Bab II Deskripsi Proses 15 - repository.ump.ac.idrepository.ump.ac.id/5153/3/Rio Baskoro_BAB...

Bab II Deskripsi Proses

15

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 (CME Group)

Density : 600 kg/m3

oksigen

Kadar : 23,2 % berat dari udara.

: 20,946 % mol.

Warna : jernih

Bm : 31,999 g/mol

Volume jenis : 0,7 m3/kg

Titik didih : - 182,98 0C

Titik beku : - 218,79 0C

Temperatur kritis : - 118,57 0C

Tekanan kritis : 50,43 bar

Volume kritis : 73,4 cm3/mol

Pra Rancangan Pabrik..., Rio Baskoro, Fakultas Teknik UMP, 2010


16

Density cair : 0,8 kg/m3

Density gas : 1,4292 kg/m3

2.1.2 Spesifikasi Bahan Pembantu

Katalis Mangan

Bentuk : padatan / metal

Warna : silvery metallic

Berat atom : 54.938045

Fase : solid at 298 K

Density : 7470 kg/m3

Melting point : 1519 K atau 1246 oC

Boiling point : 2334 K atau 2061 oC

Thermal conductivity : 7,8 W/m.K

2.1.3 Spesifikasi Produk

Asam Asetat

Bentuk : cair jenuh

Warna : jernih

Kemurnian : minimal 99 %

Impuritas : maksimal 1 % terdiri dari asam format dan air (BP

p.1.c)

Density : 1049 kg/m3



17

2.2 Konsep Proses

2.2.1 Dasar Reaksi

Pada proses pembuatan asam asetat dengan proses oksidasi n-butana

didasarkan pada reaksi sebagai berikut:

Reaksi utama:

C4H10 + 5/2 O2 2 CH3COOH + H2O

Reaksi samping:

CH3COOH + H2O HCOOH + CH3OH (www.wikipedia.com)

Asam asetat yang dihasilkan mempunyai kemurnian 99%. Katalis yang

digunakan adalah mangan asetat liquid.

2.2.2 Mekanisme Reaksi

Mekanisme reaksi pembentukan asam asetat dari n-butana dan oksigen

dengan katalis mangan adalah sebagai berikut :

H5C2-C2H5 + Mn C2H8* + 2 H+ + Mn

C2H8* + 5/2 O2 C2H8O5*

C2H8O5* + 2 H+ + Mn 2 CH3COOH + H2O + Mn

Reaksi yang terjadi melibatkan bahan baku dan katalis mangan 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.



18

2.2.3 Kondisi Operasi

Reaksi pembentukan asam asetat merupakan reaksi fase cair dengan

kondisi operasi pada tekanan 50 atm dan suhu 180oC. Kondisi operasi dipilih

berdasarkan pertimbangan :

2.2.3.1 Tinjauan Thermodinamika

Dilihat dari reaksi pembentukan asam asetat :

C4H10 + 5/2 O2 CH3COOH + H2O 180oC, 50 atm

n-butana oksigen asam asetat air

∆H298 = -986,03 kJ/mol

Tanda negatif menunjukkan bahwa reaksi antara n-butana dengan oksigen yang

membentuk asam asetat adalah reaksi eksotermis.

Dilihat dari energi bebas Gibbs (Gfo)

Data yang dibutuhkan :

No. Komponen ∆H (J/mol) ∆G (J/mol)

1.

2.

3.

N- Butane

Asam Asetat

Air

- 125790

- 484500

- 285820

-16570

- 389900

- 237129

(Smith-Van Ness, sixth edition)

Gf 298o = Gf

o produk - Gfo reaktan

= (-237129 kJ/mol) + (2 x – 389900 kJ/mol) – (- 16570 kJ/mol)

= - 1000359 J/mol

K453,15 = exp [ - Gfo/RT ]

= exp [ 1000359 J/mol / (8,314 J/ gmol x 453,15)]

= 2,07 x 10115



19

∆ Cp dT R T

τ – 1 τ

∆Gf453.15o

RT ∆Gf298 - ∆H0

RT0 ∆H0 RT

1 T

∆Cp R

∆Cp dT R T

Untuk T = 180 + 273,15 = 453,15 K

T

∫ = ∆A ln τ +[∆B T0 + (∆CT02 + )( )]( τ-1)

To

(Smith-Van Ness, sixth edition) (13.19) T ∫ dT = ∆AT0 (τ -1) + T0

2 (τ2 -1) + T03 (τ3 -1) + ( )

To

(Smith-Van Ness, sixth edition) (14.19)

T T = + + ∫ dT - ∫ T0

T0

(Smith -Van Ness, sixth edition)

Dengan data sebagai berikut :

∆A = - 2,0625 ; ∆B = - 36,93 x 10 -3 ; T = 453,15 ; τ = 1,52

∆C = 11,222 x 10 -6 ; ∆D = 0,5675 x 10 5 ; T0 = 298,15 ; ∆H0 = - 1129040

Karena harga (K) sangat besar berarti laju reaksi ke kanan (k1) jauh lebih besar

daripada reaksi ke kiri (k2), 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.

∆ D τ2T0

2

Τ+ 1 2

∆ Cp R

∆B 2

∆C 3

∆D T0



20

(Levenspiel, Third Edition)

(Levenspiel, Third Edition)

Dari gambar 22.2 , kita dapat menulis persamaan kecepatan :

-rA’’’= ρAg

Ket :

έA= Faktor efektifitas untuk reaksi orde pertama dari A dengan persamaan

kecepatan (kA’’’ CB)

1

1 kAg ai

HA kAl ai

HA kAc ac

HA (kA

’’’ CB) έA ƒs + + +



21

Hukum konstanta Henry : HA = ρA / CA

Dalam hubungan ini :

- ra’ = kecepatan reaksi pembentukan asam asetat

k’ = konstanta kecepatan reaksi = 3,179 x 10-5 gr/cm3.s

Data yang dibutuhkan :

Gas stream : vg = 0.01 m3/s ; HA = 86000 Pa.m3/mol.

Liquid stream : vl = 2 x 10-4 m3/s ; CBo = 400 mol/m3

Catalyst : dp = 5 mm = 5 x 10-3m ; ρs = 1800 kg/m3

De = 4.16 x 10-10 m3/m.cat.s

Kinetik : kAgai = 3 x 10-4 mol / m3.Pa.s; kAlai = 0.02 s-1; kAc = 3.86 x 10-4 m/s

2.3 Diagram Alir Proses

2.3.1 Diagram Alir Proses (Lampiran)



22

2.3.2 Langkah Proses

Proses pembuatan asam asetat melalui proses oksidasi n-butana dengan

menggunakan katalis mangan 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 oC 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 30oC

menjadi 180 oC dan tekanan 50 atm.

Bahan baku udara dikompresikan dengan kompressor 3 stage untuk

menaikkan tekanan menjadi 55 atm. Kompressor multistage tersebut dilengkapi 2

intercooler sehingga suhu dapat terjaga pada 180 oC.

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 mangan.

Kemudian disemprotkan udara dengan tekanan 55 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.



23

Reaktor bekerja secara non isotermal non adiabatis. Suhu reaktor

dipertahankan dengan aliran air pendingin yang disirkulasi di shell. Suhu reaksi

dipertahankan sekitar 180 oC untuk mempertahankan 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 mangan. Suhu keluar reaktor

217 oC. Selanjutnya produk dalam fase gas dari reaktor dialirkan 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 condensable (as.asetat, as format, air, dan methanol) dan

non condensable (oksigen, karbon dioksida, nitrogen, dan propana). Senyawa

condensable dialirkan ke separator vessel untuk memisahkan n-butana 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 kg/m3

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

99oC sebelum dimasukkan ke dalam kolom destilasi. Dalam kolom destilasi

kesatu (D-01), dengan komponen kunci ringan yaitu air dan asam format

sedangkan komponen kunci berat adalah asam asetat. Hasil atas yang berisi

methanol, air, asam format, dan sedikit asam asetat dialirkan ke UPL dan hasil



24

bawah yang memiliki banyak komposisi asam asetat dengan impuritas air, asam

format sebesar 1% dijadikan sebagai produk pabrik ini.

2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas

2.4.1 Neraca Massa

a. Neraca Massa di Sekitar Reaktor

Komponen

Input Output

Arus 1

(Kg/Jam)

Arus 2

(Kg/Jam)

Arus 3

(Kg/Jam)

N-Butana 7096.16 3395.37

Oksigen 5050.51 50.51

Nitrogen 16327.06 16327.06

Karbon Dioksida 174.16 174.16

Propana 70.96 70.96

Asam Asetat 7500

Asam Format 62.70

Air 1126.31

Methanol 11.86

Total

7167.12 21551.72 28718.81

28718.81



25

b. Neraca Massa di Flash Drum

Komponen

Input Output

Arus 3

(Kg/Jam)

Arus 4

(Kg/Jam)

Arus 5

(Kg/Jam)

N-Butana 3395.37 1931.85 1463.52

Oksigen 50.51 50.51

Nitrogen 16327.06 16327.06

Karbon Dioksida 174.16 174.16

Propana 70.96 70.96

Asam Asetat 7500 242.93 7257.07

Asam Format 62.70 3.87 58.83

Air 1126.31 60.26 1066.05

Methanol 11.76 2.14 9.62

Total

28718.81 18863.73 9855.09

28718.81

c. Neraca Massa di Separator Vessel

Komponen

Input Output

Arus 5

(Kg/Jam)

Arus 6

(Kg/Jam)

Arus 7

(Kg/Jam)

N-Butana 1463.52 1463.52

Asam Asetat 7257.07 7257.07

Asam Format 58.83 58.83

Air 1066.05 1066.05

Methanol 9.62 9.62

Total

9855.09 1463.52 8391.56

9855.09



26

d. Neraca Massa di Destilasi I

Komponen

Input Output

Arus 7

(Kg/Jam)

Arus 8

(Kg/Jam)

Arus 9

(Kg/Jam)

Asam Asetat 7257.07 317.69 6939.38

Asam Format 58.83 46.34 12.50

Air 1066.05 839.63 226.42

Methanol 9.62 9.62 0

Total

8391.56 1213.27 7178.30

8391.56

2.4.2 Neraca Panas

Di lampiran

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. Suatu pabrik sebaiknya

ditempatkan di suatu tempat dimana 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

- Pemasaran - Pajak dan peraturan daerah

- Sumber tenaga dan bahan bakar - Karakteristik tempat



27

- Iklim - Fasilitasi transportasi

- Masyarakat - Persediaan air

- 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



28

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 diagram alir 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



29

• 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.

Adapun perincian luas tanah sebagai bangunan pabrik dapat dilihat pada tabel

dibawah ini :



30

Tabel 2.1 Perincian Luas Tanah dan Bangunan Pabrik

No. Bangunan Ukuran (m) Luas (m2)

1 Pos Keamanan 8 x 5 x 5 200 2 Parkir 20 x 50 1000 3 Masjid 30 x 30 900 4 Bengkel 40 x 40 1600 5 Gudang 20 x 30 600 6 Kantor Pusat 40 x 70 2800 7 Daerah proses 70 x 80 5600 8 Utilitas 40 x 80 3200 9 Limbah 30*50 1500 10 Laboratorium 20 x 30 600 11 Tangki penyimpan 40 x 100 4000 12 Pemadam kebakaran 15 x 20 300 13 Daerah pengembangan 50 x 160 8000 14 Kantin 10x30 300 15 Jalan / taman 10000 16 Aula 30 x 50 1500 17 Poliklinik 20 x 30 600

Jumlah 42700



31

1 1

17 18 16 13

15 14 12 11 18 7 8 9 10

6 2

18 5 4 3

1 2 1

Gambar 2.2 Denah Pabrik



32

Keterangan gambar tata letak pabrik :

1. Pos Keamanan

2. Taman

3. Parkir

4. Kantor Pusat

5. Aula

6. Poliklinik

7. Gudang

8. Bengkel

9. Pemadam Kebakaran

10. Kantin

11. Masjid

12. Laboratorium

13. Pengolahan Limbah

14. Proses Produksi

15. Tangki Penyimpanan

16. Utilitas

17. Daerah Pengembangan

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



33

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.



34

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 dalam, maka akan mengakibatkan

meningkatnya semangat kerja yang menyebabkan meningkatnya

produktivitas kerja.



35

F B

T-01

E

K

R

P-01HE-01

CL-01FD

P-02

SVP-06T-02

HE-02P-03

D-01

CD-01

AC-01

P-04

CL-02

UPL

Rb-01 P-05 CL-03

T-03

LAYOUT PERALATAN PABRIK D

EP

AN

P

AB

RIK

BE

LA

KA

NG

P

AB

RIK

KANTOR



36

1. T-01: Tangki penyimpan n-butana

2. T-02: Tangki penyimpan n-butana (recycle)

3. T-03: Tangki penyimpan asam asetat

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

5. P-02: Pompa produk dari FD ke Expandeer Valve

6. P-03: Pompa poduk dari HE-02 ke menara desitlasi

7. P-04: Pompa dari accumulator 01 ke menara destilasi

8. P-05: Pompa dari reboiler ke tangki 03

9. P-06: Pompa dari separator vessel ke tangki 02

10. HE-01: Heater umpan dari tangki 01 ke reaktor

11. HE-02: Heater produk dari separator vessel ke menara destilasi

12. CL-01 : Pendingin produk dari reaktor ke flash drum

13. CD-01 : Kondensor produk dari menara destilasi

14. R-01 : Reaktor

15. FD-01 : Flash drum

16. F-01 : Filter

17. B-01 : Blower

18. K-01 : Komperessor

19. D-01 : Kolom destilasi I

20. E-02 : Expander Valve

21. AC-01 : Accumulator D-01

22. RB-01 : Reboiler D-01


Bab II Deskripsi Proses 15 - repository.ump.ac.idrepository.ump.ac.id/5153/3/Rio Baskoro_BAB...

Documents

Transcript of Bab II Deskripsi Proses 15 - repository.ump.ac.idrepository.ump.ac.id/5153/3/Rio Baskoro_BAB...