commit to user
20
BAB II Deskripsi Proses BAB II
DESKRIPSI PROSES
2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk 2.1.1 Spesifikasi Bahan Baku
1. Metanol
Rumus molekul : CH3OH
Berat molekul : 32,04 g/gmol
Fase : cair
Tampak : bening, tidak berwarna
Densitas uap : 0,787 g/cm3
Titik didih (1 atm) : 64,7oC
Titik lebur (1 atm) : -97 oC
Solubility ( in 100 parts)
- Cold water : tak terhingga - Hot water : tak terhingga - Ethanol dan etyl ether : tak terhingga
Kemurnian : 99,85% berat
Air : 500 ppm berat
Ethanol : 5 ppm berat
(PT. Kaltim Methanol Industri)
commit to user
21
BAB II Deskripsi Proses
2. Udara
Wujud : gas
Warna : tidak berwarna
Aroma : tidak berbau
Komposisi : oksigen 21% (v/v), nitrogen 79% (v/v)
(Othmer, 1999) 2.1.2 Spesifikasi Produk
Formalin
Rumus molekul : HCHO
Wujud : gas, tidak berwarna, berbau menyengat
Larut dalam air, alkohol, dan pelarut polar lain
Temperatur kritis (1 atm) : -146,8 oC
Tekanan kritis : 33,55 atm
(www.alibaba.com) 2.1.3 Spesifikasi Bahan Pembantu (Katalis)
Iron Molybdenum
Wujud : padat
Bentuk : pressed ring
Densitas : 1,8918 g/cm3
Tidak larut dalam air
Komposisi
- MoO3 80-81% berat - Fe2O3 14-15% berat
commit to user
22
BAB II Deskripsi Proses
- Cr2O3 4-5% berat
Porositas bed : 0,4
Densitas bulk : 0,8497 g/cm3
(Haldor Topsoe) 2.2 Konsep Proses
2.2.1 Dasar Reaksi
Proses pembuatan formalin dari metanol dengan katalis iron molybdenum berdasarkan reaksi oksidasi. Reaksi yang terjadi sebagai berikut:
Reaksi I (oksidasi metanol)
CH3OH(g) + ½ O2(g) HCHO(g) + H2O(g)
Reaksi II (oksidasi formalin)
HCHO(g) + ½ O2(g) CO(g) + H2O(g)
Reaksi berlangsung dalam fase gas dengan katalis padat dan bersifat eksotermis.
Oleh karena itu reaktor yang dipilih adalah reaktor fixed bed multi tube.
Reaksi dilakukan pada suhu 200-400 oC dan tekanan atmosferis dengan perbandingan mol antara metanol dengan oksigen = 1 : 1,1028 (Subekti, A., 1995).
Suhu reaktor tersebut dipilih berdasarkan pertimbangan bahwa pada suhu tersebut dihasilkan konversi tinggi. Reaksi bersifat eksotermis sehingga untuk mempertahankan suhu reaktor digunakan pendingin.
Pendingin yang digunakan adalah dowtherm A yang mengalir melalui shell, sedangkan reaktan mengalir melalui tube berisi katalis. Proses ini menggunakan katalis iron molybdenum.
commit to user
23
BAB II Deskripsi Proses
2.2.2 Tinjauan Kinetika
Reaksi oksidasi metanol menjadi formalin merupakan reaksi eksotermis sehingga selama reaksi berlangsung akan terjadi pelepasan panas dan ini akan mempengaruhi kecepatan reaksi. Adapun persamaan reaksi pada reaksi pembentukan formalin dari metanol dan udara adalah sebagai berikut:
- Reaksi utama:
Reaksi oksidasi parsial metanol oleh oksigen menghasilkan formaldehid.
CH OH 1 2 O → CH O H O
,
1 , , 1
- Reaksi samping:
Reaksi oksidasi formaldehid oleh oksigen menghasilkan karbon monoksida dan air.
CH O 1 2 O → CO H O
!,"# $
%&"# $# !,"# $#%&# $ !,# $
&$ $
%&$ $
dimana:
2,6 ( 10*4exp/6829,06475T 5,atm*1 1,423 ( 10*5exp/7254,8289T 5,atm*0,5
5,5 ( 10*7exp/10397,5457T 5,atm*1 1,5 ( 107exp/*10343,4232
T 5,mol. kg*1. atm*1.s*1 3,5 ( 102exp/*5532,5287T 5,mol.kg*1. atm*1. s*1
(Subekti, A., 1995)
commit to user
24
BAB II Deskripsi Proses
2.2.3 Tinjauan Termodinamika
Reaksi pembuatan formalin berlangsung secara eksotermis, hal ini dapat ditinjau dari ΔH reaksi (298 K). Data-data harga ΔH°f untuk masing-masing komponen pada 298 K adalah:
ΔH°f CH3OH = -201,17 kJ/mol ΔH°f O2 = 0 kJ/mol ΔH°f HCHO = -115,9 kJ/mol ΔH°f H2O = -241,8 kJ/mol ΔH°f CO = 138,41 kJ/mol
(Yaws, 2003) Data-data harga ∆Go untuk masing-masing komponen pada 298 K adalah:
∆Go CH3OH = -162,51 kJ/mol
∆Go O2 = 0 kJ/mol
∆Go HCHO = -109,91 kJ/mol
∆Go H2O = -228,6 kJ/mol
∆Go CO = 137,28 kJ/mol
(Yaws, 2003) Reaksi I
CH3OH(g) + ½ O2(g) HCHO(g) + H2O(g)
∆H298 = ∆H produk - ∆H reaktan
∆H298 = (-115,9 + (-241,8)) kJ/mol – (-201,17 + 0) kJ/mol
= -156,53 kJ/mol
Karena harga ∆H298 negatif, maka reaksi bersifat eksotermis.
commit to user
25
BAB II Deskripsi Proses
∆Gtotal = ∆G produk - ∆G reaktan
= (-109,9 + (-228,6)) kJ/mol – (-162,51 + 0) kJ/mol
= -175,99 kJ/mol ln A *∆D
EF
* G HIJJKL/NOP Q, RS
TUV .W. JX W
A 7,06887 Y 10 K
Karena harga Kp besar, maka dapat dianggap reaksi berjalan searah (irreversible).
Reaksi II
HCHO(g) + ½ O2(g) CO(g) + H2O(g)
∆H298 = ∆H produk - ∆H reaktan
= (-138,41 + (-241,8) kJ/mol – (-115,9 + 0) kJ/mol
= -264,31 kJ/mol
Karena harga ∆H298 negatif, maka reaksi bersifat eksotermis.
∆Gtotal = ∆G produk - ∆G reaktan
= (-137,28 + (-228,6)) kJ/mol – (-109,91 + 0) kJ/mol
= -255,97 kJ/mol ln A *∆D
EF
* *255970 8,314 Y 298 A 7,397 Y 10ZZ
Karena harga Kp besar, maka dapat dianggap reaksi berjalan searah (irreversible).
commit to user
26
BAB II Deskripsi Proses
2.2.4 Kondisi Proses
Kondisi operasi sangat menentukan proses dan produk reaksi. Operasi komersial pada pembentukan formalin berlangsung pada suhu 200-400 oC dan tekanan 1-2 atm (Mc. Ketta, 1983).
Pada prarancangan ini dipilih kondisi operasi pada suhu 230 oC dan tekanan 1,3 atm. Hal yang menjadi pertimbangan bahwa pada persamaan kecepatan reaksi pembentukan formaldehid, jika suhu reaksi tinggi maka kecepatan reaksi akan semakin besar sehingga konversi reaksi akan semakin besar pula, namun reaksi oksidasi metanol menjadi formalin merupakan reaksi katalitik sehingga kondisi operasi harus pada rentang suhu dimana katalis dalam keadaan aktif. Oleh karena itu dipilih suhu pada saat kecepatan reaksi tinggi dan katalis masih dalam keadaan aktif.
2.2.5 Katalis
Dalam reaksi heterogen katalitik, meskipun katalis tidak berubah pada akhir reaksi, tetapi katalis tetap ikut aktif dalam reaksi. Kecepatan reaksi dapat dipercepat karena energi aktivasi tiap langkah reaksi dengan menggunakan katalis akan lebih rendah jika dibandingkan dengan tidak menggunakan katalis. Konversi kesetimbangan tidak dipengaruhi katalis, tetapi selektivitas dapat ditingkatkan dengan adanya katalis.
Umumnya penurunan tekanan akan semakin besar bila diameter katalis semakin kecil, tetapi permukaan yang luas lebih baik karena laju reaksi setara dengan luas permukaan yang ditempati.
Katalis yang biasa digunakan dalam proses pembentukan formaldehid adalah kristal perak dan modifikasi oksida besi molibdenum. Pada proses ini digunakan katalis
commit to user
27
BAB II Deskripsi Proses
oksida besi molibdenum, karena tidak mudah beracun, dan umur katalis lama (18 bulan).
(Subekti, A., 1995)
2.3 Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses 2.3.1 Diagram Alir Proses
Diagram alir proses meliputi:
a. Diagram alir kualitatif (Gambar II-1) b. Diagram alir kuantitatif (Gambar II-2) c. Diagram alir proses (Gambar II-3)
commit to user
28
BAB II Deskripsi Proses
commit to user
29
BAB II Deskripsi Proses
commit to user
30
BAB II Deskripsi Proses
commit to user
31
BAB II Deskripsi Proses
2.3.2 Langkah Proses
Proses pembentukan formalin dari metanol dan udara dibagi menjadi tiga tahap, yaitu:
2.3.2.1 Tahap Penyiapan Bahan Baku
Langkah penyiapan bahan baku dimaksudkan untuk:
a. Mengkondisikan tekanan umpan sehingga sesuai kondisi reaktor b. Mengubah fase metanol menjadi gas di dalam alat vaporizer
c. Mengkondisikan suhu umpan metanol dan oksigen sehingga sesuai dengan kondisi reaktor
d. Melarutkan gas formalin menggunakan air pada alat absorber
Bahan baku metanol diambil dari tangki penyimpanan pada kondisi cair suhu 35 °C dan tekanan 1 atm. Pada alat vaporizer, metanol diubah fase dari bentuk cair ke gas pada suhu didih 71,4 °C. Jenis vaporizer yang digunakan adalah ketel (80 % teruapkan). Panas yang dipakai vaporizer berasal dari pendingin reaktor untuk menghemat biaya operasi. Bahan baku kedua yaitu oksigen didapat dari udara lingkungan sekitar. Selanjutnya umpan uap metanol dan udara dicampur.
Untuk memenuhi kondisi operasi reaktor, maka gas umpan dilewatkan ke dalam HE-01 untuk menaikkan suhunya hingga mencapai 230 °C.
Bahan baku air diambil dari tangki penyimpanan air pada kondisi cair suhu 30 °C dan tekanan 1 atm. Air tersebut akan digunakan sebagai larutan penyerap gas formalin pada absorber.
commit to user
32
BAB II Deskripsi Proses
2.3.2.2 Tahap Pembentukan Formalin
Pada tahap ini umpan metanol dan oksigen yang telah dikondisikan akan bereaksi di dalam reaktor. Reaksi oksidasi metanol menghasilkan formalin pada reaktor berlangsung dalam fase gas pada suhu 200 – 290 °C dan tekanan 1,3 atm.
Katalis yang digunakan adalah besi-molibdenum yang memliki masa aktif sampai dengan 18 bulan.
Reaksi oksidasi metanol berlangsung secara nonisotermal dan nonadiabatis. Reaksi oksidasi metanol merupakan reaksi eksotermis, sehingga selama reaksi berlangsung akan dilepas sejumlah panas. Kenaikkan suhu tidak diinginkan dan dibutuhkan medium pendingin untuk menyerap panas selama reaksi berlangsung. Medium pendingin adalah Dowtherm A yang dialirkan melalui cangkang (shell). Pendingin akan memertahankan kondisi operasi reaktor pada suhu 200-290 °C dengan tekanan 1,3 atm.
Berikut reaksi utama pada reaktor : CH OH 1 2 O [\]\^_`a⎯⎯⎯c HCHO H O
Selain reaksi tersebut juga akan terjadi reaksi samping pembentukan CO.
Pada kondisi operasi, konversi metanol pada reaktor 99,53% dapat terpenuhi dengan baik. Suhu sangat memengaruhi konversi yang terbentuk. Oleh karena itu medium pendingin sangat berperan penting untuk mencapai konversi yang diinginkan.
2.3.2.3 Tahap Pemurnian Produk
Tahap pemurnian produk adalah memisahkan formalin dari gas O2, N2
dan CO. Produk reaktor dialirkan menuju absorber pada suhu 70 °C dan tekanan
commit to user
33
BAB II Deskripsi Proses
1,29 atm. Formalin dipisahkan dari gas produk reaktor pada alat pemisah absorber dengan pelarut air pada suhu masuk 30 °C. Air masuk dari atas pada top bed untuk menyerap uap formalin yang tidak terserap pada bed utama (bottom bed).
Gas yang tidak terserap oleh absorber akan keluar menjadi off gas.
commit to user
34
BAB II Deskripsi Proses
2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas
Produk : Formalin
Kapasitas : 30.000 ton/tahun Satu tahun produksi : 330 hari
Waktu satu hari operasi : 24 jam 2.4.1. Neraca Massa
Basis perhitungan : 1000 kmol/jam Satuan arus : kg/jam
Neraca massa di blower
Tabel II-1 Neraca massa di blower
Komponen Masuk Keluar Arus 1 Arus 1b N2 5555,19 5555,19
O2 1687,65 923,17
CO - -
CHOH - -
CH3OH - -
H2O - -
TOTAL 7242,84 7242,84
commit to user
35
BAB II Deskripsi Proses
Neraca massa di vaporizer
Tabel II-2 Neraca massa di vaporizer
Komponen Masuk Keluar
Arus 2a Arus 2b Arus 2c
N2 - - 5555,19
O2 - - 1687,65
CO - - -
CHOH - - -
CH3OH 1911,01 328,20 1528,80
H2O 1,08 0,21 0,86
TOTAL 1912,08 328,41 1529,67 1912,08 1912,08
Neraca massa di tee
Tabel II-3 Neraca massa di tee
Komponen Masuk Keluar
Arus 1b Arus 2c Arus 3
N2 5555,19 - 5555,19
O2 1687,65 - 1687,65
CO - - -
CHOH - - -
CH3OH - 1528,80 1528,80
H2O - 0,86 0,86
TOTAL 7242,84 1529,66 8772,50 8772,50 8772,50
commit to user
36
BAB II Deskripsi Proses
Neraca massa di reaktor
Tabel II-4 Neraca massa di reaktor
Komponen Masuk Keluar Arus 3 Arus 4 N2 5555,19 5555,19
O2 1687,65 923,17
CO - 6,16
CHOH - 1420,20
CH3OH 1528,80 6,88
H2O 0,86 860,91
TOTAL 8772,50 8772,50
Neraca massa di absorber
Tabel II-5 Neraca massa di absorber
Komponen Masuk Keluar
Arus 4 Arus 5 Arus 6 Arus 7
N2 5555,19 - - 5555,19
O2 923,17 - - 923,17
CO 6,16 - - 6,16
CHOH 1420,20 - 1405,99 14,20
CH3OH 6,88 - 6,88 -
H2O 860,91 1514,09 2374,99 -
TOTAL 8772,50 1514,09 3787,87 6498,72
10286,60 10286,60
commit to user
37
BAB II Deskripsi Proses
Neraca massa keseluruhan
Tabel II-6 Neraca massa keseluruhan
Komponen Masuk Keluar
Arus 1 Arus 2 Arus 5 Arus 6 Arus 7
N2 5555,19 - - - 5555,19
O2 1687,65 - - - 923,17
CO - - - - 6,16
CHOH - - - 1405,99 14,20
CH3OH - 1528,80 - 6,87 -
H2O - 0,86 1514,09 2374,99 -
TOTAL 7242,84 1529,66 1514,09 3787,88 6498,72
10286,60 10286,60
2.4.2. Neraca Panas
Basis perhitungan : 1000 kmol/jam Satuan arus : kJ/jam
Neraca panas di vaporizer
Tabel II-7 Neraca panas pada vaporizer
Komponen Input Output
Q2a 81.864,28 -
Q2 - 1.758.600,51
Qpemanas 1.722.254,97 -
Q2b - 45.518,75
TOTAL 1.804.119,26 1.804.119,26
commit to user
38
BAB II Deskripsi Proses
Neraca panas di tee
Tabel II-8 Neraca panas pada tee
Komponen Input Output
Q1 200.234,07 -
Q2 181.977,17 -
Q3 - 382.211,24
TOTAL 382.211,24 382.211,24
Neraca panas di reaktor
Tabel II-9 Neraca panas pada reaktor
Komponen Input Output
Q3 1.920.641,5 -
Q4 - 2.055.753,79
Qpendingin - 7.597.289,67
Qreaksi 7.462.176,96 -
TOTAL 5.541.535,46 5.541.535,46
Neraca panas pada absorber
Tabel II-10 Neraca panas pada absorber
Komponen Input Output
Q4 375.352,68 -
Q7 41.857,87 -
Q8 - 330.779,98
Q9 - 96.214,01
Qpelarutan 4.561.013,65 4.551.230,21
TOTAL 4.978.224,19 4.978.224,19
commit to user
39
BAB II Deskripsi Proses
Neraca panas keseluruhan
Tabel II-13 Neraca panas keseluruhan
Komponen Input Output
Qudara 302.031,75 -
Qmetanol 386.275,94 -
Qair 15.246,27 -
Qreaksi 7.462.176,96 -
Qpendingin - 7.597.289,67
Qvaporizer 1.804.119,26 -
Qpelarutan - 4.551.230,21
Qpurging - 96.214,01
Qproduk - 330.779,98
QHE-01 6.697.241,66 -
QHE-02 2.051.083,37 -
Qpenyerapan 4.561.013,65
TOTAL 12.575.513,87 12.575.513,87
2.5. Lay Out Pabrik dan Peralatan Proses 2.5.1. Lay Out Pabrik
Tata letak pabrik merupakan suatu pengaturan yang optimal dari seperangkat fasilitas-fasilitas dalam pabrik. Tata letak yang tepat sangat penting untuk mendapatkan efisiensi, keselamatan, dan kelancaran kerja para pekerja serta keselamatan proses. Tata letak pabrik dapat dilihat pada gambar II-4.
Supaya mencapai kondisi yang optimal, maka hal-hal yang harus diperhatikan dalam menentukan tata letak pabrik adalah (Vilbrandt & Dryden, 1959) :
commit to user
40
BAB II Deskripsi Proses
1. Pabrik formalin ini merupakan pabrik baru (bukan pengembangan), sehingga penentuan lay out tidak dibatasi oleh bangunan yang ada.
2. Kemungkinan perluasan pabrik sebagai pengembangan pabrik di masa depan.
3. Faktor keamanan sangat diperlukan untuk bahaya kebakaran dan ledakan, maka perencanaan lay out selalu diusahakan jauh dari sumber api, bahan panas, dan dari bahan yang mudah meledak, juga jauh dari asap atau gas beracun.
4. Sistem konstruksi yang direncanakan adalah out door untuk menekan biaya bangunan dan gedung, dan juga karena iklim Indonesia memungkinkan konstruksi secara out door.
5. Harga tanah amat tinggi sehingga diperlukan efisiensi dalam pemakaian dan pengaturan ruangan / lahan.
Secara garis besar lay out dibagi menjadi beberap bagian utama, yaitu : 1. Daerah administrasi / perkantoran, laboratorium dan ruang kontrol sebagai
pusat kegiatan administrasi pabrik yang mengatur kelancaran operasi.
Laboratorium dan ruang kontrol sebagai pusat pengendalian proses, kualitas dan kuantitas bahan yang akan diproses serta produk yang dijual.
2. Daerah proses sebagai tempat dimana alat proses diletakkan dan proses berlangsung.
3. Daerah penyimpanan bahan baku dan produk sebagai daerah untuk tangki bahan baku dan produk.
4. Daerah gudang, bengkel dan garasi.
commit to user
41
BAB II Deskripsi Proses
Daerah ini merupakan daerah untuk menampung bahan-bahan yang diperlukan oleh pabrik dan untuk keperluan perawatan peralatan proses.
5. Daerah utilitas sebagai daerah dimana kegiatan penyediaan bahan pendukung proses berlangsung dipusatkan.
Skala 1:1000
1
5 14
6 13
7 8
11
2 15
9 10
16
3 12
4
Keterangan gambar :
1. Pos keamanan 9. Mushola
2. Parkir Kendaraan 10. Klinik
3. Laboratorium 11. Utilitas
4. Ruang Kontrol 12. Bengkel & Peralatan
5. Safety 13. Gudang
6. Taman 14. Area Produksi
commit to user
42
BAB II Deskripsi Proses
7. Kantor 15. Area Bongkar Muat
8. Kantin 16. Area perluasan
Gambar II-4 Tata Letak Pabrik 2.5.2 Lay Out Peralatan
Tata letak peralatan dapat dilihat pada gambar II-5. Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menentukan lay out peralatan proses pada pabrik formaldehid, antara lain (Vilbrandt & Dryden, 1959) :
1. Aliran bahan baku dan produk
Pengaliran bahan baku dan produk yang tepat akan memberikan keuntungan ekonomi yang besar serta menunjang kelancaran dan keamanan produksi.
2. Aliran udara
Aliran udara di dalam dan di sekitar area proses perlu diperhatikan kelancarannya. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya stagnasi udara pada suatu tempat sehingga mengakibatkan akumulasi bahan kimia yang dapat mengancam keselamatan pekerja.
3. Cahaya
Penerangan seluruh pabrik harus memadai dan pada tempat-tempat proses yang berbahaya atau beresiko tinggi perlu adanya penerangan tambahan.
4. Lalu lintas manusia
Dalam perancangan lay out pabrik perlu diperhatikan agar pekerja dapat mencapai seluruh alat proses dangan cepat dan mudah. Hal ini bertujuan apabila terjadi gangguan pada alat proses dapat segera diperbaiki.
Keamanan pekerja selama menjalani tugasnya juga diprioritaskan.
commit to user
43
BAB II Deskripsi Proses
5. Pertimbangan ekonomi
Dalam menempatkan alat-alat proses diusahakan dapat menekan biaya operasi dan menjamin kelancaran dan keamanan produksi pabrik.
6. Jarak antar alat proses
Untuk alat proses yang mempunyai suhu dan tekanan operasi tinggi sebaiknya dipisahkan dengan alat proses lainnya, sehingga apabila terjadi ledakan atau kebakaran pada alat tersebut maka kerusakan dapat dieliminasi.
Tata letak alat-alat proses harus dirancang sedemikian rupa sehingga : 1. Kelancaran proses produksi dapat terjamin
2. Dapat mengefektifkan luas lahan yang tersedia
3. Biaya kapital handling menjadi rendah dan dapat menghemat pengeluaran untuk kapital yang kurang penting
4. Karyawan mendapat kepuasan kerja agar dapat meningkatkan produktifitas kerja disamping keamanan yang terjadi.
commit to user
44
BAB II Deskripsi Proses
T-02
T-01
LAYOUT ALAT
AB
V
HE- 01 HE-
02
Skala 1:250
Keterangan Gambar:
T : Tangki AB : Absorber R : Reaktor M : Mixer V : Vaporizer HE : Heat Exchanger
Gambar II-5 Tata Letak Peralatan Proses
