METODIKA PERANCANGAN PABRIK

Oleh

Ir. Heriyanto, M.T.

PROGRAM STUDI D-IV TEKNIK KIMIA PRODUKSOI BERSIH

JURUSAN TEKNIK KIMIA

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2013

1. MEMILIH TEKNOLOGI DAN LOKASI PABRIK

Kata ‘pabrik’ bukan hanya milik para insinyur atau buruh semata. Bukan pula selalu mewakili sebuah sistem yang rumit, canggih dan sulit dipahami. Pabrik adalah sarana untuk memproduksi barang kebutuhan manusia. Tujuan pendirian pabrik adalah untuk bisa mendapatkan nilai tambah, biasanya nilai tambah secara ekonomi, dari bahan baku yang diolah menjadi produk baru yang memiliki nilai jual yang lebih tinggi. Pabrik bisa digolongkan dalam dua kelompok besar berdasarkan sejauh mana sebuah reaksi kimia terlibat dalam proses

produksi, yaitu pabrik manufaktur atau pabrik perakitan dan pabrik sintesis atau pabrik kimia.

Pabrik perakitan tidak mengubah bahan baku menjadi produk dengan reaksi kimia sebagai proses utama. Perubahan bahan baku menjadi produk bukan sebuah reaksi kimia. Pabrik perakitan mobil, pabrik konveksi dan pabrik rokok adalah beberapa contoh pabrik yang termasuk dalam kelompok ini. Pabrik kimia atau pabrik sintesis menyelenggarakan sebuah atau serangkaian reaksi kimia untuk mengubah bahan baku menjadi produk. Beberapa anggota kelompok ini misalnya pabrik sabun, pabrik alat-alat kosmetik dan pabrik gula. Pabrik-pabrik yang kerja utamanya membuat formulasi, hanya mencampurkan bahan-bahan kimia menjadi satu larutan atau campuran juga digolongkan sebagai pabrik kimia.

Tulisan ini ditujukan untuk menjadi gambaran umum mengenai alur pikir secara umum dalam merancang sebuah pabrik kimia. Namun demikian beberapa nilai yang perlu diperhatikan dalam merancang pabrik kimia seperti yang akan dibahas lebih lanjut bisa juga diterapkan dalam merancang pabrik perakitan.

Tulisan ini dibagi menjadi tiga bagian. Bagian pertama akan memberikan panduan tentang apa saja hal-hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan teknologi proses produksi dan penentuan lokasi pabrik yang kemudian dilanjutkan dengan panduan menghitung laba kotor dan kebutuhan bahan baku per satuan kilogram produk. Panduan memilih dan merancang alat-alat yang akan digunakan pabrik akan dituangkan pada tulisan bagian kedua. Tulisan ini akan ditutup dengan panduan merencanakan tata letak pabrik serta perhitungan kelayakan ekonomi yang memperhitungkan seluruh pengeluaran yang akan dan mungkin, termasuk cicilan bunga bank, pada bagian ketiga.

1.1 Pemilihan Pabrik Yang Akan Dibangun Serta Teknologi Yang Akan Digunakan

Pemilihan pabrik yang akan dibangun secara umum digolongkan menjadi tiga motivasi. Karena permintaan pasar, karena ketersediaan bahan baku yang berlimpah serta karena tersedianya teknologi baru. Bisa jadi motivasi untuk dibangunnya sebuah pabrik merupakan kombinasi dua jenis motivasi di atas atau bahkan kombinasi ketiga-tiganya sekaligus.

1

Pembangunan pabrik karena permintaan pasar yang meningkat merupakan motivasi yang sangat lazim dan sesuai dengan hukum ekonomi. Hal yang perlu diselidiki lebih lanjut adalah apakah lonjakan permintaan pasar tersebut akan stabil terus meningkat di masa datang, atau ada alasan-alasan khusus yang mempengaruhi pasar, seperti alasan tidak stabilnya politik negara, embargo ekonomi, atau kecelakaan-kecelakaan yang dialami produsen lain, calon saingan, yang menyebabkan produsen tersebut menurunkan produksi. Perlu data akurat dan analisis pasar yang jeli dari orang-orang yang berpengalaman untuk memastikan kestabilan peningkatan permintaan pasar. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah kapasitas produksi calon-calon saingan dari pabrik yang akan dibangun. Bisa jadi saingan tersebut sudah mengantisipasi lebih dahulu dan sudah mulai meningkatkan kapasitas produksi sebagai usaha mencuri start.

Motivasi membangun pabrik karena ketersediaan bahan baku merupakan motivasi yang sangat diharapkan dan didukung oleh pemerintah Indonesia. Fakta bahwa negara Indonesia punya sumber daya alam yang beraneka ragam dan berlimpah tidak perlu dipertanyakan lagi. Penggunaan bahan baku yang hanya ada di Indonesia akan meningkatkan daya saing pabrik tersebut. Bahan baku dari bidang pertanian menjanjikan keunggulan tersebut karena ada banyak jenis tumbuhan yang hanya bisa tumbuh alami di Indonesia. Hanya saja motivasi seperti ini memerlukan pemikiran yang kreatif, pemahaman terhadap teknologi kimia yang handal serta orang-orang yang memiliki visi tangguh. Tantangan lain adalah teknologi yang akan digunakan bisa jadi teknologi yang benar-benar baru atau teknologi lama yang perlu banyak modifikasi. Literatur juga terbatas disebabkan negara-negara maju jarang menyelenggarakan penelitian pengembangan teknologi untuk mengolah bahan baku yang tidak ada di dalam negerinya. Karena itu motivasi jenis ini memerlukan serangkaian penelitian dan pengkajian teknologi sebelum pabrik yang dicita-citakan akan didirikan.

Negara-negara maju saat ini berlomba-lomba membangun pabrik karena motivasi tersedianya suatu teknologi baru. Ketersediaan teknologi baru tidak hanya sekadar menyuguhkan suatu teknologi proses yang lebih hemat tapi bisa juga suatu produk baru. Hal ini bisa meningkatkan prestise negara tersebut di mata dunia. Pembangunan pabrik Compact Disc (CD) misalnya, adalah sebuah contoh pabrik yang dibangun karena ketersediaan suatu teknologi dan pengetahuan yang menyeluruh mengenai sinar laser dan apa yang mampu sinar laser akibatkan pada struktur kristal. Tapi tetap saja motivasi jenis ini butuh ide-ide yang cemerlang dan inovatif, yang percaya kalau fenomena sinar laser bisa digunakan sebagai sarana penyimpanan dan pembacaan data digital. Tidak semua teknologi baru bisa dikembangkan menjadi pabrik dengan produk baru.

Intinya, ketiga motivasi itu bisa berbuah menjadi sebuah pabrik apabila motivasi itu terdapat pada diri orang yang paham teknologi, punya visi tangguh, berani bersaing, memperhitungkan resiko dan berani menerima resikonya serta mau bekerja keras.

1.2 Pemilihan Lokasi Pabrik

Pemilihan lokasi pabrik secara umum bisa dikelompokkan berdasarkan dua alasan pemilihan, mendekati tempat bahan baku berada atau mendekati tempat pasar berada. Alasan pemilihan tersebut perlu mempertimbangkan biaya pengiriman dan transportasi,

2

sarana dan prasarana di daerah sekitar serta kebijakan pemerintah daerah setempat.

Pabrik biasanya didirikan di sekitar tempat bahan baku berada karena alasan bahan baku memiliki konsentrasi yang terlalu rendah. Freeport rela membangun pabriknya di tengah hutan Papua walaupun perusahaan tersebut harus mengeluarkan biaya besar untuk melengkapi sarana transportasi, pembebasan tanah, perumahan karyawan dan lain-lain karena biaya produksi akan jauh lebih mahal jika tanah yang mengandung emas dan tembaga tersebut dibawa ke tanah Jawa dan didulang di Jawa. Alasan lain adalah bahan baku berupa gas atau cair yang perlu penanganan khusus dalam pemindahan dan transportasinya. Inilah sebabnya lokasi pengilangan gas alam dan minyak bumi berada di tempat terpencil. Pabrik yang menggunakan hasil pertanian sebagai bahan baku juga sering dibangun di dekat kawasan pertaniannya untuk menghindari kerusakan bahan baku karena busuk. Pabrik pengalengan ikan juga biasanya di dekat dermaga. Malah ada pabrik yang dibangun di atas kapal untuk menghindari ikan menjadi busuk dan menghemat biaya transportasi untuk pasar ekspor.

Istilah ‘mendekati pasar’ di sini bukan semata-mata berarti harus berjarak dekat dengan pasar, tapi maksudnya adalah memiliki akses yang mudah, murah dan cepat ke konsumen karena tersedianya sarana transportasi yang memadai. Pemilihan lokasi pabrik yang mendekati pasar adalah alasan yang lebih lazim digunakan. Bagi pabrik yang memproduksi produk yang rentan dan perlu penanganan khusus, seperti pabrik es krim, membangun pabrik di dekat pasar yang ditargetkan menjadi sangat penting. Pabrik yang memiliki banyak saingan juga perlu berada di daerah yang memiliki akses yang mudah dan cepat ke pasar. Pabrik-pabrik minuman ringan (soft drink) membangun pabrik pengemasan dalam botol (bottling company) di berbagai tempat untuk memperluas pasarnya dan untuk menjaga agar konsumennya tidak beralih ke produk lain yang sejenis. Istilah pasar sendiri tidak semata-mata pasar domestik namun juga berarti pasar mancanegara jika perusahaan berorientasi pada produk ekspor. Bagi pabrik seperti ini, lokasi di dekat dermaga atau bandar udara menjadi contoh lokasi pabrik yang mendekati pasar. Bahkan kadang-kadang ada pabrik yang membangun dermaganya sendiri untuk kebutuhan ekspor bila dermaga umum tidak layak atau terlalu ramai.

Pemilihan lokasi mendekati pasar biasanya lebih disukai apabila pemerintah daerah setempat memiliki dan mengatur tata kota dengan visi sebagai kota kawasan industri. Segala sarana perhubungan seperti jalan raya dan jalan bebas hambatan, dermaga dan bandara serta sarana utilitas seperti listrik dan air bersih adalah milik umum yang diusahakan oleh pemerintah. Sarana perumahan untuk karyawan juga akan mudah terjangkau dari kawasan pabrik jika kota tersebut memiliki tata kota yang baik sebagai kota industri. Sarana hiburan bagi karyawan tidak perlu disediakan oleh perusahaan karena pihak swasta akan berlomba-lomba untuk membangunnya di kota tersebut.

Akan lain halnya jika lokasi pabrik mendekati bahan baku dan harus didirikan di lokasi terpencil. Segala sarana perhubungan, sarana utilitas, perumahan karyawan berikut sarana hiburan dan peribadatannya perlu menjadi perhatian perusahaan pemilik pabrik. Hal ini akan berarti tambahan biaya investasi. Tetapi perusahaan yang didirikan di lokasi mendekati bahan baku biasanya memiliki keuntungan biaya operasional yang lebih ringan serta dukungan pemerintah daerah setempat. Bahkan kadang-kadang perusahaan bisa mendesak pemerintah daerah untuk mengeluarkan kebijakan yang menguntungkan

3

perusahaan misalnya kelonggaran peraturan mengenai lingkungan hidup dan ketenagakerjaan. Kebijakan pemerintah menjadi faktor yang sangat mempengaruhi perolehan profit dan benefit bagi perusahaan. Pemerintah daerah kawasan industri akan menetapkan upah minimum regional yang tinggi serta peraturan lingkungan yang ketat. Kebijakan ini berani dilakukan karena pemerintah daerah tersebut sadar akan nilai tawar dari kawasannya. Oleh sebab itu perusahaan yang akan membangun pabrik di kawasan industri harus menghadapi biaya operasional yang lebih besar untuk pengeluaran sosial (social cost).

Pada akhirnya pemilihan lokasi mendekati bahan baku atau mendekati pasar juga berdasarkan keuntungan ekonomi (profit) dan keuntungan sosial kemasyarakatan (benefit) dari akibat pemilihan lokasi. Dalam rangkaian tulisan ini hanya dibahas analisis keuntungan ekonomi (profit). Untuk keperluan tersebut perlu perhitungan yang cermat dalam neraca massa dan energi pabrik produksi serta pemilihan sistem proses dan sistem pemroses yang paling efisien. Panduan mengenai perhitungan dan perancangan sistem proses dan sistem pemroses akan disampaikan pada bagian berikutnya.

Bacaan lebih lanjut: Turton,Bailie, Whiting& Shaelwitz . Analysis Synthesis and Design of Chemical Processes.Smith. Chemical Process DesignBowman. Applied Economic Analysis for Technologiest, Engineers and ManagersMartyn.S.Ray & Martin.G.Sneesby. Chemical Engineering Design ProjectTarek.M. Khalil. Management of TechnologyDutta & Manzoni. Process Reengineering, Change&Performance Improvement.

http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/teknologi_tepat_guna/belajar_merancang_pabrik_kimia_bagian_i_memilih_teknologi_untuk_pabrik_dan_lokasi_pabrik/

4

2. MENGHITUNG KAPASITAS PRODUKSI SERTA MEMILIH SISTEM PROSES DAN SISTEM PEMROSES

Tujuan utama usaha merancang dan membangun pabrik kimia adalah mendapatkan nilai tambah dari segi ekonomi dari suatu bahan baku. Peningkatan nilai ekonomi dilakukan dengan cara mengolah bahan baku menjadi suatu produk yang memiliki nilai jual yang lebih tinggi sehingga perusahaan pengolah memperoleh laba (profit). Pada pabrik yang memproduksi barang kimia dasar seperti

pupuk urea, asam sulfat, etanol dan sejenisnya, patokan mutunya semata-mata hanyalah komposisi dan kemurnian. Harga jual produk dan bahan baku untuk masing-masing kemurnian tertentu dan tetap. Bagi pabrik-pabrik seperti ini, pilihan untuk mendapatkan laba lebih banyak bukan dengan meningkatkan mutu melainkan dengan cara menghemat ongkos produksi dan memperbanyak jumlah produk yang dihasilkan per tahunnya. Jumlah produk yang dihasilkan per satuan waktu tertentu inilah yang dinamakan kapasitas produksi.

Perhitungan kapasitas produksi yang cermat menjadi aspek yang sangat penting dalam usaha memperoleh laba lebih banyak. Tentu saja perhitungan ini harus didukung dengan analisa kebutuhan pasar yang cermat pula sebagaimana yang telah disinggung pada part 1. Meningkatkan kapasitas produksi dapat dilakukan dengan cara menambah dan atau modifikasi peralatan yang ada agar bisa beroperasi lebih optimal dan efisien. Usaha modifikasi ini membutuhkan pemahaman tentang sistem proses dan sistem pemroses.

Andaikan Anda ingin mengawetkan ikan bandeng. Anda memiliki beberapa pilihan cara pengawetan: dikeringkan, diasinkan atau diasapkan. Cara-cara pengawetan ini dinamakan sistem proses. Jika Anda memilih sistem proses pengasapan untuk mengawetkan bandeng, untuk selanjutnya hanya dinamakan sistem pengasapan. Produk Anda adalah bandeng asap. Untuk membuat bandeng asap, sekali lagi Anda menjumpai pilihan sistem proses, menggunakan asap dalam bentuk gas atau asap cair. Jika Anda memilih menggunakan asap gas, Anda membutuhkan tungku untuk menghasilkan asap dan ruang pengasapan. Jika Anda memilih menggunakan asap cair, Anda membutuhkan wadah, ember misalnya, untuk merendam bandeng dalam asap cair. Tungku penghasil asap, ruang pengasapan dan ember adalah sistem pemroses. Ilustrasi mengenai bandeng asap ini diharapkan dapat memantapkan pemahaman terhadap sistem proses dan sistem pemroses.

Usaha produksi dalam pabrik kimia membutuhkan berbagai sistem proses dan sistem pemroses yang dirangkai dalam suatu sistem proses produksi yang terkendali. Untuk lebih mudah, rangkaian sistem proses produksi ini dinamakan teknologi proses. Selain permintaan pasar dan ketersediaan bahan baku serta utilitas, sebagaimana telah disinggung pada part 1, kinerja teknologi proses juga menjadi patokan dalam menetapkan kapasitas produksi karena bisa jadi suatu teknologi proses memiliki batas kapasitas minimum agar perusahaan tetap mendapat laba.

5

Teknologi proses yang dijual dalam bentuk lisensi biasanya ditampilkan dalam bentuk rangkaian sistem proses yang dinamakan diagram alir atau block diagram. Diagram alir yang lebih rinci menampilkan rangkaian sistem pemroses dan dinamakan flow chart. Segala lisensi yang dipatenkan dan diperdagangkan merupakan lisensi atau paten untuk rancangan teknologi proses. Anda mungkin sering mendengar proses Kraft untuk teknologi proses produksi keju, proses Richard untuk pemurnian garam dapur, proses Kelloggs untuk teknologi proses produksi susu bubuk, proses Faurchild untuk proses produksi kaca jendela. Ibarat penghargaan Nobel untuk ilmuwan, penghargaan Pulitzer untuk jurnalis, maka Kirkpatrick Award adalah penghargaan bertaraf internasional bagi para perancang teknologi proses produksi pabrik kimia yang dianggap memberikan kontribusi atau terobosan baru yang paling kreatif di dunia perancangan teknologi proses.

2.1 Diagram Alir dan Neraca Massa & Energi

Usaha membuat block diagram menjadi flow chart memerlukan perhitungan neraca massa dan energi. Neraca massa adalah kajian jumlah material yang masuk, keluar dan yang terakumulasi dari tiap-tiap sistem proses. Neraca energi adalah rangkaian proses keseluruhan serta kajian tentang jumlah energi (panas) yang harus dipasok atau dikeluarkan dari tiap-tiap sistem proses dan rangkaian proses secara keseluruhan. Perkembangan teknologi komputasi telah banyak membantu dalam penyediaan berbagai software untuk perhitungan neraca massa dan energi, di antaranya Hysys dan ChemCad.

Data yang paling menarik dari neraca massa dan energi adalah jumlah masing-masing bahan baku, serta bahan bakar yang dibutuhkan untuk memproduksi produk per satuan jualnya, misalnya per kilo atau per liter. Perhitungan perolehan produk dapat ditentukan dari data tersebut. Perolehan bermakna, berapa persen bahan baku yang diumpankan berubah menjadi produk. Perhitungan laba per satuan jual juga dapat ditentukan dari data ini. Jika Anda ingin modal investasi untuk membangun pabrik didapat kembali setelah pabrik beroperasi dalam kurun waktu tertentu, Anda bisa memperkirakan seberapa banyak produk yang harus dibuat dalam kurun waktu tersebut dengan data ini. Dengan kata lain, Anda telah menetapkan kapasitas produksi Anda.

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam menghitung neraca massa dan energi adalah penggunaan dasar perhitungan dalam kaitannya dengan teknologi proses. Pabrik yang menyelenggarakan proses produksi secara sinambung (continuous) 24 jam sehari 300 hari setahun seperti pabrik pupuk dan pabrik pengilangan minyak bumi menggunakan dasar perhitungan laju produksi, laju material yang masuk dan keluar sistem proses per satuan waktu yang singkat, misalnya per jam atau per menit.

Penggunaan dasar perhitungan ini tidak cocok digunakan pada sistem proses yang beroperasi partaian (batch) atau proses yang membutuhkan waktu lama dalam beroperasi, misalnya proses fermentasi. Misalnya Anda mampu membuat tape (peuyeum) 480 kg dalam sekali proses dengan lama proses fermentasi 2 hari. Perhitungan Anda akan lebih akurat jika mengunakan dasar perhitungan 1440 kg per minggu daripada 10 kg per jam, dengan anggapan seminggu 6 hari kerja.

6

Penggunaan dasar perhitungan juga perlu memperhatikan rentang waktu antar pengiriman bahan baku dan penjualan produk. Apakah bahan baku dikirim dalam jumlah tertentu seminggu sekali, sebulan sekali atau tiga bulan sekali. Pertimbangan ini juga mempengaruhi besar gudang yang dibutuhkan.

2.2 Sistem Pereaksian dan Sistem Pemisahan & Pemurnian

Pemilihan sistem pemroses yang menjadi unit-unit teknologi proses sangat bergantung pada beban kerja sistem pemroses yang diketahui dari perhitungan neraca massa dan energi. Secara garis besar, sistem proses utama dari sebuah pabrik kimia adalah sistem proses pereaksian, yang untuk kemudian dinamakan sistem pereaksian, dan sistem proses pemisahan & pemurnian, yang untuk kemudian dinamakan sistem pemisahaan & pemurnian. Walaupun ada pabrik yang sistem proses utamanya hanya terdiri dari sistem pemisahan & pemurnian saja seperti pabrik gula dan pabrik garam, atau hanya sistem pereaksian saja seperti pabrik sabun.

Sistem pereaksian merupakan ciri khas pabrik kimia. Proses perubahan bahan baku menjadi produk terjadi dalam sistem ini. Pertanyaan-pertanyaan yang perlu dijawab sebelum merancang sistem pereaksian adalah bagaimana persamaan reaksi dan stoikiometrinya, pada suhu dan tekanan berapa reaksi akan diselenggarakan, apakah bahan yang akan direaksikan pada fasa padat, cair atau gas, apakah reaksi tersebut memerlukan katalis, apakah fasa katalis yang digunakan padat atau cair, apakah reaksi tersebut menghasilkan panas atau membutuhkan pemanasan dan berapa lama reaksi itu berlangsung.

Sistem pemroses bagi sistem proses pereaksian adalah reaktor. Ada dua model teoritis paling populer yang digunakan dalam merancang reaktor yang beroperasi dalam keadaan tunak, yaitu Continous Stirred Tank Reactor (CSTR) dan Plug Flow Reactor (PFR). Perbedaannya adalah pada dasar asumsi konsentrasi komponen-komponen yang terlibat dalam reaksi. CSTR adalah reaktor model berupa tangki berpengaduk dan diasumsikan pengaduk yang bekerja dalam tanki sangat sempurna sehingga konsentrasi tiap komponen dalam reaktor seragam sebesar konsentrasi aliran yang keluar dari reaktor. Model ini biasanya digunakan pada reaksi homogen di mana semua bahan baku dan katalisnya berfasa cair, atau reaksi antara cair dan gas dengan katalis cair. Untuk reaksi heterogen, misalnya antara bahan baku gas dengan katalis padat menggunakan model PFR. PFR mirip saringan air dari pasir. Katalis diletakkan pada suatu pipa lalu dari sela-sela katalis dilewatkan bahan baku seperti air melewati sela-sela pasir pada saringan. Asumsi yang digunakan adalah tidak ada perbedaan konsentrasi tiap komponen yang terlibat di sepanjang arah jari-jari pipa.

Sistem pemisahan dan pemurnian bertujuan agar hasil dari sistem pereaksian sesuai dengan permintaan pasar sehingga layak dijual. Sistem pemisahan kadang juga diperlukan untuk menyiapkan bahan baku agar konsentrasi atau keadaannya sesuai dengan katalis yang membantu penyelenggaraan reaksi.

Pemilihan sistem pemisahan dan pemurnian tergantung pada perbedaan sifat fisik dan sifat kimia dari masing-masing komponen yang ingin dipisahkan. Perbedaan sifat fisik yang

7

bisa dimanfaatkan untuk memisahkan komponen-komponen dari satu campuran adalah perbedaan fasa (padat, cair atau gas), perbedaan ukuran partikel, perbedaan muatan listrik statik, perbedaan tekanan uap atau titik didih dan perbedaan titik bekunya. Perbedaan sifat kimia yang bisa dimanfaatkan untuk memisahkan komponen-komponen suatu campuran adalah kelarutan dan tingkat kereaktifan.

Sistem pemroses yang dibangun tergantung pada jenis perbedaan apa yang ingin dimanfaatkan untuk memisahkan komponen tersebut. Sistem pemroses alat penyaring dan ruang pengendapan bisa digunakan untuk menyelenggarakan sistem proses pemisahan padatan dari cairan atau gas, sementara untuk memisahkan dua fasa cair tak larut hanya bisa menggunakan ruang pengendapan. Sistem pemroses alat penyaring juga bisa digunakan untuk memisahkan bahan padat dengan ukuran partikel yang berbeda. Sistem pemroses pemisahan dan pemurnian yang paling lazim di pabrik kimia adalah distilasi dan ekstraksi. Distilasi memanfaatkan perbedaan tekanan uap masing-masing komponen sedangkan ekstraksi memanfaatkan perbedaan derajat kelarutan komponen terhadap satu jenis atau satu campuran pelarut.

2.3 Sistem Penukar Panas dan Sistem Utilitas

Kedua sistem proses utama di atas, baik sistem pereaksian maupun sistem proses pemisahan & pemurnian membutuhkan kondisi operasi pada suhu dan tekanan tertentu. Menaikkan atau menurunkan tekanan biasanya dilakukan dengan cara menaikkan suhu pada suatu ruang yang volum dan isinya dijaga tetap. Suatu sistem penukar panas dibutuhkan agar sistem proses utama bisa berlangsung.

Sistem pemroses untuk sistem penukar panas adalah alat pemindah panas atau dikenal dengan heat exchanger. Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam merancang dan memilih heat exchanger adalah suhu dan tekanan saat proses pemindahan panas terjadi, fasa fluida yang memberi dan menerima panas serta apakah terjadi perubahan fasa pada fluida pemanas atau yang dipanaskan, dan sifat fisik masing-masing fluida. Sifat fisik fluida meliputi kapasitas panas (Cp), kalor penguapan, dan besaran kecepatan pindah panas. Hal-hal di atas dipertimbangkan untuk menentukan luas permukaan sentuh antara fluida pemanas dan yang dipanaskan agar proses pemindahan panas sempurna.

Dalam pabrik, panas biasanya ‘disimpan’ dalam fluida yang dijaga pada suhu dan tekanan tertentu. Fluida yang paling umum digunakan adalah air panas dan uap air (steam) karena alasan murah dan memiliki kapasitas panas tinggi. Fluida lain biasanya digunakan untuk kondisi pertukaran panas pada suhu di atas 100 C pada tekanan atmosfer. Air atau uap air bertekanan (steam) mendapatkan panas dari tungku pembakaran atau boiler.

Sistem pemindahan panas tidak hanya bertugas memberikan panas tetapi juga menyerap panas. Misalnya, menyerap panas dari sistem proses yang menghasilkan energi misalnya sistem proses yang melibatkan reaksi eksotermik atau menyerap panas agar kondisi sistem di bawah suhu ruang atau suhu sekitar. Untuk penyerap panas agar suhu di bawah suhu ruang biasanya pabrik menggunakan refrigerant, bahan yang sama dengan yang bekerja pada lemari es Anda. Penggunaan air sebagai media pendingin juga dibatasi sifat fisiknya yaitu titik didih dan titik beku. Suhu air pendingin perlu dikembalikan ke suhu sekitar atau suhu ruang agar bisa difungsikan kembali sebagi pendingin. Sistem pemroses yang

8

melakukan ini adalah cooling tower.

Cooling tower, boiler dan tungku pembakaran merupakan sistem-sistem pemroses untuk sistem penyedia panas dan sistem pembuang panas. Kedua sistem proses ini bersama-sama dengan sistem penyedia udara bertekanan, sistem penyedia listrik dan air bersih untuk kebutuhan produksi merupakan sistem penunjang berlangsungnya sistem proses utama yang dinamakan sistem utilitas. Kebutuhan sistem utilitas dan kinerjanya tergantung pada seberapa baik sistem utilitas tersebut mampu ‘melayani’ kebutuhan sistem proses utama dan tergantung pada efisiensi penggunaan bahan baku dan bahan bakar.

Pabrik tidak harus mempunyai sistem pemroses utilitas sendiri. Listrik misalnya, pabrik bisa membelinya dari PLN jika kapasitas PLN setempat mencukupi atau membeli dari pabrik tetangga. Demikian pula untuk unit pengolahan limbah, unit penyedia kukus & air pendingin dan unit penyedia udara bertekanan. Pada suatu kawasan industri, misalnya di Singapura, beberapa unit utilitas untuk seluruh kawasan dikelola oleh negara. Layaknya PLN & PDAM di Indonesia, Singapura memiliki perusahaan pengolahan limbah, perusahaan penyedia gas bahan bakar & udara bertekanan. Pada beberapa kawasan yang masih belum terjangkau jaringan perusahaan tersebut, ada perusahaan swasta yang ditunjuk pemerintah untuk menjual kebutuhan utilitas. Ini menjadi salah satu keunggulan yang lebih memikat para investor untuk menanamkan modalnya di Singapura.

Jika suatu pabrik ingin menyediakan sistem utilitasnya sendiri, sistem pemroses untuk sistem utilitas mudah didapat di pasar. Banyak perusahaan yang menjual boiler atau tungku pembakaran dalam berbagai kapasitas panas. Sama seperti generator listrik dan alat penjernihan air. Anda tinggal menentukan berapa banyak panas yang dibutuhkan pabrik per jam atau per harinya, sama seperti menentukan berapa kWh listrik yang Anda butuhkan. Pihak penjual akan merekomendasikan boiler atau generator listrik yang sesuai kebutuhan Anda bahkan memasangkannya pada pabrik Anda.

Memang merancang sistem pemroses untuk utilitas tidak serumit merancang sistem proses dan sistem pemroses utama. Kedua sistem ini membutuhkan pengetahuan kimia dan teknik kimia yang mendalam terhadap teknologi proses yang akan dibangun. Jika Anda membeli lisensi teknologi proses, Anda bisa mempercayakan perancangan dan pembangunan pabrik pada pihak penjual lisensi, tentunya dengan harga beli yang lebih tinggi. Anda bisa menggunakan jasa perusahaan konsultan dalam merancang dan membangun sistem proses dan sistem pemroses utama jika ingin merancang teknologi proses sendiri. Perusahaan yang bergerak di jasa perancangan pabrik kimia yang ada di Indonesia diantaranya adalah PT Rekayasa Industri (ReKin) dan PT Inti Karya Persada Teknik (IKPT).

Setelah proses perancangan dan pembangunan pabrik selesai, pabrik tersebut harus dioperasikan dalam keadaan yang terkendali dan menghasilkan produk dengan mutu yang terkendali pula. Untuk itu, pabrik perlu dilengkapi dengan sistem pengendalian dan sistem management sumber daya manusia yang terlibat, yang akan mengatur dan mengendalikan proses produksi. Gambaran secara umum tentang sistem pengendalian dan sistem management suatu pabrik akan dimuat pada tulisan selanjutnya, bersama dengan gambaran umum mengenai kajian kelayakan ekonomi suatu pabrik.

9

Bacaan lebih lanjut: Turton,Bailie, Whiting& Shaelwitz . Analysis Synthesis and Design of Chemical Processes.Smith. Chemical Process DesignBowman. Applied Economic Analysis for Technologiest, Engineers and ManagersMartyn.S.Ray & Martin.G.Sneesby. Chemical Engineering Design ProjectTarek.M. Khalil. Management of TechnologyDutta & Manzoni. Process Reengineering, Change&Performance Improvement.Himmelblau. Basic Principles and Calculation in Chemical Engineering. 5th edition. Prentice HallTreybal. Mass Transfer Operation. 3rd edition Mc Graw Hill Klaus Sattler & H.J.Feindt. Thermal Separation Process. Willey International Edition Humprey & Keller. Separation Process Technology. Mc Graw Hill Froust, Menzel, Clump, Andersen. Principles of Unit Operation. Jhon Willey & sons Cheremisinoff. Handbook of Chemical Process Equipment. Butterworth, Heinennman Perry Green. Perry’s Chemical Engineering Handbook. Mc Graw Hill Branan. Rules of Thumb for Chemical EngineersAustin Shreve. Shreve’s Chemical Process Industries. 5th edition. Mc Graw Hill McKetta. Unit Operations Handbook. Vol 1 & 2, Dekker

http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/teknologi_tepat_guna/belajar_merancang_pabrik_kimia_bagian_ii_menghitung_kapasitas_produksi_serta_memilih_sistem_proses_dan_sistem_pemroses/

10

3. SISTEM PENGENDALIAN DAN SISTEM MANAJEMEN PABRIK SERTA KAJIAN KELAYAKAN EKONOMI

Suatu pabrik dirancang dan dibangun dengan tujuan untuk meningkatkan nilai guna barang. Bahan baku yang awalnya memiliki nilai guna rendah jika diolah dalam pabrik akan menghasilkan suatu produk, baik produk akhir maupun produk intermediate, yang nilai gunanya lebih tinggi. Dengan mengubah nilai guna suatu bahan maka nilai jualnya juga berubah. Nilai jual yang tinggi tentu saja sangat diharapkan oleh semua pabrik karena dari situ perusahaan pengolah

mendapatkan laba (profit).

3.1 Sistem Pengendalian

Untuk mendapatkan laba yang banyak maka barang yang dihasilkan tentulah harus mempunyai kualitas yang bagus. Kondisi selama proses produksi sangat mempengaruhi kualitas produk. Suatu proses akan berjalan dengan baik jika dioperasikan pada kondisi optimumnya. Oleh karena itu dibutuhkan suatu alat pengendali (controller).

Tugas controller adalah mereduksi signal kesalahan yaitu perbedaan antara signal setting dengan signal aktual. Hal ini sesuai dengan tujuan sistem pengendalian adalah mendapatkan signal aktual (yang diinginkan) sama dengan signal setting. Semakin cepat reaksi sistem mengikuti signal aktual dan semakin kecil kesalahan yang terjadi maka semakin baik kinerja sistem pengendali yang diterapkan.

Jika perbedaan antara nilai setting dengan nilai keluaran relatif besar maka controller yang baik seharusnya mampu mengamati perbedaan ini untuk segera menghasilkan signal keluaran untuk mempengaruhi proses. Dengan demikian sistem secara cepat mengubah keluaran proses sampai diperoleh selisih antara setting dengan keluaran yang diatur sekecil mungkin.

Jenis controller ada beberapa macam. Pertama proportional controller (P) yang memiliki keluaran yang sebanding dengan besarnya kesalahan signal (selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya). Keluaran proportional controller merupakan perkalian antara konstanta-konstanta proporsional dengan masukannya. Perubahan pada signal masukan akan segera menyebabkan sistem secara langsung mengubah keluarannya sebesar konstanta pengalinya. Apabila nilai konstanta proporsionalnya kecil, proportional controller hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat. Jika nilai konstanta proporsional dinaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat mencapai keadaan tunaknya. Akan tetapi jika nilai tersebut diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil atau respon sistem akan berosilasi. Jenis proportional controller biasanya digunakan untuk mengendalikan ketinggian cairan dalam tangki.

11

Kedua adalah integral controller yang berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki kesalahan keadaan tunak . Kalau sebuah pabrik tidak memiliki unsur integrator (1/s), proportional controller tidak akan mampu menjamin keluaran sistem dengan kesalahan kondisi tunaknya nol. Integral controller memiliki karakteristik seperti halnya sebuah integral. Keluaran controller sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai signal kesalahan. Keluaran controller ini merupakan jumlahan yang terus menerus dari perubahan, keluaran akan menjaga keadaan seperti sebelumnya terjadi perubahan masukan. Dalam pemakaiannya biasanya proportional controller digabungkan dengan integral controller menjadi proportional integral controller (PI). Hasilnya berupa kurva berbentuk gelombang. Controller jenis ini biasanya digunakan untuk mengendalikan tekanan.

Ketiga adalah differential controller yang memiliki sifat seperti halnya suatu operasi derivatif. Perubahan yang mendadak pada masukan controller akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Ketika masukannya tidak mengalami perubahan, keluaran controller juga tidak mengalami perubahan. Differential controller umumnya dipakai untuk mempercepat respon awal suatu sistem, tetapi tidak memperkecil kesalahan pada kondisi tunak. Kerja differential controller hanya efektif pada lingkup yang sempit yaitu pada periode peralihan. Oleh karena itu differential controller tidak pernah digunakan tanpa ada controller lain dalam sebuah sistem.

Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing proportional controller, integral dan diferensial dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi proportional integral differential controller (controller PID). Elemen-elemen proportional controller, integral dan diferensial masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar. Controller jenis ini biasanya digunakan untuk mengendalikan suhu dan laju alir dalam sebuah reaktor.

3.2 Sistem Manajemen Sumber Daya Manusia

Guna menjalankan suatu proses di pabrik tidak hanya dibutuhkan teknologi yang canggih dan instrumentasi yang terkendali. Tetapi juga sumber daya manusia sebagai perancang, pelaksana dan pengendali proses. Secara fungsional suatu perusahaan dipimpin oleh seorang direktur utama yang bertugas menjalankan kepemimpinan perusahaan, menetapkan sistem dan tata kerja perusahaan dan menentukan kebijaksanaan perusahaan. Direktur utama memegang kekuasaan tertinggi di perusahaan.

Seorang direktur utama dibantu oleh beberapa direktur, kepala bagian, kepala seksi dan koordinator shift. Jumlah karyawan dari tingkat operator ke tingkatan lebih tinggi akan membentuk sebuah piramida. Artinya semakin ke atas jumlahnya semakin kecil.

Untuk pabrik-pabrik yang menggunakan sistem Continue (24 jam sehari dan 330 hari dalam setahun), karyawannya dibedakan menjadi 2 macam. Pertama karyawan regular yang mempunyai jam kerja tetap. Mereka bekerja setiap hari kerja dan libur pada hari Sabtu, Minggu dan hari besar. Kedua adalah karyawan shift yang terbagi dalam 4 regu dan dalam sehari terdapat 3 regu shift sedangkan 1 regu shift libur. Pembagian shift diatur

12

sedemikian rupa sehingga sehabis shift malam, karyawan mendapat libur 2 hari. Biasanya dalam 1 kelompok shift terdapat seksi proses, utilitas, logistik, listrik dan instrumentasi, bengkel, safety dan keselamatan kerja. Ini biasanya berlaku pada pabrik-pabrik besar, seperti pabrik pembuatan keramik, atau pabrik-pabrik kimia lainnya.

Sedangkan untuk pabrik yang menggunakan sistem Batch, seperti pabrik-pabrik pembuatan makanan (tempe, tahu), tidak diberlakukan karyawan shift, artinya karyawan bekerja secara regular setiap hari.

3.3 Kelayakan Ekonomi

Suatu pabrik layak didirikan jika telah memenuhi beberapa syarat antara lain safety-nya terjamin dan tentu saja dapat mendatangkan profit. Dalam hal ini kita akan memfokuskan pada kelayakan secara ekonomi saja. Untuk mendirikan suatu pabrik diperlukan modal yang cukup besar. Modal ini bisa berasal dari investor maupun dari pinjaman bank. Modal yang digunakan ada 2 macam yaitu modal tetap dan modal kerja. Modal tetap meliputi pembelian alat-alat, instalasi, pemipaan, instrumentasi, isolasi (jika perlu), listrik, utilitas, bangunan, tanah, engineering and construction, contractor’s fee dan contingency. Modal kerja besarnya tergantung pada jenis pabrik dan kapasitasnya. Modal kerja ini meliputi raw material inventory, in process inventory, product inventory, extended credit dan available cash.

Kedua modal di atas digunakan untuk biaya produksi yang terbagi menjadi 3 macam yaitu biaya produksi langsung, biaya produksi tidak langsung dan biaya tetap. Biaya produksi langsung adalah biaya yang harus dikeluarkan untuk pembiayaan langsung suatu proses, seperti bahan baku, buruh dan supervisor, perawatan, plant supplies, paten dan royalty dan utilitas. Biaya produksi tidak langsung adalah biaya yang dikeluarkan untuk mendanai hal-hal yang secara tidak langsung membantu proses produksi, antara lain payroll overhead (seperti rekreasi karyawan), laboratorium, plant overhead, packing dan pengapalan. Biaya tetap adalah biaya yang tetap dikeluarkan baik pada saat pabrik berproduksi maupun tidak. Biaya ini mencakup depresiasi, pajak dan asuransi. Selain itu ada juga biaya umum yang meliputi administrasi, sales expenses, penelitian dan finance. Laba atau profit diperoleh dari hasil pengurangan harga jual dengan biaya produksi.

Selain berorientasi pada perolehan profit, perusahaan juga harus bisa mengembalikan modal apalagi jika modal itu berasal dari pinjaman. Waktu untuk pengembalian modal dinyatakan dengan persentase Return On Investment (ROI) yang dirumuskan sebagai perbandingan laba dengan modal tetap. Bisa juga dinyatakan dalan Pay Out Time (POT). Besarnya Return On Investment dan Pay Out Time berbeda untuk tiap jenis pabrik tergantung dari resiko yang ditimbulkan oleh proses dalam pabrik .

Uji kelayakan ekonomi juga dinyatakan dalam bentuk grafik hubungan kapasitas produksi dan biaya yang harus dikeluarkan. Akan terbentuk 2 buah titik yaitu Shut Down Point dan Break Even Point. Shut Down Point adalah suatu titik di mana pada kondisi itu jika proses dijalankan maka perusahaan tidak akan mendapatkan laba tetapi juga tidak menimbulkan kerugian. Jika pabrik beroperasi pada kapasitas di bawah titik Shut Down Point maka pabrik akan mendapatkan rugi. Titik Break Even Point adalah keadaan yang timbul jika pabrik beroperasi pada kapasitas penuh. Nilai Break Even Point yang baik untuk pabrik

13

kimia biasanya berkisar antara 40% – 60%.

Dengan memperhatikan semua unsur, dari pemilihan lokasi, pemilihan teknologi, kapasitas, teknologi proses dan pemroses serta ditunjang dengan pengendalian proses dan sistem manajemen sumber daya manusia yang baik, maka dapat diperoleh laba yang optimum.

Bacaan selanjutnya: 

Aries, R.S. and Newton,R.D. Chemical Engineering Cost Estimation" Peters,M.S. and Timmerhous,K.D. Plant design and Economic for Chemical Engineers Ulrich,G.D. Guide to Chemical Engineering Process Design and EconomicsJohnson, Curtis. Process Control Instrumentation Technology

http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/teknologi_tepat_guna/belajar_merancang_pabrik_kimia_bagian_iii_sistem_pengendalian_dan_sistem_manajemen_pabrik_serta_kajian_kelayakan_ekonomi/

14

BASIC DESIGN

of CHEMICAL PLANT

15

PABRIK KIMIA

1. LATAR BELAKANGAlasan yang mendasari perlunya pendirian pabrik.

2. TUJUAN DAN MANFAATPabrik ini dirancang untuk menghasilkan …………………Produk samping utama adalah ………….

3. KAPASITASPabrik dirancang untuk menghasilkan nominal …………. ton per tahun dalam …… jam operasi tiap tahun kalender.

4. SPESIFIKASI BAHAN BAKU DAN PRODUK4.1 BAHAN BAKUBahan baku utama adalah ……………… dengan spesifikasi (komposisi) sebagai berikut.

4.2 PRODUKPabrik yang dirancang dapat menghasilkan produk ………….. dengan spesifikasi sebagai berikut.

5. DESKRIPSI PROSESSkema proses dan kondisi operasi ditunjukkan pada diagram alir proses.

6. NERACA MASSA TOTAL (yield of product)Hasil produksi diperoleh dari umpan sebagai berikut.

Umpan ………………….. laju …………. kg/jam………………….. laju …………. kg/jam………………….. laju …………. kg/jam

Produk ………………….. laju …………. kg/jam………………….. laju …………. kg/jam………………….. laju …………. kg/jam

7. UTILITASKondisi dan karakteristik utilitas yang akan digunakan dalam pabrik adalah sebagai berikut.

7.1 SteamJenis LPS MPS HPS

Rancangan Suhu 260 395 535 oCTekanan 5,5 25.0 67 kg/cm2 G

Operasi Suhu 195 295 400 oCTekanan 3,5 15,0 43 kg/cm2 G

7.2 KondensatRancangan Suhu 80 oC

Tekanan 10 kg/cm2 G

16

Operasi Suhu 50 oCTekanan 6 kg/cm2 G

7.3 Air PendinginRancangan Suhu 60 oC

Tekanan 8,5 kg/cm2 G

Operasi Suhu 33 oC (masuk), 43 oC max (keluar)Tekanan 4,5 kg/cm2 G (masuk), 2,5 (keluar)

Faktor Fouling 0,0002 m2 jam oC/kcal

7.4 Air Pendingin Langsung Dari Laut/SungaiRancangan Suhu 60 oC

Tekanan 4,5 kg/cm2 G

Operasi Suhu 30 oC (masuk), 37 oC max (keluar)Tekanan 2,0 kg/cm2 G (masuk), 1,0 (keluar)

Faktor Fouling 0,0002 m2 jam oC/kcal

7.5 Air Minum

KondisiRancangan Suhu 60 oC

Tekanan 5 kg/cm2 G

Operasi Suhu LingkunganTekanan 1,5 kg/cm2 G

KualitasCocok untum diminum.

7.6 Air Tersaring (Service Water)

KondisiRancangan Suhu 60 oC

Tekanan 9 kg/cm2 G

Operasi Suhu LingkunganTekanan 3 kg/cm2 G

KualitasAir tersaring

7.7 Udara Pabrik

KondisiRancangan Suhu 60 oC

Tekanan 10,5 kg/cm2 G

Operasi Suhu Lingkungan

17

Tekanan 7,5 kg/cm2 G

KualitasBebas minyak dan debu.

7.8 Udara Instrumen

KondisiRancangan Suhu 60 oC

Tekanan 10,5 kg/cm2 G

Operasi Suhu LingkunganTekanan 7,0 kg/cm2 G

Kualitas Titik embun -40 oC pada 1 atm Bebas minyakd an debu

7.9 Gas Bakar

LPG dengan kualitas Propana 92,5 %-molPropilena 5,0 %-moln-butana 2,0 %-moln-pentana 0,5 %-mol

7.10 Listrik

Dari PLNTegangan 20 kV Sistem 3 fase, 3 kawatFrekuensi 50 HzArus hubung singkat 35 kA

Dari PabrikTegangan 11 kVSistem 3 fase, 3 kawatFrekuensi 50 Hz

Distribusi Tegangan AC Tegangan tinggi: 20 kV, 3 fase Tegangan menengah untuk motor lebih dari 150 kW: 6 kV, 3 fase Tegangan rendah untuk motor 0,2 - 150 kW: 380 V, 3 fase Tegangan rendah untuk motor kurangd ari 0,2 kW: 220, 1 fase. Sumber tegangan tak terputus (UPS) untuk istrumen: 110 V, 1 fase Tegangan rendah umum dan penerangan: 220, 1 fase Tegangan untuk peralatan: 220 V, 1 fase

Distribusi Tegangan DC Tegangan kontrol umum untuk switchgear: 110 V

18

Instrumentasi: 24 V

8. KONDISI LOKASI DAN IKLIM

Lokasi : …………………………………

Kondisi Iklim

8.1 Suhu(1) Suhu Lingkungan

Maksimum 36,5 oCMinimum 18,3 oCRata-rata harian maksimum 31,4 oCRata-rata harian minimum 22,7 oC

(2) Suhu rancangan untuk kompresor dan blower 22,7 - 31,4 oC(3) Suhu tititk embun rancangan untuk menara pendingin 28,5 oC(4) Suhu rancangan untuk ekspansi termal 22,7 oC(5) Suhu rancangan untuk insulasi

Insulasi panas 22,7 oC Insulasi dingin 31,4 oC (pada kelembapan relatif max. 85%)

(6) Suhu rancangan untuk AC Bola kering 35 oC Bola basah 28,5 oC

7.2 Kelembaban(1) Rata-rata harian maksimum 85%(2) Rata-rata harian minimum 77%(3) Rata-rata tahunan 80,7%

7.3 Tekanan BarometerMaksimum 1,011 barMinimum 1,008 barRata-rata tahunan 1,010 bar

7.4 Angin

(1) Arah

MUSIM ARAH KECEPATAN

April - Nov. Utara, Timur laut 12 m/sDes. - Maret Timur laut 11,3 m/s

(2) Kecepatan angin maksimum 12 m/s

7.5 HujanMaksimum 144 mm/hari (76 mm/jam)Lama 141 hari tiap tahunRata-rata per tahun 1705 mm

19

Rancangan 144 mm/hari (76 mm/jam)

7.6 Kondisi GeologiElevasi pabrik ….. m dari permukaan lautPermukaan laut tertinggi ….. mPermukaan laut terendah ..… m

NERACA MASSA DAN ENERGI

20

Rangkaian Proses

Bab ini membahas pengembangan metode sederhana, cepat dan bermanfaat untuk mengevaluasi diagram alir proses. Secara khusus, bab ini mengembangkan strategi untuk menyelesaikan neraca massa dan energi rangkaian proses. Pekerjaan ini merupakan salah satu bagian paling penting dan paling memakan waktu.

4.1 PENDAHULUAN

Evaluasi konseptual diagram alir proses memerlukan perhitungan neraca massa dan energi detil yang memakan waktu. Perhitungan neraca massa dan energi yang tepat sangat diperlukan untuk perhitungan dimensi peralatan dan analisis ekonomi. Solusi neraca massa dan energi telah dibahas secara detil dalam kuliah awal teknik kimia. Dengan demikian diharapkan mahasiswa telah menguasai konsep dasarnya. Dalam bab ini, dikembangkan perhitungan dengan cara pandang menyeluruh untuk rangkaian sistem proses. Sejumlah pendekatan dapat mengurangi kerumitan masalah dan menyederhanakan perhitungan.

21

Dengan pendekatan demikian, memang sedikit banyak mengorbankan kecermatan dalam perhitungan. Meskipun begitu, tujuan strategi ini adalah mengembangkan hubungan sederhana variabel kunci yang memungkinkan dapat memperoleh wawasan calon rancangan dan perhitungan lengkap. Untuk lebih detil dan kecermatan perhitungan, telah tersedia banyak program komputer atau simulasi proses seperti Hysys, Chemcad, Prosim, Design II for Windows, dan masih banyak lagi.

Model diagram alir proses dapat berupa himpunan persamaan tak linier yang menggambarkan:

a) hubungan antara unit melalui aliran proses;b) persamaan spesifik untuk tiap unit (neraca massa dan energi internal); danc) hubungan sifat-sifat fisika (sifat-sifat termodinamika dan sifat transpor lain).

Himpunan persamaan dapat mencapai ribuan. Untuk menyelesaikan persamaan dikenal dua metode yaitu modular dan orientasi persamaan.

Metode modular melakukan perhitungan untuk tiap unit. Selanjutnya hasil perhitungan sebelumnya dipakai sebagai masukan ke unit sesudahnya. Demikian dilakukan berurutan sesuai hubungan dalam diagram alir proses. Prosedur iterasi diperlukan ketika terdapat aliran atau informasi daur ulang. Dengan perhitungan seperti ini, pengetahuan tiap unit dapat dimengerti secara baik dan prosedur perhitungan lebih handal. Kuliah neraca massa biasanya memakai metode modular . Metode orientasi persamaan melakukan perhitungan simultan untuk seluruh persamaan proses (neraca massa dan energi, kinerja peralatan, termodinamika, transpor massa, dll). Keunggulan metode ini adalah memberikan strategi solusi lebih efisien.

4.2 PENGEMBANGAN MODEL UNIT UNTUK NERACA MASSA

Ketika suhu dan tekanan umpan serta produk dapat ditetapkan, maka dapat dikembangkan sistem persamaan linier untuk tiap unit. Dari seluruh persamaan linier yang diperoleh dapat diselesaikan secara simultan dengan operasi matriks. Penyelesaian operasi matriks dapat dilakukan dengan perangkat lunak EXCELTM. Strategi yang dilakukan adalah sebagai berikut:

a) Tetapkan semua suhu dan tekanan untuk seluruh aliran prosesb) Perkirakan split fraction untuk tiap unit yaitu perbandingan antara laju

molar salah satu keluaran terhadap umpan.c) Gabungkan seluruh persamaan linier yang diperoleh dan selesaikan neraca

massa keseluruhan.d) Hitung ulang suhu dan tekanan dari hubungan keseimbangan tiap unite) Jika tidak ada perbedaan yang berarti, lanjutkan ke langkah (f). Jika tidak,

kembali ke langkah (a)f) Berdasar suhu dan tekanan yang diperoleh, hitung neraca energi dan beban

panas.Dalam rangka menyelesaikan persamaan linier, diasumsikan seluruh aliran uap dan cairan memliki perilaku keseimbangan ideal (khususnya langkah-b) dan, kecuali disebutkan lain, seluruh aliran pada kondisi jenuh. Dengan asumsi ini, sifat-sifat fisika dapat dihitung lebih mudah. Dalam uraian ini, data fisika berdasar pada Reid (1987). Keunggulan pendekatan

22

ini adalah, perhitungan menjadi mudah. Penyelesaian hanya membutuhkan sedikit iterasi untuk mencapai konvergensi.

4.2.1 NERACA MASSA LINIER UNIT SEDERHANA

Pembuatan sistem persamaan linier memakai strategi berikut. Tiap unit memiliki aliran masuk dan keluar. Tip-tiap aliran diberi notasi, Fij dengan i adalah nomor aliran dan j adalah nomor komponen (spesies) dalam aliran. Sehingga F12 artinya laju alir komponen 2 dalam aliran proses nomor 1.

1) Mixer atau Titik Pertemuan

Dalam mixer terjadi pencampuran beberapa aliran menjadi satu aliran keluar. Komposisi komponen dalam tiap-tiap aliran tetap sama. Pada titik pertemuan berlaku "jumlah aliran masuk sama dengan jumlah aliran keluar".

Gambar 4.1 Unit mixer.Aliran keluar (Fm) merupakan jumlah aliran masuk.

dengan,Fij – aliran komponen j dalam aliran masuk i Fmj – aliran komponen j dalam aliran keluar mNc – jumlah komponen

Contoh-1:Mixer dengan tiga aliran masuk yang mengandung empat komponen.

23

Sistem persamaan untuk unit mixer,

Dalam bentuk persamaan implisit,

2) Splitter atau Titik Pembagi

Dalam splitter terjadi pembagian satu aliran menjadi beberapa aliran keluar. Komposisi komponen dalam tiap-tiap aliran tetap sama. Pada titik pemabagi berlaku "laju aliran masuk sama dengan jumlah laju aliran keluar". Laju tiap-tiap komponen dalam aliran masuk terbagi menjadi fraksi-fraksi dalam aliran keluar.

Gambar 4.2 Unit splitter.

Perbandingan antara salah satu aliran keluar dan aliran masuk disebut fraksi pembagian (split fraction),

24

dengan,

– fraksi pembagian

Fi – aliran keluar i Fn – aliran masuk n

Fraksi pembagian untuk tiap-tiap komponen dalam splitter nilainya sama besar. Sehingga dapat dituliskan,

dengan,Fi,j – aliran komponen j dalam aliran keluar iFn,j – aliran komponen j dalam aliran masuk n

Persamaan neraca massa untuk unit splitter terdiri atas dua kelompok. Satu kelompok neraca massa total, dan satu kelompok neraca massa pembagian.

Neraca total:

Neraca pembagi:

Contoh-2:Splitter dengan dua aliran keluar yang mengandung empat komponen.

25

Sistem persamaan untuk unit splitter,

Dalam persamaan implisit.

4.2.2 REAKTOR

26

Persamaan neraca massa dalam reaktor dapat disederhanakan dengan menetapkan nilai konversi molar komponen kunci. Hasilnya berupa persamaan neraca massa yang linier dan mudah diselesaikan. Dalam metode ini, ditetapkan satu komponen kunci. Kemudian koefisien stoikhiometri dinormalkan terhadap komponen kunci. Artinya, masing-masing koefisien reaksi dibagi dengan koefisien komponen kunci. Koefisien reaktan bernilai negatif. Koefisien produk bernilai positif. Laju alir tiap komponen yang keluar dari reaktor adalah,

dengan,Fn,j – laju alir komponen j pada aliran masuk n,Fn,k – laju alir komponen kunci k pada aliran masuk n,Fi,j – laju alir komponen j pada aliran keluar i,koefisien reaksi (negatif untuk reaktan dan positif untuk produk),Xk – konversi molar komponen kunci k.

Contoh berikut dapat dipakai untuk memahami sistem persamaan pada unit reaktor.

Contoh-3Reaktor dengan konversi tetap.

Gambar 4.3 Unit Reaktor.

Aliran umpan masuk ke dalam reaktor dan terjadi reaksi berikut.

Reaksi-1: 2A + B 3CRekasi-2: A + B 2E

Komponen A sebagai komponen kunci dengan konversi sebesar XA1 untuk reaksi-1 dan XA2 untuk reaksi-2. Maka persamaan reaksi tersebut dapat dinormalkan menjadi,

Reaksi-1: A + ½ B 3/2 C Reaksi-2: A + B D

27

Tabel 4.1 Neraca massa dalam reaktor (Komponen 1 = A, 2 = B, 3 = C, 4 = D)

A B C DAliran-3 (masuk) F31 F32 F33 F34

Reaksi-1 -XA1F31 -0,5XA1F31 1,5XA1F31 0

Reaksi-2 -XA2F31 -XA2F31 0 XA2F31

Aliran-4 (keluar) F41 F42 F43 F44

Persamaan neraca massa:F41 = F31 - XA1F31 - XA2F31

F42 = F32 - 0,5XA1F31 - XA2F31

F43 = F33 + 1,5XA1F31

F44 = F34 + XA2F31

Persamaan implisit,F41 = F31 - XA1F31 - XA2F31

F42 = F32 - 0,5XA1F31 - XA2F31

F43 = F33 + 1,5XA1F31

F44 = F34 + XA2F31

4.2.3 UNIT FLASH

Unit flash atau separator flash adalah unit pemisah antara uap (gas) dan cair satu tahap secara kontinyu.

Gambar 4.4 Unit atau separator flash.

Dalam unit flash terjadi pemisahan komponen. Komposisi dalam aliran atas berbeda dengan komposisi dalam aliran bawah. Perbedaan komposisi dinyatakan

28

dengan fraksi pemisahan. Fraksi pemisahan adalah perbandingan antara laju molar komponen dalam salah satu aliran keluar dan laju molar komponen dalam aliran masuk. Aliran keluar yang dipakai biasanya aliran atas (fraksi pemisahan atas).

dengan,

– fraksi pemisahan komponen j

vj – aliran komponen j dalam aliran atasfj – aliran komponen j dalam aliran masukFi,j – aliran komponen j dalam aliran keluar i (biasanya aliran atas)Fn,j – aliran komponen j dalam aliran masuk n

Selain fraksi pemisahan tiap komponen, didefinisikan juga frak pemisahan total, yaitu

atau secara umum

dengan,

– fraksi pemisahan total

V – aliran atas F – aliran umpanFi – aliran keluar i (biasanya aliran atas)Fn – aliran masuk n

Pengembangan model flash dimulai dengan menentukan fraksi pemisahan (split fraction) komponen kunci k. Kemudian fraksi pemisahan komponen lain ditentukan berdasar hubungan,

atau

dan

dengan,

– fraksi pemisahan komponen j

– fraksi pemisahan komponen kunci k

– volatilitas relatif komponen j terhadap komponen kunci k

29

– tekanan uap murni komponen j

Kj – konstantda keseimbangan komponen jKomponen kunci k dipilih komponen yang paling banyak dalam fase cair. Hal ini dilakukan untuk mengurangi kesalahan (error) jika memakai pendekatan kondisi ideal. Perhitungan lebih teliti dapat dilakukan jika memperhitungkan koefisien fugasitas uap (), koefisien aktivitas cair (), dan fugasitas komponen murni (f). Namun dalam banyak kasus, pendekatan ideal masih cukup relevan.

Dalam unit flash terdapat empat variabel penting yaitu: , , T (suhu) dan

P (tekanan). Dalam perancangan perlu ditetapkan dua dari empat variabel tersebut. Sehingga terdapat tiga kasus perhitungan, yaitu dengan ditetapkan:

a) , T (atau P),

b) T dan P (flash isotermal), atau

c) , T (atau P).

Kasus (a) sangat cocok untuk perancangan dengan metode hitung singkat. Kasus (b) dan (c) diperlukan untuk evaluasi operasi dan analisis rancangan.

Hubungan antara suhu (T) dan tekanan uap dapat memakai persamaan Antoine. Untuk kebutuhan yang lebih teliti dapat memakai persamaan lain (Reid, 1987).

dengan,

– tekanan uap murni (Pa, mmHg, psi).

– konstanta Antoine,

T – suhu operasi (oC, K, oF).

Kasus-1: Ditetapkan , T (atau P)

Langkah penyelesaian jika ditetapkan dan P

a) Buat nilai awal Tb) Hitung tekanan uap murni untuk tiap-tiap komponen dengan memakai

persamaan Antoine.

c) Hitung volatilitas relatif komponen j terhadap komponen kunci ( ) pada

suhu Td) Hitung fraksi pemisahan tiap komponen j dari persamaan

30

e) Buat neraca massa dan hitung fraksi molnya

vi = dan yj = dengan

lj = dan xj = dengan

f) Periksa apakah jumlah fraksi masing-masing fase uap dan cair (yj dan xj) bernilai satu. Jika tidak, ubah suhu (T) dan kembali ke langkah (b).

Langkah penyelesaian jika ditetapkan dan T

a) Buat nilai awal Pb) Hitung tekanan uap murni untuk tiap-tiap komponen (po) dengan memakai

persamaan Antoine.c) Hitung konstanta keseimbangan tiap komponen pada suhu T

d) Hitung fraksi pemisahan tiap komponen j dari persamaan

e) Buat neraca massa dan hitung fraksi molnya

vi = dan yj = dengan

lj = dan xj = dengan

f) Periksa apakah jumlah fraksi masing-masing fase uap dan cair (yj dan xj) bernilai satu. Jika tidak, ubah tekanan (P) dan kembali ke langkah (b).

Kasus-2: Ditetapkan T dan P

Langkah penyelesaian:

a) Buat nilai awal fraksipemisahan komponen kunci ( )

b) Hitung tekanan uap murni untuk tiap-tiap komponen (po) dengan memakai persamaan Antoine.

c) Hitung konstanta keseimbangan tiap komponen pada suhu T

d) Hitung fraksi pemisahan tiap komponen j dari persamaan

31

e) Buat neraca massa dan hitung fraksi molnya

vi = dan yj = dengan

lj = dan xj = dengan

f) Periksa apakah jumlah fraksi masing-masing fase uap dan cair (yj dan xj)

bernilai satu. Jika tidak, ubah fraksi pemisahan komponen kunci ( ) dan

kembali ke langkah (b).

Kasus-3: Ditetapkan dan P (atau T)

Langkah penyelesaian:a) Buat nilai awal T (atau P)b) Hitung tekanan uap murni untuk tiap-tiap komponen (po) dengan memakai

persamaan Antoine.c) Hitung konstanta keseimbangan tiap komponen pada suhu T (atau tekanan

P) dan definisikan, faktor separasi,

d) Hitung fraksi pemisahan tiap komponen j dari persamaan

e) Buat neraca massa dan hitung fraksi molnya

vi = dan yj = dengan

lj = dan xj = dengan

f) Periksa apakah jumlah fraksi masing-masing fase uap dan cair (yj dan xj) bernilai satu. Jika tidak, ubah T (atau P) dan kembali ke langkah (b).

32

Persamaan neraca massa untuk unit flash terdiri atas dua kelompok. Satu kelompok neraca massa total, dan satu kelompok neraca massa pemisahan.Neraca total:

Neraca pemisahan:

Contoh-4:Unit flash dengan dua aliran keluar yang mengandung empat komponen.

Sistem persamaan untuk unit flash,

33

Dalam persamaan implisit.

4.2.4 MODEL DISTILASI

Operasi distilasi dapat digambarkan sebagai susunan bertingkat tahap keseimbangan. Masing-masing tahap dapat diselesaikan sebagai unit flash. Aliran umpan masuk pada tahap bagian tengah. Pada bagian bawah, produk cair dikeluarkan. Reboiler menguapkan cairan pada tahap paling bawah. Aliran uap dan cair mengalir berlawanan arah dalam kolom distilasi. Uap meninggalkan tahap paling atas dan diembunkan. Cairan hasil pengembunan dikeluarkan. Sebagian cairan dikembalikan ke dalam kolom sebagai aliran refluks.

34

Gambar 4.4 Unit flash.

Penyelesaian neraca massa dalam kolom distilasi memakai konsep fraksi

pemisahan (split fraction) seperti dalam unit flash. Ditetapkan (fraksi pemisahan

komponen kunci ringan), (fraksi pemisahan komponen kunci berat), dan

tekanan kolom atas (Pt). Tekanan kolom bawah (Pb) adalah jumlah antara tekanan kolom atas dan kehilangan tekanan (pressure drop).

Penentuan Fraksi PemisahanAliran dalam kolom distilasi paling banyak terdapat lima jenis komponen.

a) Komponen yang lebih ringan dari pada komponen kunci ringanb) Komponen kunci ringanc) Komponen yang berada di antara dua komponen kuncid) Komponen kunci berate) Komponen yang lebih berat dari pada komponen kunci berat

Sebagaimana dalam unit flash, uap dan cairan dianggap berperilaku ideal.

Volatilitas relatif ( ) tidak terlalu dipengaruhi suhu dan tekanan, sehingga dianggap

tetap. Selain itu, dalam menyelesaikan neraca massa perlu diketahui fraksi pemisahan komponen terdistribusi. Setelah perhitungan neraca massa, selanjutnya ditentukan jumlah tahap dan suhu kolom. Perhitungan jumlah tahap memakai persamaan Fenske untuk refluks total. Dengan persamaan ini dapat diperkirakan jumlah tahap minimum dan distribusi produk.

35

Gambar 4.5 Tahap-tahap demi tahap pada refluks total.

Jumlah tahap minimum dihitung memakai persamaan Fenske, dengan memakai fraksi pemisahan,

dengan,Nm – jumlah tahap minimum

- volatilitas relatif komponen kunci ringan terhadap komponen kunci berat

Fraksi pemisahan komponen kunci ringan dan berat adalah,

dengan,

36

dL, dH – berturut-turut laju komponen kunci ringan dan berat dalam distilatfL, fH – berturut-turut laju komponen kunci ringan dan berat dalam umpan

Hubungan antara , , , dan Nm adalah,

Dengan menyusun ulang persamaan di atas, dapat diperoleh persamaan untuk menghitung fraksi pemisahan komponen j, yaitu

Persamaan di atas menjadi fraksi pemisahan untuk unit flash jika Nm sama dengan satu. Dari persamaan tersebut, dapat dihitung fraksi pemisahan setiap komponen. Sistem persamaan neraca massa serupa dengan unit flash yaitu terdiri atas dua kelompok. Satu kelompok neraca massa total, dan satu kelompok neraca massa pemisahan.Neraca total:

Neraca pemisahan:

Penentuan Suhu dan Tekanan

Suhu (atau tekanan) dalam kolom distilasi menentukan pemulihan (recovery) komponen kunci. Kendala penetapan suhu atau tekanan kolom ditentukan oleh suhu air pendingin (Tcw) dalam kondensor dan suhu steam (Ts) dalam reboiler.

37

Gambar 4.6 Suhu dalam kolom distilasi

Tekanan kolom bagian atas adalah yang terendah. Makin ke bawah, tekanan semakin besar. Demikian juga suhu dalam kolom. Hubungan suhu berikut terdapat dalam kolom distilasi.

Tcw Tbub,C Tdew,C Tbub,R Tdew Ts

Tekanan kolom dapat dipilih sehingga memenuhi kendala berikut.a) Pilih tekanan kondensor sehingga suhu gelembung (bubble point) lebih besar

dari pada suhu air pendingin ditambah 5 oC.b) Pilih tekanan kondensor sehingga seluruh suhu gelembung di bawah suhu kritik

campuranc) Pilih tekanan kolom di atas atmosferik. Kendala tersebut di atas sulit diterapkan pada distilasi yang melibatkan komponen yang tak mengembun atau komponen tak menguap. Untuk mengatasi masalah tersebut, perlu dipakai kondensor dan reboiler parsial. Neraca massa di kondensor serupa dengan unit flash.

4.2.5 MODEL ABSORPSI KOLOM PELAT

Absorpsi adalah operasi penyerapan komponen dalam fase gas dengan memakai cairan penyerap. Kebalikan dari absorpsi adalah stripping (pelucutan) yaitu pelepasan komponen dalam fase cair ke dalam fase gas. Untuk kedua operasi tersebut, dipakai anggapan tahap keseimbangan ideal.

38

Dalam sistem absorpsi, terdapat empat derajat kebebasan untuk menetapkan neraca massa. Satu aliran umpan gas/uap diketahui. Kemudian tekanan pada tahap keseimbangan bagian aas dapat ditetapkan. Tekanan kolom bagian bawah merupakan jumlah antara tekanan atas ditambah kehilangan tekanan dalam kolom. Jumlah tahap keseimbangan (N) juga ditetapkan untuk recovery komponen kunci (atau sebaliknya). Akhirnya perlu ditetapkan suhu (To) dan laju alir cairan masuk (Lo). Untuk operasi stripping diperlukan suhu (TN+1) dan laju alir gas (VN+1).

Gambar 4.7 Diagram operasi absorpsi.

Pada tahap ke-i untuk komponen j terdapat hubungan,

Dengan menghilangkan indeks komponen j dan hanya laju molar komponen kuncai maka setelah diatur ulang menghasilkan,

39

Didefinisikan Ai sebagai faktor absorpsi pada tahap i,

Nilai Ai tidak konstan sepanjang kolom. Dalam praktik dipakai nilai Ae yaitu faktor absorpsi efektif yang nilainya dianggap konstan.

Nilai Ae untuk komponen yang menghasilkan laju alir cairan optimum kunci adalah 1,4 (Douglas, 1988). Dengan spesifikasi ini maka fraksi pemisahan untuk komponen lain dapat dihitung, dan sistem persamaan neraca massa dapat disusun. Algoritma absorpsi adalah sebagai berikut.

a) Pilih komponen kunci k, dan tetapkan besarnya recovery yang diinginkan misalnya 0,99 (r = 0,99). Tetapkan tekanan (P) dan suhu penyerap (T).

b) Hitung Lo dari,

dengan

jika suhu operasi di bawah titik kritik komponen

gas,

jika suhu operasi di atas titik kritik komponen gas,

pko – tekanan uap murni komponen kunci,

H – konstanta Henry.c) Hitung jumlah tahap dengan persamaan Kremser,

Catatan:Jika r = 0,99 dan xo = 0, maka N = 10)

d) Hitung faktor absorpsi komponen lain (selain komponen kunci),

40

e) Susun neraca massa tiap komponen,

dengan,

f) Ubah P atau T jika: suhu keluar cairan terlalu tinggi (periksa persamaan bubble

point) terjadi perubahan suhu yang cukup besar antara kolom atas dan

bawah. Gunakan persamaan Edmister untuk menghitung faktor absorpsi.

terlalu banyak penyerap teruapkan, perbesar P dan perkecil T telalu banyak komponen yang tak diinginkan terserap, perbesar

T, perkecil P atau pilih penyerap yang lebih sesuai

4.2.6 SISTEM PERSAMAAN LINIER DALAM NERACA MASSA

Pada bagian sebelumnya telah dikembangkan model fraksi pembagian atau pemisahan (split fraction) dalam beberapa unit operasi dan unit proses. Pada bagian ini akan diberikan contoh sintesis persamaan neraca massa dalam klorinasi butena menghasilkan dikloro-butana.

Contoh-5Klorinasi butilen (butena) dalam reaktor menghasilkan dikloro-butana (DCB) melalui reaksi,

CH2=CH-CH2-CH3 + Cl2 CH2Cl-CHCl-CH2-CH3

Untuk menghindari reaksi samping yang merugikan, umpan butena yang masuk reaktor dilebihkan (ekses) dengan perbandingan molar butena terhadap klor sebesar 5 dibanding 1 sehingga gas klor habis bereaksi. Keluaran reaktor didinginkan dan dipisahkan dalam kolom distilasi sehingga 99 % butena yang masuk kolom dapat diperoleh kembali (recovery 99%). Produk atas distilasi dialirkan kembali ke dalam reaktor. Diinginkan produksi dikloro-butana 101.600 ton per tahun. Tentukan laju alir dan komposisi seluruh aliran jika dianggap pabrik beroperasi 8000 jam per tahun.

41

Gambar 4.8 Diagram alir proses pembuatan diklorobutana

Produk DCB = 101.600 ton/tahun = 12700 kg/jam = 100 kmol/jam. Sehingga gas klor diperlukan sebesar = 100 kmol/jam. Pada aliran-3, perbandingan mol B : C = 5 : 1, sehingga,

F32 : F31 = 5 : 1atau F32 = 5 F31

Karena pada aliran-1 dan aliran-6 tidak mengandung klor maka, klor pada aliran-3 hanya berasal dari umpan aliran-2, sehingga,

F32 = 5 (100) = 500 kmol/jam atau F12 + F62 = 500 kmol/jam

Pada reaktor konversi klor = 100% (gas klor habis bereaksi), sehingga

X1 = 1

koefisien reaksi masing-masing adalah 1, sehingga

= -1

= -1

= 1

UmpanAliran-1 F11 = 0

F12 + F62 = 500F13 = 0

Aliran-2 F21 = 100F22 = 0

42

F23 = 0

Mixer (titik pertemuan)F11 + F21 + F61 - F31 = 0F12 + F22 + F62 - F32 = 0F13 + F23 + F63 - F33 = 0

ReaktorF31 - F31 - F41 = 0F32 - F31 - F42 = 0F33 + F31 - F43 = 0

Penukar panasDi sini tidak terjadi perubahan aliran molar, sehingga

F41 - F51 = 0F42 - F52 = 0F42 - F53 = 0

Distilasi

Di sini hanya berisi komponen-2 dan 3 (biner), dengan faktor pemisahan = 0,99

maka

= 1 - = 0,01 (ini hanya berlaku untuk biner!)

= 0

= 0,99

= 0,01

Catatan: karena aliran-4 dan 5 tidak mengandung klor, maka faktor pemisahan S1

dapat diisi nilai sembarang (0 atau 1).

Diperoleh

0 F51 - F61 = 00,99 F52 - F62 = 00,01 F53 - F63 = 0

F51 - F61 - F71 = 0F52 - F62 - F72 = 0F53 - F62 - F73 = 0

Sistem persamaan linier yang dihasilkan adalah memiliki,

3 x 7 variabel alirandan 3 x 7 persamaan

43

sehingga derajat kebebasan = 0. Atau dengan kata lain, sistem persamaan linier memiliki satu jawaban. Untuk memudahkan pemasukan ke lembar kerja EXCELTM susunan sistem persamaan linier dapat disajikan sebagai berikut.

F11 = 0F12 +F62 = 500F13 = 0

F21 = 100F22 = 0F23 = 0

F11 + F21 - F31 + F61 = 0F12 + F22 - F32 + F62 = 0F13 + F23 - F33 + F63 = 0

F31 - F31 - F41 = 0F32 - F31 - F42 = 0F33 + F31 - F43 = 0

F41 - F51 = 0F42 - F52 = 0F42 - F53 = 0

0 F51 - F61 = 00,99 F52 - F62 = 00,01 F53 - F63 = 0F51 - F61 - F71 = 0F52 - F62 - F72 = 0F53 - F62 - F73 = 0

Koefisien sistem persamaan linier tersebut selanjutnya dimasukkan ke dalam lembar kerja EXCELTM.. Sel AB6 .. AB26 diblok dengan cara menaruh kursor pada sel AB5 dan menekan tombol SHIFT + [panah bawah] hingga sel AB26, atau klik mouse pada sel AB6 tahan dan tarik ke sel AB26. Kemudian ketikkan perintah

=MMULT(MINVERSE(C6:W26),X6:X26)

dan tekan tombol:CTRL + SHIFT + [ENTER]

44

45

Untuk lebih jelas, ditampilkan isian masing-masing matrix sebagai berikut.

4.3 NERACA ENERGI

Perhitungan neraca energi memakai asumsi sifat-sifat ideal, sebagaimana dalam neraca massa. Dalam aliran proses yang tidak melibatkan pompa atau kompresor, dianggap tidak ada perubahan energi kinetik dan potensial. Hanya entalpi aliran yang berubah. Sebagai acuan kondisi standar untuk entalpi adalah tekanan 1 atm dan suhu 298 K. Selain itu, untuk perhitungan awal, dianggap tidak ada perubahan entalpi pencampuran atau pengaruh tekanan.

4.3.1 ENTALPI ALIRAN PROSES

Entalpi aliran proses (H) yang terdiri atas sejumlah Nc komponen dengan laju alir masing-masing komponen n kmol/s adalah,

46

dengan,

– panas jenis (specific heat) padat untuk komponen i

– panas jenis (specific heat) cair untuk komponen i

– panas jenis (specific heat) uap untuk komponen i

– panas pelelehan atau panas pembekuan komponen i

– panas penguapan atau panas pengembunan komponen i

– Suhu acuan (jika melibatkan reaksi diambil 298 K)

– Suhu pelelehan (titik leleh)

– Suhu penguapan (titik uap)

– entalpi pembentukan standar komponen i

– panas jenis (specific heat)

– konstanta A untuk komponen i

– konstanta B untuk komponen i

– konstanta C untuk komponen i

– konstanta D untuk komponen i

Persamaan tersebut adalah persamaan umum, bila antara suhu Tr dan Tf terjadi perubahan fase. Catatan untuk pemakaian persamaan tersebut di atas:

1) Bila antara Tr dan Tf tidak ada perubahan fase maka dan tidak melibatkan reaksi kimia dalam unit prosesnya, maka

Dalam kondisi ini Tr dapat diambil sembarang, biasanya lebih mudah dengan memakai suhu aliran proses masuk.

2) Bila aliran proses masuk dan keluar unit proses yang ada reaksi kimia, maka suhu Tr harus 298 K. Hal ini karena data entalpi pembentukan dalam literatur selalu memakai kondisi standar 1 atm, 298 K.

47

4.3.2 KEBUTUHAN PEMANASAN ATAU PENDINGINAN

Dalam alat penukar panas (heat exchanger) maka kebutuhan pemanasan atau pendinginan dapat dihitung dengan mengurangi entalpi keluaran dengan masukan. Bila tidak terjadi reaksi kimia, maka suku entalpi pembentukan tiap komponen saling menghilangkan. Suhu acuan bisa memakai suhu masukan, sehingga entalpi aliran masuk proses bernilai nol.

Gambar 4.9 Penukar panas

Kalor yang dibutuhkan atau dilepas adalah,

dengan,Q – kalor yang dibutuhkan atau dilepaskan.

4.3.3 KEBUTUHAN PEMANASAN ATAU PENDINGINAN DALAM REAKTOR

Dalam reaktor maka kebutuhan pemanasan atau pendinginan dapat dihitung dengan mengurangi entalpi keluaran dengan masukan. Masing-masing entalpi aliran harus melibatkan entalpi pembentukan tiap komponen. Suhu acuan harus memakai 298 K

Gambar 4.10 Reaktor kimia.

Kalor yang dibutuhkan atau dilepas adalah,

48

dengan, Q – kalor yang dibutuhkan atau dilepaskan. Dalam persamaan di atas, baik H1

maupun H2 berisi entalpi pembentukan .

Cara pengerjaan seperti di atas memiliki keuntungan, yaitu tidak perlu tahu nilai konversi reaksi atau pesamaan laju reaksinya. Keuntungan lain, akan terhindar dari kesalahan karena kesalahan dalam reaksi. Kerugiannya, melakukan perhitungan lebih banyak, karena komponen yang tidak turut bereaksi atau sisa reaksi tetap dihitung entalpi pembentukannya. Tetapi kerugian tersebut tidak ada artinya, karena dengan bantuan komputer perhitungan menjadi jauh lebih sederhana dan cepat.

Catatan:Bila H1 dan H2 tidak berisi entalpi pembentukan maka kebutuhan panas atau pelepasan panas dari reaktor agar suhu reaksi tetap (isotermal) adalah,

dengan np jumlah mol produk reaksi. Dalam perhitungan ini harus tahu pesamaan reaksi kimia secara benar. Kesalahan dalam koefisien reaksi berakibat pada kesalahan perhitungan kalor reaksi.

SOAL-SOAL

1. Pembuatan metil-etil-keton dari butil-alkohol dengan kapasitas 10.000 ton/tahun MEK 99,5 %-mol memakai umpan 2-butanol. 2-Butanol murni dipompa dari tangki penyimpan ke dalam pemanas awal, kemudian dialirkan ke evaporator yang memperoleh panas dari hasil reaksi produk. Uap yang meninggalkan evaporator dipanaskan kembali hingga suhu 325 oC oleh flue gas yang sebelumnya digunakan sebagai medium pemanas reaktor. Butanol panas lanjut diumpankan ke dalam reaktor pipa (plug flow reactor) yang beroperasi pada suhu 350 oC dimana 98 % dikonversikan menjadi metil-etil-keton (MEK) dengan hasil samping hidrogen dan propilena. Katalis yang dipakai adalah ZnO padat. Produk reaksi selanjutnya didinginkan dengan air dalam alat penukar panas hingga 50% MEK mengembun sebagai MEK-kering. Uap yang tak mengembun dialirkan ke dalam kolom absorpsi aliran berlawanan arah yang memakai air sebagai solvent. Gas yang keluar absorber terdiri atas 99 %-mol hidrogen, 1 %-mol MEK. Sebanyak 50 %-mol aliran ini didaur ulang ke bagian evaporator, sisanya sebagai produk samping. Larutan yang keluar absorber mengandung 20 %-mol MEK dalam air (disebut MEK-basah) untuk selanjutnya dialirkan ke dalam kolom distilasi untuk memisahkan MEK dan air. Aliran distilat mengandung 99,5 %-mol MEK dan aliran bawah 0,1 %-mol MEK. Sedangkan dari MEK-kering dialirkan ke kolom distilasi lain sehingga terpisah MEK dari sisa butanol yang tak bereaksi. Aliran distilat mengandung 0,1 %-mol MEK dan didaur ulang ke reaktor. Aliran bawah

49

mengandung 99,5 %-mol MEK untuk digabung dengan produk distilasi MEK-kering. Tentukan laju alir komponen untuk seluruh aliran jika satu tahun operasi setara dengan 8000 jam.

2. Pembuatan asam asetet dari asetaldehida dilakukan dengan oksidasi di atas silika gel dengan bantuan udara (dianggap mengandung N2 79 %-mol dan O2 21 %-mol). Mula-mula asetaldehida dan udara dilewatkan pada prapemanas (preheater) sehingga mencapai suhu 114 oC. Selanjutnya campuran dilewatkan ke dalam reaktor pipa yang berisi silika gel pada suhu 114 oC. Konversi asetaldehida sebesar 70%-mol. Produk yang keluar reaktor diembunkan dalam kondensor sehingga sebagian besar air dan asam asetat dipisahkan dari campuran. Gas yang keluar kondensor dialirkan ke dalam scrubber yang berisi isian (packing). Dari bawah masuk gas sedangkan dari atas dialirkan air. Air yang dibutuhkan sebesar 5 kg/kg nitrogen. Dalam scrubber uap air, uap asam asetat, dan uap asetaldehida sisa terlarutkan sehingga gas yang keluar bersih. Pabrik ini dirancang untuk menghasilkan larutan asam asetat 100.000 ton/tahun berdasar jumlah produk cair kondensor dan scrubber (1 tahun = 8000 jam operasi). Tentukan laju alir komponen untuk seluruh aliran.

3. Produksi formalin (37% formaldehida dalam air) sebesar 64000 ton per tahun dilakukan dengan bahan baku metanol. Umpan metanol segar pada suhu 30°C dan tekanan 1 bar yang dicampur dengan aliran daur ulang metanol pada suhu 68.3°C dan tekanan 1,2 bar. Campuran kedua aliran memiliki suhu 35.4°C dan tekanan 1 bar. Aliran dipompa hingga bertekaan 2,5 bar. Sebelum masuk reaktor, aliran ini dipanaskan dalam heat exchanger sehingga semua metanol teruapkan pada suhu 150°C dan tekanan 2 bar. Umpan udara segar (21% oksigen, 79% nitrogen) dengan ekses 25% yang diperoleh pada suhu 25°C dan tekanan 1 bar dinaikkan tekanannya oleh kompresor hingga bertekanan 2,5. Aliran ini kemudian dipanaskan dalam heat exchanger hingga 150°C dan tekanan 2 bar. Aliran metanol dan udara dicampur hingga memiliki suhu 149.6°C dan tekanan 1,9 bar yang selanjutnya dialirkan ke dalam reaktor. Dalam reaktor, metanol terkonversi 87.4% menurut reaksi,

2 CH3OH + O2 2 HCHO + 2 H2O

Keluaran reaktor memiliki suhu 343°C dan tekanan 1,7 bar. Oleh katup, tekanan ini diturunkan menjadi 1,4 bar sebelum masuk ke absorber. Umpan air segar, sebanyak dua kali aliran keluaran reaktor, dialirkan ke absorber pada suhu 30°C dan tekanan 1,4 bar. Absorber bekerja pada tekanan operasi 1,4 bar. Dalam absorber, sebanyak 99% dari formaldehida yang masuk dapat diserap air. Aliran ini selanjutnya dipanaskan hingga 102°C sebelum masuk kolom distilasi. Kolom distilasi beroperasi pada:

Suhu atas 68,3 oCbawah 103,5 oC

Tekanan atas 1,1 barbawah 1,2 bar

Dalam kolom distilasi, produk bawah adalah larutan formaldehida dalam air dan distilat sebagian besar berupa metanol yang dialirkan kembali ke aliran masuk metanol segar. Tentukan laju alir komponen untuk seluruh aliran.

50

4. Bahan baku produksi aseton adalah isopropanol (IPA). Umpan IPA berupa campuran azeotrop dengan kandungan 88%-berat IPA dan 12 %-berat air pada 25 oC dan 1 atm. Umpan dipanaskan, diuapkan, dan dipanaskan lanjut oleh heat exchanger (E-401) hingga suhu 232 oC dan tekanan 2,2 bar, yang kemudian dikirim ke reaktor (R-401). Reaktor beroperasi pada suhu 350 oC dan tekanan 1,9 bar. Aseton terbentuk dengan konversi 90% menurut reaksi berikut.

(1)

Keluaran reaktor didinginkan dan diembunkan sebagian (parsial) dalam heat exchanger (E-402), untuk kemudian dikirim ke separator gas-cair (V-401) yang bekerja pada suhu 50 oC dan tekanan 1,5 bar. Dalam separator V-401, seluruh hidrogen terpisah dan keluar dalam aliran gas. Sedangkan komponen lain (aseton, IPA, dan air) terdistribusi mengikuti hukum Raoult. Aseton dari V-401 yang terbawa gas hidrogen diambil kembali dalam kolom absorber T-401 (beroperasi pada 50 oC dan 1,5 bar) dengan memakai air sebagai penyerap yang dipasok pada suhu 25 oC dan tekanan 3 bar. Seluruh IPA terserap air. Sebanyak 5% dari seluruh air yang masuk (dari V-401 ditambah dari air penyerap) keluar sebagai uap air bersama gas hidrogen. Aseton dalam gas yang keluar absorber dapat diperhitungkan berdasar persamaan,

(2)

dengan fi dan fo berturut-turut laju mol aseton dalam gas masuk dan keluar. Sedangkan,

(3)

dengan L adalah laju alir molar air total (umpan air), dan V adalah laju alir molar uap total (dari V-401). Parameter m adalah konstanta keseimbangan yang mengikuti persamaan,

(4)

dengan T suhu dalam Kelvin dan P dalam atm. Cairan dari absorber T-401 dan separator V-401 dicampur untuk kemudian dikirim ke kolom distilasi (T-402) yang beroperasi pada tekanan 1,4 bar sehingga dihasilkan aseton (99,9% aseton dan 0,1% air) dan air sebagai limbah (maksimum berisi 0,04 fraksi mol IPA). Dalam distilasi sebanyak 99,5 %-mol aseton umpan dapat diperoleh sebagai produk. Diinginkan produksi aseton 15000 ton/tahun. Limbah air dari kolom T-402 dialirkan ke kolom distilasi T-403 yang beroperasi pada tekanan 1,2 bar untuk memperoleh kembali IPA, yang selanjutnya dialirkan kembali sebagai daur ulang ke reaktor. Produk bawah T-403 dialirkan ke pengolah air limbah. Tentukan laju alir komponen untuk seluruh aliran.

5. Diagram alir proses Oxo dapat disederhanakan sebagai gambar di bawah.

51

Umpan berisi 0,5 kg/s CO; 0,5 kg/s H2; 0,47 kg/s propilena; 0,03 kg/s propana. Umpan masuk reaktor yang beroperasi pada tekanan 15 bar dan 100oC. Reaksi propilena dengan CO dan H2 merupakan reaksi paralel.

Propilena + CO + H2 i-butiraldehida (i-BA)Propilena + CO + H2 n-butiraldehida (n-BA)

Konversi propilena 80%-mol dengan rasio i-BA/n-BA sebesar 0,1. Reaksi antara i-BA dan n-BA menghasilkan komponen berat dengan konversi i-BA sebesar 1%-mol.

i-butiraldehida + n-butiraldehida Komponen berat

Fraksi pembagian (split fraction) dalam separator dapat ditentukan sendiri. Tentukan konversi total propilena menjadi n-butiraldehida dan laju aliran tiap komponen dalam seluruh aliran jika laju alir buang (purge) 1%.

6. Aliran proses yang terdiri atas campuran 30 mol/s propana dan 70 mol 1-butena pada 10 bar dalam kondisi cair jenuh. (a) Aliran proses dialiran melalui katup penurun tekanan (throttle valve) menjadi 2

bar.Tentukan fraksi uap dalam aliran keluar katup.(b) Hitung beban panas yang dibutuhkan untuk memanaskan aliran proses sebelum

katup penurun tekanan sehingga 60% teruapkan.

PUSTAKADouglas, J. M. (1988). Conceptual Design of Chemical Processes. New York: McGraw Hill.

52

Perry, R. H. (2008). Perry's Chemical Engineers' Handbook (8 ed.). (J. O., Ed.) New York: McGraw-Hill.

Reid, R. C. (1987). The Properties of Gases and Liquids. New York: McGraw-Hill.

CONTOH

LEMBAR SPESIFIKASI ALAT

53

Nama Perancang PT Dapur Ngebul PROCESS VESSEL SPECIFICATION

Nama Pemesan PT Siang Malam No. Proyek 56-1-1234Lokasi Bandung No. Unit 100Service Fuel gas knock out drum No. Alat 100-05

Jml. Alat 2Perub. Asli. Rev. 1 Rev. 2 No. Dokumen A-100-4321-204Tgl 01-09-03 06-10-03 No. Urut Dokumen 4Oleh BCD DEFDisetujui Halaman 41 dari 200 halaman

54

Catatan 1. LLL paling sedikit 200 mm di atas BOTTOM/BOTTOM TANGENT LINECatatan 2. Lihat lembar data lain untuk nozzle chart, data rancangan dll..

No. Alat : 100-05 Lembar ke 1 dari 2

Nama Perancang PT Dapur Ngebul PROCESS VESSEL SPECIFICATION

Nama Pemesan PT Siang Malam No. Proyek 56-1-1234Lokasi Bandung No. Unit 100Service Fuel gas knock out drum No. Alat 100-05

Jml. Alat 2Perub. Asli. Rev. 1 Rev. 2 No. Dokumen A-100-4321-204Tgl 01-09-03 06-10-03 No. Urut Dokumen 4Oleh HRDDisetujui Halaman 42 dari 200 halaman

55

No.Size(in)

ServiceKeterangan Jml

Tekanan Rancangan Atas 5 kg/cm2(G) Bawah 5 kg/cm2(G)Suhu Rancangan Atas 160 oC Bawah 160 oC

1 3" Gas outlet 1 Tekanan Operasi Atas 2,5 kg/cm2(G) Bawah 2,5 kg/cm2(G)2 8" Feed 90o Elbow 1

3 2" Liquid outlet 1 Suhu Operasi Atas 40 oC Bawah 40 oC4 1" Vent 1

5 1" Utility conn. 1 Tambahan Korosi Shell 3 mm Fixed Internals mm6A LG/LT Stand pipe 1

6B LG/LT Stand pipe 1 Insulasi : -Blanketing (tangki): -

MATERIAL

Shell Lining/clading Internal Lainnya .............

C.S.---

INTERNALKolom Tray Packing (isian)Jenis tray/isian:

CATATAN UMUMPROFIL SUHU OPERASI

(Hanya kolom)1. Tekanan rancangan termasuk/tidak termasuk

tekanan hidrostatik cairan. Tinggi maksimum cairan 0,8 m.

Berat jenis cairan 0,530

No. Tray Suhu (oC)

2. Koneksi instrumen perlu dikonsultasikan dengan kelompok instrumentasi

No. Alat 100-05 Lembar ke 2 dari 2

BEJANA (VESSEL)

SPESIFIKASI PROYEK

REV TGL. OLEH STJ

NAMA ALAT: Feed surge drumSERVICE : NO. ALATKondisi desain

Int. 7,5 kg/cm2(g) 200 oCExt. Vac kg/cm2(g) 172 oC

Kondisi operasi

Int. 2 kg/cm2(g) 172 oCExt. 0 kg/cm2(g) 30 oC

Radiograf YA/TIDAK

56

Efisiensi sambungan %MATERIAL

Head C.S.Shell C.S.

Tebal(mm)

Korosi (mm)

Shell 12 6Head 12 6Jenis Head 2:1 Elliptical

INTERNALKolom Tray Packing (isian)

Jenis tray/isian:

NOZZLES AND MANWAYS

Huruf JmlUkuran(inch)

Fungsi

A 1 2 VentB 1 Relief ValveC 4 2 LGD 2 1 LRE 1 6 Cold inletF 1 6 Hot inletG 1 10 OutletH 1 24 ManholeJ 1 2 LI-LGK 1 8 Water outlet

Rating ANSI-CL-150/300Facing Raised face

Tinggi cairan nominal di atas bottom tangent : 5375 mm

Berat Jenis : HC 0,900/water 0,989

57