NASKAH PUBLIKASI
Prarancangan Pabrik Mononitrotoluena
dari Toluena dan Asam Campuran dengan Proses Kontinyu
Kapasitas 40.000 Ton/Tahun
Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Kesarjanaan Strata 1 Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Oleh:
Kiswari Diah Puspita D500 090 033
Dosen Pembimbing: Emi Erawati, S.T., M.Eng. Ir. H. Haryanto A.R., M.S.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
INTISARI
Prarancangan pabrik mononitrotoluena (MNT) dengan bahan baku toluena dan asam campuran dengan menggunakan asam sulfat sebagai katalisnya ini direncanakan beroperasi selama 330 hari/tahun dengan jumlah karyawan 104
orang. Pabrik dengan luas area sebesar 40.000 m2 ini direncanakan dibangun pada
tahun 2020 di lokasi industri Cilacap, Provinsi Jawa Tengah yang berdekatan dengan Pertamina UP. IV dan PT Multi Nitrotama Kimia di Cikampek sebagai penyedia bahan baku. Pabrik ini beroperasi dengan kapasitas 40.000 ton/tahun, dengan pertimbangan dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri dan mengurangi ketergantungan impor. Proses pembuatan MNT berlangsung pada
fase cair dengan menggunakan reaktor CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor)
dengan kondisi tekanan pada 1 atm dan suhu 500C. Reaksi berlangsung secara
eksotermis, searah, dan non adiabatis.
Kebutuhan bahan baku pada pembuatan mononitrotoluena (MNT) ini komponennya yaitu toluena sebesar 3.482,31 kg/jam, asam nitrat sebesar 2.379,87 kg/jam, asam sulfat sebesar 4.365,22 kg/jam. Untuk menunjang proses produksi, maka didirikan unit pendukung yaitu unit penyediaan air sebesar 24.000
kg/jam,unit penyediaan steam dengan kebutuhan steam sebesar 5.380,44 kg/jam,
kebutuhan listrik sebesar 449,66 kW diperoleh dari PLN dan dua buah generator
set sebesar 1000 kW sebagai cadangan, kebutuhan bahan bakar sebanyak 110,27
m3/jam, penyedian udara tekan sebesar 50 m3/jam.
Dari analisa ekonomi yang dilakukan terhadap pabrik ini dengan modal
tetap Rp. 358.101.411.906,94dan modal kerja Rp. 96.004.651.301,96. Dari
analisis ekonomi terhadap pabrik ini menunjukkan keuntungan sebelum pajak Rp. 96.447.692.446,86 pertahun, setelah dipotong pajak 30%, keuntungan
mencapai Rp. 67.534.384.712,81 pertahun. Return On Investment (ROI) sebelum
pajak 26,94% dan setelah pajak 18,85%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak
adalah 2,70 tahun dan setelah pajak 3,36 tahun. Break Even Point (BEP)
sebesar 48,83% dan Shut Down Point (SDP) sebesar 24,28%. Dari data analisis
kelayakan diatas disimpulkan, Pabrik ini menguntungkan dan layak didirikan. Kata kunci : mononitrotoluena, toluena, asam nitrat, asam sulfat, CSTR
A. PENDAHULUAN
Salah satu bahan kimia yang masih mengimpor dari negara lain
adalah produk aromatic compound seperti mononitrotoluena (MNT). MNT
merupakan salah satu bahan yang sangat penting dalam industri saat ini dan dirasa mempunyai prospek cerah. Selama ini untuk memenuhi MNT di Indonesia dilakukan dengan mengimpor dari Amerika Serikat, Inggris, dan
Jerman. Hal tersebut tidak hanya menuntut pemerintah untuk
mengembangkan industri hanya pada migas tetapi juga sebagai pertimbangan untuk mengembangkan industri-industri tersebut.
Pendirian pabrik MNT di Indonesia dapat diwujudkan karena didukung oleh beberapa hal, yaitu:
Dapat memberikan lapangan pekerjaan karena banyak menyerap tenaga
kerja.
Memacu tumbuhnya industri baru terutama industri yang menggunakan
bahan baku MNT.
Pabrik-pabrik industri kimia seperti industri pembuatan zat warna
sintetik, dan busa polyurethane semakin berkembang memungkinkan kebutuhan akan mononitrotoluena semakin meningkat.
B. PERANCANGAN KAPASITAS
Penentuan kapasitas produksi MNT didasarkan pada beberapa pertimbangan antara lain:
Ketersediaan bahan baku
Bahan baku toluena, asam nitrat, dan asam sulfat telah banyak diproduksi di Indonesia, sehingga kelangsungan bahan baku dan tingkat permintaan MNT yang cukup besar, maka sangat prospektif bila didirikan pabrik MNT di Indonesia.
Kebutuhan MNT dalam negeri
Direncanakan pabrik MNT didirikan pada tahun 2020. Dalam pemilihan kapasitas pabrik MNT ada beberapa pertimbangan yaitu:
Kebutuhan MNT dalam negeri.
Kapasitas pabrik MNT yang sudah berdiri di seluruh dunia.
Prediksi kebutuhan dalam negeri
Tabel 1. Data Impor MNT
(BPS, 2009)
Dari data impor MNT di Indonesia pada setiap tahun di atas maka didapatkan kebutuhan impor rata-rata tiap tahunnya adalah 940.248 kg/tahun.
Kapasitas pabrik MNT di luar negeri
Dengan memperhatikan pertimbangan kapasitas perancangan minimum dan kebutuhan impor MNT di Indonesia maka dapat ditentukan kapasitas pabrik MNT yang akan berdiri tahun 2020 sebesar 40.000 ton/tahun. Kapasitas yang direncanakan ini diharapkan dapat
Tahun Kebutuhan Impor (kg)
2001 81.075 2002 95.761 2003 3.212.344 2004 207.208 2005 173.987 2006 892.322 2007 899.355 2008 986.643 2009 1.913.544
memenuhi kebutuhan dalam negeri serta meninjau kapasitas pabrik MNT diluar negeri yang cukup besar, maka selebihnya produk dapat diekspor ke luar negeri.
C. PROSES PEMBUATAN
Reaksi pembuatan MNT dari bahan toluena dan HNO3 termasuk
dalam reaksi nitrasi yaitu masuknya gugus (-NO2) ke dalam molekul
yang direaksikan menggantikan atom H. Reaksi yang terjadi (Kirk Othmer, 1996) :
H2SO4 C6H5CH3(l)+ HNO3(l) 50oC.1atm
C6H4CH3NO2(l)+ H2O(l)
D. TINJAUAN KINETIKA
Dari segi kinetika, kecepatan reaksi akan bertambah dengan adanya kenaikan temperatur. Hal ini ditunjukkan oleh hubungan persamaan Arhenius:
k= Ae E/RT ...(2) Dimana:
k : Konstanta kecepatan reaksi
A : Faktor tumbukan tingkat pencampuran zat-zat yang bereaksi E : Energi aktivasi
R : Tetapan gas umum T : Suhu mutlak
Harga k akan mempengaruhi kecepatan reaksi yang ditunjukkan dengan persamaan umum (toxnet) :
Reaksi :a A + b B c C + d D...(3)
Sehingga : r = k CACB...(4)
Dengan harga k yang besar akan diperoleh harga r yang besar pula, sehingga reaksi berjalan cepat, begitu pula sebaliknya.
Diperoleh harga konstanta kecepatan reaksi ke arah produk:
k = 2.231,33 3
E. DESKRIPSI PROSES
Secara keseluruhan proses pembuatan MNT dari toluena dan asam campuran dengan
proses kontinyu dapat dilaksanakan melalui tiga tahap:
1. Proses Penyiapan Bahan Baku
Bahan baku dipanaskan dengan tujuan menyesuaikan kondisi operasi dalam reaktor karena reaktor beroperasi secara isotermis. Mula-mula bahan baku toluena yang berasal dari
tangki penyimpan (T-03) pada suhu lingkungan sebesar 30 oC
dinaikkan suhunya dengan heat exchanger (E-02) menjadi suhu
50oC dipompakan menuju Reaktor (R-01). Di dalam mixer
(M-01), asam nitrat dari tangki penyimpan (T-01) dicampur dengan asam sulfat yang dipompa dari tangki penyimpan (T-02) dan hasil rekonsentrasi asam sulfat di mana bahan-bahan tersebut
bersuhu 30oC. Rekonsentrasi asam sulfat dilakukan dengan
menggunakan evaporator (V-01). Dimana Komposisi asam
campuran adalah 30% HNO3, 56% H2SO4, 12% H2O.
Perbandingan mol asam nitrat dan toluena di dalam reaktor
adalah 1 : 1 Dialirkan secara kontinyu dengan suhu 50oC.
2. Proses Reaksi Nitrasi
Bahan baku yang masuk ke reaktor melalui puncak reaktor
pada kondisi 30oC dan tekanan 1 atm. Reaksi nitrasi antara
toluena dan asam nitrat bersifat eksotermis dan berlangsung pada reaktor alir tangki berpengaduk (RATB). Untuk menjaga suhu
reaktor agar tidak lebih dari 50oC maka diperlukan pendingin.
Pendingin reaktor menggunakan air yang masuk pada suhu 30oC
dan keluar pada suhu 40oC. Produk yang diperoleh dari reaktor adalah MNT, produk samping berupa air dan sisa reaktan berupa toluena dan asam campuran. Produk reaktor selanjutnya diumpankan keunit pemurnian.
3. Proses Pemurnian Hasil
Pada proses pemurnian ada tiga tahapan yaitu:
a. Pemisahan fase organik dan anorganik
Produk reaktor dimasukkan di dalam dekanter (X-01) untuk memisahkan fase organik dan anorganik pada tahap pertama. Dekantasi dapat dilakukan karena kedua fase cair tidak saling melarutkan.
b. Netralisasi
Fase organik dari dekanter (X-01) dipompakan ke netralizer (A-01) untuk menetralkan asam nitrat dan asam sulfat yang terikut dalam fase organik. Natrium hidroksida yang digunakan sebagai penetral mempunyai kadar 40% dipompakan dari tangki penyimpan (T-04). Hasil netralisasi dimasukkan ke dalam Dekanter (X-02) untuk memisahkan
garam Na2SO4 dan NaNO3 yang terbentuk dengan produk.
c. Pemurnian dengan distilasi
Larutan dari Dekanter (X-02) dinaikkan suhunya dengan
HE-02 dari suhu 50oC menjadi 160,89oC dan diumpankan ke
menara distilasi (MD-01). Menara distilasi berfungsi untuk memisahkan produk MNT dari impuritasnya. Hasil bawah menara
distilasi dengan suhu 198,42oC dilewatkan pendingin untuk
diturunkan suhunya menjadi 40oC dan selanjutnya disimpan dalam
tangki penyimpan.
F. SPESIFIKASI ALAT UTAMA PROSES
Alat-alat yang digunakan dalam proses produksi mononitrotoluena harus disesuaikan dengan kapasitas perancangan internacional yang umumnya digunakan. Dari hasil perhitngan data spesifikasi alat proses pabrik mononitrotoluena dengan kapasitas 40.000 ton/tahun adalah sebagai berikut:
a. Dekanter-01
Kode : D-01
Fungsi : Memisahkan produk Reaktor-01 sebanyak
5.574,2006 kg/jam menjadi fase organik sebanyak 11.453,95 kg/jam dan fase anorganik sebanyak 5.879,7514 kg/jam
Jenis : Continuous Gravity Decanter Silinder Vertical
Spesifikasi : a. Tekanan : 1 atm b. Suhu : 50 oC (122 oF) c. Volume : 1,2003 m3 d. Tinggi : 2,6736 m e. Diameter : 0,7701 m f. Tebal shell : 3/16 in (0,003185 m) g. Tebal head : 3/16 in (0,00322834 m) h. Tinggi head : 0,12605766 m Jumlah : 1
Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167)
Harga : US $ 26.180,89
b. Dekanter -02
Kode : D-02
Fungsi : Memisahkan produk N-01 sebanyak 5.664,82465
kg/jam menjadi fase organik sebanyak 5.165,2236 kg/jam dan fase anorganik sebanyak 499,6010 kg/jam
Jenis : Continuous Gravity Decanter Silinder Vertical
Spesifikasi :
a. Tekanan : 1 atm
b. Suhu : 50 oC (122 oF)
d. Tinggi : 2,2486 m e. Diameter : 0,7495 m f. Tebal shell : 3/16 in (0,00318516 m) g. Tebal head : 3/16 in (0,00322326 m) h. Tinggi head : 0,11741658 m Jumlah : 1
Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167)
Harga : US $ 22.078,81
2. Evaporator
Kode : E-01
Fungsi : memekatkan asam sulfat dengan
menguapkan kandungan air hasil keluaran bawah D-01 sebanyak 4.409,7716 kg/jam.
Jenis : Single effect evaporator
Kondisi operasi Temperature : 110,670C (231,206 0F) Tekanan : 1 atm Spesifikasi : - Diameter : 2,1353 m - Tinggi : 6,425 m - Tebal shell : 3/16 in (0,00435102 m) - Tebal head : 1/4 in (0,0055372 m) Spesifikasi tube - OD : 1,5 in (0,038 m) - ID : 1,37 in (0,0348 m) - Passes : 4
- BWG : 16
- Panjang : 12 ft (3,658 m)
- Jumlah tube : 45 buah
Bahan : Stainless steel type 304 (SA 167)
Jumlah : 1 buah
Harga : US$ 45.726,07
3. Mixer -01
Kode : M-01
Fungsi : Mencampur larutan asam nitrat sebanyak
2.379,8767 kg/jam dengan asam sulfat sebanyak 4.365,2284 kg/jam
Jenis : Tangki silinder tegak berpengaduk
Bentuk head : Torisperical head
Spesifikasi : a.Tekanan : 1 atm b. Suhu : 30 oC (86 oF) c. Volume : 3,9609 m3 d. Tinggi : 2,2547 m e. Diameter : 1,5797 m f. Tebal shell : 3/16 in (0,00414202 m) g. Tebal head : 3/16 in (0,00362458 m) h. Tinggi head : 0,3375 m Pengaduk :
Jenis : Turbin dengan 6 blade disk standar
Diameter : 0,5266 m
Kecepatan : 157,4574 rpm
Daya : 10 Hp
Jumlah pengaduk : 1 buah
Jumlah : 1
Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167)
4. Menara Distilasi
Kode : MD-01
Fungsi : Memisahkan keluaran atas dari
Dekanter-02 sebanyak 165,1345 kg/jam agar sesuai dengan spesifikasi produk
Jenis : Menara bahan isian (Packed Tower)
Bentuk head : Plat Sieve Tray Column
Spesifikasi : Tekanan : 1 atm Suhu umpan : 160,89oC (321,02oF) Suhu distilat : 118,39oC (245,102oF) Suhu bottom : 198,42oC (389,156oF) Diameter Enriching : 1,305 m Stripping : 1,7153 m Tinggi : 13,029 m Tebal head : 3/16 in (0,0047625 m) Tebal shell : 3/16 in (0,00457708 m) Jumlah plate
Plate Ideal : 10 buah
Plate Aktual : 27 buah
Plate Seksi Enriching: 13 buah Plate Seksi Stripping: 14 buah
Jumlah : 1
Bahan : Carbon steel (SA-283 C)
5. Netralizer -01
Kode : N-01
Fungsi : Menetralkan HNO3 dan H2SO4 sebanyak
5.664,820 kg/kjam denga menggunakan NaOH 40% sebanyak 36,248 kg/jam
Jenis : Tangki silinder tegak berpengaduk
Bentuk head : Torisperical head
Spesifikasi : a. Tekanan : 1 atm b. Suhu : 50 oC (122 oF) c. Volume : 3,8876 m3 d. Tinggi : 2,1927 m e. Diameter : 1,5697 m f. Tebal shell : 3/16 in (0,00396748 m) g. Tebal head : 3/16 in (0,00329946 m) h. Tinggi head : 0,3115 m Pengaduk :
Jenis : Turbin dengan 6 blade disk standar
Diameter : 0,5232 m
Kecepatan : 134,1308 rpm
Daya : 5 Hp
Jumlah pengaduk : 1 buah
Jumlah : 1
Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167)
Harga : US $ 34.143,74
6. Reaktor
Fungsi : Sebagai tempat berlangsungnya reaksi toluena sebanyak 3,482,3196 kg/kjam dengan asam campuransebanyak 7.954,1334 kg/jam
Jenis : Reaktor Alir Tangki Berpengaduk
Spesifikasi : a. Tekanan : 1 atm b. Suhu : 50 oC (122oF) c. Volume : 4,101362201 m3 d. Tinggi : 2,6890 m e. Diameter : 2,0139 m f. Tebal shell : 3/16 in (0,00476 m) g. Tebal head : 3/16 in (0,00476 m) h. Tinggi head : 0,3375 m Pengaduk :
Jenis : Turbin dengan 6 blade disk standar
Diameter : 0,671304279 m
Kecepatan : 284 rpm
Daya : 157 Hp
Jumlah pengaduk : 1 buah
Pendingin :
Jenis : koil pendingin
Jumlah koil : 1
Jumlah lilitan : 46
Tinggi koil total : 1,7368 m
Jarak dari dasar : 0,20139 m
Jumlah reaktor : 2
Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA-167)
G. ANALISIS EKONOMI
Analisa ekonomi dimaksudkan untuk mengetahui apakah pabrik yang akan didirikan dapat menguntungkan atau tidak dan layak atau tidak jika didirikan. Berdasarkan evaluasi ekonomi yang telah dilakukan pabrik direncanakan beroprasi selama 330 hari pertahun dengan jumlah karyawan 104 orang, moal tetap sebesar Rp. 358.101.411.906,94 pertahun. Modal kerja sebesar Rp. 96.004.651.301,96 pertahun. Setelah dipotong pajak keuntungan mencapai Rp 67.534.384.712,81 pertahun. Percent return on investment (ROI) sebelum pajak sebesar 26,94 % dan sesudah pajak sebesar 18,85 %. Pay out tome (POT) sebelum pajak sebesar 2,707 tahun dan setelah pajak 3,365 tahun. Break event point (BEP) sebesar 48,83 %, shut down point (SDP) sebesar 24,28%, Discounted cash flow (DCF) sebesar 25,30%.
H. KESIMPULAN
Pabrik Mononitrotoluena digolongkan sebagai pabrik beresiko rendah.
Karena kondisi operasi pada tekanan 1 atm dan temperatur 50oC, serta bahan
bakunya didatangkan dari dalam negeri.
Dari data hasil perhitungan analisa ekonomi di atas dapat disimpulkan bahwa pabrik mononitrotoluena layak untuk dikaji lebih lanjut.
I.
DAFTAR PUSTAKA
Aries, R.S., and Newton, R.D., 1955, Chemical Engineering Cost Estimation, Mc. Graw Hill Book Company, New York.
Badan Pusat statistik, 2003, Statistik Perdagangan Luar Negeri.
Brown, G.G., 1950, “Unit Operations”, John Wiley and Sons, Inc., New York.
Brownell, L.E. and Young, E.H., 1979, “Process Equipment Design”, John
Wiley and Sons, Inc., New York.
Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1983, “Chemical Engineering”, Vol. 6,
Faith, W.L., Keyes, D.B., and Clark, R.L., 1957, “Industrial Chemistry”, John
Wiley and Sons, London
Fessenden, R. and J.S. Fessenden, 1986, “Organic Chemistry”, 3rd.ed.,
Wadsworth Inc., Belmont, California
Geankoplis, C.J. and J.F. Richardson, “Design Transport Process and Unit
Operation”, 1989, Pegamon Press, Singapore
Holman, J. P., 1988, ”Perpindahan Kalor”, alih bahasa Jasifi E., edisi ke-6, Erlangga, Jakarta
Kern, D.Q., 1950, “Process Heat Transfer”, McGraw-Hill International Book
Company Inc., New York
Kirk R.E., and Othmer, D.F., 1996, “ Encyclopedia of Chemical Technology ”, vol.17, 4nd edition, John Wiley & Sons Inc.,New York
Kirk R.E., and Othmer, D.F., 1997, “ Encyclopedia of Chemical Technology ”, vol.23, 4nd edition, John Wiley & Sons Inc.,New York
Levenspiel, O., 1972, “Chemical Reaction Engineering”, 2nd ed., John Wiley and Sons, inc., Toronto
Perry, R.H. and Green, D.W., 1997, “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”,
7th ed., McGraw-Hill Book Company, New York
Peters, M.S. and Timmerhaus, K.D., 2003, Plant Design and Economic for Chemical Engineering, 5thed., McGraw-Hill International Book CompanyInc., New York
Rase, H.F., and Holmes, J. R., 1977, “Chemical Reactor Design for Process
Plant, Volume One : Principles and Techniques”, John Wiley and Sons, Inc., New York
Smith, J.M., 1985, “Chemical Engineering Kinetics”, 5th ed., McGraw-Hill
Book Company,singapore
Smith, J.M. and Van Ness, H.C., 1987, “Introduction to Chemical Engineering
Thermodynamics”, 4th ed., McGraw-Hill Book Co., New York
Treybal, R.E., 1981, “Mass Transfer Operation”, 3rd ed., McGraw-Hill Book
Ulrich, G.D., 1984, “A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics”, John Wiley and Sons, Inc., New York
Wallas, Stanley M., 1988, “Chemical Process Equipment”, Butterworths, Boston.
Yaws, 1979, “Thermodynamic and Physical Properties Data”, Mc Graw Hill Book Co., Singapore.
http://www.chemicalland21.com/industrialchem/organic/nitrotoluen.htm http://www.petrokimia-gresik.com/chemical_product.asp http://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/search/a?dbs+hsdb:@term+@DOCNO+6301 http://www.chemsystems.com/reports/search/docs/abstracts/0708S9_a bs.pdf http://ecb.jrc.ec.europa.eu/DOCUMENTS/Existing-Chemicals/RISK_ASSESSMENT/REPORT/2nitrotoluenereport403.p df http://209.85.175.104/search?q=cache:yRPhIbEMlyoJ:www.infid.be/ bombterror.doc+PT.+Multi+Nitro+Kimia&hl=id&ct=clnk&cd=14&g l=id http://lumada-group.blogspot.com/2010/09/material-safety-data-sheet-msds-caustic.html
