LAPORAN TUGAS PRARANCANGAN PABRIK
PRARANCANGAN PABRIK NITROBENZEN
DARI BENZEN DAN ASAM NITRAT DENGAN PROSES
BEAZZI
KAPASITAS 200.000 TON PER TAHUN
Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh
Gelar Kesarjanaan Strata 1 Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun Oleh :
HENRI SEPTIAWAN D 500 070 008
Dosen Pembimbing:
Dr. Ir H. Ahmad M Fuadi, MT Agung Sugiharto, ST., Meng
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
INTISARI
Pabrik nitrobenzen dari benzen dan asam nitrat didirikan karena kebutuhan
bahan tersebut semakin meningkat dari tahun ke tahun dan masih diimpor, maka
pabrik nitrobenzen direncanakan akan didirikan di kawasan industri Cilacap, Jawa
tengah dengan kapasitas 200.000 ton per tahun. Bentuk perusahaan yang dipilih
adalah perseroan terbatas (PT) yang dipimpin seorang direktur utama. Sistem
organisasi pabrik ini adalah “line and staff” dengan jumlah karyawan 170 orang
yang terbagi atas kelompok shift dan non shift.
Proses pembuatan nitrobenzen (C6H5NO2) ini menggunakan proses nitrasi
langsung fase cair dengan perbandingan mol benzen : asam nitrat = 1 : 1,05
dengan konversi 97%. Reaksi bersifat eksotermis dan dijalankan dalam Reaktor
Alir Tangki Berpengaduk (RATB), fase cair-cair, irreversible serta kondisi operasi dijaga isothermal (50oC) dan tekanan 1 atm.
Dari analisis ekonomi, pabrik nitrobenzen ini membutuhkan modal tetap
sebesar Rp 412.745.794.196,10 dan modal kerja sebesar Rp 482.432.029.382,15.
Keuntungan sebelum pajak sebesar Rp 147.647.620.613,40/th. Keuntungan
sesudah pajak sebesar Rp 117.318.096.490,72/th. Analisis kelayakan ini
memberikan hasil bahwa Percent Return On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 35,53% dan setelah pajak sebesar 28,42%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 2,19 tahun sedangkan setelah pajak sebesar 2,60 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 45,53% kapasitas, dan Shut Down Point (SDP) sebesar 22,66% kapasitas. Discounted Cash Flow (DCF) sebesar 23,47%. Berdasarkan data-data di atas maka pabrik nitrobenzen dari benzen dan asam campuran ini
cukup menarik untuk didirikan.
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Pendirian Pabrik
Pembangunan industri sebagai bagian dari usaha pembangunan ekonomi
jangka panjang diarahkan untuk menciptakan struktur ekonomi yang lebih kokoh
dan seimbang. Hal ini tentunya memacu kita untuk lebih efisien dalam melakukan
terobosan-terobosan baru sehingga produk yang dihasilkan mempunyai pangsa
pasar, daya saing, efektif dan efisien disamping harus ramah lingkungan.
Pertumbuhan industri Petrokimia di Indonesia semakin berkembang,
perkembangan industri Petrokimia selain akan memberi nilai tambah pada migas
sebagai bahan bakunya juga akan mendorong beragamnya produk yang
dihasilkan. Salah satu industri yang mempunyai kegunaan penting dan memiliki
prospek yang cerah adalah Senyawa Aromatik seperti nitrobenzen.
Nitrobenzen (C6H5NO2) dengan nama lain nitrobenzide, nitrobenzol, mononitrobenzol, MNB, C.I. solvent black 6, essence of mirbane, essence of myrbane, mirbane oil, oil of mirbane, oil of myrbane, nigrosine spirit soluble B
atau yang sering dikenal dengan minyak nitrobenzol mirban ialah senyawa hasil nitrasi senyawa aromatik yaitu benzen dengan asam penitrasi baik asam campuran
(asam nitrat dan asam sulfat) maupun asam nitrat saja. Senyawa ini mempunyai
bentuk fisik berupa cairan berwarna kuning muda (pucat) dan mempunyai aroma
seperti buah almond, serta mempunyai sifat sangat beracun bila terhisap dan
terkena kulit. Sebagian besar nitrobenzen (± 97%) merupakan bahan baku dalam
pembutan anilin dan dapat digunakan dalam industri farmasi, sebagai bahan
peledak, pewarna, pestisida, obat-obatan dan sebagai pelarut dalam industri cat,
sepatu dan lantai, metal polishes, dan sebagainya.
Kebutuhan nitrobenzen di Indonesia diperkirakan akan terus meningkat
dengan berkembangnya industri-industri yang berbahan baku nitrobenzen di
Indonesia. Selain itu nitrobenzen belum diproduksi di dalam negeri sehingga
untuk mencukupi kebutuhan di dalam negeri masih didatangkan dari luar negeri
1.2. Tujuan
Keuntungan pendirian pabrik nitrobenzen antara lain; dapat memenuhi
kebutuhan nitrobenzen dalam negeri sehingga mengurangi impor dalam negeri
yang diharapkan dapat memberi keuntungan dan menambah devisa negara, selain
itu dapat membantu pemerintah dalam mengatasi masalah tenaga kerja dan
sekaligus dapat mendukung berkembangnya industri-industri di Indonesia dan
TINJAUAN PUSTAKA
1. Macam-Macam Proses
Nitrobenzen diproduksi secara umum dengan nitrasi secara
langsung benzen dengan menggunakan campuran asam nitrat dan asam
sulfat atau dengan asam nitrat saja. Namun secara komersial yang
digunakan adalah campuran asam nitrat dan asam sulfat. Karena kedua
fase yang berasal dari pencampuran reaksi dan reaktan terdistribusi antara
keduanya. Nitrobenzen dapat dibuat dengan beberapa proses sebagai
berikut:
a. Nitrasi benzen dengan asam campuran, dengan proses batch
Dalam proses ini asam campuran yang digunakan 56-60%
H2SO4, 27-32% HNO3, 8-17% H2O. Temperatur reaksi adalah
50-55oC, produk keluar nitrator dipisahkan dalam separator. Produk
nitrobenzen dinetralisasai dengan NaOH. Untuk pemurnian dilakukan
dengan proses distilasi. Yield 95-98% dan waktu reaksi secara batch
berkisar 2-4 jam (Kirk - Othmer, 1996).
b. Nitrasi benzen dengan asam campuran dengan proses kontinyu
Proses kontinyu adalah proses Beazzi yang pada prinsipnya
sama dengan proses batch, sedangkan letak perbedaannya adalah:
1. Versi untuk reaktor yang digunakan untuk proses kontinyu lebih kecil, 30 gallon nitrator kontinyu setara 1500 gallon nitrator batch
(Faith et al., 1975).
2. Konsentrasi HNO3 untuk penetrasi lebih rendah. Pada batch
berkonsentrasi HNO3 27-32% sedangkan pada kontinyu
konsentrasi HNO3 20-26%.
3. Kecepatan reaksi lebih tinggi, hal ini karena dengan ukuran reaktor lebih kecil, sehingga pengadukan lebih efisien.
Selain mempunyai banyak kelebihan, proses kontinyu juga
mempunyai kekurangan sebagai berikut:
5. Penggunaan nitrating agent, dengan salah satu komponen dari penitrasi tersebut adalah H2SO4 yang merupakan asam yang sangat
korosif.
6. Perlu untuk rekonsentrasi H2SO4 sehingga dapat diperkirakan,
biayanya cukup tinggi (Kirk - Othmer, 1996).
c. Nitrasi benzen dengan asam nitrat
Pada proses ini kedudukan asam campuran sebagai asam
penitrasi digantikan dengan asam nitrat dan sisanya air. Proses ini
kurang menguntungkan dibutuhkan asam nitrat yang berlebihan untuk
menghasilkan nitrobenzen dalam jumlah yang sama. Proses ini
membutuhkan bahan baku yang lebih banyak sehingga ukuran alat
yang dibutuhkan jauh lebih besar. Jadi dari segi ekonomis juga kurang
menguntungkan
Dengan membandingkan keuntungan dan kerugian 3 macam proses
di atas, maka dalam perancanan ini dipilih proses nitrasi dengan asam campuran
dengan proses kontinyu. Alasan pemilihan proses ini karena lebih efektif dan
efisien, sebab kecepatan rekasi yang tinggi maka waktu yang dibutuhkan lebih
cepat dan memerlukan reaktor yang lebih kecil jadi biaya yang dibutuhkan juga
relatif sedikit. Dalam penggunaan katalis asam sulfat, asam sulfat merupakan
asam yang lebih kuat dari pada asam nitrat sehingga asam sulfat lebih mudah
melepaskan ion Nitronium (NO2+) dari asam nitrat sehingga akan mempengaruhi
METODE PENELITIAN
1. Konsep Reaksi
1.1. Dasar Reaksi
Proses kontinyu adalah salah satu proses pembuatan nitrobenzen
yang termasuk reaksi nitrasi, dimana benzen direaksikan dengan asam
campuran sehingga menghasilkan nitrobenzen dan produk samping air.
Reaksi :
C6H6 + HNO3 C6H5NO2 + H2O
Proses dijalankan pada suhu 50oC dan tekanan 1 atm pada fase cair
dengan perbandingan mol C6H6 : HNO3 adalah 1:1,05. Reaksi berlangsung
kontinyu (Mc. Ketta et al.,1983).
1.2. Tinjauan Termodinamika
Tinjauan secara termodinamika hanya berlaku untuk reaksi
kesetimbangan atau reversible, untuk itu perlu kiranya diperiksa terlebih dahulu reaksi nitrasi benzen dengan asam campuran itu termasuk reaksi
reversible atau irreversible. Reaksi:
C6H6 (l) + HNO3 (l) C6H5NO2 (l) + H2O (l)
A. Termodinamika ditinjau dari Entalpi (ΔH)
Reaksi nitrasi benzen menjadi nitrobenzen dapat berjalan
endotermis atau eksotermis dapat ditentukan dengan meninjau panas
pembentukan standar (ΔHf) pada 1 atm 298 K.
H2SO4
50oC, 1 atm
Tabel 1. Harga ΔHo
f Masing-Masing Komponen
No Komponen Harga ΔHof (Kkal/mol)
1 C6H6 11,7180
2 HNO3 -41,3500
3 C6H5NO2 13,9000
4 H2O -68,3174
(Perry, 1984)
Total ΔHof 298 = ΣΔHof Produk - ΣΔHof Reaktan
= {(ΔHof C6H5NO2+ΔHof H2O)-(ΔHof C6H6+ΔHof HNO3 )}
= {(13,9 + (-68,3174)) - ( 11,718 + (-41,35))}
= -24,7854 kkal/mol
Harga ΔHof menunjukkan negatif maka reaksi pembentukan
nitrobenzen merupakan reaksi eksotermis.
B. Termodinamika ditinjau dari Energi Gibbs (ΔG)
Perubahan energi Gibbs didapat persamaan:
ΔG = -RT ln K
Diketahui ΔG masing-masing komponen pada 298 K adalah sebagai
berikut:
ΔGo C6H6 = 29,732 kkal/mol
ΔGo HNO3 = -19,288 kkal/mol
ΔGo C6H5NO2 = 34,943 kkal/mol
ΔGo H2O = -56,678 kkal/mol
(Dean, 1999)
Perubahan energi Gibas reaksi dapat dihitung dengan persamaan:
ΔGo = Σ ΔGo produk- Σ ΔGo reaktan
= (ΔGo C6H5NO2 + ΔGo H2O) – (ΔGo C6H6 + ΔGo HNO3)
={(34,943) + (-56,678)} – {(29,732) + (-19,288)} kkal/mol
Harga konstanta kesetimbangan dapat diketahui dengan rumus:
sehingga reaksi yang terjadi merupakan reaksi irreversible (searah).
1.3. Tinjauan Kinetika
Ditinjau dari kinetika reaksi dapat dilihat dari persamaan berikut :
K = A. Exp. (-E/R.T)
ln k = -E/R.T + ln A
Dimana harga E =14.000 kal/gmol dan A = 26,22 gmol/L.jam.
Dengan R = 1,987 kal/gmol.K,
T = 50oC = 323 K.
Sehingga diperoleh harga k = 5,5423 L/mol.jam
Dari persamaan tersebut terlihat bahwa dengan kenaikan suhu
maka harga konstanta kecepatan reaksi (k) akan membesar, artinya
kecepatan reaksi ke arah pembentukan produk semakin besar. Tetapi bila
suhu reaksi diatas 90oC akan terbentuk dinitrobenzen.
2.1. Diagram Alir Proses
2.1.1. Langkah Proses
Secara keseluruhan proses pembuatan nitrobenzen dengan proses kontinyu
dapat dilaksanakan melalui tiga tahapan :
1. Proses penyiapan bahan baku
Bahan baku dipanaskan dengan tujuan menyesuaikan kondisi
operasi dalam reaktor karena reaktor beroperasi secara isotermis.
Mula-mula bahan baku benzen yang berasal dari tangki penyimpan
(F-01) dipompakan menuju E-01. Pada E-01 benzen dinaikkan
suhunya dari 30oC menjadi 50oC, dari E-01 benzen menuju reaktor.
Asam nitrat dari tangki penyimpan (F-02) dipompakan menuju mixer
(F-06). Di dalam mixer asam nitrat di campur dengan asam sulfat yang di pompa dari tangki penyimpan (F-03). Komposisi asam campuran
adalah : 24,3% HNO3, 61,4% H2SO4, 14,3% H2O. Panas yang timbul
sebagai hasil panas pencampuran antara kedua asam tersebut di serap
oleh air pendingin di dalam koil pendingin mixer, sehingga asam campuran yang keluar dari mixer menuju reaktor bersuhu 50oC. Perbandingan mol asam nitrat dan benzen didalam reaktor adalah
1:1,05 dengan suhu 50oC dialirkan secara kontinyu.
2. Proses reaksi nitrasi
Bahan baku yang masuk ke reaktor melalui puncak reaktor
pada kondisi 50oC dan tekanan 1 atm. Reaksi nitrasi antara benzen den
asam nitrat berlangsung pada reaktor CSTR dengan laju putaran
impeller 1200 rpm agar terjadi pencampuran yang sempurna. Suhu reaksi harus tetap di jaga pada 50oC agar reaksi tetap berlangsung pada
fase cairan. Reaksi nitrasi berlangsung secara eksotermis sehingga
diperlukan pendingin agar suhu dalam reaktor tetap 50oC. Pendingin
reaktor menggunakan air yang masuk pada suhu 30oC dan keluar pada
suhu 40oC. Produk yang diperoleh dari reaktor adalah nitrobenzen,
produk samping berupa air dan sisa reaktan berupa benzen dan asam
3. Proses pemurnian hasil
Pada proses pemurnian ada tiga tahapan yaitu :
a. Pemisahan fase organik dan anorganik.
b. Netralisasi
c. Pemurnian dengan distilasi
a. Pemisahan fase organik dan anorganik
Produk reaktor dimasukkan didalam Decanter (Dc-01) untuk memisahkan fase organik dan anorganik. Dekantasi dapat dilakukan
karena kedua fase cair tidak saling melarutkan.
b. Netralisasi
Fase organik dari Decanter (F-07) dipompakan ke netraliser (F-08) untuk menetralkan asam nitrat dan asam sulfat yang terikut
dalam fase organik. Natrium hidroksida yang digunakan sebagai
penetral mempunyai kadar 40% dipompakan dari tangki penyimpan
(F-04). Hasil netralisasi dimasukkan ke Decanter-02 (F-09) untuk memisahkan lapisan yang kaya akan nitrobenzen (lapisan atas)
dengan waste (lapisan bawah) yang terdiri dari Na2SO4, NaNO3,
H2O, dan sedikit C6H5NO2.
c. Pemurnian dengan distilasi
Lapisan dari Decanter-02 (F-09) dinaikkan suhunya dengan E-02 dari suhu 59,69oC menjadi 209,4oC dan diumpankan ke Flash Distilasi. Flash Distilasi berfungsi untuk memisahkan produk nitrobenzen dari impuritasnya. Hasil bawah Flash Distilasi dengan suhu 205,7oC dilewatkan pendingin untuk diturunkan suhunya
HASIL PENELITIAN
Dari analisis ekonomi, pabrik nitrobenzen ini membutuhkan modal tetap
sebesar Rp 412.745.794.196,10 dan modal kerja sebesar Rp 482.432.029.382,15.
Keuntungan sebelum pajak sebesar Rp 147.647.620.613,40/th. Keuntungan
sesudah pajak sebesar Rp 117.318.096.490,72/th. Analisis kelayakan ini
memberikan hasil bahwa Percent Return On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 35,53% dan setelah pajak sebesar 28,42%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 2,19 tahun sedangkan setelah pajak sebesar 2,60 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 45,53% kapasitas, dan Shut Down Point (SDP) sebesar 22,66% kapasitas. Discounted Cash Flow (DCF) sebesar 23,47%. Berdasarkan data-data di atas maka pabrik nitrobenzen dari benzen dan asam campuran ini
KESIMPULAN
Pabrik Nitrobenzen dari benzen dan asam campuran ini digolongkan
pabrik beresiko rendah, karena kondisi operasi atmosferis, suplai bahan baku
dekat, dan merupakan komoditi ekspor. Hasil analisis kelayakan ekonomi adalah
sebagai berikut :
1. Keuntungan sebelum pajak Rp 147.647.620.613,40 per tahun
Keuntungan setelah pajak Rp 117.318.096.490,72 per tahun
2. ROI (Return On Investment) sebelum pajak 35,53% ROI sesudah pajak 28,42%
ROI sebelum pajak untuk pabrik berisiko rendah minimal 11%
(Aries & Newton.1955)
3. POT (Pay Out Time) sebelum pajak 2,19 tahun POT (Pay Out Time) setelah pajak 2,60 tahun
POT sebelum pajak untuk pabrik berisiko rendah maksimal sebelum pajak 5
tahun
4. BEP (Break Even Point) adalah 45,53% dan SDP (Shut Down Point) adalah 22,66%. BEP untuk pebrik kimia pada umumnya berkisar antara 40% - 60 %.
5. DCF (Discounted Cash Flow) adalah 23,47%.
Dari perhitungan analisa ekonomi di atas dapat disimpulkan bahwa pabrik
DAFTAR PUSTAKA
Biro Pusat Statistik, Semarang, “ Data Import-Eksport Tahun 2001-2006”
Brown, G.G., 1950, “Unit Operations”, John Wiley and Sons, Inc., New York Brownell, L.E. and Young, E.H., 1979, “Process Equipment Design”, John Wiley
and Sons, Inc., New York
Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1983, “Chemical Engineering”, Vol. 6, Pergamon Press, Oxford
Dean, J.A, 1999,”Lange’s Hand Book of Chemistry “ 5th
Edition, Mc. Graw-Hill
Inc., new York
Faith ,W.L., Keyes, D.B., and Clark, R.L., 1975, “Industrial Chemicals”, 4th
Edition, John Wiley Sons Inc., New York
Fessenden, R. and J.S. Fessenden, 1997, “Organic Chemistry”, 3rd.ed., Wadsworth Inc., Belmont, California
Geankoplis, C.J. and J.F. Richardson, “Design Transport Process and Unit Operation”, 1989, Pegamon Press, Singapore
Groggins, 1987, “Unit Process In Organic Synthesis”, Mc Graw Hill, Singapore
Gunawan, W., 2003, Tanggung Jawab Direksi atas Kepailitan Perseroan, Raja
Grafindo Persada, Jakarta
Holman, J. P., 1988, ”Perpindahan Kalor”, alih bahasa Jasifi E., edisi ke-6, Erlangga, Jakarta
Hougen, O.A., Watson, K.M., and Ragatz, R.A., 1954, ”Chemical Process Principle”, Vol III, John Wiley and Sons Inc., New York
Iman, S., 1995, Manajemen Proyek, Erlangga, Jakarta
Kern, D.Q., 1950, “Process Heat Transfer”, McGraw-Hill International Book Company Inc., New York
Kirk R.E., and Othmer, D.F., 1996, “ Encyclopedia of Chemical Technology ”,
vol.17, 4nd edition, John Wiley & Sons Inc.,New York
Masud, M., 1989, Manajemen Tanggung Jawab dan Struktur Organisasi Perusahaan, Erlangga, Jakarta
Mc Ketta, and Acumgham, A., 1983, “Enchyclopedia of Chemical Processing and Design”, Vol. 9, Mc. Graw-Hill Inc., new York
Perry, R.H., and Green, D., 1984, “ Perry’s Chemical Engineers Hand Book ”, 6th
Edition, Mc. Graw Hill Book Company Inc., New York
Perry, R.H. and Green, D.W., 1997, “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”,
7th ed., McGraw-Hill Book Company, New York
Peters, M.S. and Timmerhaus, K.D., 2004, “Plant Design and Economic for Chemical Engineering”, 5th ed., McGraw-Hill International Book Company Inc., New York
Rase, H.F., and Holmes, J. R., 1977, “Chemical Reactor Design for Process Plant, Volume One : Principles and Techniques”, John Wiley and Sons, Inc., New York
Smith, J.M., 1985, “Chemical Engineering Kinetics”, 5th ed., McGraw-Hill Book Company,singapore
Smith, J.M.,and Van Ness,H.C., 1975, “ Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics ”, 3rd Edition, Mc. Graw Hill Book Company Inc., Kagakusha Ltd., Singapore
Treybal, R.E., 1981, “Mass Transfer Operation”, 3rd ed., McGraw-Hill Book Company, Singapore
Ulrich, G.D., 1984, “A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics”, John Wiley and Sons, Inc., New York
Yaws, 1979, “Thermodynamic and Physical Properties Data”, Mc Graw Hill Book Co. Singpore
Nadya Hernandez, http://www.the-innovation-group.com/welcome.htm, 2003, 19
