1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Pendirian Pabrik
Pemerintah telah mencanangkan kebijakan industri nasional yang tercantum dalam Undang-Undang no.3 Tahun 2014. Isi dari kebijakan tersebut adalah mendukung pertumbuhan klaster industri inti. Salah satunya dengan cara pendirian pabrik-pabrik industri petrokimia.
Terdapat banyak komoditas bahan kimia yang belum bisa diproduksi secara mandiri di dalam negeri sehingga pemenuhan kebutuhan dilakukan secara impor. Salah satu komoditas bahan kimia yang diimport dalam jumlah banyak adalah melamin. Dengan kebutuhan impor sebesar 23.936 ton/tahun dan paling banyak diimpor dari Cina.
Di Indonesia, melamin diantaranya digunakan sebagai bahan baku pembuatan melamin resin, bahan sintesa organik, bahan pencampur cat, pelapis kertas, tekstil, leather tanning dan lain-lain. Bahan baku yang digunakan pada proses pembuatan melamin adalah urea dan campuran amonia karbon dioksida sebagai fluidizing gas dengan katalis alumina.
Melihat kebutuhan melamin saat ini dan seiring dengan potensi peningkatan konsumen, maka pendirian pabrik melamin dirasa sangat perlu. Hal ini bertujuan untuk mengantisipasi permintaan didalam negeri, mengurangi impor melamin dan membuka tenaga kerja baru.
1.2. Kapasitas Rancangan
Penentuan kapasitas pabrik melamin dengan pertimbangan pertimbangan sebagai berikut :
1. Perkiraan kebutuhan melamin di Indonesia
Berkembangnya industri-industri pemakai melamin di Indonesia, seperti Industri moulding, industri adhesive, industri surface coating menyebabkan kebutuhan melamin di Indonesia semakin meningkat.
2
Dalam 5 tahun belakangan, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1-1, diketahui bahwa kebutuhan melamin meningkat setiap tahun.
Tabel 1-1 Kebutuhan Melamin Indonesia Tahun 2010-2015 (mcgroup.co.uk)
No. Tahun Import (ton)
1 2010 16.669
2 2011 18.141
3 2012 19.989
4 2013 22.345
5 2014 23.412
6 2015 23.936
Gambar 1.1 Grafik Hubungan Tahun dengan Jumlah Impor Melamin Bila dilakukan pendekatan regresi polynomial orde 2, akan diperoleh persamaan:
y = -140,43x2 + 566782x - 572007939 dengan: y = jumlah kebutuhan Melamin (ton/tahun)
x = tahun
Jadi, untuk tahun 2019 diperkirakan Indonesia membutuhkan Melamin ± 28.931 ton/tahun.
y = -140,43x2 + 566782x - 572007939 R² = 0,9852
0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Kapasitas (Ton)
Tahun
3 2. Ketersediaan bahan baku
Bahan baku pembuatan melamin adalah urea yang sudah lama diproduksi di dalam negeri dengan kuantitas yang berlebih. Perkembangan produksi urea di Indonesia mengalami peningkatan setiap tahunnya dan telah diekspor dalam jumlah yang besar. Tabel 1-2 menunjukkan produksi urea dan perkembangan ekspor urea di Indonesia sampai tahun 2015.
Tabel 1-2 Perkembangan Produksi dan Ekspor Urea Indonesia 2010-2015 (appi.or.id)
Tahun Produksi (ton) Eksport (ton)
2010 6.721.948 879.196
2011 6.743.422 750.430
2012 6.907.236 989.612
2013 6.698.349 1.359.109
2014 6.742.366 1.107.880
2015 6.916.563 831.894
Dari data produksi urea tersebut, maka pembangunan pabrik melamin sangat tepat dilakukan di Indonesia.
3. Kapasitas Komersial
Dari data yang ada pada Ullman’s Encyclopedia of Industry Chemistry, ternyata kapasitas pabrik melamin yang ada di dunia 10.000-90.000 ton/tahun.
Tabel 1-3 berikut menunjukkan berapa diantara produsen melamin yang telah beroperasi di dunia.
4
Tabel 1-3 Kapasitas Produksi Perusahaan Melamin di Dunia (mcgroup.co.uk)
Negara Perusahaan Kapasitas (ton/tahun)
Germany BASF 65.000
Netherland DSM 90.000
United Sates Melamine Chemical 47.000
Japan Mitsui Toatsu 38.000
Taiwan Taiwan Fertilizer 10.000
Berdasarkan pertimbangan perkiraan kebutuhan melamin, ketersediaan bahan baku, dan kapasitas komersial diatas maka untuk perancangan awal pabrik melamin ini ditetapkan dengan kapasitas 30.000 ton/tahun.
1.3. Penentuan Lokasi Pabrik
Gambar 1.2 Lokasi Pabrik
Lokasi yang dipilih untuk pendirian pabrik melamin ini adalah daerah Cikampek, Jawa Barat. Pemilihan lokasi ini berdasarkan pada beberapa faktor : 1. Penyediaan bahan baku
Bahan baku pembuatan melamin adalah urea yang kebutuhannya didapat dari PT. Pupuk Kujang yang berada di daerah Cikampek, Jawa Barat.
5 2. Daerah Pemasaran
Industri pemakai produk Melamin di pulau Jawa, seperti Jawa Timur, Jawa Barat dan Jawa Tengah, DKI Jakarta sebagai contoh PT Arjuna Karya Utama yang merupakan produsen bahan perekat dan lain-lain.
3. Penyediaan bahan bakar dan energi
Daerah Cikampek merupakan kawasan Industri sehingga penyediaan bahan bakar dan energi dapat dipenuhi dengan baik.
4. Penyediaan Air
Kebutuhan air untuk proses produksi dapat diperoleh dari sumber air Sungai Parungkadali dan sungai Cikao.
5. Transportasi
Sarana transortasi darat di daerah Cikampek sangat memadai karena tersedianya jalan raya dan rel atau jalur kereta api. Disamping itu dekat dengan pelabuhan laut untuk keperluan transportasi laut
6. Tenaga kerja
Kawasan Cikampek berlokasi tidak jauh dari wilayah Jabotabek yang sarat dengan lembaga pendidikan formal sehingga memiliki potensi tenaga ahli maupun non ahli baik dari segi kualitas maupun kuantitas.
7. Karakterisasi lokasi
Daerah Cikampek merupakan kawasan industri sehingga untuk pendirian suatu pabrik akan lebih mudah.
1.4. Tinjauan Pustaka
Menurut Ullman’s Encyclopedia of Industry Chemistry (2003), melamin pertama kali dipelajari oleh Leibig pada tahun 1834. Pada saat itu, Leibig mendapatkan melamin dari proses fusi antara potasium thiosianat dengan amonium klorida. Struktur molekul melamin pada Gambar 1.3 berikut:
6
Gambar 1.3 Struktur Molekul Melamin
Melamin banyak dijumpai pada aplikasi industri untuk proses produksi resin melamin formaldehid.
Pada sekitar tahun 1960, melamin diproduksi dari dicyanamid. Proses ini berlangsung didalam autoclave pada tekanan 10 Mpa dan suhu 400oC dengan adanya gas amoniak, sesuai persamaan reaksi
3 H2NC(NH)NHCN 2 C3N6H6 (1.1) Dicyanamid melamin
Pada awal 1940, Mackay menemukan bahwa melamin bisa disintesa dari urea pada suhu 400oC dengan atau tanpa katalis. Sejak saat itu melamin mulai diproduksi dari bahan baku urea. Dan penggunaan dicyanamid sebagai bahan baku dihentikan pada akhir dekade 1960.
Macam-Macam Proses
Melamin dapat disintesa dari urea pada suhu 350–400oC dengan persamaan reaksi sebagai berikut:
6 H2N – CO – NH2 C3N3(NH2)3 + 6 NH3 + 3 CO2 (1.2) Urea melamin amonia karbondioksida
Reaksi ini bersifat endotermis dengan kebutuhan energi sebesar 629 KJ per mol melamin. Secara umum proses pembuatan melamin dapat diklasifikasikan menjadi 2 jenis:
1. Proses tekanan rendah dengan menggunakan katalis.
2. Proses tekanan tinggi (8 Mpa) tanpa menggunakan katalis.
7
Masing-masing proses terdiri dari tiga tahap, yaitu tahap sintesa, recovery, dan pemurnian melamin serta pengolahan gas buang.
1.4.1.1. Proses Tekanan Rendah dengan Menggunakan Katalis.
Dalam proses tekanan rendah digunakan reaktor jenis fluidized bed pada tekanan atmosferik sampai 1 Mpa dan pada suhu 390–420oC. Sebagai fluidizing gas digunakan amoniak murni atau campuran antara amoniak dan karbondioksida yang terbentuk selama reaksi. Katalis yang digunakan adalah silika dan alumina.
Melamin meninggalkan reaktor dalam fase gas bersama dengan fluidizing gas. Kemudian dipisahkan dari amonia dan karbondioksida dengan quenching gas menggunakan air (yang diikuti dengan kristalisasi) atau sublimasi.
Pada proses ini, langkah pertama adalah dekomposisi urea menjadi asam isocyanat dan amonia kemudian diubah menjadi melamin dengan mekanisme reaksi:
6 (NH2)2CO 6 NH=C=O + 6 NH3 (1.3)
6 NH=C=O C3N3(NH2)3 + 3 CO2 (1.4) 6 (NH2)2CO C3N3(NH2)3 + 6 NH3+ 6CO2 H = 472.53 kj/mol (1.5) Yield yang diperoleh adalah 90 – 95%. Dalam dunia industri, terdapat empat jenis proses yang menggunakan sistem bertekanan rendah dan katalis.
a. Proses Badische Anilin and Soda Fabrik (BASF)
Pada proses ini menggunakan reaktor satu stage, dimana lelehan urea diumpankan ke fluidized bed reaktor pada suhu 380-420oC pada tekanan atmosferik. Katalis yang digunakan adalah alumina dengan fluidizing gas berupa amonia dan karbondioksida. Suhu reaktor dijaga dengan mensirkulasi lelehan garam dengan menggunakan koil pemanas. Produk yang keluar dari reaktor berupa gas terdiri dari campuran melamin, urea yang tidak bereaksi, biuret, amonia dan karbondioksida. Katalis yang terbawa aliran gas ditahan pada siklon separator dalam reaktor. Campuran gas tersebut didinginkan dalam cooler sampai temperatur dew point campuran gas produk.
Campuran gas kemudian masuk desublimer lalu bercampur dengan off gas yang telah direcycle pada temperatur 140oC hingga berbentuk kristal melamin.
8
Lebih dari 98% melamin dapat mengkristal. Kristal melamin yang dihasilkan dipisahkan dari campuran gas dengan menggunakan siklon. Gas recycle dari siklon dialirkan ke scrubber atau washing tower untuk mengambil urea yang tidak beraksi, dan gas digunakan sebagai fluidizing gas pada reaktor dan media pendingin pada desublimer. Proses ini dapat menghasilkan melamin dengan kemurnian 99,9%.
b. Proses Chemie linz
Proses ini ada dua tahap, tahap pertama yaitu molten urea terdekomposisi dalam fluidized sand bed reactor sehingga menjadi amonia dan asam isocyanic pada kondisi suhu 350oC dan tekanan 0,35 Mpa. Amonia digunakan sebagai fluidizing gas panas yang dibutuhkan untuk dekomposisi disuplai ke reaktor oleh lelehan garam panas yang disirkulasi melalui koil pemanas. Aliran gas kemudian diumpankan ke fixed bed reactor dimana asam isocyanic dikonversi menjadi melamin pada suhu 450oC dan tekanan mendekati tekanan atmosfer. Melamin dipisahkan dari hasil reaksi yang berupa fase gas melalui quenching dengan menggunakan air mother liquor yang berasal dari centrifuge. Quencher didesain khusus agar dapat bekerja dengan cepat sehingga mencegah hidrolisis melamin menjadi ammelide dan ammeline. Suspensi melamin dari quencer didinginkan lalu dikristalisasi menjadi melamin. Setelah di centrifuge, kristal dikeringkan dan dimasukkan ke penyimpanan.
c. Proses Stamicarbon
Seperti pada proses BASF, proses DSM Stamicarbon menggunakan reaktor satu stage. Proses berlangsung pada tekanan 0,7 Mpa, dengan fluidizing gas berupa amonia murni. Katalis yang digunakan berupa alumina dan silika.
Lelehan urea diumpankan kedalam reaktor bagian bawah. Katalis silika alumina difluidisasi oleh amonia yang masuk ke reaktor bagian bawah dari reaktor fluidized bed. Reaksi dijaga pada suhu 400oC dengan mensirkulasi lelehan garam melewati koil pemanas dalam bed katalis.
Melamin yang terkandung dalam campuran zat keluaran reaktor kemudian di quencing. Pertama dalam quench cooler kemudian dalam scrubber untuk discrub dengan mother liquor dari centrifuge. Dari scrubber,
9
suspensi melamin dialirkan kedalam kolom KO drum dimana sebagian dari amonia dan CO2 terlarut dalam suspensi dipisahkan, lalau campuran gas ini dialirkan ke absorber dan akan membentuk amonium karbamat dari KO drum kemudian produk dialirkan ke mixing vessel dan dicampur dengan karbon aktif. Kemudian dimasukkan dalam precoat filter kemudian airnya diuapkan didalam evaporator, kemudian dikristaliser dan pemisahan dari mother liquornya oleh centrifuge.
d Proses Osterreichische Stickstoffwerke (OSW) Dalam proses ini dibagi menjasi 2 tahapan yaitu :
1. Terdekomposisinya urea dalam reaktor unggun terfluidisasi (fluidized bed Reactor).
2. Terbentuknya melamin dalam fixed bed catalytic reactor.
Urea yang digunakan dalam pembuatan melamin berbentuk butiran – butiran kecil (prilled urea) dengan kemurnian 99,3%.
1.4.1.2.Proses Tekanan Tinggi Tanpa Menggunakan Katalis
Reaksi yang terjadi pada tekanan tinggi dengan tekanan lebih dari 7 Mpa dan suhu yang digunakan lebih dari 370oC.
Secara umum, lelehan urea dimasukkan dalam reaktor menjadi campuran lelehan urea dan melamin. Proses ini menghasilkan melamin dengan kemurnian
>94%. Panas yang dibutuhkan untuk reaksi disediakan dengan electric heater atau sistem heat transfer dengan menggunakan lelehan garam panas.
Pada proses ini, langkah pertama adalah dekomposisi urea menjadi asam sianat. Asam sianat kemudian berubah menjadi asam sianurat sebelum diubah menjadi melamin dengan mekanisme reaksi:
Mekanisme reaksi yang terjadi sebagai berikut :
3 (NH2)2CO 3 HOCN + 3 NH3 (1.6)
urea cyanic acid
3 HOCN (NCOH)3 (1.7)
cyanuric acid
(NCOH)3 + 3 NH3 C3N3(NH2)3+ 3 H2O (1.8) melamin
10
3 (NH2)2CO + 3 H2O 6 NH3 + 3 CO2 (1.9) 6 (NH2)2CO C3N3(NH2)3 + 6 NH3 + 3 CO2 (1.10)
a. Proses Melamin Chemical Process
Proses ini menghasilkan melamin dengan kemurnian 96–99,5%. Molten urea yang dikonversi menjadi melamin dalam reaktor tubuler pada suhu 370–
425oC dan tekanan 11–15 Mpa, liquid melamin dipisahkan dari off gas dalam gas separator dimana produk melamin akan terkumpul di bagian bawah.
Produk yang keluar diquenching dengan NH3 cair pada unit pendingin, konversi yang dihasilkan adalah 99,5%. Molten urea diumpankan ke reaktor pada suhu 150oC. Campuran hasil reaksi meninggalkan reaktor masuk ke quencher kemudian diquenching dengan amonia cair dan CO2 untuk mengendapkan melamin. Amonia dan CO2 terpisah dibagian atas quencher direcycle ke pabrik urea.
b. Proses Montedison
Proses ini berlangsung pada suhu 370oC dan tekanan 7 Mpa. Panas reaksi disuplai dengan sistem pemanasan menggunakan lelehan garam. Hasil reaksi yang dihasilkan kemudian diquenching dengan amonia cair dan CO2 untuk mengendapkan melamin, sedangkan gas CO2 dan NH3 direcycle ke pabrik urea.
c. Proses Nissan
Proses ini berlangsung pada suhu 400oC dan tekanan 10 Mpa. Produk melamin yang dihasilkan didinginkan dan diturunkan tekanannya dengan larutan amonia, setelah melalui proses pemisahan produk melamin dikeringkan dengan prilling sehingga diperoleh melamin serbuk.
Kegunaan Produk
Kegunaan melamin diantaranya adalah digunakan sebagai bahan baku pembuatan melamin resin, bahan sintesa organik, leather tanning dan lain-lain.
Berikut beberapa sektor industri yang menggunakan bahan baku melamin.
11 1. Industri adhesive
Merupakan industri yang memproduksi adhesive untuk keperluan industri woodworking seperti industri plywood, industri blackboard, dan industri particleboard.
2. Industri moulding
Merupakan industri yang diantaranya menghasikan alat keperluan rumah tangga.
3. Industri surface coating
Adalah industri yang menghasilkan cat, thinner, dan dempul.
4. Industri laminasi
Industri yang menghasilkan furniture.
Sebagai gambaran, Tabel 1-4 dibawah ini adalah presentase penggunaan melamin dibeberapa negara maju di dunia.
Tabel 1-4 Prosentase Penggunaan Melamin di Beberapa Negara (eurotechnica.it)
Kegunaan Eropa (%) Amerika Serikat (%) Jepang (%)
Laminasi 49 35 6
Glue, adhesive 3 4 62
Industri moulding 6 9 16
Coating 3 39 12
Kertas dan tekstil 9 5 3
Lain-lain 30 8 1
Sifat fisis dan kimia bahan baku dan produk a. Sifat fisis dan kimia bahan baku.
Sifat fisis urea:
Rumus molekul : NH2CONH2
Bobot molekul : 60,06 g/mol
Titik leleh : 132,7oC
Titik didih : 150oC
Bentuk : Kristal tak berwarna
12
Bulk density : 0,74 g/cc
Specific gravity : 1,335 (solid) g/cc
Sifat kimia urea:
Pada tekanan rendah dan temperatur tinggi urea akan menjadi biuret
2CO(NH2)2 NH2CONHCONH2 (1.11)
Bereaksi dengan formaldehid membentuk monometilourea dan dimetilourea tergantung dari perbandingan urea dan formaldehid
Pada tekanan vakum dan suhu 180–190oC akan menyublim menjadi amonium cyanat (NH4OCN)
Pada tekanan tinggi dan adanya amonia akan merubah menjadi cyanic acid dan cynuric acid
3 (NH2)2CO 3 HOCN + 3 NH3 (1.12)
3 HOCN (NCOH)3 (1.13)
Dalam amonia cair akan membentuk urea-amonia CO(NH2)2, NH2, yang terdekomposisi pada suhu diatas 45oC
b. Sifat fisis dan kimia produk
Sifat fisis melamin (Ullmann’s, 2003):
Rumus molekul : C3N6H6
Bobot molekul : 126,13 g/mol
Titik leleh : 350oC
Panas pembentukan (25oC) : 71,72 kJ/mol
Panas pembakaran (25oC) : -1976 kJ/mol
Panas sublimasi (25oC) : -121 kJ/mol
Density : 1,573 g/cm3
Kapasitas panas (Cp)
- Pada 273–353 K : 1470 J kg-1 K-1 - Pada 300–450 K : 1630 J kg-1 K-1 - Pada 300–550 K : 1720 J kg-1 K-1
Kelarutan dalam suhu 300oC dalam gr/100 ml pada :
- Etanol : 0,06 g/100 cc
- Aseton : 0,03 g/100 cc
13
- Air : 0,5 g/100 cc
Entropi (25oC) : 149 J K-1 mol-1
Energi gibs (25oC) : 177 kJ/mol
Entropi pembentukan (25oC) : -835 J K-1mol-1
Temperatur kritis : 905,56oC
Tekanan kritis : 99,47 atm
Sifat kimia melamin:
Hidrolisa dengan basa, jika direaksikan dengan NaOH akan membentuk ammeline/ ammelide.
Pembentukan garam
Melamin adalah basa lemah yang akan membentuk garam jika bereaksi dengan asam organik maupun anorganik. Dimana kelarutan garam melamin tidak terlalu tinggi jika dibandingkan dengan melamin bebas.
Reaksi dengan aldehid, melamin bereaksi dengan aldehid membentuk bermacam-macam produk yang paling penting adalah reaksi dengan formaldehid membentuk resin.
Me(NH2)3 +6 CH2O Me(N(CH2OH)2)3 (1.14) Me adalah molekul melamin dimana semua atom hidrogen yang ada pada melamin diganti dengan gugus methylol dan menghasilkan produk dari Monomethylol sampai hexamethylol melamin. Methylolmelamin sedikit larut dalam sebagian besar solven dan sangat tidak stabil karena diikuti oleh reaksi resinifikasi/ kondensasi.
Reaksi :
MeNHCH2OH + H2N-Me MeNHCH2NHMe + H2O (1.15) 2 MeNHCH2OH MeNHNH2OCH2NHMe + H2O (1.16) Pada kondensasi melamin produk mempunyi sifat khusus yaitu tahan terhadap panas dan air yang baik.
Acylasi
Acylasi melamin dapat terjadi dengan sejumlah anhydrid melalui tahap triacyl
14
Reaksi dengan amine
Substitusi melamin dengan gugus alkil pada atom H yang menempel pada gugus N dapat terjadi seperti pada reaksi dibawah ini :
(C3H3)(NH2)3 + RNH2 NH3 + R(C3H3)(NH2)2 (1.17)
Klorinasi
Klorinasi melamin yang terjadi cenderung mengganti semua atom hidrogen. Air yang dihasilkan pada reaksi akan menghidrolisa menghasilkan nitrogen triklorida yang berbahaya pada proses klorinasi, melamin stabil ketika kondisinya kering.
(Ullmann’s Encyclopedia of Industry Chemistry, 2003)
Tinjauan Proses
Dalam prarancangan ini kami memilih proses pembuatan melamin dengan proses BASF karena pada proses ini menggunakan tekanan rendah.
Proses pembuatan melamin dari urea dengan proses BASF ini menggunakan rekator fluidized bed pada suhu 380°C dan tekanan 2 atm. Sebelum masuk ke unit reaksi, bahan baku berupa urea prill dilelehkan terlebih dahulu dan masuk ke dalam reaktor berwujud lelehan. Katalis yang digunakan adalah alumina, sedangkan untuk media fluidisasi digunakan recycle gas yang telah dipanaskan sampai pada suhu 400°C. Urea akan menguap secara spontan dan terjadi reaksi sebagai berikut:
6 (NH3)2CO (g) C3N3(NH2)3(g) + 6 NH3(g) + 3 CO2(g) (1.18) Urea Melamin Amoniak Karbondioksida
Konversi reaksi 95%. Gas melamin, urea yang tidak bereaksi, biuret, amonia dan karbondioksida yang terbentuk keluar reaktor secara bersama-sama. Biuret merupakan zat yang terkandung dalam urea dan bersifat inert dalam reaksi ini.
Selama reaksi berlangsung, tidak ada penambahan katalis, karena deaktivasi katalis terjadi selama 3 tahun.
Produk yang berbentuk gas didinginkan sampai suhu diatas dew point campuran gas produk. Campuran gas kemudian dilewatkan pada desublimer dan
15
didinginkan sampai suhu 200oC, dimana suhu dijaga konstan dengan menambahkan recycle off gas yang bersuhu 130°C sebagai pendingin. Urea yang tidak bereaksi dan biuret masih dalam bentuk gas. Kristal melamin dan gas-gas hasil reaksi dipisahkan dalam cyclone separator, dimana 99% melamin dapat terpisah sebagai produk. Gas recycle dari cyclone dialirkan ke scrubber pada suhu 140°C, digunakan sebagai media pendingin pada desublimer dan untuk media fluidisasi pada reaktor.
