Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Industrial Grade Silicon (IGS) dari Karbon dan Pasir Silika Menggunakan Steam Tekanan Tinggi yang Dihasilkan dari Gas Buang Proses Kapasitas 5000 Ton/Tahun

(1)

I-1 1.1 Latar Belakang

Silikon merupakan unsur kimia yang mempunyai simbol Si dan nomor atom 14. Silikon adalah sejenis metaloid tetravalen yang kurang reaktif jika dibandingkan dengan analog kimianya, karbon yang mempunyai sifat kimia yang hampir sama. Silikon merupakan unsur kedua yang paling melimpah di kerak bumi (setelah oksigen), mencapai hampir 25,7% dari kerak bumi menurut massa. Silikon kadang – kadang muncul sebagai unsur bebas murni di alam, tetapi lebih luas terdistribusi dalam tanah liat, feldspar, granit, kuarsa, dan pasir. Kebanyakannya dalam bentuk silikon dioksida (juga dikenali sebagai silika) dan dalam bentuk silikat (beraneka jenis senyawa yang mengandung silikon, oksigen, dan satu atau berbagai jenis logam lain). (Othmer, 1949)

Pada tahun 1995, permintaan silikon pada daerah barat (western) yaitu sebesar 790.000 metrik ton. Permintaan pada daerah barat ini diperhitungkan akan tumbuh pada kisaran rata – rata 5% pada abad ke 21. Bahkan diperkirakan dapat mencapai hampir 1.000.000 metrik ton. (WVU projects, 2008)

Kebutuhan impor silikon di Indonesia dapat dilihat pada tabel berikut ini: Tabel 1.1 Kebutuhan Impor Silikon di Indonesia

Tahun Jumlah (kg) 2002 1.467.078 2003 1.916.130 2004 4.932.909 2005 5.376.414 2006 5.640.798 (Badan Pusat Statistik, 2008)

Silikon memiliki banyak kegunaan di dalam industri. Silikon merupakan komponen terpenting pada sebagian besar alat semikonduktor, dan yang paling penting adalah sebagai integrated circuits atau microchips. Silikon secara luas digunakan sebagai semikonduktor karena silikon tetap bertindak sebagai semikonduktor pada temperatur yang tinggi jika dibandingkan dengan

(2)

I-1 1.1 Latar Belakang

Silikon merupakan unsur kimia yang mempunyai simbol Si dan nomor atom 14. Silikon adalah sejenis metaloid tetravalen yang kurang reaktif jika dibandingkan dengan analog kimianya, karbon yang mempunyai sifat kimia yang hampir sama. Silikon merupakan unsur kedua yang paling melimpah di kerak bumi (setelah oksigen), mencapai hampir 25,7% dari kerak bumi menurut massa. Silikon kadang – kadang muncul sebagai unsur bebas murni di alam, tetapi lebih luas terdistribusi dalam tanah liat, feldspar, granit, kuarsa, dan pasir. Kebanyakannya dalam bentuk silikon dioksida (juga dikenali sebagai silika) dan dalam bentuk silikat (beraneka jenis senyawa yang mengandung silikon, oksigen, dan satu atau berbagai jenis logam lain). (Othmer, 1949)

Pada tahun 1995, permintaan silikon pada daerah barat (western) yaitu sebesar 790.000 metrik ton. Permintaan pada daerah barat ini diperhitungkan akan tumbuh pada kisaran rata – rata 5% pada abad ke 21. Bahkan diperkirakan dapat mencapai hampir 1.000.000 metrik ton. (WVU projects, 2008)

Kebutuhan impor silikon di Indonesia dapat dilihat pada tabel berikut ini: Tabel 1.1 Kebutuhan Impor Silikon di Indonesia

Tahun Jumlah (kg) 2002 1.467.078 2003 1.916.130 2004 4.932.909 2005 5.376.414 2006 5.640.798 (Badan Pusat Statistik, 2008)

Silikon memiliki banyak kegunaan di dalam industri. Silikon merupakan komponen terpenting pada sebagian besar alat semikonduktor, dan yang paling penting adalah sebagai integrated circuits atau microchips. Silikon secara luas digunakan sebagai semikonduktor karena silikon tetap bertindak sebagai semikonduktor pada temperatur yang tinggi jika dibandingkan dengan

(3)

semikonduktor germanium dan juga karena oksida alaminya dapat dengan mudah dihasilkan di dalam furnace dan membentuk antarmuka semikonduktor/dielektrik yang lebih baik jika dibandingkan dengan hampir semua kombinasi - kombinasi bahan lainnya. (Wikipedia, 2008)

Di dalam bentuk silika dan silikat, silikon membentuk kaca, semen, dan keramik. Dan juga komponen silicones, suatu nama yang diberikan untuk berbagai macam senyawa plastik sintetis yang dibuat dari silikon, oksigen, karbon, dan hidrogen. (Wikipedia, 2008)

Silikon merupakan suatu elemen yang sangat dibutuhkan dalam dunia biologi, walaupun hanya sedikit jumlah yang dibutuhkannya oleh hewan. Silikon jauh lebih penting untuk metabolisme tumbuhan, khususnya rumput, dan silicic acid

(suatu jenis silika) membentuk dasar susunan yang istimewa dari lapisan pelindung diatom mikroskopik. (Wikipedia, 2008)

1.2 Perumusan Masalah

Mengingat besarnya permintaan global dan kegunaan silikon yang meliputi berbagai bidang industri, mendorong untuk dibuat suatu perancangan pabrik pembuatan silikon dari bahan baku silikon dioksida dan karbon.

1.3 Tujuan Perancangan

Tujuan perancangan ini adalah untuk menerapkan disiplin ilmu Teknik Kimia, khususnya di bidang perancangan, proses, dan operasi teknik kimia, sehingga memberikan gambaran kelayakan Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Silikon.

1.4 Manfaat

(4)

(5)

II-1 2.1 Sejarah

Silikon pertama kali diperkenalkan oleh Antoine Lavoisier pada tahun 1787

sebagai suatu komponen dari silex atau silicis yang biasa dikenal sebagai batu api

atau batu keras selama permulaan era modern dimana pada jaman sekarang kita

menyebutnya silika atau silikat. Pada tahun 1811 Gay lussac dan Thenard

menyiapkan silikon amorphous tidak murni dengan bantuan pemanasan kalium

dengan silikon tetrafluorida. Silikon pertama kalinya ditemukan sebagai unsur oleh

Berzelius pada tahun 1823. Pada tahun 1824, Berzelius menyiapkan silikon

amorphous mengunakan metode yang hampir sama dengan metode Lussac. Berzelius

juga telah memurnikan produk yang dihasilkan dengan cara mencucinya berulang –

ulang. (Wikipedia, 2008)

2.2 Silikon

Silikon (Latin: Silicium) merupakan unsur kimia yang mempunyai simbol Si

dan nomor atom 14. Sebagai metaloid tetravalen, silikon kurang reaktif jika

dibandingkan dengan karbon yang mempunyai sifat kimia yang hampir sama.

Silikon kadang – kadang muncul sebagai unsur bebas murni di alam, tetapi lebih luas

terdistribusi dalam tanah liat, feldspar, granit, kuarsa, dan pasir. Kebanyakannya

dalam bentuk silikon dioksida (juga dikenali sebagai silika) dan dalam bentuk silikat

(beraneka jenis senyawa yang mengandung silikon, oksigen, dan satu atau berbagai

jenis logam lain). (Othmer, 1949)

Berdasarkan massa, silikon meliputi 25,7% dari kerak bumi dan merupakan

unsur paling melimpah kedua di bumi, setelah oksigen. Kristal silikon murni kadang

– kadang hanya ditemukan di alam. Kristal silikon murni ini dapat ditemukan karena

penyertaannya dengan emas dan di dalam pengeluaran gunung berapi. Silikon sering

kali ditemukan dalam bentuk silikon dioksida (juga dikenal sebagai silika), dan

silikat.

Silika terdapat dalam mineral yang tersusun atas silikon dioksida murni

(6)

batu kristal, batu api, dan batu baiduri adalah merupakan beberapa bentuk dimana

silikon dioksida muncul.

Silikon juga muncul sebagai silikat (berbagai macam mineral yang meliputi

silikon, oksigen, dan satu atau logam lainnya), sebagai contoh feldspar. Mineral ini

muncul dalam tanah liat, pasir dan berbagai macam tipe batu seperti granit dan batu

pasir. Asbestos, feldspar, tanah liat, hornblende, dan mika dalah beberapa contoh

dari mineral silikat.

Silikon merupakan komponen dasar aerolites, yang merupakan golongan

meteoroid, dan juga merupakan komponen tektites, yang merupakan bentuk alami

kaca.

(Wikipedia, 2008)

2.3 Sifat – Sifat Penting

Orbital elektron sebelah luar mempunyai struktur yang sama seperti karbon

dan kedua elemen ini sangat mirip secara kimia. Walaupun merupakan unsur inert,

silikon masih bereaksi dengan halogen dan mengencerkan alkali, tetapi kebanyakan

asam (kecuali untuk beberapa kombinasi reaktif dari asam nitrat dan asam fluorida)

tidak berpengaruh terhadapnya. Mempunyai empat ikatan elektron seperti karbon,

memberikan banyak peluang kepada silikon untuk berkombinasi dengan berbagai

unsur atau senyawa.

Silikon dan karbon merupakan semikonduktor, mudah untuk memberikan

ataupun membagi keempat elektron luarnya membentuk berbagai macam ikatan

kimia. Silikon murni mempunyai koefisien ketahanan temperatur yang bernilai

negatif, karena jumlah free charge carriers meningkat dengan temperatur.

Dalam bentuk crystalline, silikon murni berwarna abu – abu dan berkilau

seperti logam metalik. Ini mempunyai kesamaan dengan kaca tapi lebih kuat, sangat

rapuh, dan mudah untuk dipotong – potong.

(Wikipedia, 2008)

2.4 Isotop

Silikon memiliki banyak isotop yang terkemuka, dengan range nomor massa

(7)

(4,67%), dan 30Si (3,1%) merupakan isotop yang stabil. 32Si adalah isotop radioaktif yang diproduksi oleh argon yang membusuk. (Wikipedia, 2008)

2.5 Senyawa Silikon

Beberapa contoh senyawa silikon seperti silicon dioxide (SiO2), silicic acid

(H4SiO4), silicates, silicate minerals, silicides, silikon keramik seperti silicon carbide

(SiC) dan silicon nitride (Si3N4), silicon halides seperti silicon tetrachloride (SiCl4)

dan silicon tetrafluoride (SiF4), trichlorosilane (HsiCl3), silanes [H2(SiH2)n],

organosilicons dan silicons. (Wikipedia, 2008)

2.6 Aplikasi

Sebagai unsur paling melimpah kedua di permukaan kulit bumi, silikon

penting digunakan untuk industri konstruksi sebagai komponen utama batu alam,

kaca, beton, dan semen. Dampak terbesar silikon terhadap ekonomi dan gaya hidup

dunia modern adalah disebabkan dari silicon wafers yang digunakan sebagai substrat

dalam pabrik alat elektronik khusus seperti power transistors, dan di dalam

perkembangan integrated circuits seperti chips komputer.

2.6.1 Alloy (Campuran)

 Aplikasi terbesar dari silikon murni (Industrial grade silicon) adalah pada campuran aluminium – silikon, yang sering juga disebut campuran ringan,

untuk menghasilkan bagian – bagian cetakan, terutama untuk industri

otomotif. (Ini mewakili sekitar sekitar 55% konsumsi dunia terhadap

silikon murni)

 Baja dan besi cetakan: Silikon merupakan bahan penting pada beberapa baja, dan juga digunakan pada proses produksi besi cetakan. Ini dikenal

(8)

2.6.2 Aplikasi dalam Elektronika

 Silikon murni juga digunakan untuk menghasilkan silikon ultra murni dan juga aplikasi photovoltaic:

 Semikonduktor: Silikon ultramurni dapat berinteraksi dengan

unsur lain untuk mengatur respon elektriknya dengan cara

mengatur jumlah dan beban (positif atau negatif) dari aliran arus.

Pengaturan seperti ini penting untuk transistor, sel solar,

integrated circuits, mikro prosesor, detektor semikonduktor, dan

alat semikonduktor lainnya yang digunakan dalam elektronika dan

berbagai aplikasi teknologi tinggi.

 Photonics: Silikon dapat digunakan sebagai gelombang kontiniu

Raman laser untuk menghasilkan cahaya yang koheren.

(Walaupun tidak efektif sebagai sumber cahaya)

 LCD dan sel solar: silikon amorphous terhidrogenasi (hydrogenated amorphous silicon) secara luas digunakan pada

aplikasi produksi bahan – bahan elektronika dengan biaya yang

rendah seperti LCD. Bahan ini juga mampu menghasilkan sel

solar film tipis dengan biaya yang rendah.

2.6.3 Silicones

Aplikasi terbesar kedua dari silikon (sekitar 40% konsumsi dunia) adalah

sebagai bahan baku dalam produksi silicones, senyawa yang mengandung ikatan

silicon-oxygen dan silicon-carbon yang memiliki kemampuan untuk bertindak

sebagai bahan pengikat (intermediate) antara kaca dan senyawa organik untuk

membentuk polimer dengan sifat – sifat yang berguna seperti tidak tembus air,

fleksibel, dan tahan terhadap bahan kimia. Silicones digunakan pada perlakuan bahan

tahan air, senyawa pencetak dan agen pelepas cetakan, mechanical seals, lemak dan

lilin temperatur tinggi, caulking compound, dan bahkan pada aplikasinya yang

bermacam – macam seperti bahan peledak, dan pembutan petasan.

 Konstruksi: Silikon dioksida atau silika dalam bentuk pasir atau tanah liat merupakan bahan yang penting pada beton dan batu bata dan juga

(9)

 Pottery/Enamel merupakan bahan tahan panas yang digunakan pada produksi bahan bertemperatur tinggi dan silikat digunakan untuk

pembuatan enamel dan pottery ini.

 Kaca: Silika dari pasir merupakan bahan dasar dari kaca. Kaca dapat dibuat menjadi bentuk yang bermacam-macam dan dengan sifat fisika

yang bermacam-macam. Silika juga digunakan sebagai bahan dasar untuk

membuat kaca jendela, kontainer, isolator, dan bahan berguna lainnya.

 Bahan penggosok (abrasives): Silikon karbida merupakan salah satu bahan penggosok yang terpenting.

 Silly Putty: Dibuat dengan cara menambahkan asam boraks dan minyak silikon.

2.7 Proses Pembuatan

Pembuatan silikon dapat dilakukan dengan berbagai cara. Beberapa

diantaranya seperti:

1. Mereaksikan silika (SiO2) dengan karbon (C) di dalam suatu tungku elektrik

menggunakan elektroda karbon. Pada temperatur diatas 1900oC, karbon mereduksi silika menjadi silikon menurut reaksi sebagai berikut:

2SiO2 + 4C  SiO + SiC + 3CO

SiO + SiC  2Si + CO

Silikon cair terkumpul pada bagian dasar tungku, dan kemudian dikeluarkan dan

didinginkan. Silikon yang dibuat dengan cara ini dinamakan Industrial grade

silicon (IGS) dan paling sedikit 98% murni. (WVU Projects, 2008)

2. Mereaksikan silikon karbida (SiC) dengan silika (SiO2) dalam jumlah yang

sangat berlebih. Silikon karbida akan disingkirkan dan terbentuk silikon, seperti

dijelaskan dalam persamaan reaksi berikut:

2SiC + SiO2 3Si + 2CO

(wikipedia, 2008)

3. Mereaksikan silikon tetraklorida (SiCl4) dengan hidrogen (H2). Hidrogen akan

mereduksi silikon tetraklorida sehingga membentuk silikon dengan reaksi

sebagai berikut: (Othmer, 1949)

(10)

4. Mereaksikan silikon tetraklorida (SiCl4) dengan uap zinc pada suhu 950 oC

sehingga menghasilkan silikon menurut persamaan reaksi:

SiCl4 + 2Zn  Si + 2ZnCl2

(Wikipedia, 2008)

5. Pembuatan silikon yang berdasar pada penggunaan fluidized bed menggunakan

silana, seperti ditunjukkan pada reaksi berikut:

3SiCl4 + Si + 2 H2 4HSiCl3

4HSiCl3 3SiCl4 + SiH4

SiH4 Si + 2H2

(Wikipedia, 2008)

2.8 Seleksi Proses

Proses pembuatan silikon yang dipilih dalam perancangan pabrik ini adalah

reduksi silika dengan menggunakan karbon. Adapun alasan dipilihnya proses ini

adalah sebagai berikut:

1. Silikon yang dihasilkan memiliki kemurnian yang sangat tinggi (paling sedikit

98% murni)

2. Bahan baku silika dan karbon yang sangat murah dan mudah diperoleh sehingga

memudahkan proses pengadaan bahan baku.

2.9 Pemurnian

Penggunaan silikon dalam perangkat semikonduktor memerlukan kemurnian

silikon yang sangat tinggi. Menurut sejarah, berbagai macam metode telah digunakan

untuk menghasilkan silikon dengan kemurnian yang tinggi.

2.9.1 Metode Fisika

Pada awalnya teknik pemurnian silikon adalah berdasar pada kenyataan

dimana silikon dileburkan dan dipadatkan kembali, bagian akhir dari tumpukan yang

akan dipadatkan mengandung sebagian besar impuritis. Metode pemurnian silikon

paling pertama diperkenalkan pada tahun 1919 dan digunakan pada dasar yang

terbatas untuk membuat komponen radar selama perang dunia kedua, melibatkan

(11)

dilarutkan dalam suatu asam. Ketika dihancurkan, silikon yang hancur menyebabkan

bagian yang kemurniaanya rendah berada pada bagian luar dari butiran silikon yang

dihasilkan. Sebagai hasilnya, silikon yang mempunyai kemurnian tinggi yang

terlebih dahulu larut ketika dilarutkan dalam asam, dan akhirnya menghasilkan

produk yang lebih murni.

Pada zona peleburan (melting), juga disebut sebagai zona penyulingan

(refining), metode pemurnian silikon pertama yang digunakan secara luas dalam

industri, batang silikon dipanaskan dan dileburkan pada suatu tempat. Kemudian,

pemanasnya secara perlahan menurunkan panjang silikon, dan menimbulkan batang

kecil karena silikon mengalami pendinginan dan pemadatan kembali. Karena

sebagian besar impuritis cenderung terdapat pada bagian yang dileburkan daripada

bagian yang dipadatkan kembali, ketika proses berakhir, sebagian besar impuritis

dalam batang akan bergerak menuju suatu tempat. Bagian ini kemudian dibuang, dan

prosesnya diulang kembali jika diinginkan kemurnian yang lebih tinggi.

2.9.2 Metode Kimia

Sekarang, silikon dimurnikan dengan cara mengubahnya menjadi senyawa

silikon yang dapat dengan lebih mudah dimurnikan daripada keadaan alaminya.

Kemudian senyawa tersebut diubah kembali menjadi silikon yang murni.

Triklorosilana merupakan senyawa silikon yang paling umum digunakan sebagai

intermediate, walaupun silikon tetraklorida dan silana juga digunakan. Ketika gas ini

mengalir diatas silikon pada temperatur tinggi akan menyebabkan terdekomposisi

menjadi silikon dengan kemurnian yang tinggi.

Pada Proses Siemen, batang silikon dengan kemurnian yang tinggi

menguraikan triklorosilana pada 1150oC. Gas triklorosilana akan terdekomposisi dan mengendapkan tambahan silikon dalam batang silikon.

2HSiCl3 Si + 2HCl + SiCl4

Silikon yang diproduksi dengan cara demikian disebut polycrystalline silicon.

(12)

2.10 Sifat – Sifat Bahan yang Terlibat Dalam Proses 2.10.1 Silikon Dioksida (SiO2)

1. Berat molekul : 60,086 gr/mol

2. Massa jenis : 2,2 gr/cm3 3. Titik lebur : 1650 (± 75) oC 4. Titik didih : 2230 oC

5. Kelarutan dalam air : 0,012 gr dalam 100 gr

6. Konduktivitas Termal : 0,01 W/cm K

7. Struktur molekul : tetrahedal

8. Berwarna putih

9. Berbentuk serbuk padat (dalam keadaan murni)

10.Tidak dapat terbakar

(Wikipedia, 2008)

2.10.2 Karbon (C)

1. Berat atom : 12,0107 gr/mol

2. Titik lebur : 3652 oC 3. Densitas : 1,9 – 2,3 gr/cm3 4. Kapasitas panas pada 25 oC : 8,517 J/mol K 5. Konduktivitas Termal (300K) : 80 – 230 W/m K

6. Struktur atom : heksagonal

7. Berwarna hitam

(Wikipedia, 2008)

2.10.3 Oksigen (O2)

1. Berat molekul : 32 gr/mol

2. Titik didih : –1830C 3. Titik lebur : –218,40C 4. Densitas (00C, 101.325 kPa) : 1,429 gr/l 5. Panas peleburan : 0,444 kJ/mol

6. Panas penguapan : 6,82 kJ/mol

(13)

8. Tekanan kritis : 5,043 Mpa

9. Kapasitas panas (250) : 29,378 J/mol K 10.Merupakan unsur diatomik

(Wikipedia, 2008)

2.10.4 Nitrogen (N2)

2. Titik didih : –195,80C 3. Titik lebur : –209,860C 4. Temperatur kritis : 126,260C 5. Tekanan kritis : 33,54 atm

6. Densitas (250C, 1 atm) : 1,25046 gr/l 7. Panas peleburan : 172,3 kal/mol

8. Panas penguapan : 1332,9 kal/mol

9. Gas yang tidak berbau, berasa dan berwarna

10.Merupakan unsur diatomik

(Wikipedia, 2008)

2.10.5 Air (H2O)

2. Titik didih : 1000C

3. Titik beku : 00C

4. Densitas (250c) : 0,998 gr/ml 5. Viskositas (pada kondisi standar, 1 atm) : 8,949 mP

6. Tekanan uap (200c) : 0,0212 atm 7. Panas pembentukan : 6,013 kJ/mol

8. Panas spesifik (pada kondisi standar) : 4,180 J/kg K

9. Panas penguapan : 22,6.105 J/mol 10.Kapasitas panas : 4,22 kJ/kg K

11.Tidak berbau, berasa dan berwarna

(14)

2.10.6 Kalsium Oksida (CaO)

2. Massa jenis : 3350 kg/m3 3. Titik lebur : 2572 oC 4. Titik didih : 2850 oC 5. Tidak larut dalam air, tetapi bereaksi dengan air.

6. Berwarna putih.

(Wikipedia, 2008)

2.10.7 Silikon (Si)

2. Densitas : 2,53 gr/cm3

3. Titik lebur : 1420 oC 4. Titik didih : 2355 oC 5. Panas pembentukan : 50,21 kJ/mol

6. Panas penguapan : 359 kJ/mol

7. Kapasitas panas (25 oC) : 19,789 J/mol K 8. Bentuk padat

9. Silikon murni berwarna abu-abu

(Wikipedia, 2008)

2.10.8 Karbondioksida (CO2)

2. Massa jenis : 1,6 g/L, padat; 1,98 g/L, gas

3. Titik lebur : -57 oC 4. Titik didih : -78 oC 5. Viskositas (pada -78 oC) : 0,07 cP 6. Gas yang tidak berwarna dan berbau

(15)

2.10.9 Sulphur (S)

2. Densitas : 2,07 gr/cm3

3. Titik lebur : 115,21 oC 4. Titik didih : 444,6 oC 5. Kapasitas panas (25 oC) : 22,75 J/mol K 6. Panas penguapan : 45 kJ/mol

7. Panas pembentukan : 1,727 kJ/mol

8. Bentuk kristal padatan

9. Berwarna kuning

(Wikipedia, 2008)

2.10.10 Metana (CH4)

2. Densitas : 0,717 kg/m3

3. Titik lebur : -182,5 °C

4. Titik didih : -161,6 °C

5. Kelarutan dalam air (17 oC) : 3,5 mg/100 mL 6. Mudah terbakar

7. Gas tidak berwarna

(Wikipedia, 2008)

2.10.11 Etana (C2H6)

2. Titik lebur : –182,76 °C

3. Titik didih : – 88,6 °C

4. Densitas (gas) : 1,212 kg/m³

5. Kelarutan dalam air : 4,7 gr/100ml

6. Mudah terbakar

(16)

2.10.12 Propana (C3H8)

2. Densitas (gas) : 1,83 kg/m3

3. Densitas (cair) : 0,5077 kg/L

4. Titik lebur : −187,6 °C

5. Titik didih : −42.09 °C

6. Kelarutan dalam air (37,8 °C) : 0,1 g/cm3 7. Mudah terbakar

(Wikipedia, 2008)

2.10.13 Butana (C4H10)

2. Densitas (15 °C, 1 atm) : 2,48 g/l

3. Titik lebur : −138,4 °C

4. Titik didih : −0,5 °C

5. Kelarutan dalam air (20 °C) : 6.1 mg/100 ml

6. Mudah terbakar

(Wikipedia, 2008)

2.11 Deskripsi Proses

Secara keseluruhan proses perancangan pabrik pembuatan industrial grade

silicone (IGS) ini terdiri dari dua bagian proses, yaitu proses reaksi menghasilkan

silikon dari karbon dan pasir silika, dan proses pemanfaatan gas buang untuk

menghasilkan steam tekanan tinggi yang dimanfaatkan untuk menghasilkan energi

listrik yang digunakan pada bagian proses reaksi.

Bahan baku utama yang digunakan dalam keseluruhan proses pembuatan IGS

(17)

2.11.1 Bagian Proses Reaksi

Partikel pasir silika (SiO2) pada alur 1 dan karbon (C) pada alur 2 dikirimkan

melalui bucket elevator I (BE-101) pada alur 3 menuju fluidized bed preheater

(H-101). Di dalam Fluidized bed preheater, kedua campuran tersebut kemudian

dipanaskan hingga suhunya mencapai 1500oC. Panas yang digunakan dalam proses pemanasan ini berasal dari proses pembakaran antara gas alam pada alur 4 dengan

udara bebas pada alur 5 di di dalam burner (B-101). Gas hasil pembakaran inilah

yang dikirimkan melalui alur 6 ke fluidized bed preheater (H-101) sebagai pemanas.

Pada temperatur ini (1500oC), tidak ada reaksi yang terjadi antara silika dan karbon. Karbon dan silika yang telah dipanaskan, serta sulfur yang yang berasal dari gas

alam kemudian dikirim melalui bucket elevator II (BE-102) pada alur 8 menuju

tungku reduksi elektrik (R-101). Pada tungku reduksi ini terjadi reaksi antara karbon

dengan silika yang kemudian menghasilkan silikon. Selain itu, silika juga dapat

bereaksi dengan sulfur yang berasal dari gas alam dan menghasilkan silikon serta gas

sulfur dioksida (SO2).

Adapun reaksi yang terjadi pada tungku reduksi untuk menghasilkan silikon

adalah sebagai berikut:

2SiO2 + 4C  SiO + SiC + 3CO

SiO + SiC  2Si + CO SiO2 + S  SO2 + Si

Reaksi yang terjadi pada tungku reduksi ini berlangsung pada suhu 2045oC. Konversi sebesar 90% dicapai pada reaksi antara silika dengan karbon menghasilkan

silikon.

Silikon yang terbentuk pada dasar tungku kemudian dialirkan keluar pada

alur 12 dan didinginkan. Sedangkan silika dan karbon yang tidak bereaksi pada alur

11 dikirim ke unit pengolahan limbah. Gas karbon monoksida (CO) yang dihasilkan

dari reaksi kemudian teroksidasi oleh oksigen dari udara bebas pada alur 10

menghasilkan gas karbon dioksida (CO2).

Gas buang dari fluidized bed preheater (H-101) yang terdiri dari oksigen

(O2), nitrogen (N2), karbon dioksida (CO2), dan air (H2O) pada alur 7 yang

dihasilkan dari reaksi pembakaran antara gas alam dengan udara bebas di dalam

(18)

dari gas karbon dioksida (CO2) dan gas sulfur dioksida (SO2) pada alur 9 kemudian

dikirim ke bagian proses pemanfaatan gas buang pada alur 13 untuk menghasilkan

steam tekanan tinggi yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik dan

kemudian dikonsumsi pada bagian proses reaksi di tungku reduksi elektrik (R-101).

2.11.2 Bagian Proses Pemanfaatan Gas Buang

Gas buang pada alur 13 dialirkan ke steam boiler (E-201), dimana gas

tersebut menyuplai energi untuk menghasilkan steam tekanan tinggi pada alur 16.

Boiler feed water pada alur 14 dipompakan pada tekanan 40,8 Mpa untuk

menghasilkan steam tekanan tinggi. Steam ini pada alur 16 kemudian dialirkan ke

turbin (T-201), dimana energi listrik dibangkitkan dan digunakan pada tungku

reduksi elektrik (R-101).

Untuk menjaga agar udara bersih, senyawa SO2 di dalam gas buang pada alur

18 harus dihilangkan. Kadar SO2 di dalam gas buang sebelum dibuang ke udara

bebas tidak boleh melebihi 0,5 ppm. Dengan digunakannya kalsium oksida (CaO) di

dalam fluidized bed scrubber (R-201) dapat mereduksi SO2 yang terdapat di dalam

gas buang. Dengan perbandingan antara kalsium oksida dan sulfur dioksida 2,5 : 1,

diamati bahwa sulfur dioksida tidak ditemukan lagi dalam gas buang.

Kalsium oksida pada alur 19 diumpankan melalui bucket elevator III

(BE-201) pada bagian atas fluidizing gas yang berasal dari gas buang pada alur 18.

Fluidizing gas dari alur 18 mengandung karbon dioksida, air, nitrogen, oksigen, dan

sulfur dioksida. Disini terjadi reaksi antara kalsium oksida dengan sulfur dioksida

membentuk kalsium sulfat. Reaksinya ditunjukkan pada persamaan reaksi dibawah

ini:

SO2 + CaO  CaSO3

CaSO3 + ½ O2 CaSO4

Gas buang pada alur 20 yang sudah tidak mengandung sulfur dioksida

dibuang secara bebas ke udara. Sedangkan kalsium sulfat yang terbentuk pada alur

(19)

III-1

BAB III

NERACA MASSA

Hasil perhitungan neraca massa pada proses pembuatan Industrial Grade Silicon (IGS) dengan kapasitas produksi 631,3479 kg/jam atau 5.000 ton/tahun diuraikan sebagai berikut :

Basis perhitungan : 1 jam operasi Waktu operasi : 330 hari / tahun Satuan operasi : kg/jam ; kmol/jam

3.1 Bucket Elevator I (BE-101)

Tabel 3.1 Neraca Massa Bucket Elevator I (BE-101)

Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam)

Alur 1 Alur 2 Alur 3

SiO2 1501,1364 - 1501,1364

C - 625,4735 625,4735

Total 1501,1364 625,4735 2126,6099

(20)

3.2 Burner (B-101)

Tabel 3.2 Neraca Massa Burner (B-101)

Alur 4 Alur 5 Alur 6

CH4 59,4567 - -

C2H6 9,2871 - -

C3H8 2,2698 - -

C4H10 2,9919 - -

S 0,0292 - 0,0292

O2 - 377,6448 86,912

N2 - 1243,0852 1243,0852

CO2 - - 206,1048

H2O - - 158,6335

Total 74,0347 1620,73 1694,7647

1694,7647 1694,7647

3.3 Fluidized Bed Preheater (H-101)

Tabel 3.3 Neraca Massa Fluidized Bed Preheater (H-101)

Alur 3 Alur 6 Alur 7 Alur 8

SiO2 1501,1364 - - 1501,1364

C 625,4735 - - 625,4735

S - 0,0292 - 0,0292

O2 - 86,912 86,912 -

N2 - 1243,0852 1243,0852 -

CO2 - 206,1048 206,1048 -

H2O - 158,6335 158,6335 -

Total 2126,6099 1694,7647 1694,7355 2126,6391

(21)

3.4 Reduction Furnace (R-101)

Tabel 3.4 Neraca Massa Reduction Furnace (R-101)

Alur 8 Alur 10 Alur 9 Alur 11 Alur 12

SiO2 1501,1364 - - 150,05768 -

C 625,4735 - - 85,4833 -

S 0,0292 - - - -

O2 - 719,3472 - - -

CO2 - - 1979,0392 - -

SO2 - - 0,0583 - -

Si - - - - 631,3479

Total

2126,6391 719,3472 1979,0975 235,54098 631,3479

2845,9863 2845,9863

3.5 Mixing Point (M-101)

Tabel 3.5 Neraca Massa Mixing Point (M-101)

Alur 7 Alur 9 Alur 13

O2 86,912 - 86,912

N2 1243,0852 - 1243,0852

CO2 206,1048 1979,0392 2185,144

H2O 158,6335 - 158,6335

SO2 - 0,0583 0,0583

Total 1694,7355 1979,0975 3673,833

(22)

3.6 Pompa (P-201)

Tabel 3.6 Neraca Massa pompa (P-201)

Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Alur 14 Alur 15 H2O 3061,5275 3061,5275

Total 3061,5275 3061,5275

3.7 Steam Boiler (E-201)

Tabel 3.7 Neraca Massa Steam Boiler (E-201)

O2 86,912 - 86,912 -

N2 1243,0852 - 1243,0852 -

CO2 2185,144 - 2185,144 -

H2O 158,6335 3061,5275 158,6335 3061,5275

SO2 0,0583 - 0,0583 -

Total 3673,833 3061,5275 3673,833 3061,5275

6735,3605 6735,3605

3.8 Turbin (T-201)

Tabel 3.8 Neraca Massa Turbin (T-201)

Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Alur 16 Alur 17

H2O 3061,5275 3061,5275

(23)

3.9 Fluidized Bed Scrubber (R-201)

Tabel 3.9 Neraca Massa Fluidized Bed Scrubber (R-201)

O2 86,912 - 86,8731 -

N2 1243,0852 - 1243,0852 -

CO2 2185,144 - 2185,144 -

H2O 158,6335 - 158,6335 -

SO2 0,0583 - - -

CaO - 0,14575 - 0,0769

CaSO4 - - - 0,166

Total 3673,833 0,14575 3673,7358 0,2429

(24)

IV-1

BAB IV

NERACA PANAS

Basis perhitungan : 1 jam operasi

Satuan operasi : kJ/jam

Temperatur basis : 25oC

Tabel 4.1 Neraca Panas Bucket Elevator I (M-101)

Alur masuk (kJ/jam) Alur keluar (kJ/jam)

Umpan _8043,123 _-

Produk _- _8043,123

Total _8043,123 _8043,123

4.2 Burner (B-101)

Tabel 4.2 Neraca Panas Burner (B-101)

Umpan _{9064,5106 -}

Produk _{- 3666371,8557}

ΔHr _{3657307,3451 -}

Total _{3666371,8557 3666371,8557}

Tabel 4.3 Neraca Panas Fluidized BedPreheater (H-101)

Umpan _{3674414,9787 -}

Produk _{- 8072849,1}

Beban Panas _{4398434,1213 -}

(25)

Tabel 4.4 Neraca Panas Reduction Furnace (R-101)

Umpan _{4409851,0244 -}

Produk _{- 7578397,4513}

ΔHr _{- 587357,1399}

Panas listrik _{3755903,5668 -}

Total _{8165754,5912 8165754,5912}

4.5 Mixing Point (M-101)

Tabel 4.5 Neraca Panas Mixing Point (M-101)

Umpan _{8382234,0853 -}

Produk _{- 8382234,0853}

Total _{8382234,0853 8382234,0853}

4.6 Pompa (P-201)

Tabel 4.6 Neraca Panas pompa (P-201)

Umpan _{834295,6969 -}

Produk _{- 834295,6969}

Total _{834295,6969 834295,6969}

4.7 Steam Boiler (E-201)

Tabel 4.7 Neraca Panas Steam Boiler (E-201)

Umpan _{9216529,7822 -}

Produk _{- 9216529,7822}

(26)

4.8 Turbin (T-201)

Tabel 4.8 Neraca Panas Turbin (T-201)

Umpan _{7948511,3443 -}

Produk _{- 2948511,3443}

Daya Turbin _{- 5000000}

Total _{7948511,3443 7948511,3443}

Tabel 4.9 Neraca Panas Fluidized Bed Scrubber (R-201)

Umpan _{1268019,1174 -}

Produk _{- 1268608,7658}

ΔHr _{589,6484 -}

(27)

BAB V

SPESIFIKASI PERALATAN

5.1 Gudang Penyimpanan Pasir Silika (TT-101)

Fungsi : Menyimpan pasir silika untuk kebutuhan 30 hari Bentuk bangunan : Gedung berbentuk persegi panjang ditutup atap Bahan konstruksi : Dinding : batu bata

Lantai : aspal

Atap : seng

Jumlah : 1 unit Kapasitas : 408,168 m3

Kondisi operasi : - Temperatur : 30°C - Tekanan : 1 atm Ukuran : - Panjang : 25,56 m

- Lebar : 12,78 m

- Tinggi : 7,5 m

5.2 Gudang Penyimpanan Karbon (TT-102)

Fungsi : Menyimpan karbon untuk kebutuhan 30 hari Bentuk bangunan : Gedung berbentuk persegi panjang ditutup atap Bahan konstruksi : Dinding : batu bata

Lantai : aspal

Atap : seng

- Lebar : 8,95 m

- Tinggi : 7,5 m

(28)

Fungsi : Mengangkut campuran pasir silika dan karbon menuju fluidized bed preheater (H-101)

Tipe : Chain bucket elevator

Konstruksi : Tertutup, dilengkapi hopper ke fluidized bed preheater (H-101)

Jumlah : 1 unit

Kapasitas : 2126,6099 kg/jam

Bucket : Panjang = 4 in = 0,1016 m

Lebar = 6 in = 1,1524 m

Kedalaman = 4,25 in = 0,1079 m Jarak antar bucket = 12 in = 0,3048 m Kecepatan = 68,6 m/menit Pusat elevator : 25 ft = 7,62 m

Kecepatan poros kepala : 43 putaran/menit Daya : 1 hp

Diameter head shaft : 1,94 in = 0,0493 m Diameter tail shaft : 1,69 in = 0,0429 m Diameter head pulley : 20 in = 0,5080 m

Diameter tail pulley : 14 in = 0,3556 m

5.4 Kompresor Gas Alam (C-101)

Fungsi : Menaikkan tekanan gas alam sebelum diumpankan ke burner (B-101)

Tipe : Reciprocating compressor

Bahan konstruksi : Carbon steel

Tekanan masuk : 1 atm Tekanan keluar : 2 atm

Kapasitas : 93,0336 m3/jam Daya motor : 3 hp

(29)

5.5 Kompresor Udara (C-102)

Fungsi : Menaikkan tekanan udara sebelum diumpankan ke burner (B-101)

Tekanan masuk : 1 atm Tekanan keluar : 2 atm

Jumlah : 1 unit dengan 1 tahap

Fungsi : Memanaskan campuran karbon dan pasir silika sampai suhu 1500oC sebelum diumpankan ke reduction furnace (R-101)

Bentuk : Silinder vertikal

Bahan konstruksi : Dinding dalam magnesite, dinding tengah kaolin insulating firebrick, dinding luar carbon steel plate

SA-135 Grade B

Kapasitas : 0,8626 m3

Jumlah : 1 unit

Kondisi operasi : - Temperatur : 1500°C

- Tekanan : 2 atm

Ukuran : - Diameter : 0,8449 m

- Tinggi : 1,5392 m

5.7 Bucket Elevator II (BE-102)

Fungsi : Mengangkut campuran pasir silika, karbon, dan sulfur dari fluidized bed preheater (H-101) menuju reduction furnace (R-101)

(30)

Jumlah : 1 unit

Lebar = 6 in = 1,1524 m

Kedalaman = 4,25 in = 0,1079 m Jarak antar bucket = 12 in = 0,3048 m Kecepatan = 68,6 m/menit Pusat elevator : 25 ft = 7,62 m

Fungsi : Tempat terjadinya reaksi pembentukan Industrial

Grade Silicon (IGS)

Bentuk : Kubus

Bahan konstruksi : Dinding dalam magnesite, dinding tengah kaolin insulating firebrick, dinding luar carbon steel plate

SA-135 Grade B

Kapasitas : 1,0528 m3

Jumlah : 2 unit

- Tekanan : 1 atm

- Tinggi : 1,1

(31)

5.9 Gudang Penyimpanan Silikon (TT-103)

Fungsi : Menyimpan silikon untuk kebutuhan 7 hari Bentuk bangunan : Gedung berbentuk persegi panjang ditutup atap Bahan konstruksi : Dinding : batu bata

Lantai : aspal

Atap : seng

- Lebar : 4,27 m

- Tinggi : 7,5 m

5.10 Kompresor Gas Buang (C-103)

Fungsi : Menaikkan gas buang sebelum diumpankan ke mixing point

Tekanan masuk : 1 atm Tekanan keluar : 1,5 atm

Jumlah : 1 unit dengan 1 tahap

5.11 Pompa (P-201)

Fungsi : Memompa air umpan steam boiler (E-201) dari

deaerator (DE)

Jenis : Centrifugal pump

Jumlah : 1 unit

Bahan konstruksi : Commercial steel

(32)

5.12 Steam Boiler (E-201)

Fungsi : Menyediakan steam tekanan tinggi untuk menghasilkan listrik

Jenis : Water tube boiler

Jumlah : 1 unit

Kapasitas : 3061,5275 kg/jam Panjang tube : 30 ft

Diameter tube : 10 in Jumlah tube : 307 buah

5.13 Turbin (T-201)

Fungsi : Membangkitkan listrik umtuk digunakan pada

reduction furnace (R-101)

Jenis : Steam turbine

Jumlah : 1 unit

5.14 Bucket Elevator III (BE-201)

Fungsi : Mengangkut kalsium oksida (CaO) menuju fluidized bed scrubber (R-201)

Konstruksi : Tertutup, dilengkapi hopper ke fluidized bed scrubber (R-201)

Jumlah : 1 unit

Lebar = 6 in = 1,1524 m

(33)

Fungsi : Menyerap gas sulfur dioksida (SO2) dari gas buang

Bentuk : Silinder vertikal

Bahan konstruksi : Carbon steel plate SA-135 grade B Kapasitas : 0,8239 m3

Jumlah : 1 unit

- Tekanan : 1,5 atm

- Tinggi : 1,1476 m

(34)

6.1 Instrumentasi

Instrumentasi adalah suatu alat yang dipakai di dalam suatu proses kontrol untuk mengatur jalannya suatu proses agar diperoleh hasil sesuai dengan yang diharapkan. Alat-alat pengendali tersebut dipasang pada setiap peralatan penting agar dengan mudah dapat diketahui kejanggalan-kejanggalan yang terjadi pada setiap bagian. Pada dasarnya tujuan pengendalian adalah untuk mencapai harga error yang paling minimum.

Fungsi instrumentasi adalah sebagai pengontrol, penunjuk, pencatat, dan pemberi tanda bahaya. Peralatan instrumentasi biasanya bekerja dengan tenaga mekanik atau tenaga listrik dan pengontrolannya dapat dilakukan secara manual atau otomatis. Penggunaan instrumen pada suatu peralatan proses tergantung pada pertimbangan ekonomi dan sistem peralatan itu sendiri. Pada pemakaian alat-alat instrumen juga harus ditentukan apakah alat-alat tersebut dipasang diatas papan instrumen dekat peralatan proses (kontrol manual) atau disatukan dalam suatu ruang kontrol yang dihubungkan dengan bangsal peralatan (kontrol otomatis).

Variabel-variabel proses yang biasanya dikontrol / diukur oleh instrumen tersebut adalah :

1. Variabel utama, seperti temperatur, tekanan, laju alir, dan level cairan.

2. Variabel tambahan, seperti densitas, viskositas, panas spesifik, konduktivitas, pH, humiditas, titik embun, komposisi kimia, kandungan kelembaban, dan variabel lainnya.

Pada dasarnya sistem pengendalian terdiri dari : 1. Elemen Perasa / sensing (Primary Element)

Elemen yang merasakan (menunjukkan) adanya perubahan dari harga variabel yang diukur.

2. Elemen pengukur (measuring element)

Elemen pengukur adalah suatu elemen yang sensitif terhadap adanya perubahan temperatur, tekanan, laju aliran, maupun tinggi fluida. Perubahan ini merupakan sinyal dari proses dan disampaikan oleh elemen pengukur ke elemen pengontrol.

(35)

3. Elemen pengontrol (controlling element)

Elemen pengontrol yang menerima sinyal kemudian akan segera mengatur perubahan-perubahan proses tersebut sama dengan nilai set point (nilai yang diinginkan). Dengan demikian elemen ini dapat segera memperkecil ataupun meniadakan penyimpangan yang terjadi.

4. Elemen pengontrol akhir (final control element)

Elemen ini merupakan elemen yang akan mengubah masukan yang keluar dari elemen pengontrol ke dalam proses sehingga variabel yang diukur tetap berada dalam batas yang diinginkan dan merupakan hasil yang dikehendaki.

Pengendalian peralatan instrumentasi dapat dilakukan secara otomatis dan semi otomatis. Pengendalian secara otomatis adalah pengendalian yang dilakukan dengan mengatur instrumen pada kondisi tertentu, bila terjadi penyimpangan variabel yang dikontrol maka instrumen akan bekerja sendiri untuk mengembalikan variabel pada kondisi semula, instrumen ini bekerja sebagai controller. Pengendalian secara semi otomatis adalah pengendalian yang mencatat perubahan-perubahan yang terjadi pada variabel yang dikontrol. Untuk mengubah variabel-variabel ke nilai yang diinginkan dilakukan usaha secara manual, instrumen ini bekerja sebagai pencatat (recorder).

Faktor-faktor yang perlu diperhatikan dalam instrumen-instrumen adalah: 1. Range yang diperlukan untuk pengukuran

2. Level instrumentasi

3. Ketelitian yang dibutuhkan 4. Bahan konstruksinya

5. Pengaruh pemasangan instrumentasi pada kondisi proses Instrumentasi yang umum digunakan dalam pabrik adalah : 1. Untuk variabel temperatur:

- Temperature Controller (TC) adalah instrumentasi yang digunakan untuk mengamati temperature suatu alat dan bila terjadi perubahan dapat melakukan pengendalian.

(36)

2. Untuk variabel tinggi permukaan cairan

- Level Controller (LC) adalah instumentasi yang digunakan untuk mengamati ketinggian cairan dalam suatu alat dan bila terjadi perubahan dapat melakukan pengendalian.

- Level Indicator Contoller (LIC) adalah instrumentasi yang digunakan untuk mengamati ketinggian cairan dalam suatu alat.

3. Untuk variabel tekanan

- Pressure Controller (PC) adalah instrumentasi yang digunakan untuk mengamati tekanan operasi suatu alat dan bila terjadi perubahan dapat melakukan pengendalian.

- Pressure Indicator Controller (PIC) adalah instrumentasi yang digunakan untuk mengamati tekanan operasi suatu alat.

4. Untuk variabel aliran cairan

- Flow Controller (FC) adalah instrumentasi yang digunakan untuk mengamati laju alir larutan atau cairan yang melalui suatu alat dan bila terjadi perubahan dapat melakukan pengendalian.

- Flow Indicator Controller (FIC) adalah instrumentasi yang digunakan untuk mengamati laju aliran atau cairan suatu alat.

(37)

Tabel 6.1 Daftar Instrumentasi Pada Pabrik Pembuatan Industrial Grade Silicon

No Nama Alat Jenis Instrumen

1 Fluidized Bed Temperature Controller (TC) Pressure Controller (PC) 2 Reduction Furnace Temperature Controller (TC)

Pressure Controller (PC) 3 Steam Boiler

Temperature Controller (TC)

Pressure Controller (PC)

4 Turbin Flow Controller (FC)

5 Kompresor Pressure Indicator (PI)

Flow Controller (FC)

6 Pompa Flow Controller (FC)

(38)

6.2 Keselamatan Kerja

Keselamatan kerja merupakan bagian dari kelangsungan produksi pabrik, oleh karena itu aspek ini harus diperhatikan secara serius dan terpadu. Untuk maksud tersebut perlu diperhatikan cara pengendalian keselamatan kerja dan keamanan pabrik pada saat perancangan dan saat pabrik beroperasi.

Salah satu faktor yang penting sebagai usaha menjamin keselamatan kerja adalah dengan menumbuhkan dan meningkatkan kesadaran karyawan akan pentingnya usaha untuk menjamin keselamatan kerja. Usaha-usaha yang dapat dilakukan antara lain:

- Melakukan pelatihan secara berkala bagi karyawan

- Membuat peraturan tata cara dengan pengawasan yang baik dan memberi sanksi bagi karyawan yang tidak disiplin

- Membeli karyawan dengan keterampilan menggunakan peralatan secara benar dan cara-cara mengatasi kecelakaan kerja

Sebagai pedoman pokok dalam usaha penanggulangan masalah kerja, Pemerintah Republik Indonesia telah mengeluarkan Undang-Undang Keselamatan Kerja pada tanggal 12 Januari 1970. Semakin tinggi tingkat keselamatan kerja dari suatu pabrik maka makin meningkat pula aktivitas kerja para karyawan. Hal ini disebabkan oleh keselamatan kerja yang sudah terjamin dan suasana kerja yang menyenangkan.

Untuk mencapai hal tersebut adalah menjadi tanggung jawab dan kewajiban para perancang untuk merencanakannya. Hal-hal yang perlu dipertimbangkan dalam perancangan pabrik untuk menjamin adanya keselamatan kerja adalah sebagai berikut:

- Penanganan dan pengangkutan bahan harus seminimal mungkin . - Adanya penerangan yang cukup dan sistem pertukaran udara yang baik. - Jarak antar mesin-mesin dan peralatan lain cukup luas.

- Setiap ruang gerak harus aman dan tidak licin .

(39)

6.3 Keselamatan Kerja Pada Pabrik Pembuatan Industrial Grade Silicon (IGS)

Dalam rancangan pabrik pembuatan Industrial Grade Silicon (IGS), usaha-usaha pencegahan terhadap bahaya-bahaya yang mungkin terjadi dilakukan sebagai berikut:

6.3.1 Pencegahan Terhadap Kebakaran dan Peledakan

- Untuk mengetahui adanya bahaya kebakaran maka sistem alarm dipasang pada tempat yang strategis dan penting seperti laboratorium dan ruang proses.

- Pada peralatan pabrik yang berupa tangki dibuat main hole dan hand hole yang cukup untuk pemeriksaan.

- Sistem perlengkapan energi seperti pipa bahan bakar, saluran udara, saluran

steam, dan air dibedakan warnanya dan letaknya tidak menggangu gerakan karyawan.

- Mobil pemadam kebakaran yang ditempatkan di fire station setiap saat dalam keadaan siaga.

- Bahan-bahan yang mudah terbakar dan meledak harus disimpan dalam tempat yang aman dan dikontrol secara teratur.

Sesuai dengan peraturan yang tertulis dalam Peraturan Tenaga Kerja No. Per/02/Men/1983 tentang instalasi alarm kebakaran otomatis, yaitu:

- Detektor Kebakaran, merupakan alat yang berfungsi untuk mendeteksi secara dini adanya suatu kebakaran awal. Alat ini terbagi atas:

1. Smoke detector adalah detector yang bekerja berdasarkan terjadinya akumulasi asap dalam jumlah tertentu.

2. Gas detector adalah detector yang bekerja berdasarkan kenaikan konsentrasi gas yang timbul akibat kebakaran ataupun gas-gas lain yang mudah terbakar. 3. Alarm Kebakaran, merupakan komponen dari sistem deteksi dan alarm

kebakaran yang memberikan isyarat adanya suatu kebakaran. Alarm ini berupa :

(40)

- Alarm kebakaran yang memberi tanda atau isyarat yang tertangkap oleh pandangan mata secara jelas (visible alarm)

- Panel Indikator Kebakaran

Panel Indikator Kebakaran adalah suatu komponen dari sistem deteksi dan alarm kebakaran yang berfungsi mengendalikan kerja sistem dan terletak di ruang operator.

6.3.2 Peralatan Perlindungan Diri - Pakaian dan perlengkapan pelindung - Sepatu pengaman

- Pelindung mata - Masker udara - Sarung tangan

6.3.3 Keselamatan Kerja Terhadap Listrik

- Setiap instalasi dan alat-alat listrik harus diamankan dengan pemakaian sekring atau pemutus arus listrik otomatis lainnya.

- Sistem perkabelan listrik harus dirancang secara terpadu dengan tata letak pabrik untuk menjaga keselamatan dan kemudahan jika harus dilakukan perbaikan.

- Penempatan dan pemasangan motor-motor listrik tidak boleh mengganggu lalu lintas pekerja.

- Memasang papan tanda larangan yang jelas pada daerah sumber tegangan tinggi. - Isolasi kawat hantaran listrik harus disesuaikan dengan keperluan.

- Setiap peralatan yang menjulang tinggi harus dilengkapi dengan alat penangkal petir yang dibumikan.

- Kabel-kabel listrik yang letaknya berdekatan dengan alat-alat yang bekerja pada suhu tinggi harus diisolasi secara khusus.

6.3.4 Pencegahan Terhadap Gangguan Kesehatan

- Setiap karyawan diwajibkan untuk memakai pakaian kerja selama berada di dalam lokasi pabrik.

- Dalam menangani bahan-bahan kimia yang berbahaya, karyawan diharuskan memakai sarung tangan karet serta penutup hidung dan mulut.

(41)

penyimpanan, dan penggunaannya dapat menimbulkan ledakan, kebakaran, korosi, maupun gangguan terhadap kesehatan harus ditangani secara cermat.

- Poliklinik yang memadai disediakan di lokasi pabrik.

6.3.5 Pencegahan Terhadap Bahaya Mekanis

- Alat-alat dipasang dengan penahan yang cukup berat untuk mencegah kemungkinan terguling atau terjatuh.

- Sistem ruang gerak karyawan dibuat cukup lebar dan tidak menghambat kegiatan karyawan.

- Jalur perpipaan sebaiknya berada di atas permukaan tanah atau diletakkan pada atap lantai pertama kalau di dalam gedung atau setinggi 4,5 meter bila diluar gedung agar tidak menghalangi kendaraan yang lewat.

- Letak alat diatur sedemikian rupa sehingga para operator dapat bekerja dengan tenang dan tidak akan menyulitkan apabila ada perbaikan atau pembongkaran. - Pada alat-alat yang bergerak atau berputar harus diberikan tutup pelindung untuk

menghindari terjadinya kecelakaan kerja.

Untuk mencapai keselamatan kerja yang tinggi, maka ditambahkan nilai-nilai disiplin bagi para karyawan yaitu :

- Setiap karyawan bertugas sesuai dengan pedoman-pedoman yang diberikan. - Setiap peraturan dan ketentuan yang ada harus dipatuhi.

- Perlu keterampilan untuk mengatasi kecelakaan dengan menggunakan peralatan yang ada.

- Setiap kecelakaan atau kejadian yang merugikan harus segera dilaporkan pada atasan.

- Setiap karyawan harus saling mengingatkan perbuatan yang dapat menimbulkan bahaya.

- Setiap kontrol secara priodik terhadap alat instalasi pabrik oleh petugas

(42)

Utilitas merupakan unit penunjang utama dalam memperlancar jalannya

proses produksi dalam sebuah pabrik. Oleh karena itu, segala sarana dan

prasarananya harus dirancang sedemikian rupa sehingga dapat menjamin

kelangsungan operasi pabrik tersebut.

Berdasarkan kebutuhannya, utilitas pada pabrik pembuatan Industrial Grade

Silicon (IGS) adalah sebagai berikut:

1. Kebutuhan air

2. Kebutuhan bahan kimia

3. Kebutuhan bahan bakar

4. Kebutuhan listrik

5. Unit pengolahan limbah

7.1 Kebutuhan Air

Dalam proses produksi, air memegang peranan penting, baik untuk kebutuhan

air umpan ketel uap maupun kebutuhan domestik. Kebutuhan air pada pabrik

pembuatan Industrial Grade Silicon (IGS) adalah sebagai berikut:

1. Air umpan ketel uap = 3061,5275 kg/jam

2. Air untuk berbagai kebutuhan, dapat dilihat pada Tabel 7.1 di bawah ini

Kebutuhan air domestik untuk tiap orang/shift adalah 100 L/hari (Metcalf, 1991).

100 L/hari ×

jam 24

hari 1

= 4,16 L/jam ×1 kg/L = 4,16 kg/jam

ρair = 1000 kg/m3 = 1 kg/L Jumlah karyawan = 150 orang

Total air domestik dan kantor = 4,16 × 150 = 624 kg/jam

(43)

Tabel 7.1 Pemakaian Air untuk Berbagai Kebutuhan

Kebutuhan Jumlah air (kg/jam) Domestik dan kantor 624

Laboratorium 50 Kantin dan tempat ibadah 100

Poliklinik 50 Total 824

Sehingga total kebutuhan air yang memerlukan pengolahan awal adalah :

Fair = 3061,5275 + 824 = 3885,5275kg/jam

Densitas air (ρ air) pada temperatur 28oC adalah 994,212 kg/m3 (Geankoplis, 1997) Debit air, Q = 3885,5275kg/jam = 3,908 m3/jam = 93,792 m3/hari

994,212 kg/m3

Sumber air untuk pabrik pembuatan Industrial Grade Silicon ini berasal dari

Sungai Deli, daerah Labuhan, Sumatera Utara. Kualitas air Sungai Deli dapat dilihat

pada Tabel 7.2 di bawah ini :

Tabel 7.2 Kualitas Air Sungai Deli, Daerah Kawasan Industri Medan

Parameter Satuan Kadar

Suhu

Lokasi Sampling: Sungai Deli, daerah Labuhan (Sumber : Bapedal, 2004)

Untuk menjamin kelangsungan penyediaan air, maka di lokasi pengambilan

air dibangun fasilitas penampungan air (water intake) yang juga merupakan tempat

(44)

kotoran yang terbawa bersama air. Selanjutnya air dipompakan ke lokasi pabrik

untuk diolah dan digunakan sesuai dengan keperluannya. Pengolahan air di pabrik

terdiri dari beberapa tahap, yaitu :

1. Screening

2. Sedimentasi

3. Klarifikasi

4. Filtrasi

5. Demineralisasi

6. Deaerasi

7.1.1 Screening (SC)

Penyaringan merupakan tahap awal dari pengolahan air. Pada screening,

partikel-partikel padat yang besar akan tersaring tanpa bantuan bahan kimia.

Sedangkan partikel-partikel yang lebih kecil akan terikut bersama air menuju unit

pengolahan selanjutnya (Degremont, 1991).

7.1.2 Sedimentasi (BS)

Setelah air disaring pada Screening, di dalam air tersebut masih terdapat

partikel-partikel padatan kecil yang tidak tersaring pada screening. Untuk

menghilangkan padatan tersebut, maka air yang sudah disaring tadi dimasukkan ke

dalam bak sedimentasi untuk mengendapkan partikel-partikel padatan.

7.1.3 Klarifikasi (CL)

Klarifikasi merupakan proses penghilangan kekeruhan di dalam air. Air dari

screening dialirkan ke dalam clarifier setelah diinjeksikan koagulan yaitu larutan

alum Al2(SO4)3 dan larutan abu Na2CO3. Larutan Al2(SO4)3 berfungsi sebagai

koagulan utama dan larutan Na2CO3 sebagai koagulan tambahan yang berfungsi

sebagai bahan pembantu untuk mempercepat pengendapan dan penetralan pH. Pada

bak clarifier, akan terjadi proses koagulasi dan flokulasi. Tahap ini bertujuan

menyingkirkan Suspended Solid (SS) dan koloid (Degremont, 1991).

Koagulan yang biasa dipakai adalah koagulan trivalen. Reaksi hidrolisis akan

(45)

M3+ + 3H2O

M(OH)3 + 3 H

Dalam hal ini, pH menjadi faktor yang penting dalam penyingkiran koloid.

Kondisi pH yang optimum penting untuk terjadinya koagulasi dan terbentuknya

flok-flok (flok-flokulasi). Dua jenis reaksi yang akan terjadi adalah (Degremont, 1991) :

Al2(SO4)3 + 6 Na2CO3 + 6 H2O 2 Al(OH)3 + 12 Na+ + 6 HCO3- + 3 SO43-

2 Al2(SO4)3 + 6 Na2CO3 + 6 H2O 4 Al(OH)3 + 12 Na+ + 6 CO2 + 6 SO4

3-Reaksi koagulasi yang terjadi :

Al2(SO4)3 + 3H2O + 3 Na2CO3 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4 + 3 CO2

Selain penetralan pH, soda abu juga digunakan untuk menyingkirkan kesadahan

permanen menurut proses soda dingin menurut reaksi (Degremont, 1991) :

CaSO4 + Na2CO3 Na2SO4 + CaCO3

CaCl4 + Na2CO3 2 NaCl + CaCO3

Setelah pencampuran yang disertai pengadukan maka akan terbentuk

flok-flok yang akan mengendap ke dasar clarifier karena gaya grafitasi, sedangkan air

jernih akan keluar melimpah (overflow) yang selanjutnya akan masuk ke penyaring

pasir (sand filter) untuk penyaringan.

Pemakaian larutan alum umumnya hingga 50 ppm terhadap jumlah air yang

akan diolah, sedangkan perbandingan pemakaian alum dan abu soda = 1 : 0,54

(Crities, 2004).

Perhitungan alum dan abu soda yang diperlukan:

Total kebutuhan air = 3885,5275 kg/jam

Pemakaian larutan alum = 50 ppm

Pemakaian larutan soda abu = 0,54 × 50 = 27 ppm

Larutan alum yang dibutuhkan = 50.10-6 × 3885,5275 = 0,194 kg/jam Larutan abu soda yang dibutuhkan = 27.10-6 × 3885,5275 = 0,105 kg/jam

7.1.4 Filtrasi (SF)

Filtrasi berfungsi untuk memisahkan flok dan koagulan yang masih terikut

bersama air. Penyaring pasir (sand filter) yang digunakan terdiri dari 3 lapisan, yaitu:

a. Lapisan I terdiri dari pasir hijau (green sand)

(46)

c. Lapisan III terdiri dari batu kerikil (gravel)

Bagian bawah alat penyaring dilengkapi dengan strainer sebagai penahan.

Selama pemakaian, daya saring sand filter akan menurun. Untuk itu diperlukan

regenerasi secara berkala dengan cara pencucian balik (back washing). Dari sand

filter, air dipompakan ke menara air sebelum didistribusikan untuk berbagai

kebutuhan.

Untuk air proses, masih diperlukan pengolahan lebih lanjut, yaitu proses

demineralisasi dan deaerasi. Untuk air domestik, laboratorium, kantin, tempat

ibadah, dan poliklinik, dilakukan proses klorinasi, yaitu mereaksikan air dengan klor

untuk membunuh kuman-kuman di dalam air. Klor yang digunakan biasanya berupa

kaporit, Ca(ClO)2.

Perhitungan kaporit yang diperlukan:

Total kebutuhan air yang memerlukan proses klorinasi = 824 kg/jam

Kaporit yang digunakan direncanakan mengandung klorin 70 %

Kebutuhan klorin = 2 ppm (Gordon, 1968)

Total kebutuhan kaporit = (2 ×10-6 × 824)/0,7 = 0,0024 kg/jam

7.1.5 Demineralisasi

Air umpan ketel uap pada reaktor harus murni dan bebas dari garam-garam

terlarut. Untuk itu perlu dilakukan proses demineralisasi. Alat demineralisasi dibagi

atas:

7.1.5.1 Penukar Kation (Cation Exchanger) (CE)

Penukar kation berfungsi untuk mengikat logam-logam alkali dan

mengurangi kesadahan air yang digunakan. Proses yang terjadi adalah pertukaran

antara kation Ca, Mg dan kation lain yang larut dalam air dengan kation dari resin.

Resin yang digunakan bertipe gel dengan merek IRR–122 (Lorch, 1981).

Reaksi yang terjadi:

(47)

Untuk regenerasi dipakai H2SO4 dengan reaksi:

Ca2+R + H2SO4 CaSO4 + 2H+R

Mg2+R + H2SO4 MgSO4 + 2H+R

Mn2+R + H2SO4 MnSO4 + 2H+R

Perhitungan Kesadahan Kation

Air sungai Deli mengandung kation Fe2+, Pb2+, Mn2+, Cu2+, Ca2+, dan Mg2+ masing-masing 0,873 ppm, 1,142 ppm, 0,154 ppm, 0,113 ppm, 43 ppm, dan 28 ppm

(Tabel 7.2). Dimana 1 gr/gal = 17,1 ppm

Total kesadahan kation = (0,873 + 1,142 + 0,154 + 0,113 + 43 + 28) ppm

= 73,282 ppm / 17,1

= 4,2855 gr/gal

Jumlah air yang diolah = 3061,5275 kg/jam

= ₃ 264,17gal/m3

kg/m 994,212

kg/jam 3061,5275



= 813,4721 gal/jam

Kesadahan air = 4,2855 gr/gal × 813,4721 gal/jam × 24 jam/hari × 10-3 kg/gr

= 83,6672 kg/hari

Ukuran Cation Exchanger

Jumlah air yang diolah = 3061,5275 kg/jam = 813,4721 gal/jam

Dari Tabel 12.4, The Nalco Water Handbook, 1988 diperoleh :

- Diameter penukar kation = 2 ft

- Luas penampang penukar kation = 3,14 ft2 - Jumlah penukar kation = 1 unit

Volume resin yang diperlukan

Total kesadahan air = 83,6672 kg/hari

Dari Tabel 12.2, Nalco, 1988, diperoleh :

- Kapasitas resin = 25 kgr/ft3

(48)

Kebutuhan resin =

Tinggi minimum resin = 2,5 ft (Tabel 12.4, Nalco, 1988)

Sehingga volume resin yang dibutuhkan = 2,5 ft × 3,14 ft2 = 7,850 ft3

Waktu regenerasi =

kg/hari

Kebutuhan regenerant H2SO4 = 83,6672 kg/hari × ₃

3

7.1.5.2 Penukar Anion (Anion Exchanger) (AE)

Penukar anion berfungsi untuk menukar anion yang terdapat di dalam air

dengan ion hidroksida dari resin. Resin yang digunakan bermerek IRA-410

(Lorch,1981). Reaksi yang terjadi :

2ROH + SO42- R2SO4 + 2 OH

ROH + Cl- RCl + OH

-Untuk regenerasi dipakai larutan NaOH dengan reaksi :

(49)

= 813,4721 gal/jam

Kesadahan air = 6,532 gr/gal × 813,4721 gal/jam × 24 jam/hari × 10-3 kg/gr = 127,5264 kg/hari

Ukuran Anion Exchanger

Jumlah air yang diolah = 3061,5275 kg/jam = 813,4721 gal/jam

Dari Tabel 12.4 , The Nalco Water Handbook, diperoleh:

- Diameter penukar anion = 2 ft

- Luas penampang penukar anion = 3,14 ft2 - Jumlah penukar anion = 1 unit

Volume resin yang diperlukan

Total kesadahan air = 127,5264 kg/hari

Dari Tabel 12.7, The Nalco Water Handbook, diperoleh :

- Kapasitas resin = 12 kgr/ft3

- Kebutuhan regenerant = 5 lb NaOH/ft3 resin

Jadi, kebutuhan resin =

3

Tinggi minimum resin = 2,5 ft (Tabel 12.4, Nalco, 1988)

Volume resin = 3,3845 ft × 3,14 ft2 = 10,6273 ft3

Kebutuhan regenerant NaOH = 127,5264 kg/hari x ₃ 3

Deaerator berfungsi untuk memanaskan air yang keluar dari alat penukar ion

(ion exchanger) dan kondensat bekas sebelum dikirim sebagai air umpan ketel. Pada

(50)

seperti O2 dan CO2 dapat dihilangkan, sebab gas-gas tersebut dapat menyebabkan

korosi. Pemanasan dilakukan dengan menggunakan koil pemanas di dalam deaerator.

7.2 Kebutuhan Bahan Kimia

Kebutuhan bahan kimia pada pabrik pembuatan Industrial Grade Silicon

(IGS) adalah sebagai berikut:

1. Al2(SO4)3 = 0,194 kg/jam

2. Na2CO3 = 0,105 kg/jam

3. Kaporit = 0,0024 kg/jam

4. H2SO4 = 0,6325 kg/jam

5. NaOH = 1,0043 kg/jam

7.3 Kebutuhan Listrik

Perincian kebutuhan listrik diperkirakan sebagai berikut:

1. Unit Proses = 139 hp

2. Unit Utilitas = 43 hp

3. Ruang kontrol dan laboratorium = 30 hp

4. Penerangan dan kantor = 30 hp

5. Bengkel = 20 hp

6. Perumahan = 100 hp

Total kebutuhan listrik = 139 + 43 + 30 + 30 + 20 + 100

= 352 hp × 0,7457 kW/hp = 262,4864 kW

Efisiensi generator 80 %, maka

Daya output generator = 262,4864 / 0,8 = 328,108 kW

Untuk perancangan dipakai 2 unit diesel generator AC 600 kW, 220-240 Volt, 50

Hertz, 3 fase. (1 unit pakai dan 1 unit cadangan).

7.4 Kebutuhan Bahan Bakar

Bahan bakar yang digunakan untuk ketel uap dan pembangkit tenaga listrik

(generator) adalah minyak solar karena minyak solar efisien dan mempunyai nilai

(51)

Keperluan Bahan Bakar Generator

Nilai bahan bakar solar = 19860 Btu/lb (Perry, 1999)

Densitas bahan bakar solar = 0,89 kg/L

Daya output generator = 328,108 kW

Daya generator yang dihasilkan

= 328,108 kW  (0,9478 Btu/kW s)  3600 s/jam

= 1119530,745 Btu/jam

Jumlah bahan bakar = (1119530,745 Btu/jam / 19860 Btu/lb)  0,45359 kg/lb = 25,5694 kg/jam

Kebutuhan solar = (25,5694 kg/jam) / (0,89 kg/L)

= 28,73 L/jam

7.5 Unit Pengolahan Limbah

Limbah dari suatu pabrik harus diolah sebelum dibuang ke badan air atau

atmosfer, karena limbah tersebut mengandung bermacam-macam zat yang dapat

membahayakan alam sekitar maupun manusia itu sendiri. Demi kelestarian

lingkungan hidup, maka setiap pabrik harus mempunyai unit pengolahan limbah.

Pada pabrik pembuatan Industrial Grade Silicon (IGS) menghasilkan limbah

padat, cair, dan gas. Sumber-sumber limbah pada pabrik pembuatan Industrial Grade

Silicon (IGS) meliputi:

1. Limbah Padat

Limbah padat yang dihasilkan berupa karbon, silikon dioksida, kalsium oksida,

dan kalsium sulfat. Limbah padat ini tidak perlu dibuang karena dapat diolah dan

digunakan kembali, ataupun dijual.

2. Limbah Cair

Limbah cair terdiri dari:

a. Limbah cair hasil pencucian peralatan pabrik

Limbah ini diperkirakan mengandung kerak dan kotoran-kotoran yang

melekat pada peralatan pabrik.

(52)

Limbah ini mengandung bahan organik sisa pencernaan yang berasal dari

kamar mandi di lokasi pabrik, serta limbah dari kantin berupa limbah padat

dan limbah cair.

c. Limbah laboratorium

Limbah yang berasal dari laboratorium ini mengandung bahan-bahan kimia

yang digunakan untuk menganalisa mutu bahan baku yang dipergunakan dan

mutu produk yang dihasilkan, serta yang dipergunakan untuk penelitian dan

pengembangan proses.

3. Limbah Gas

Limbah gas yang dihasilkan berupa O2, N2, CO2, dan H2O. Gas ini tergolong

dalam gas yang tidak berbahaya, sehingga dapat dilepas secara langsung ke

lingkungan.

Pengolahan limbah cair pabrik ini dilakukan dengan menggunakan activated sludge

(sistem lumpur aktif), mengingat cara ini dapat menghasilkan effluent dengan BOD

yang lebih rendah dengan efisiensi mencapai 95 % (Metcalf, 1991 ; Perry, 1999).

Perhitungan untuk Sistem Pengolahan Limbah

Diperkirakan jumlah air buangan pabrik :

1. Pencucian peralatan pabrik = 60 L/jam

2. Limbah domestik dan kantor

Diperkirakan air buangan tiap orang untuk :

- domestik = 10 L/hari (Metcalf, 1991)

- kantor = 20 L/hari (Metcalf, 1991)

Jumlah karyawan = 150 orang

Jadi, jumlah limbah domestik dan kantor

= 150  ((10 + 20) L/hari  (1 hari / 24 jam))

= 187,5 L/jam

3. Laboratorium = 30 L/jam

Total air buangan pabrik = 60 + 187,5 + 30

(53)

7.5.1 Bak Penampungan (BP)

Fungsi : tempat menampung air buangan sementara

Jumlah : 1 unit

Laju volumetrik air buangan = 0,2775 m3/jam Waktu penampungan air buangan = 15 hari

Volume air buangan = 0,2775 x15hari

Direncanakan ukuran bak sebagai berikut :

panjang bak (p) = 2 × lebar bak (l) dan tinggi bak (t) = lebar bak (l)

7.5.2 Bak Pengendapan Awal (BPA)

Fungsi : Menghilangkan padatan dengan cara pengendapan.

Laju volumetrik air buangan = 0,2775 m3/jam = 6,66 m3/hari

Direncanakan ukuran bak sebagai berikut: