TEKNOLOGI PENGOLAHAN MINYAK BUMI DAN GAS Analisa Pemilihan Proses, Deskripsi Proses dan Investasi Unit Polimerisasi

Oleh:Kelompok 2

14

M. RidhoRatih Kesuma W.Ikhsan Abdi K.Anugrah Intan Jn.Rangga SeptianM. Nugra Prima A.031010030040310100301303101003019031010030360310100303703101003040

Bobby RedianAgustria SuryaniDwi ApriansyahRizqi Romadhon03101003041031010030420310100304403101003046

Christoforus SandersPrisca Deviyanti0310100304703101003056

Eka Nur Junianto03101003066

Achmad ZaidanM. Mezal Rd0310100306803101003074

Kurniahadi03101003076

Dea Dita Purilian03101003083

Feni Alfionita03101003089

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SRIWIJAYAINDERALAYA2013

I. Pemilihan Proses.1.1. Definisi Polimerisasi Minyak bumi diolah dengan tahapan proses yang kompleks. Bertujuan menghasilkan produk bernilai ekonomis . Tahapan yang dilakukan adalah: Thermal & Catalytic Cracking Thermal & Catalytic Reforming Polimerisasi Alkylasi IsomerisasiProses polimerisasi adalah proses reaksi kimia dimana dua molekul atau lebih dengan susunan senyawa yang sama atau berbeda akan bergabung membentuk satu molekul yang lebih besar, berupa : Bimolekuler, Trimolekuler atau Polimolekuler, dengan tetap mempertahankan bentuk dan susunan atom dari molekul dasarnya.Polimerisasi yang lain adalah poliethylene, polipropylene, polistyrene dan sebagainya. Monomer adalah molekul dasar, selanjutnya untuk hasil polimerisasi biasanya disebut : di-mer, tri-mer, tetra-mer atau polimer. Adapun co-polimer adalah bila molekul dasarnya terdiri dari 2 macam, misalnya : GSR rubber adalah suatu co-polimer antara butadiene dengan styrene, buty-rubber adalah co-polimer antara isobuthylene dengan isoprene.1.2. Jenis-Jenis Reaksi PolimerisasiPolimerisasi merupakan salah satu jenis reaksi kimia di mana monomer yang memiliki rantai pendek bereaksi untuk membentuk rantai yang besar. Dua jenis utama dari reaksi polimerisasi adalah polimerisasi adisi dan polimerisasi kondensasi. Aplikasi polimerisasi dalam industri dibedakan menjadi dua yaitu Polimerisasi Termal dan Polimerisasi Katalitik.1.2.1. Polimerisasi AdisiPolimer adisi memiliki atom yang sama seperti monomer dalam unit ulangnya, polimer yang terbentuk dari reaksi polimerisasi disertai dengan pemutusan ikatan rangkap diikuti oleh adisi dari monomer-monomernya yang membentuk ikatan tunggal. Dalam reaksi ini tidak disertai terbentuknya molekul-molekul kecil seperti H2O atau NH3, Dalam reaksi polimerisasi adisi, umumnya melibatkan reaksi rantai. Mekanisme polimerisasi adisi dapat dibagi menjadi tiga tahap yaitu:

Sebagai contoh mekanisme polimerisasi adisi dari pembentukan poly-etilenaInisiasi, untuk tahap pertama ini dimulai dari penguraian inisiator dan adisi molekul monomer pada salah satu radikal bebas yang terbentuk. Bila kita nyatakan radikal bebas yang terbentuk dari inisiator sebagai R, dan molekul monomer dinyatakan dengan CH2 = CH2, maka tahap inisiasi dapat digambarkan sebagai berikut:

Propagasi, dalam tahap ini terjadi reaksi adisi molekul monomer pada radikal monomer yang terbentuk dalam tahap inisiasi

Bila proses dilanjutkan, akan terbentuk molekul polimer yang besar, di mana ikatan rangkap C= C dalam monomer etilena akan berubah menjadi ikatan tunggal C C pada polimer polietilen

Terminasi, dapat terjadi melalui reaksi antara radikal polimer yang sedang tumbuh dengan radikal mula-mula yang terbentuk dari inisiator (R) CH2 CH2 + R CH2 CH2- R atau antara radikal polimer yang sedang tumbuh dengan radikal polimer lainnya, sehingga akan membentuk polimer dengan berat molekul tinggi R-(CH2)n-CH2 + CH2-(CH2)n-R R-(CH2)n-CH2CH2-(CH2)n-R.Beberapa contoh polimer yang terbentuk dari polimerisasi adisi dan reaksinya antara lain. olivinil kloridan CH2 = CHCl [ - CH2 - CHCl - CH2 - CHCl - ]n Vinil klorida polivinil klorida Poliakrilonitriln CH2 = CHCN [ - CH2 - CHCN - ]n Polistirena

1.2.2. Polimerisasi KondensasiPolimer kondensasi terjadi dari reaksi antara gugus fungsi pada monomer yang sama atau monomer yang berbeda. Dalam polimerisasi kondensasi kadang-kadang disertai dengan terbentuknya molekul kecil seperti H2O, NH3, atau HCl.Di dalam jenis reaksi polimerisasi yang kedua ini, monomer-monomer bereaksi secara adisi untuk membentuk rantai. Namun demikian, setiap ikatan baru yang dibentuk akan bersamaan dengan dihasilkannya suatu molekul kecil biasanya air dari atom-atom monomer. Pada reaksi semacam ini, tiap monomer harus mempunyai dua gugus fungsional sehingga dapat menambahkan pada tiap ujung ke unit lainnya dari rantai tersebut. Jenis reaksi polimerisasi ini disebut reaksi kondensasi. Dalam polimerisasi kondensasi, suatu atom hidrogen dari satu ujung monomer bergabung dengan gugus-OH dari ujung monomer yang lainnya untuk membentuk air.

Polimer kondensasi mengandung atom-atom yang lebih sedikit karena terbentuknya produk samping selama berlangsungnya proses polimerisasi. Kondensasi terhadap dua monomer yang berbeda yaitu 1,6 diaminoheksana dan asam adipat yang umum digunakan untuk membuat jenis nylon. Nylon diberi nama menurut jumlah atom karbon pada setiap unit monomer. Dalam gambar ini, ada enam atom karbon di setiap monomer, maka jenis nylon ini disebut nylon 66.Contoh lain dari reaksi polimerisasi kondensasi adalah bakelit yang bersifat keras, dan dracon, yang digunakan sebagai serat pakaian dan karpet, pendukung pada tape audio dan tape video, dan kantong plastik.Monomer yang dapat mengalami reaksi polimerisasi secara kondensasi adalah monomer-monomer yang mempunyai gugus fungsi, seperti gugus -OH; -COOH; dan NH3.Polipropilen dapat dibuat dari monomer propilen melalui proses polimerisasi menggunakan katalis Ziegler-Natta atau katalis metallocene.Katalis Ziegler-Nata merupakan kombinasi antara senyawa logam transisi dengan senyawa organologam dari logam golongan I-III. Contohnya adalah katalis TiCl4 dengan kokatalis Al(C2H5)3. Kokatalis ini berfungsi sebagai aktivator karena kokatalis bereaksi dengan katalis membentuk senyawa antara yang aktif. Polimerisasi Ziegler-Natta terbukti berhasil untuk membuat polimer dari hidrokarbon seperti etilen dan propilen tetapi tidak dapat digunakan untuk monomer lain yang mirip seperti polivinilklorida dan poliakrilat tidak dapat dibuat dengan menggunakan polimerisasi Ziegler-Natta

Beberapa polimer penting yang sering dipergunakan dalam kehidupan sehari-hari dapat dilihat pada tabel:

1.2.3. Polimerisasi TermalPolimerisasi termal adalah polimerisasi yang dilakukan pada tekanan tinggi tanpa adanya katalisator. Tekanan yang digunakan untuk proses ini berada pada range 600 hingga 3000 psig, dan temperaturnya antara 510 sampai 590oC. Secara ekonomis, proses polimerisasi termal ini mahal dan memerlukan instalasi dan operasi yang lebih rumit dibandingkan polimerisasi katalitik.1.2.4. Polimerisasi KatalitikPolimerisasi katalitik berlangsung dengan mekanisme adanya pembentukan ester asam dari reaksi olefin dengan katalis asam. Dua molekul ester kemudian terdekomposisi sehingga akan terjadi regenerasikatalis asam, sedangkan residu hidrokarbon dapat bergabung membentuk molekul yang lebih besar/polimer.1.3. Katalis Pada Proses PolimerisasiSecara umum katalis digunakan untuk menurunkan energi aktifasi. Begitu juga dalam proses polimerisasi. Reaksi polimerisasi merupakan reaksi eksoteris dan akan terjadi kondisi tekanan dan temperatur tertentu. Kondisi operasi pada proses polimerisasi katalitik harus dijaga agar katalis dapat bertahan lama.1.3.1. Katalis P2O5Katalis yang digunakan pada proses Polimerisasi butana-butena ialah P2O5. Katalis ini berbentuk padat dan dipasang dalam reaktor fix-bed. Penyebab pengurang umur katalis dan penurunan aktifitas katalis asam phosphat sebagai P2O5 adalah sebagai berikut : Senyawa nitrogen yang bereaksi dengan katalis, sehingga membentuk ammonium phosphat, hal ini merusak katalis. Senyawa Sulphur yang bereaksi dengan feed membentuk merkaptan yang titik didihnya tinggi, sehingga akan mengurangi konversi katalis. Kontaminan diolefin dan oksigen yang bereaksi membentuk polymer tinggi/tar, sehingga akan menutup pori katalis yang memperpendek umur dan mengurangi aktifitasnya. Adanya kadar air yang tinggi menyebabkan over hydrated, yang merusak katalis.Katalis asam phosphat berbentuk pill (pellets), diameternya 3/16 panjang 3/18 dan berwarna putih yang masih fresh.Typical komposisinya : Katalis aktif, P2O5 bebas 16 % wt Katalis non aktif46 Kieselguhr SiO231 Air hydrasi7Aktifitas katalis ditentukan dengan banyaknya kadar P2O5 bebas yang terkandung, yaitu banyaknya P2O5 yang dalam keadaan terhidrasi sempurna sehingga terlepas dari kieseguhr (sebagai carier-nya), membentuk asam ortho phosphat terpisah yang aktif.P2O5 + 3 H2O ---- 2 H3PO4Selama pembentukan katalis reaksi kesetimbangan yang terjadi adalah :2 H3PO4 + SiO2 ---------- SiO2P2O5 (H2O)x + y H2OReaksi akan bergeser kekiri, bila terdapat banyak air, sehingga semakin banyak terjadi asam ortho phosphat bebas dan aktif. Tetapi ada harga limitas tertentu akan aktifitas katalis seoptimal mungkin, yakni pada kadar 14 18 %.Keadaan katalis yang terlalu aktif dapat menyebabkan terjadi pembentukan slurry yang korosif di reaktor, hal ini bila overhydrate lebih 18 %, sebaliknya bila underhydrated kurang 14 % berarti katalis sudah kurang aktif lagi.Suatu kondisi katalis yang baik bila : Kadar H2O5, 3-6, 85 % wt Kadar P2O514 18 Atau P2O5 3H2O19, 4-24, 851.3.2. Kesetimbangan Hidrasi Katalis P2O5Temperatur reaksi polimerisasi di bagian tengah bed katalis memiliki nilai yang tinggi. Banyak air yang menguap di bagian tengah akan mengembun pada bagian ujung yang lebih dingin, karenya bila terlalu banyak air diberikan ke HC menyebabkan overhydrating yang melemahkan katalis pada bagian ujung.Pada bagian inlet sampai tengah, tekanan uap air pada katalis lebih besar dari pada tekanan uap pada HC, karenanya penguapan air akan terjadi untuk mendapatkan kesetimbangan tekanan uap tersebut, jadi ada penambahan kadar air pada HC dan ini akan bertambah lagi karena penyusutan volume HC 13 % karena terpolymerisasi, sehingga kejenuhan segera tercapai.Untuk mendapatkan 14 18 % kadar P2O5 bebas pada spent catalyst, maka perlu diperhatikan kadar air yang terlarut dalam HC, sesuai dengan temperaturnya, operasi settling drumnya dan kalau perlu diberikan injeksi ke HC tersebut.

II. Deskripsi Proses2.1. Reaksi Polimerisasi Butana-ButenaPolimerisasi senyawa isobutena dengan senyawa isobutana menghasilkan bensin berkualitas tinggi, yaitu isooktana. Proses polimerisasi dalam pembuatan polimer gasoline dengan katalis asam phosphat.

2.2. Reaktor Polimerisasi Butana-Butena Berikut contoh reaktor yang digunakan dalam proses polimerisasi. Jenis reaktor yang digunakan adalah reaktor jenis tubular.

Gambar 1. Reaktor PolimerisasiSpesifikasi reaktor polimerisasi :- Jumlah: 3 set, 3 reaktor / set- Type: Tubular reaktor- Kapasitas: 30 T/D per reaktor- Katalis: P2O5 - P & T: 25-30 Kg/cm2 dan 150-160 oC- P max: 10 kg/cm2- Reaksi : eksotermisKolom stabilizer digunakan untuk memisahkan komponen C3 & lighter dari produk Polimer. Hot oil sistem berfungsi untuk mensuplai panas di reaktor dan -reboiler

2.3. Gambar aliran proses reaksi polimerisasi

Gambar 2. Aliran proses polimerisasi buana-butena2.4. Uraian prosesSebelum FBB (Fresh Butane-Buthylene) masuk ke unit alkilasi, FBB akan diolah terlebih dahulu di Unit Polimerisasi. Pada unit ini selain menghasilkan polimer sebagai HOMC (High Octane Mogas Component) juga dihasilkan gas yang menjadi umpan unit alkilasi. Umpan unit alkilasi diinginkan mempunyai perbandingan i-C4/C4= sebesar 0,97. Untuk mendapatkan perbandingan sebesar itu, cara yang terbaik adalah dengan cara polimerisasi. Umpan unit ini adalah alkilat dari Stabilizer 3 pada unit FCCU dengan kandungan C4= yang tinggi. Umpan terdiri dari C3=, C3, i-C4, n-C4, dan C4=.Pada unit ini terjadi reaksi polimerisasi dengan katalis P2O5. Reaksi berlangsung sekitar temperatur 300 - 450 oF dan tekanan antara 200 psi sampai 1.200 psi. Pada unit ini akan dihasilkan polimer yang merupakan HOMC dan produk gas yang dihasilkan akan menjadi umpan unit alkilasi.Unit ini terdiri dari 3 set konverter (reaktor), yang masing-masing set memiliki 3 buah konverter. Pada kondisi normal yang berjalan adalah 2 set sedangkan 1 set lain dalam kondisi penggantian katalis sampai siap digunakan. Katalis yang digunakan adalah P2O5. Umur katalis sekitar 3 bulan dengan penggantian katalis membutuhkan waktu sekitar 2-3 minggu.Umpan butan-butilen dipanaskan melalui pemanas dan kemudian masuk ke dalam konverter. Reaktor yang digunakan berjenis shell and tube, dimana pada bagian tube terdapat katalis dan tempat dimana reaksi terjadi. Pada bagian shell dialirkan oil (minyak) sebagai pengatur kestabilan temperatur reaksi. Produk polimerisasi yang keluar konverter dimasukkan ke dalam kolom stabilizer (1-1). Produk atas kolom 1-1 dikondensasi dan ditampung pada tangki penampung (8-1) sebagai produk butana-butilen, sebagian produk dikembalikan ke kolom 1-1 dan sebagian dikirim ke tangki LPG. Produk bawah kolom dikirim ke re-run column. Produk atas re-run column dikondensasi dan ditampung pada tangki penampung untuk kemudian dikirim ke tangki high octane gasoline, sedangkan produk bawahnya ditampung sebagai produk mogas.2.5. Pengaruh Kondisi OperasiDalam pelaksanaan plant praktis semua teori yang dikemukakan, tidak begitu saja bisa dikehendaki mencapai hasilnya : Konversi reaksi yang tinggi. Umur katalis yang panjang, awet. Biaya operasi yang murah.Pengaruh kondisi operasi umum adalah :Kenaikan VariabelPengaruh Konversi OlefinPengaruh ke umur Katalis

TemperaturNaikNaik

TekananNaikNaik

Space velocityTurunNaik

Kadar OlefinNaikTurun

Umur KatalisTurun-

Dengan menentukan tekanan, feed rate, kadar olefin dalam feed yang dianggap konstan, maka kenaikan temperatur reaktor outlet akan mengakibatkan kenaikan pada konversi pula.Tetapi bila terlalu tinggi, konversi mengarah kepembentukan cokes yang mengendap pada katalis, sehingga konversi menjadi menurun pula, yang berarti juga umur katalis menjadi pendek.Dengan menentukan temperatur, feed rate dan kadar olefin dalam feed yang konstant, maka pada kenaikan tekanan akan mengakibatkan kenaikan pada konversi pula.Maka dianjurkan operasi dengan tekanan yang tinggi, tetapi harus diperhatikan bahwa semakin beroperasi dengan tekanan tinggi harga material pabrik mahal.Dengan mementukan tekanan, temperatur dan feed rate yang konstant, maka pada kenaikan kadar olefin dalam total feed rate akan mengakibatkan kenaikan konversi. Tetapi semakin tinggi konversi berarti semakin banyak panas terjadi yang harus diserap untuk menahan kenaikan temperatur.Dengan menentukan tekanan, temperatur dan kadar olefin dalam feed yang konstant pada space velocity yang tinggi berarti pengurangan waktu kontak feed dalam katalis, mengakibatkan penurunan konversi. Ada penentuan tersendiri untuk menentukan space velocity optimum untuk biaya operasi yang murah per-produk polymer.Dengan menentukan tekanan, kadar olefin dalam feed dan konversi dijaga konstant, maka pada kenaikan space velocity akan mengakibatkan kenaikan pada temperatur. Tetapi kenaikan temperatur akan menurunkan umur katalis.Untuk mendapatkan konversi yang tetap pada pertambahan jam pemakaian (umur) katalis akan mengakibatkan kenaikan pada kebutuhan temperatur, hal ini berarti pada pertambahan umur katalis maka konversi akan menurun.Dengan menentukan feed rate, kadar olefin dan konversi dijaga konstant, maka pada kenaikan tekanan akan mengakibatkan penurunan temperatur yang berarti pada tekanan naik umur katalis lebih panjang.

III. Investasi ProsesEstimasi investasi proses:A. Harga Alat :1. Pipa (100m): $ 1,0002. Catalyst Chamber (Reaktor Konverter): $ 50,0003. Kolom Stablizer: $ 110,0004. Kondensor: $20,0005. Storage Tank (2 buah): $ 50,0006. Cooler: $ 4,0007. Heat Exchanger Shell and Tube: $ 6,0008. Furnace: $12,0009. Pompa (2 buah): $ 2,00010. Kompresor (2 buah): $ 3,44811. Vavle (10 buah): $ 700Total: $ 29,378B. Harga KatalisP2O5 (1 ton) : $ 900C. AnalisaKapasitas produksi unit ini kurang lebih 150 ton/day BM iso-oktana: 0.69 kg/LVolume produksi: 150.000 kg/day : 0,69 kg/L = 217.391,3 Liter / dayHarga 1 Liter HOMC = Rp 12.000

Maka total penjualan produksi adalah: 217.391,3 Liter/day x Rp 12.000 / Liter = Rp 2.608.695.600,- / dayKonversi dalam Dollar adalah: Rp 2.608.695.600,- / day: Rp 11.000 / Dollar = $ 237.154,4 / day

Estimasi biaya yang diperlukan untuk pembangunan unit polimerisasi ini berkisar: $ 30,278.