BAB II DESKRIPSI PROSES. Titik didih (1 atm) : 64,6 o C Spesifik gravity : 0,792 Kemurnian : 99,85% Titik didih (1 atm) : -24,9 o C Kemurnian : 99,5 %

(1)

Prarancangan Pabrik Dimetil Eter dari Metanol dengan Proses Dehidrasi

Kapasitas 20.000 Ton/Tahun

BAB II Deskripsi Proses 12

BAB II

DESKRIPSI PROSES

2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk 2.1.1 Spesifikasi Bahan Baku

a. Metanol (PT. KMI, 2015)

Fase : Cair

Titik didih (1 atm) : 64,6oC

Spesifik gravity : 0,792

Kemurnian : 99,85%

Impuritas : 0,15% Air

2.1.2 Spesifikasi Produk

a. Dimetil Eter (Ulmann,2002)

Fase : Cair

Titik didih (1 atm) : -24,9oC

Kemurnian : 99,5 % Impuritas : 0,5% Metanol 2.1.3 Spesifikasi Katalis a. Al2O3 (ALMATIS Co, 2005) Bentuk : Pellet Bulk density : 769 kg/m3

Spesific surface area : 300 m2/g

Porositas : 0,5

Diameter : 0,1875 inch (0,0047 m)

(2)

2.2 Konsep Proses 2.2.1 Dasar Reaksi

Reaksi pembuatan dimetil eter (DME) dengan menggunakan bahan baku metanol adalah sebagai berikut :

2 CH4O(g) → C2H6O(g) + H2O(g)

Pada reaksi diatas terjadi dehidrasi metanol menjadi dimetil eter dan air dengan katalis Al2O3 berbentuk padat. (Turton,1998)

2.2.2 Kondisi Operasi

Menurut Turton (1998), kondisi operasi reaksi dehidrasi metanol menjadi dimetil eter adalah sebagai berikut:

Temperatur : 250-400oC

Tekanan : 14,5 atm

Sifat reaksi : Eksotermik

Fase : Gas-gas dengan katalis padat

2.2.3 Tinjauan Kinetika

Persamaan konstanta kecepatan reaksi pembentukan dimetil eter mengikuti persamaan Arhenius

k = A exp (𝐸𝑎_𝑅𝑇) dimana :

A = 1,21.10-2

Ea = -80.480 J/kmol

Sehingga persamaan kecepatan reaksi pembentukan dimetil eter adalah sebagai berikut (Turton, 1998) :

-r metanol = 1,21.10-2_{exp (}−80480

𝑅𝑇 ). 𝑃𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

dengan :

-r metanol = kecepatan reaksi (kmol /m3.jam)

T = suhu (K)

P metanol = Tekanan parsial metanol (kPa)

(3)

2.2.4 Mekanisme Reaksi

Mekanisme reaksi katalitis dengan reaktan metanol berbentuk gas dan katalis Al2O3 (alumina) berbentuk padatan berlangsung sebagai berikut:

1. a. Difusi gas reaktan dari fase gas ke permukaan luar (interface) katalis.

b. Difusi reaktan dari permukaan luar katalis melewati pori-pori ke permukaan dalam pori katalis (difusi molekuler).

2. Reaksi pada permukaan katalis

2 CH4O(g) → C2H6O(g) + H2O(g)

3. a. Difusi gas hasil reaksi dari permukaan dalam katalis ke permukaan luar katalis.

b. Difusi gas hasil reaksi dari permukaan luar katalis (interface) ke fase gas.

Pada mekanisme reaksi katalitik di atas, tahap difusi diabaikan karena dianggap berlangsung sangat cepat, sehingga untuk menurunkan persamaan reaksi yang dipertimbangkan adalah tahap reaksi permukaan.

(4)

Reaksi utama : CH4O(g) → C2H6O(g) + H2O(g) A → B + C 1. Reaksi permukaan A+ S B + C(g) + S V A SP k rs .  dengan :

S = permukaan aktif katalis

θv = konsentrasi pada permukaan kosong katalis

PA = tekanan parsial A

PB = tekanan parsial B

rs = kecepatan reaksi pada permukaan

Neraca permukaan katalis : _V 1

Pengendali pada reaksi permukaan sehingga diperoleh : V A SP k rs .  A SP k rs .

Dari Turton (1998), persamaan kecepatan reaksi dehidrasi methanol menjadi dimetil eter dan air dinyatakan dalam persamaan berikut :

-r metanol = k. PA

-r metanol = 1,21.10-2 exp (−80480_𝑅𝑇 ). 𝑃𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 dengan :

-r metanol = kecepatan reaksi (kmol /m3_.jam)

T = suhu (K)

P metanol = Tekanan parsial metanol (kPa)

R = konstanta gas ideal = 8314,34 J/ kmol.K

(5)

2.2.5 Tinjauan Termodinamika

Panas Reaksi (ΔHro)

Panas reaksi (ΔHro) dapat digunakan untuk menentukan apakah reaksi

endotermis atau eksotermis. Berikut perhitungan panas reaksi (ΔHro) :

CH4O(g) → 1

2 C2H6O(g) + 1 2 H2O(g)

Tabel II.1 Harga ΔHo_{f masing-masing komponen (Yaws, 1999)}

Komponen ΔHof (kJ/mol) CH4O -201,17 C2H6O -184,05 H2O -241,8 ΔHo r = ΔHof produk - ΔHof reaktan = (0,5 . -184,05 + (0,5 . -241,8)) – (-201,17) kJ/mol = -11,755 kJ/mol

Karena harga ΔH menunjukkan harga negatif, maka reaksinya bersifat eksotemis.

Energi Bebas Gibbs (ΔGof)

Tabel II.2 Harga ΔGo_{f masing-masing komponen (Yaws,1999)}

Komponen ΔGof (kJ/mol) CH4O - 162,51 C2H6O - 112,93 H2O - 228,60 ΔGo_{f = ΔG}o_{f produk - ΔG}o_{f reaktan} = ( -112,93 + ( -228,60)) – (2. -162,51) = -16,51 kJ/mol

(6)

Konstanta Kesetimbangan Reaksi

Dari Smith Van Ness (1997), Persamaan (15.14) : ln K298,15 = RT G0   = K 298,15 kJ/mol.K x 8,314.10 kJ/mol 16,51 3 -  = 6,46 K298,15 = 640,83

Dari Smith Van Ness (1997) , Persamaan (15.17)

) T 1 T 1 x( R ΔH K K ln ref 298,15 298,15           

Pada suhu 250oC (523,15K) besarnya konstanta kesetimbangan dapat dihitung sebagai berikut.

) T 1 T 1 x( R ΔH K K ln ref 298,15 298,15            )K 298,15 1 523,15 1 ( x kJ/mol.K 8,314.10 kJ/mol) (-11,755 640,83 K ln _ _-₃       04 , 2 640,83 K ln _      0,13 640,83 K _       K = 83,308

Tabel II.3 Data Konstanta Kesetimbangan Reaksi dan Energi Gibbs Standar T (0C) T (K) K ΔG = -RT lnK 400 673,15 45,648 -21,384 350 623,15 54,028 -20,669 300 573,15 65,854 -19,953 250 523,15 84,308 -19.287

(7)

Dari nilai K diatas (K>1) maka dapat disimpulkan bahwa reaksi akan ke arah produk (irreversibel)

2.3 Diagram Alir Proses

2.3.1 Gambar Diagram Alir Proses

(lihat halaman 22)

2.3.2 Tahap proses pembuatan DME

Tahap proses pembuatan DME dari metanol dengan proses dehidrasi adalah sebagai berikut:

1. Tahap penyiapan bahan baku 2. Tahap pembentukan DME 3. Tahap pemurnian

1. Tahap persiapan bahan baku

Tahap ini bertujuan untuk menyiapkan metanol sebelum direaksikan dalam reaktor. Metanol di pasaran berbentuk cair dengan kemurnian sekitar 99,85 % berat. Metanol pada dari tangki penyimpan (T-01) dialirkan menuju ke tee kemudian dicampur dengan arus recycle dari Menara Distilasi (MD-02). Umpan metanol dipompa ke vaporizer untuk diuapkan, metanol dari vaporizer selanjutnya dialirkan menuju kompressor untuk dinaikkan tekanannya agar sesuai dengan tekanan di reaktor.

2. Tahap pembentukan DME

Campuran metanol masuk ke dalam reaktor yang berisi katalis padat Al2O3. Dalam reaktor terjadi proses dehidrasi metanol menjadi dimetil

eter dan air. Reaktor yang digunakan untuk reaksi adalah jenis fixed bed multitube dengan kondisi non adiabatic non isothermal dan bersifat eksotermis. Reaktor beroperasi pada suhu 187-340oC dengan tekanan 14,5 atm. Konversi yang diperoleh dalam reaktor sebesar 80 %.

(8)

3. Tahap pemurnian

1. Pemisahan DME

Tahap ini bertujuan untuk memisahkan produk DME dari metanol dan air untuk disimpan dalam tangki penyimpan produk (T-02) . Produk reaktor kemudian diturunkan tekanannya dengan menggunakan expander. Dalam expander terjadi penurunan tekanan dan suhu, kemudian dimasukkan ke dalam cooler untuk didinginkan lagi. Produk kemudian diumpankan ke menara distilasi (MD-01) dengan umpan berupa superheated. Pada MD-01 terjadi pemisahan antara DME dengan metanol dan air. Hasil atas MD-01 adalah produk DME dengan komposisi sebesar 99,5% berat dengan impuritas metanol. DME keluar sebagai hasil atas MD-01, sedangkan hasil bawah berupa campuran metanol, air dan sedikit DME. Produk DME disimpan dalam tangki penyimpan (T-02).

2. Tahap Pemisahan metanol dan air.

Hasil bawah MD-01 yang berupa campuran DME, metanol dan air dialirkan ke cooler untuk diturunkan suhunya. Hasil keluaran cooler dalam kondisi cair jenuh, kemudian diumpankan menuju MD-02. Pada 02 terjadi pemisahan antara metanol dan air. Destilat MD-02 berupa metanol dan sedikit air, dan diumpankan ke tee. Hasil bawah MD-02 yang berupa air dan sedikit metanol beserta DME masuk ke IPAL.

(9)

T-01

VR-01

R-01

MD

-01

MD

-02

T-02

CH4O H2O _C2H6O CH4O H2O

Gambar 2.1 Blok Diagram Kualitatif

C2H6O CH4O H2O C2H6O CH4O H2O C2H6O CH4O H2O C2H6O CH4O H2O CH4O H2O Arus 9 Arus 5 Arus 4 Arus 2 Arus 8 Arus 7 Arus 1 C2H6O CH4O Arus 6 P = 1,2 atm T = 35 o_C P = 1,2 atm T = 37 o_C P = 1,2 atm T = 99,3o_C P = 9 atm T = 155 o_C P = 14,5 atm T = 185,7o_C P = 14,5atm T = 325 o_C P = 9 atm T = 35 o_C P = 1,2 atm T = 61,6o_C

(10)

T-01

VR-01

R-01

MD

-01

MD

-02

T-02

CH4O H2O

Total C2H6O_CH4O H2O Total

Gambar 2.2 Blok Diagram Kuantitatif

C2H6O CH4O H2O Total C2H6O CH4O H2O Total C2H6O CH4O H2O Total C2H6O CH4O H2O Total CH4O H2O Total Arus 9 Arus 5 Arus 4 Arus 2 Arus 8 Arus 7 Arus 1 C2H6O CH4O Total Arus 6 3.525,643 5,296 15,782 5.462,037 31,836 12,625 4.369,639 25,469 2.525,163 873,926 1.008,636 (kg/Jam) (kg/Jam) (kg/Jam) (kg/Jam) 12,626 (kg/Jam) 861,210 1.008,636 (kg/Jam) 17,224 999,463 2.512,537 12,716 (kg/Jam) (kg/Jam) 12,626 843,986 20,173 3.530,939 5.509,655 4.407,724 4.407,724 1.882,472 1.005,687 876,785 2.525,253

(11)

(12)

2.4.1 Neraca Massa Alat 1. Tee

Tabel II.4. Neraca Massa Tee

Komponen Input (kg/jam) Output (kg/jam)

Arus 1 Arus 7 Arus 2

CH3OCH3 - _12,625 _12,625 CH4O _3.525,643 _843,986 _4369,629 H2O _5,296 _20,172 _25,469 Total 3.530,940 876,784 4.407,724 4407,724 2. Reaktor (R-01)

Tabel II.5. Neraca Massa Reaktor

Arus 3 Arus 4 CH3OCH3 _12,625 _2.525,163 CH4O _4.369,629 _873,9259 H2O _25,469 _1.008,636 4.407,724 4.407,724 3. Menara Distilasi 1 (MD-01)

Tabel II.6. Neraca Massa MD-01

CH3OCH3 _2.525,163 _2.512,537 _12,625

CH4O _873,9259 _12,715 _861,210

H2O _1.008,636 ₀ _1.008,636

Total _4407,724 2.525,253 1.882,472

(13)

4. Menara Distilasi 2 (MD-02)

Tabel II.7. Neraca Massa MD-02

CH3OCH3 _12,625 _12,625 ₀

CH4O _861,210 _843,986 _17,224

H2O _1.008,636 _20,172 _988,463

Total _1.882,472 876,784 1.005,687

1.882,471

Neraca Massa Total

Tabel II.8. Neraca Massa Total

CH3OCH3 - 2.512,537 - CH4O 3.525,643 12,715 17,224 H2O 5,296 - 988,463 Total 3.530,94 2.525,253 1.005,687 3.530,94

2.4.2 Neraca Panas Alat

Neraca tenaga sistem tabel:

Basis perhitungan : 1 jam operasi Suhu referensi : 298°K

1. Tee

Tabel II.9. Neraca Panas Tee

Komponen Input (kJ/jam) Output (kJ/jam)

Q masuk arus 1 44.260,252 -

Q masuk arus 7 83.133,342 -

Q keluar arus 2 - 127.393,596

(14)

2. Vaporizer (V-01)

Tabel II.10. Neraca Panas Vaporizer

Q umpan 380.796,646 - Q keluar vaporizer - 4.893.872,090 Q recycle keluar - 253.447,204 Q steam 4.766.522,648 - Total 5.147.319,294 5.147.319,294 3. Reaktor (R-01)

Tabel II.11. Neraca Panas Reaktor

Q masuk arus 3 1.689.041.56 - Q keluar arus 4 - 2.486.140.85 Q reaksi standar 1.284.124.84 - Q pendingin - 487.025,55 Total 2.973.166.40 2.973.166.40 4. Cooler (CO-01)

Tabel II.12. Neraca Panas CL-01

Komponen Input (kJ/jam) Output (kJ/jam) Q yang dibawa umpan cooler 2.461.978,035

Q yang dibawa keluar cooler - 1.748.575,159

Q yang diserap air pendingin - 713.402,876

Total 2.461.978,035 2.461.978,035

5. Menara Disitilasi (MD-01) Tabel II.13. Neraca Panas MD-01

(15)

Q keluar arus 5 - 93,74 Q keluar arus 6 - 867,66 Q condensor - 1.160.765,593 Q reboiler 1.161.355,983 - Total _{1.161.727,006} _{1.161.727,006} 6. Cooler (CO-02)

Tabel II.14. Neraca Panas CL-02

Komponen Input (kJ/jam) Output (kJ/jam) Q yang dibawa umpan cooler 969.675,292 -

Q yang dibawa keluar cooler - 583.072.4241

Q yang diserap air pendingin - 386.602,868

Total 969.675,292 969.675,292

7. Menara Disitilasi (MD-02) Tabel II.15. Neraca Panas MD-02

Q masuk arus 6 521.011,21 - Q keluar arus 7 - 94.566,41 Q keluar arus 8 - 331.808,47 Q condensor - 2.224.806,68 Q reboiler 2.130.170,36 - Total _2.651.181,57 _2.651.181,57

(16)

Neraca Panas Total

Tabel II.16. Neraca Panas Total

CH3OCH3 _0.000 _93296.918 _0.000 CH4O _44149.299 _441.845 _3601.124 H2O _110.954 _4.791 _328207.348 Subtotal _44260.253 _93743.554 _331808.472 Total _44260.253 425552.026 Q masuk _5,493,561.49 - Q keluar - 5,112,269.72 Total _5,537,821.74 5,537,821.74

2.5. Lay Out Pabrik dan Peralatan

2.5.1. Lay Out Peralatan

Tata letak peralatan proses pada prarancangan pabrik ini dapat dilihat pada Gambar II.5. Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menentukan lay out peralatan proses pada pabrik DME , antara lain :

1. Aliran bahan baku dan produk

Pengaliran bahan baku dan produk yang tepat akan memberikan keuntungan ekonomi yang besar, serta menunjang kelancaran dan keamanan produksi. 2. Aliran udara

Aliran udara didalam dan disekitar area proses perlu diperhatikan kelancarannya. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya stagnasi udara pada suatu tempat sehingga mengakibatkan akumulasi bahan kimia yang dapat mengancam keselamatan pekerja.

(17)

Penerangan seluruh pabrik harus memadai selain itu pada tempat-tempat proses yang berbahaya atau beresiko tinggi perlu adanya penerangan tambahan.

4. Lalu lintas manusia

Dalam perencangan lay out pabrik perlu diperhatikan agar pekerja dapat mencapai seluruh alat proses dangan cepat dan mudah. Hal ini bertujuan apabila terjadi gangguan pada alat proses dapat segera diperbaiki. Keamanan pekerja selama menjalani tugasnya juga diprioritaskan.

5. Pertimbangan ekonomi

Dalam menempatkan alat-alat proses diusahakan dapat menekan biaya operasi dan menjamin kelancaran dan keamanan produksi pabrik.

6. Jarak antar alat proses

Untuk alat proses yang mempunyai suhu dan tekanan operasi tinggi sebaiknya dipisahkan dengan alat proses lainnya, sehingga apabila terjadi ledakan atau kebakaran pada alat tersebut maka kerusakan dapat diminimalkan.

(18)

Lay Out Peralatan

Gambar II.3. Lay Out Peralatan

(19)

2.5.1. Lay Out Pabrik

Tata letak pabrik merupakan suatu pengaturan yang optimal dari seperangkat fasilitas-fasiitas dalam pabrik. Pada prarancangan pabrik ini, tata letak dari pabrik dapat dilihat pada Gambar II.4.

Untuk mencapai kondisi yang optimal, maka hal-hal yang harus diperhatikan dalam menentukan tata letak pabrik adalah :

1. Pabrik DME merupakan pabrik baru (bukan pengembangan), sehingga dalam menentukan lay out tidak dibatasi oleh bangunan yang ada.

2. Berdasarkan kebutuhan DME dunia yang terus meningkat maka diperlukan adanya perluasan pabrik sebagai pengembangan pabrik masa depan. 3. Faktor keamanan sangat diperlukan untuk bahaya kebakaran dan ledakan,

maka perencanaan lay out diusahakan jauh dari sumber api , bahan panas, dan bahan yang mudah meledak.

4. Sistem kontruksi yang direncanakan adalah outdoor untuk menekan biaya bangunan dan gedung

Secara garis besar lay out dibagi menjadi beberap bagian utama, yaitu :

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

2. Daerah proses

Daerah proses adalah daerah dimana alat proses diletakkan dan proses berlangsung.

3. Daerah penyimpanan bahan baku dan produk. 4. Daerah bengkel ,gudang dan garasi.

5. Daerah utilitas

Daerah utilitas adalah daerah dimana kegiatan penyediaan bahan pendukung proses berlangsung dipusatkan.

(20)

Lay Out Pabrik

Gambar II.4. Lay Out Pabrik