø Titik leleh

: -165 °C

Ø Density pada 25 °C : 0,635 gr/cm 3

Ø Penampilan

: cairan keruh

Ø Kelarutan Ø Viskositas

: 0,2015 cP pada 25 °C

Sifat kimia :

1. Reaksi pembakaran dengan oksigen membentuk karbondioksida dan air Reaksi :

2C 5 H 10 + 15 O 2 10 CO 2 + 10 H 2 O

2. Reaksi dengan hidrogen akan membentuk alkana (pentane) Reaksi :

C 5 H 10 +H 2 5 C H 12

3. Reaksi dengan halogen membentuk alkil halida Reaksi :

C 5 H 10 + Cl 2 C 5 H 10 Cl 2

1.4.3.2 Produk

1. Trimetiletilena Rumus Kimia:

Sifat fisis : Ø Berat Molekul

: 70,134 g/mol

Ø Titik didih

: 38,5 °C

Ø Titik leleh

: -134 °C

Ø Density pada 25 °C : 0,666 gr/cm 3

Ø Penampilan

: cairan keruh

Ø Kelarutan

: 193 mg/l dalam air pada 25 °C

Ø Viskositas

: 0,2192 cP pada 25 °C

Sifat kimia :

1. Trimetiletilena direaksikan dengan Methanol membentuk Ter-Amil Metil Eter (TAME). Reaksi:

2. Trimetiletilena direaksikan dengan ethane membentuk 4-Metil 2- Pentena. Reaksi:

1.4.3.3 Bahan Pendukung

Ø Katalis Sifat fisis:

Ø Bentuk Ø Bulk densitas

: 0,65 g/cm 3

Ø Luas area spesifik

: 60 m 2 /g

Ø Granulasi

: 96 % (http://www.foodingredientsonline.com/storefronts/emin.html)

1.4.4 Tinjauan Proses

Trimetiletilena diproduksi secara kontinyu dengan proses isomerisasi methyl butene dalam fase gas. Bahan baku tersebut diumpankan dalam reaktor fixed bed yang berisikan katalis yang terdiri dari 0,3 % wt Palladium (Pd) yang

terkomposisi dalam Alumina (Al 2 O 3 ) tetragonal gamma berbentuk bola yang mempunyai luas area spesifik 60 m 2 /g.

Reaksi isomerisasi berlangsung secara eksotermal. Kecepatan reaksi berlangsung secara optimum pada suhu 80 °C dengan tekanan 3 atm dan konversi reaktor mencapai 82 % dan reaksi samping sangat sedikit atau hampir tidak ada.

Hasil dari reaktor yang berupa metil butene, trimetiletilena, dan 1-pentena masuk ke unit permurnian yang terdiri dari menara distilasi yang berfungsi untuk memisahkan trimetiletilena dari metil butena dan 1-pentena, sehingga didapatkan trimetiletilena yang lebih murni. Bahan baku sisa reaksi dikembalikan kembali ke reaktor.

Reaksi pembuatan trimetiletilena merupakan reaksi isomerisasi :

Metil Butena Trimetiletilena

DISKRIPSI PROSES

2.1 Spesifikasi Bahan Baku, Bahan Pendukung dan Produk

2.1.1 Spesifiksi Bahan Baku

1. Metil Butena Fase pada atmosferis : cair Warna

: cairan keruh

Komposisi metil butena

1-pentene

: 2 % (impuritas maksimum)

Produsen

: Hebei Smart Chemicals Co., Ltd

Kapasitas

: 20.000 ton/tahun

(http://www.ec21.com/offer_detail/Sell_2_METHYL_1_BUTENE.html)

2.1.2 Spesifikasi Bahan Pendukung

1. Katalis alumina aktif + 0,3 % berat palladium Fase pada atmosferis : padat Warna

: hitam keabu-abuan mengkilap

Kebutuhan

: 7.217 kg/tahun

Produsen

: EM Industries Inc, Canada

Kapasitas

: 374 ton/tahun (http://www.foodingredientsonline.com/storefronts/emin.html)

1. Trimetiletilena Fase pada atmosferis : Cair Warna

Impuritas Metil butena

2. Konsep Proses

2.1.4 Dasar Reaksi

Trimetiletilena (trimetiletilena) diproduksi dengan proses isomerisasi metil butena (metil butena) dalam fase gas dengan katalis palladium (Pd) yang

terkomposisi dalam alumina (Al 2 O 3 ) tetragonal gamma berbentuk bola. Reaksi yang terjadi sebagai berikut :

methyl butane

trimetiletilena

Reaksi berlangsung dalam fase gas dengan katalis padat dan bersifat eksotermis. Oleh karena itu reaktor yang dipilih adalah reaktor fixed bed multi tube .

Reaksi isomerisasi berlangsung secara eksotermis dan reaktor beroperasi secara isotermis dan non adiabatik. Reaksi dilakukan pada suhu 80 o C dan tekanan Reaksi isomerisasi berlangsung secara eksotermis dan reaktor beroperasi secara isotermis dan non adiabatik. Reaksi dilakukan pada suhu 80 o C dan tekanan

(US Patent 4.724.274) Proses ini menggunakan katalis palladium (Pd) (0,3 % wt) yang terkomposisi dalam alumina (Al 2 O 3 ) tetragonal gamma berbentuk bola, dimana

katalis ini berfungsi untuk mengarahkan dan mempercepat reaksi, juga menurunkan energi aktivasi.

2.1.5 Mekanisme Reaksi

Mekanisme yang terjadi pada reaksi pembentukan trimetiletilena adalah sebagai berikut :

1. Transfer massa reaktan dari badan utama fluida ke permukaan luar katalis (external diffusion)

2. Transfer massa reaktan dari permukaan luar ke permukaan dalam pori -pori katalis (internal diffusion)

3. Adsorbsi reaktan pada permukaan katalis (chemisorbsion)

4. Reaksi pada permukaan katalis

5. Desorbsi produk reaksi dari permukaan dalam katalis

6. Transfer massa produk dari permukaan dalam ke permukaan luar katalis

7. Transfer massa produk dari permukaan luar katalis ke badan utama fluida

Langkah proses nomor 1, 2, 6, 7 sangat cepat dibandingkan langkah nomor

3, 4, 5 sehingga kecepatan reaksi tidak dipengaruhi oleh transfer massa. Jadi langkah yang menentukan adalah reaksi pada permukaan katalis. (Fogler, 1999)

Reaksi :

1. Adsorbsi A di permukaan aktif katalis

r A = kecepatan adsorbsi metil butena k A = konstanta kecepatan adsorbsi metil butena k -A = konstanta kecepatan desorbsi metil butena P A = tekanan parsial metil butena

C V = puncak aktif pada permukaan katalis yang kosong

C AS = puncak aktif pada permukaan katalis yang ditempati metil

butena K A = konstanta kesetimbangan adsorbsi desorbsi metil butena

k -A

r S = kecepatan reaksi metil butena menjadi trimetiletilena k S = konstanta kecepatan reaksi terbentuknya trimetiletilena k -S = konstanta kecepatan reaksi terbentuknya metil butena

C AS = puncak aktif pada permukaan katalis yang ditempati metil

butena

C BS = puncak aktif pada permukaan katalis yang ditempati

trimetiletilena K S = konstanta kesetimbangan reaksi

3. Desorbsi B (produk) BS

B D BS D D D P k C k r k - - =

÷÷ ø

çç è

÷÷

çç

k -D

k -S

Dimana;

r D = kecepatan desorbsi trimetiletilena k D = konstanta kecepatan desorbsi trimetiletilena k -D = konstanta kecepatan adsorbsi trimetiletilena P B = tekanan parsial trimetiletilena

C V = puncak aktif pada permukaan katalis yang kosong

C BS = puncak aktif pada permukaan katalis yang ditempati

trimetiletilena K D = konstanta kesetimbangan adsorbsi desorbsi

trimetiletilena

Langkah yang menentukan : Reaksi permukaan katalis

1. Adsorbsi A di permukaan aktif katalis

r A = 0, sehingga :

A A AS A C K C K =

2. Desorbsi B (produk)

r D = 0, sehingga :

Total konsentrasi AS V t V C C C C + = +

Pada kondisi optimum nilai dari

<< 1; jadi dapat diabaikan.

sehingga persamaan menjadi:

C t = total konsentrasi

(Fogler, 1999)

2.1.6 Tinjauan Kinetika

Reaksi isomerisasi metil butena merupakan reaksi eksotermis sehingga selama reaksi berlangsung akan terjadi pelepasan panas. Agar kondisi tetap optimum maka dijaga agar suhu tetap konstan (isotermal) yaitu dengan melakukkan pendinginan melalui shell reaktor. Harga konstanta kecepatan reaksi (k) dalam pembentukan trimetiletilena mengikuti persamaan umum kinetika menurut persamaan Arrhenius :

k=A.e –E/RT

dimana :

k = konstanta kecepatan reaksi (dm 3 /gkatalis.jam)

A = faktor frekuensi tumbukan

E = energi aktivasi (Joule/mol) R = konstanta gas (8,31447 Joule/mol.K ) T = temperatur operasi ( K )

Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi adalah :

1. Suhu Semakin tinggi suhu, maka harga k (konstanta kecepatan reaksi) akan semakin

2. Katalis Katalis juga berperan dalam menurunkan energi aktivasi sehingga konstanta kecepatan reaksi tinggi dan reaksi dapat berjalan cepat serta lebih mengarahkan reaksi bergeser ke kanan.

3. Konsentrasi Konsentrasi berkaitan dengan jumlah partikel yang bereaksi. Makin besar konsentrasi berarti makin banyak partikel sehingga makin banyak yang bergerak dan makin banyak yang bertumbukan. Sehingga dengan banyaknya partikel yang bertumbukan kecepatan reaksi akan semakin besar.

4. Luas Permukaan Pengaruh luas permukaan terhadap kecepatan reaksi sama seperti pengaruh terhadap tumbukan. Untuk itu maka luas permukaan makin besar akan menyebabkan jumlah tumbukan semakin besar, sehingga kecepatan reaksi semakin besar.

Dengan, C A = Konsentrasi metil butena, mol/liter

C B = Konsentrasi trimetiletilena, mol/liter

(US Patent 4.724.274) (US Patent 4.724.274)

2.1.7 Tinjauan Termodinamika Reaksi Isomerisasi metil butena menjadi trimetiletilena

metil butena

trimetiletilena

Harga ΔH o

f masing-masing komponen pada suhu 298.15 K dapat dilihat pada tabel 2.1 sebagai berikut :

Tabel 2.1 Harga ΔH o f masing-masing komponen

Komponen

Harga ΔH o f (kJ/mol)

metil butena

trimetiletilena

ΔH Reaksi

= ΔH o f produk – ΔH o f reaktan

= (ΔH o f trimetiletilena) – (ΔH o f metil butena) = (-40,8) – (-34,9) kJ/mol = -5,9 kJ/mol

Karena harga ΔH Reaksi negatif, maka reaksi bersifat eksotermis.

Tabel 2.2 Harga ΔG o f masing-masing komponen

Komponen

Harga ΔG o f (kJ/mol)

metil butena

trimetiletilena

(Yaws, 1999)

= (ΔGf trimetiletilena) – (ΔGf metil butena) = (61,6) – (67,2) kJ/mol = -5,6 kJ/mol

(Smith & VanNess, 1987) dengan : K = Konstanta kesetimbangan pada suhu tertentu T = Suhu tertentu

H K . 298 D 298 = Panas reaksi standar pada 298.15 K

Pada suhu 80 o

C (353,15 K) besarnya konstanta kesetimbangan dapat dihitung sebagai berikut :

, 353 ln 353 K

Karena harga konstanta kesetimbangan kecil, maka reaksi berlangsung secara bolak-balik (reversible).

2.1.8 Kondisi Operasi

Kondisi operasi sangat menentukan jalannya proses dan produk yang dihasilkan. Pada perancangan ini dipilih kondisi operasi : Suhu

Katalis : alumina aktif + 0,3 % berat Palladium (Pd) Fase reaksi : gas Pada kondisi operasi ini diperoleh konversi trimetiletilena terhadap metil butena sekitar 82%.

2.2 Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses

2.2.1 Diagram Alir Proses

Diagram alir ada tiga macam, yaitu:

a. Diagram alir proses Dapat dilihat pada gambar 2.1

b. Diagram alir kuantitatif Dapat dilihat pada gambar 2.2

c. Diagram alir kualitatif

Proses produksi trimetiletilena terbagi menjadi beberapa tahap di bawah ini :

1. Tahap penyiapan bahan baku

2. Tahap pembentukan produk

3. Tahap pemurnian produk

1. Tahap penyiapan bahan baku Bahan baku metil butena yang diimpor dari luar negeri disimpan dalam bentuk cairan pada temperatur 30 °C pada tekanan atmosferis dengan tangki silinder vertikal flat bottom head conical. Bahan tersebut kemudian dialirkan menuju vaporizer (E-01) sebelumnya telah dicampur dulu dengan bahan baku recycle dari menara distilasi 1 (T-01) untuk mengubah fase menjadi gas. Agar mencapai kondisi yang diinginkan yaitu tekanan 3 atm dan temperatur 80 °C, maka bahan tersebut dialirkan ke heater (E-02) dan menuju reaktor (R-01).

2. Tahap pembentukan produk Reaksi pembentukan trimetiletilena terjadi di reaktor fixed bed multitube dengan kondisi tekanan 3 atm dan temperatur 80 °C. Reaksi yang terjadi adalah eksotermis sehingga diperlukan pendinginan agar kondisinya optimum (80 °C) dengan cara mendinginkan dengan cooling water.

3. Tahap pemurnian produk Gas-gas yang keluar dari reaktor diteruskan menuju menara distilasi T-01 untuk pemurnian lebih lanjut. Pada menara distilasi T-01 terjadi pemisahan produk dan reaktan dengan komposisi distilat terbesar adalah metil butena dan

Hasil atas menara distilasi T-01 direcycle ke reaktor. Hasil bawah menara distilasi T-01 yaitu trimetiletilena dengan tingkat kemurnian 95 %.

2.3 Neraca Massa dan Neraca Panas

Produk

: trimetiletilena

95,00 % Kapasitas perancangan

: 15.000 ton/tahun trimetiletilena Waktu operasi selama 1 tahun : 330 hari Waktu operasi selama 1 hari : 24 jam

2.3.1 Neraca Massa

Basis perhitungan

: 1 jam operasi

Satuan

: 1 kg

a. Neraca massa total Tabel 2.3 Neraca massa total

Komponen

Input (kg/jam)

Output (kg/jam)

arus 1

arus 12

arus 13 1-pentena

18,48 metil butena

49,00 trimetiletilena

Total

1. Neraca massa separator FG-01 Tabel 2.4 Neraca massa separator FG-01

Komponen

input (kg/jam) output (kg/jam)

arus 5

arus 3 arus 4

1-pentena

metil butena

2. Neraca massa reaktor R-01 Tabel 2.5 Neraca massa reaktor R-01

Komponen

input (kg/jam) output (kg/jam)

metil butena

trimetiletilena

Total

Tabel 2.6 Neraca massa menara distilasi T-01

Komponen

input (kg/jam) output (kg/jam)

arus 6

arus 11 arus 12

metil butena

4. Neraca massa heat exchanger E-04 Tabel 2.7 Neraca massa heat exchanger E-04

Komponen

input (kg/jam) output (kg/jam)

arus 8

arus 10 arus 12

metil butena

trimetiletilena

Total

Tabel 2.8 Neraca massa Tee-01

Komponen

input (kg/jam) output (kg/jam) arus 1 arus 2

metil butena 1925,85 248,78

6. Neraca massa Tee-02 Tabel 2.9 Neraca massa Tee-02

Komponen

input (kg/jam)

output (kg/jam)

165,64 metil butena

2717,88 trimetiletilena

Total

Tabel 2.10 Neraca massa Tee-03

Komponen

input (kg/jam)

output (kg/jam)

112,32 metil butena

8. Neraca massa Tee-04 Tabel 2.11 Neraca massa Tee-04

Komponen

input (kg/jam)

output (kg/jam)

20,82 metil butena

93,66 trimetiletilena

Total

Tabel 2.12 Neraca massa Tee-05

Komponen

input (kg/jam)

output (kg/jam)

metil butena

297,78 248,78

49,00

trimetiletilena

22,68 18,95

3,73

Total

432,78 361,56

71,21

432,78

Basis perhitungan

: 1 jam operasi

Satuan

: 1 kJ

a. Neraca panas total Tabel 2.13 Neraca panas total

Komponen

Input (kJ/jam)

Output (kJ/jam) Vaporizer (E-01)

Heater (E-02)

Panas Reaksi

Cooler Reaktor 117016,87 Expander

95439,24 Kondenser (E-05)

934223,19 Kondenser (E-03)

4436486,47 Reboiler (E-04)

Arus 6 54422,03 Arus 7

971,99 Total

5638559,78 Selisih

Ralat

1. Neraca panas reaktor R-01 Tabel 2.14 Neraca panas reaktor R-01

Komponen

Input (kJ/jam)

Output (kJ/jam)

Panas Reaksi

2. Neraca panas separator S-01 Tabel 2.15 Neraca panas separator S-01

Komponen

Input (kJ/jam)

Output (kJ/jam)

Arus 5

Arus 4

Arus 3

Total

Tabel 2.16 Neraca panas menara distilasi T-01 Komponen

Input (kJ/jam)

Output (kJ/jam)

54422,03 Pendingin E-03

4436486,47 Pemanas E-04

4. Neraca panas heat exchanger E-01 Tabel 2.17 Neraca panas heat exchanger E-01

Komponen