PRARANCANGAN PABRIK n-BUTANOL DARI n-BUTIRALDEHID Prarancangan Pabrik n-Butanol Dari n-Butiraldehid Dengan Proses Hidrogenasi Kapasitas 60.000 Ton Per Tahun.

(1)

PRARANCANGAN

PABRIK n-BUTANOL DARI n-BUTIRALDEHID

DENGAN PROSES HIDROGENASI

KAPASITAS 60.000 TON PER TAHUN

TUGAS AKHIR

D isusun sebagai Salah Satu Syarat untuk M emperoleh

Gelar Kesarjanaan Strata 1 Fakultas Teknik

U niversitas M uhammadiyah Surakarta

Oleh:

SRIYANI

D 500 030 058

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

(2)

(3)

PRARANCANGAN PABRIK BUTANOL DARI BUTIRALDEHID DENGAN PROSES

HIDROGENASI.KAPASITAS 60.000 TON PER TAHUN

Sriyani D500030058

Fakultas : Teknik

abstrak

Pabrik n-Butanol dengan proses hidrogenasi n-Butyraldehide dengan

kapasitas 60.000 ton per tahun direncanakan beroperasi selama 330 hari per tahun. Kebutuhan n-butyraldehide sebanyak 60.764,2 ton per tahun. Utilitas

pendukung proses meliputi penyediaan air sebesar 63.000 kg per jam yang

diperoleh dari air sungai, penyediaan saturated steam sebesar 4.468,56 kg per

jam yang diperoleh dari boiler dengan bahan bakar sisa dari pemisahan

separator sebesar 428,5268 kg per jam yang menahasilkan energi

25.875.340,5 kj, kebutuhan udara tekan sebesar 3.531,42 ft3 per jam, kebutuhan

listrik sebesar 244,4 kW didapat dari PLN dan generator set sebesar 300 kW

sebagai cadangan, bahan bakar sebanyak 15,41 m3 per jam, menggunakan udara

tekan 100 m3/jam dengan tekanan 10 atm pada 30°C. Pabrik ini didirikan di

kawasan industri cikampek dengan luas tanah 20.000 m2 dan jumlah karyawan

111 orang.

Proses pembuatan n-Butanol dilakukan dalam reaktor fixed bed catalitik. Pada reaktor ini reaksi berlangsung pada fase gas, irreversible, eksotermis,

adiabatic, pada suhu masuk 100?C dan suhu keluar 106,64?C dan tekanan masuk 10 atm dan tekanan keluar 9,9 atm. Pabrik ini digolongkan pabrik tidak beresiko

karena kondisi operasinya yaitu pada tekanan 10 atm dan suhu 100?C.

Pabrik ini menggunakan modal tetap sebesar Rp 28.785.671.760,89 dan

modal kerja sebesar Rp 221.428.244.314,55. Dari analisis ekonomi terhadap

pabrik ini menunjukkan keuntungan sebelum pajak Rp 119.884.437.590,95 per

tahun setelah dipotong pajak 30% keuntungan mencapai Rp 83.919.106.313,66

per tahun. Percent Return On Investment (ROI) sebelum pajak 54,14% dan

setelah pajak 37,90 %. Pay Out Time (POT) sebelum pajak selama 1,56 tahun

dan setelah pajak 2,09 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 41,99 %, dan Shut

Down Point (SDP) sebesar 28,07 %. Discounted Cash Flow (DCF) terhitung

sebesar 29,79 %.

(4)

I. Pendahuluan

Latar belakang dan tujuan

Salah satu jenis produk kimia yang dibutuhkan dalam jumlah yang

terus meningkat adalah industri n-butanol. Dengan rumus molekul C4H10O,

n-butanol merupakan senyawa organik alkohol yang banyak diperlukan oleh

berebagai industri digunakan sebagai solven dan sintesis organik.

Dari data yang diterima Biro Pusat Statistik (BPS) import untuk

n-butanol masih mengalami kekurangan. Mengingat industri di Indonesia

belum mampu memenuhi kebutuhan sendiri dan dengan mempertimbangkan

adanya bahan baku yang tersedia maka dimungkinkan untuk didirikan pabrik

n-butanol di Indonesia. Pertimbangan lain yang mendukung kelayakan

pendirian pabrik n-butanol adalah menciptakan lapangan kerja baru serta

diharapkan dapat memacu berdirinya pabrik-pabrik lain yang menggunakan

n-butanol, sehingga terciptanya diversifikasi produk yang mempunyai nilai

ekonomis lebih tinggi yang berarti akan menunjang peningkatan pendapatan

negara

II. Tinjauan Pustaka 2.1.Pemilihan proses

Ada lima macamproses utama yang digunakan dalam proses

pembuatan n-butanol yaitu :

1. Pembuatan n-butanol secara fermentasi

2. Proses Reppe

3. Proses shell hydroformilasi

4. Aldol Kondensasi

5. Proses Oxo hidrogenase

Pemilihan proses utama yang digunakan dalam proses pembuatan

n-butanol, yaitu :

(5)

Proses ini mulai dikembangkan pada awal tahun 1930,samapi sekarang

masih dikembangkan di Commercial Solvents Coorporation dan

Publicker Industries.

Reaksinya :

Dari satu gallon molases yang mengandung 6 lb gula menghasilkan

1,45 lb n-butanol,0,4 lb aseton dan 0.07 lb etanol ditambah kabon

dioksida dan hidrogen. Dibutuhkan bakteri khusus serta penanganan

yang khusus pula dan untuk perkembangan saat ini secara komersial

kurang memadai (McKetta, 1983).

2. Proses Reppe

Proses ini dikembangkan oleh Badische Anline-und Soda-Fabrik A.G

di Jerman. dan dikembangkan secara komersial di Jepang sejak tahun

1965 Japan Butanol menggunakan teknologi BASF.

Reaksinya :

Katalis ya ng digunakan adalah iron hydrocarbonil dari iron

pentacarbonyl, N-alkylpyrrolidine, dan air. Yield alkhohol kurang

dari 90 % (McKetta, 1983)

3. Proses shell Hydroformilation

Bahan bakunya adalah propilen dan syncgas dijalankan dalam reaktor

fase cair beroperasi pada 160 oC, 35 atm. Katalis yang digunakan

adalah cobalt carbonyl. Yield antara 70-75 % (McKetta, 1983).

4. Aldol kondensasi

Sebagai bahan bakunya digunakan asetanilida, kemudian direaksikan

dengan NaOH dan dikondensasikan menjadi Aldol pada temperatur C3H6 + 3CO + 2H2O

katalis

100 oC, 15 atm

C4H9OH + 2CO2

C6H10O5 C6H12O6 CH3COCH + CO2

(6)

10-30 oC dengan yeld 90% dan untuk skala komersial dikempangkan

di Celanese, Amerika Serikat dan Kyowa Jepang (McKetta, 1983)

5. Proses oxo hidrogenase

Proses ini merupakan proses yang paling banyak digunakan dalam

skala komersial saat ini. Proses ini menggunakan bahan baku

propylen, syngas, hidrogen dan terbagi atas 2 tahap yaitu :

a. Reaksi pembentukan n-butyraldehyde

Reaksinya :

C3H6 + CO + H2 C4H8O

Reaksi ini berjalan pada suhu 150 – 200 oC dan tekanan 15 atm

dengan katalis Rhodium Carbonil Triphenyl phospine. Dengan

proses ini n – butyraldehyde dan i- butiraldehyde yang diperoleh

mempunyai pebandingan kurang lebih 10 : 1, dan konversi sebesar

98 %.

b. Reaksi pembentukan n-butanol dari n-butiraldehyde

Reaksi ini dijalankan dalam fase gas dengan menggunakan katalis

nikel dan berjalan pada suhu 100-200oC dan tekanan 5 atm.

Konversi yang diperoleh sebesar 97%.

Reaksinya :

C4H8O + H2 C4H9OH (McKetta, 1983)

Berdasarkan uraian diatas maka tepat untuk dipilih adalah proses

hidrogenasi nya saja, dengan pertimbangan :

- Memiliki konversi reaksi relatif besar, yaitu 75% sehingga

ekonomis dipandang lebih menguntungkan.

- Proses hidrogenasi tidak membutuhkan pemisahan yang rumit,

sehingga peralatan yang digunakan lebih sederhana.

- Kemurnian produk yang dihasilkan tinggi, mencapai 99%.

- Harga bahan baku pembuatan n-butanol dengan proses

(7)

2.2. Kegunaan Produk

n-Butanol mempunyai kegunaan yang cukup luas, yaitu digunakan

sebagai diluen yang baik pada pembuatan pelumas kendaraan, sebagai

pengekstrak pada industri anti biotik, vitamin dan hormon, juga banyak

digunakan sebagai solven pada industri tekstil dan pencelupan. Sebagian

besar digunakan pada pembuatan resin urea formaldehid dan plasticizer

dibuthil ftalat.

Karena sifat fisiknya mendekati gasoline atau bensin premium,

n-butanol belum luas dipromosikan sebagai gasohol atau bio-gasoline,

artinya 100% n-butanol menggantikan biogasolin untuk mesin pembakaran

dalam. Karena titik nyalanya yang tinggi 37ºC sehingga aman dalam

pemakaian. n-Butanol bersifat non-polar karena memiliki rantai

hidrokarbon panjang, sehingga kecil penyerapannya terhadap air (kelarutan

dalam air hanya 7,7 %) menyerupai gasoline hal ini yang dapat

memudahkan n-butanol dicampur dengan gasoline.

2.3. Sifat Fisik dan Kimia Bahan Baku dan Produk 1. n-Butiraldehid

a. Sifat fisika

- Berat molekul (kg/kmol) : 72,11

- Titik didih 1 atm (oC) : 74,8

- Titik lebur (oC) : -96,4

- Viskositas (cp) : 0,43

- Specific heat (cal/g.20oC) : 0,53

- Temperatur kritis (oC) : 252

- Tekanan kritis (atm) : 39,5

b. Sifat kimia

Direaksikan dengan hidrogen membentuk butanol

C4H8O + H2 C4H9OH

(Kirk & Othmer, 1991).

2. Hidrogen

(8)

- Titik lebur (oC) : 13,960

- Temperatur kritis (oC) : 33,180

b. Sifat kimia

Dengan bantuan katalis, gas hidrogen dapat mereduksi asam-asam

organik menjadi aldehid dan mereduksi lagi menjadi alkohol.

R – COOH + H2 R – COH + H2O

Asam Aldehid

R – CHO + H2 R – OH + H2O

Aldehid Alkohol

3. Produk n-Butanol

a. Sifat fisika

- Titik lebur (oC) : -89,30

- Temperatur kritis (oC) : 287,00

- Densitas (kg/m3, 20 oC) : 810,00

b. Sifat kimia

- Hidrasi katalitik membentuk butena.

- Esterifikasi dengan asam organik membentuk ester

- klorinasi tanpa pendingin menghasilkan dikloro butiraldehid dibutil

(9)

- n-Butanol dengan hidrolisis pada suhu 180oC menghasilkan 5%

mercaptan, 33% dibuthyl sulfide dan tert buthyl alkohol.

- Bereaksi dengan amonia dengan katalis alumina pada 300 – 350 oC

menghasilkan but ilamine, dibut ilamine, tributilamine dengan

perbandingan 4 : 3 : 1.

- Dengan H2SO4 bereaksi menahasilkan ester.

2.4 Tinjauan proses

Reaksi hidrogenasi n-butiraldehid menjadi n-butanol. Reaksi ini

berjalan dalam reaktor jenis fixed bed katalitik pada suhu 100 – 200 oC

dan tekanan 10 atm dengan katalis cobalt. Reaksi ini ditandai dengan

masuknya atom hidrogen dalam senyawa n-buthiraldehyde seperti reaksi

berikut :

Reaksi hidrogenasi n-butiraldehi menjadi n-butano l

CH3CH2CH2CH=O + H2 CH3CH2CH2CH2 – OH

?Hr = - 69,710 KJ/kmol

Reaksi hidrogenasi i-butiraldehi menjadi i-butanol

?Hr = - 58,99 KJ/kmol

(McKetta, 1983)

III. Diskripsi Proses

Proses pembuatan N-butanol secara umum dibagi 3 tahap proses,

yaitu :

a. Tahap penyimpanan bahan baku

Tujuan dari penyiapan bahan baku adalah untuk mengkondisikan

bahan baku sehingga mencapai kondisis operasi reaktor. Bahan baku

butiralehid cair yang terdiri dari 99% n-butiraldehid dan 1% i-butiraldehid

dan air (sebanyak 3% dari umpan butiraldehid) bekerja pada tekanan 1 atm CH3CHCH2CH=O + H2 CH3CHCH2 – OH

(10)

dan temperatur 32oC diuapkan di vaporizer (Vp-01) dan dinaikkan

tekanannya sampai 10 atm menggunakan kompresor (K-01). Dan gas

hidrogen terdiri dari 99,5% H2 dan 0,5% N2 dengan tekanan 10 atm

dipanaskan (HE-01) untuk mengkondisikan suhu reaksi.

b. Tahap reaksi dalam reaktor

Reaksi pembuatan n-butiraldehid menjadi n-butanol dalam reaktor

(R-01) adalah fase gas sehingga digunakan reaktor jenis fixed bed

adiabatis. Untuk mempercepat reaksi digunakan katalis cobalt yang

berbentuk padatan. Kondisi operasi adiabatis karena panas reaksi yang

ditimbulkan tidak terlalu besar. Dengan kondisi operasi adiabatis maka

tidak diperlukan pedingin. Reaksi bersifat eksotermis dan berlangsung

pada suhu 100 oC sampai 106oC pada tekanan 10 atm. Pada reaktor ini

75% n-butiraldehid akan terkonversi menjadi n-butanol.

c. Tahap pemurnian hasil

Tujuan dari tahap ini adalah memisahkan produk n-butanol dari

impuritasnya sehingga didapatkan produk n-butanol dengan kemurnian

99%.

Produk reaktor dan sisa reaktan setelah keluar dari reaktor (R-01)

dipisahkan di separator uap cair (SP-01) untuk memisahkan sisa gas H2

dan gas inert N2 dari butanol, butiraldehid dan H2O. Karena separator uap

air (SP-01) beroprasi pada tekanan 1 atm dan 50 oC, sedang produk keluar

pada reaktor diturunkan tekanannya dengan kompresor (K-02) hingga 1

atm. Hasil atas separator (SP-01) berupa gas H2 dan inertnya keluar dari

sparator ditampung. Sedangkan produk bawah menara destilasi (MD-01)

cairan dilewatkan pemanas (HE-02) hingga mencapai kondisi cair

jenuhnya pada suhu 101,5 oC dan tekanan 1 atm. Produk bawah menara

destilasi 1 terdiri dari 99% n-butanol, 075% i-butanol dan 0,25% air

selanjutnya disimpan dalam tangki penyimpan produk utama (T-02).

Destilat menara destilasi 1 yang terdiri dari n- butiraldehid,

i- butiraldehid, air dan sebagian i-butanol akan diuapkan kemenara

destilasi 2 pada tekanan 1 atm dan temperatur 80,6 oC. Menara destilasi 2

(11)

dengan recycle destilat 2 ke mixer kembali. Produk buttom menara

destilasi 2 akan dipompakan kepengolahan limbah sebelum dibuang

kelingkungan.

IV. Kesimpulan

Pabrik Butanol digolongkan pabrik beresiko rendah. Karena bahan

baku murah, tidak korosif, dan dilihat dari kondisi operasinya pabrik

beroperasi pada suhu (90 - 106,68) ?C dan tekanan 10 atm. Hasil analisis kelayakan ekonomi adalah sebagai berikut:

1. Keuntungan sebelum pajak Rp 119.884.437.590,95 per tahun

Keuntungan setelah pajak Rp 83.919.106.313,66 per tahun

2. ROI (Return On Investment) sebelum pajak 54,14 %

ROI (Return On Investment) sesudah pajak 37,90 %

ROI (Return On Investment) sebelum pajak untuk pabrik beresiko rendah

minimal 11 %.

3. POT (Pay Out Time) sebelum pajak 1,56 tahun

POT (Pay Out Time) sesudah pajak 2,09 tahun

POT (Pay Out Time) sebelum pajak untuk pabrik beresiko rendah

maksimal 5 tahun.

4. BEP (Break Even Point) adalah 41,99 % dan SDP (Shut Down Point)

adalah 36,22%. BEP untuk pabrik kimia pada umumnya berkisar antara

40% - 60%

5. DCF (Discounted Cash Flow) adalah 28,07 %.

DCF yang dapat diterima harus lebih besar dari bunga pinjaman di bank,

suku bunga bank saat ini 18 %.

Dari data hasil perhitungan analisis ekonomi di atas dapat

(12)

DAFTAR PUSTAKA

Atmowisastro, D., 2007, “Butanol Dipromosikan Sebagai Gasohol”, Warta Pertamina, www.pertamina.com, diakses 5 oktober 2008.

Badan Pusat Statistik, 2007, Statistik Perdagangan Luar Negeri Indonesia, Impor

menurut Jenis Barang dan Asal, 2007/2008, Volume 1, Badan Pusat

Statistik, Jakarta.

Brown, G.G, 1978, Unit Operation, John Wiley and Sons. Inc., New York.

Brownell, L.E., and Young, E.H, 1959, Process Equipment Design, 1 rd Edition, Willey Eastern Ltd. New Delhi.

Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1983, Chemical Engineering, Vol.6, Pergamon Press, Oxford.

Kern, D.Q., 1950, Process Heat Transfer, Mc. Graw Hill Book Company Inc., New York.

Kirk, R.E. and Othmer, D.F., 1983, Encyclopedia of Chemical Technology, 1st Edition., Vol.20, The Inter Science Encyclopedia, inc., New York.

Kirk, R.E. and Othmer, D.F., 1998, Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd Edition., Vol.20, The Inter Science Encyclopedia, inc., New York.

Ludwig, E.E., 1950, “Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plant”, Gulf Publishing Company, Boston.

MC.Ketta and Willian. Acumgham,1983,”Enchyclopedia of Chemical Processing and Design”, Vol 5, Mc.Graw HillBook.Co,Tokyo.

Perry R. H., and Green D., "Chemical Engineer's Hand Book", six edition, Mc Graw Hill Book Company, 1984.