PERKENALKAN BASIS PERANCANGAN

BASIS PERANCANGAN

(Nisaul Fadilah Dalimunthe, S.T., M.Eng

INPUT INFORMASI

 Teknologi  berkaitan dengan alat utama, mis reaktor

….akan dibahas dalam sub Reaktor

 Market demand  jumlah produksi  laju produksi

 R&D  pemilihan bahan baku

 Baseline data  data fisik dan termodinamika

LAJU PRODUKSI

 Laju produksi : Massa atau molar per waktu

 Kapasitas produksi : Massa (kg atau ton) per waktu (jam atau tahun)

 Berkaitan dengan sistem produksi : batch atau continuous batch : partaian  max 10.000 ton/tahun

continuous : sinambung (terus menerus)  komoditas banyak

REAKSI DAN KONDISI REAKSI

1. Stoikiometri semua reaksi yang terjadi

 Menunjukkan persamaan stoikiometri untuk komponen utama yang dapat dihubungkan dengan tahap reaksi dalam pembuatan produk- produk yang diinginkan. Termasuk produk antara (intermediates) yang dapat dipisahkan dan didaur ulang (recycle). Pada setiap tahap mengindikasikan fasa reaksi, dan kisaran suhu serta tekanan yang memungkinkan.

 Daftar efek suhu untuk setiap reaksi. Identifikasi reaksi yg sangat eksotermis, seperti reaksi yang sensitive terhadap suhu dengan energi aktivasi yang tinggi.

 Daftar batasan (constraints) teknologi, seperti rasio reaktan pada masukan reaktor, konsentrasi maksimum yang diperbolehkan, batasan sifat mudah terbakar dan eksplosif.

 Faktor Stochiometri = mole reaktan yang secara teoritis per mole produk

 Persamaan stoikiometri (semua reaksi)  reaksi utama dan reaksi samping

 Tahapan reaksi untuk menghasilkan reaksi utama  dihasilkan produk antara (intermediate)  dipisah atau didaur ulang

Contoh: Produksi vinil klorida

1. C₂ H₂ + H Cl  C₂ H₃ Cl (Vinil Chlorid) 2. C₂ H₄ + Cl_{2 } C₂ H₄ Cl₂

C₂ H₄ Cl2  C₂ H₃ Cl + H Cl

3. C₂ H₄ + ½ O₂ + 2 H Cl  C₂ H₄ Cl₂ + H₂ O

C₂ H₄ Cl2  C₂ H₃ Cl + H Cl

Reaksi (1) & (2) : Tidak Feasible

Reaksi (2) : Produk samping H Cl di jual.

 dibutuhkan

Stoikiometri semua reaksi yang terjadi (Lanj…)

 Kisaran temperatur dan tekanan reaksi

 Fasa sistem reaksi

 Beberapa informasi tentang distribusi produk terhadap konversi (dan kemungkinan suhu reaktor, rasio molar reaktan, dan/atau tekanan)

 Beberapa informasi konversi terhadap space velocity/waktu tinggal

 Jika katalis digunakan, tentang keadaan katalis (homogen, slury, packed bed, serbuk, dll), beberapa ttg laju deaktivasi dan regenerasi katalis dan metode regenerasi (pencucian solven, dll).

REAKSI DAN KONDISI REAKSI

2. Selektifitas

 Daftar reaksi sekunder yang mengarah kepada pembentkan produk samping, dalam kisaran suhu dan tekanan yang disebutkan di atas.

 Temukan data tentang selektifitas dan variasinya dengan konversi.

Informasi ini penting dalam perancangan koseptual. Data tentang distribusi produk pada kondisi yang berbeda juga perlu diperoleh.

 Berikan perhatian khusus terhadap informasi pengotor dalam reaktor kimia. Termasuk reaksi yang melibatkan pengotor yang masuk dengan bahan baku.

REAKSI DAN KONDISI REAKSI

Kesetimbangan Kimia

 Analisis kesetimbangan kimia memungkinkan menemukan konversi per- pass maksimum dicapai dan komposisi campuran reaksi pada kesetimbangan. Dengan demikian, ini dapat menyarankan satu ukuran untuk meningkatkan konversi dan selektivitas.

Katalis

 Daftar katalis yang potensial. Perkirakan harganya.

 Uji pengaruh suhu dan pengotor terhadap aktivitas katalis.

 Uji masalah lingkungan yang muncul dengan regenerasi seperti kebutuhan pelarut dan zat kimia khusus.

 Perkirakan harga regenerasi dan pembuangan

REAKTOR

 Uraikan tipe reaktor alternative. Kumpulkan informasi tentang perancangan reaktor. Minimal data waktu tunggal, suhu dan tekanan operasi

 Daftar batasan reaksi : Suhu umpan minimum, suhu maksimum dan tekanan seperti aspek keselamatan.

 Cari informasi tentang kinetika reaksi utama, sebagaimana tentang selektifitas. Terakhir ini adalah paling krusial untuk perancangan proses yang realistis.

KINERJA REAKTOR

1. Konversi

𝑘𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖 = 𝑅𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 𝑅𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛 𝑚𝑒𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘𝑖 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟

2. Selektivitas

𝑆𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠

= 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘

𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 𝑥 𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑠𝑡𝑜𝑘𝑖𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖

3.Yield Reaktor

yield= ^{𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘}

𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑥 𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑠𝑡𝑜𝑘𝑖𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖

KONVERSI

 Berkaitan dengan reaktan

 Konversi: ukuran dari fraksi reaktan yang bereaksi

 Berguna untuk mengoptimalkan design reaktor dan meminimalkan pembentukan produk samping

 Umumnya kurang dari 100%

 Jika > 1 reaktan ditentukan yang paling berpengaruh (reaktan pembatas)

SELEKTIVITAS

 Selektivitas adalah ukuran efisiensi reaktor dalam mengkonversi reaktan menjadi produk yang diinginkan. Ini adalah fraksi dari bahan yang bereaksi yang telah dikonversi menjadi produk yang diinginkan.

 Jika tidak ada produk samping yang terbentuk, maka selektivitas adalah 100%. Jika reaksi terjadi dan produk samping terbentuk, maka selektivitas menurun.

SELEKTIVITAS

 Selektivitas biasanya ditingkatkan dengan mengoperasikan reaktor pada konversi yang rendah. Pada konversi yang tinggi, reaktor memiliki konsentrasi rendah setidaknya satu reaktan dan konsentrasi produk tinggi, sehingga reaksi yang membentuk produk samping lebih cenderung terjadi.

 Reaktan yang tidak dikonversi dalam reaktor dapat direcovery dan didaur ulang.

 Reaktan yang dikonversi menjadi produk samping biasanya tidak dapat dipulihkan, dan produk samping harus dimurnikan untuk dijual atau dibuang sebagai limbah.

JENIS REAKSI

1. Reaksi Tunggal Irreversibel

Salah satu umpan berlebih agar komponen yang lain bisa terkonversi sempurna.

Contoh :

C₂ H₄ + Cl₂  C₂ H₄Cl₂

Ethyle dibuat berlebih agar Chlorine terkonversi sempurna.

Komponen/Feed yang terkonversi sempurna adalah B3 atau sulit dipisahkan.

JENIS REAKSI …. (2)

2. Reaksi Tunggal Reversibel

Salah satu umpan berlebih sehingga konversi keseimbangannya akan menjadi besar sekali.

C₂ H₅ OH + CH₃ COOH  CH₃ COO C₂H₅ + H₂O

Konsentrasi Inert akan meningkatkan konversi memperkecil jumlah mole per satuan volum , sehingga konversi keseimbangan naik.

Feed  Produk (1) + Produk (2)

Penghilangan produk selama reaksi , akan memperbesar konversi. Reaksi akan bergeser ke kanan , jika uap air

diambil/dihilangkan.

JENIS REAKSI (3)

3. Reaksi Paralel Contoh:

Feed 1. + Feed 2.  Produk Feed 1. + Feed 2.  By Produk

Memperbesar kadar Inert akan menurunkan pembentukan by produk.

Contoh:

A + B  C

A + C  D

Pengambilan C (produk yang diinginkan ) maka reaksi

samping tidak berjalan.

JENIS REAKSI (4)

4. Reaksi Seri

Feed  Produk Produk  By Produk

Konsentrasi produk yang rendah menghambat reaksi ke 2 reaktan harus beroperasi dengan konversi yang rendah.

Misal : Feed 1. + Feed 2.  Produk

Produk  By Produk

Konsentrasi produk yang rendah (penghambat reaksi 2.) , dapat ditunjukkan dengan membuat salah satu feed berlebihan. Untuk reaksi seri dan paralel , penggunaan kelebihan salah satu feed dapat menaikkan selektivitas reaksi.

 Penghilangan produk selama reaksi dapat menaikkan selektivitas dan menghambat reaksi seri dari reaksi by produk.

 Bila reaksi by produk reversibel, konsentrasi inert (bila ada) juga berpengaruh terhadap selektivitas reaksi , demikian juga me recycle by produk dapat menghambat pembentukannya

Kondisi Operasi (P, T, t)

Hasil R&D skala lab, pilot project atau komersil  hubungan P, T dan t untuk berlangsungnya suatu reaksi

Pengaruh suhu terhadap laju reaksi 

Misalnya reaksi yang sangat eksotermis sangat sensitif terhadap suhu dan energi aktivasi yang tinggi

Pemilihan suhu reaksi

1. Reaksi Tunggal :

 Reaksi Eksotermis : T tinggi , r Tinggi, Konversi Rendah

 Reaksi Endotermis : T tinggi , r Tinggi, Konversi Tinggi

2. Reaksi ganda :

Untuk reaksi ganda, tujuan perancangan adalah memperbesar selektivitas

Feed  Produk, r₁ = k₁ . C_feed ^a1

Feed  By Produk, r₂ = k₂ . C_feed ^a2

r2/r1 = k2/k1 . C _feed ^{a2 – a1} = k2/k1 . e –(E2-E1)/RT . C _feed ^{a2 – a1}

Energi aktivasi

E2 – E1  0 , pilih suhu rendah E2 – E1 < 0 , pilih suhu tinggi

Pengendalian Suhu

 Perpindahan panas secara tidak langsung

 Cold Shot & Hot Shot : Injeksi Panas /dingin pada bagian tertentu reaktor.

 Heat Carrier : Penambahan bahan Inert yang

berfungsi sebagai pembawa panas untuk

menghentikan reaksi.

TEKANAN REAKTOR

Tekanan tidak berpengaruh pada fase liquid , dan hanya berpengaruh pada fase gas/uap.

C_A = P_A / R T = Y_A . P / R T

C_A ~ Y_A ~ P

1. Reaksi tunggal

 Untuk reaksi tunggal Irreversibel, pilih tekanan Tinggi.

 Untuk reaksi tunggal Reversibel, P  , reaksi geser ke kiri & konversi rendah.

2. Reaksi ganda

Tekanan dipilih untuk memperbesar selektivitas reaksi. Tekanan berpengaruh terhadap selektivitas reaksi ganda, jika reaksi pada fase Uap/gas.

TEKANAN REAKTOR (2)

Contoh :

Feed  Produk , r₁= k₁ . C_feed^a1

Feed  By Produk, r₂= k₂ . C_feed^a2

r2/r1 = k2/k1 . C _feed ^{a2 – a1} = k2/k1 . e –(E2-E1)/RT. C _feed ^{a2 – a1}

 Bila a2 – a1  0 , pilih Tekanan rendah

 Bila a2 – a1 < 0 , pilih Tekanan tinggi

Untuk Reaksi pada Fase Cair, Tekanan dipilih agar :

 Penguapan Produk dapat dicegah.

 Terjadi penguapan cairan dalam Reaktor sebagai cara untuk menghilangkan Panas Reaksi.

 Terjadi penguapan salah satu komponen dalam reaksi Reversibel untuk memperbesar konversi.

Contoh : NH₃ + HCHO H C = O + H₂ Amonia Formaldehid NH₃

Kristal Hexamin

Terjadi : Reaksi – Kristalisasi – Evaporasi.

Kondisi Operasi untuk proses yang tidak melibatkan reaksi

Proses yang tidak melibatkan reaksi:

 Pemisahan: distilasi  P dan T

 Pemisahan: membran  selektivitas

 Pemisahan: ekstraktor  kelarutan

 Sterilisasi  t (dinyatakan dalam D-value) dan T

Pemisahan dengan membran dan ekstraktor juga dipengaruhi T/P

MODE OPERASI PABRIK KIMIA : BATCH dan CONTINUOUS

 Batch : pengumpanan bahan baku dan pengabilan produk berlangsung secara bergantian

 Continuous: pengumpanan dan pengambilan bahan baku berlangsung secara bersamaan

CONTOH ALAT

PROSES BATCH

CONTOH ALAT PROSES

CONTINUOUS

CONTOH ALAT PROSES CONTINUOUS

Perbedaan Batch dan Continuous

BATCH

 Ukuran : lebih kecil skala

produksi bila diperbesar akan mempengaruhi ukuran

peralatan selanjutnya

 Kualitas produk: lebih baik, diverifikasi tiap batch

 Fleksibilitas operasional: dapat digunakan untuk fungsi lain, mis stirrerd tank

 Efisiensi proses: efisien bila skedul dan kontrol yang ketat

CONTINUOUS

 Ukuran : skala produksi lebih besar

 Kualitas produk: diverifikasi secara periodik, terkadang ada yang off spec product bila jumlahnya besar

 Fleksibilitas operasional: dapat, tapi inefisien

 Efisiensi proses: peningkatan kapasitas akan membuat lebih efisien

Perbedaan Batch dan Continuous

 Perawatan dan tenaga kerja:

biaya tinggi, butuh pembersihan dan banyak tenaga kerja

 Ketersediaan bahan baku:

dipilih bila bahan baku terbatas

 Permintaan pasar atas produk:

digunakan bila permintaan tidak tentu

 Laju reaksi: lambat, t lama

 Fouling pada peralatan: baik untuk proses lanjut yang sensitif fouling

 Safety: resiko tinggi

 Kemampuan untuk dikontrol:

lebih sulit

 Perawatan tenaga kerja: lebih rendah

 Ketersediaan bahan baku: baik bila bahan baku banyak

 Permintaan pasar atas produk:

terus menerus

 Laju reaksi: cepat

 Fouling pada peralatan: sering menimbulkan problem fouling

 Safety: lebih aman proses automatisasi

 Kemampuan untuk dikontrol:

lebih baik

DATA EKONOMI

1. Harga produk terhadap kemurnian

 Identifikasi pengotor yang berpengaruh terhadap harga produk.

 Temukan informasi tentang variasi harga terhadap kemurnian. Disini Anda dapat mendata aplikasi turunan dan potensi pasar.

 Temukan juga harga untuk produk samping dan produk antara yang bernilai.

2. Harga Bahan Baku

 Dapatkan informasi tentang harga bahan baku sebagai fungsi kemurnian.

Pertimbangkan harga internal, jika proses dapat diintegrasikan pada program yang sudah ada.

 Untuk sumber yang jauh pertimbangkan termasuk

 Biaya transportasi dan biaya penyimpanan.

DATA EKONOMI

3. Harga Utilitas

 Daftar harga untuk utilitas : bahan bakar, steam (high, medium and low pressure), air pendingin, air kondensat, garam, listrik, dan refeigerasi.

 Tentukan batasan ketersediaan.

4. Harga Pembuangan Limbah

 Daftar biaya pembuangan produk samping, sebagaimana biaya untuk mengolah komponen organic yang menguap (volatile organic components), polychlorinated biphenyls (PCBs), dan pengotor lain yang dilarang oleh peraturan lingkungan.

Data-data bahan baku dan penolong

 Sifat fisik

 B3 atau tidak

Apa itu B3?

B3 = Bahan Berbahaya dan Beracun

Bahan yang karena sifat dan atau konsentrasinya dan atau jumlahnya, baik secara langsung maupun tidak langsung dapat mencemarkan dan atau merusak lingkungan hidup, dan atau dapat membahayakan lingkungan hidup, kesehatan, kelangsungan hidup manusia serta makhluk hidup lainnya.

Peraturan Pemerintah No 74 Tahun 2001 tentang Bahan Berbahaya dan Beracun

Klasifikasi B3

 mudah meledak (explosive)

 pengoksidasi (oxidizing)

 sangat mudah sekali menyala (extremely flammable)

 mudah menyala (flammable)

 amat sangat beracun (extremely toxic)

 sangat beracun (highly toxic)

 beracun (toxic)

 berbahaya (harmful)

 korosif (corrosive)

 bersifat iritasi (irritant)

 berbahaya bagi lingkungan

 karsinogenik (carcinogenic)

 teratogenik (teratogenic)

 mutagenik (mutagenic)

Apa itu Limbah B3?

Sisa suatu usaha atau kegiatan yang mengandung bahan berbahaya dan beracun karena sifat dan konsentrasinya atau jumlahnya,

baik secara langsung atau pun tidak langsung,

akan dapat mencemarkan dan merusak

lingkungan hidup atau dapat membahayakan

lingkungan hidup, kesehatan, kelangsungan

hidup manusia serta makhluk hidup

DATA TEMPAT DAN LOKASI PABRIK

A. Lokasi.

 Dekat dengan sumber bahan baku lebih dipilih.

 Pertimbangkan sebagai pertimbangan pertama integrasi dengan program proyek yang telah ada dimana proses lain dapat mensuplai bahan baku atau produk antara pada harga yang lebih rendah.

 Pertimbangkan pula lokasi yang baik untuk pengiriman produk.

DATA TEMPAT DAN LOKASI PABRIK

B. Fasilitas Penyimpanan (Storage facilitie)

 Biaya penyimpanan bahan baku, produk dan produk antara signifikan dalam kasus komoditas skala besar.

C. Iklim

 Dapatkan data tentang suhu minimum dan maksimum, kelembapan, angin dan variaabilitas meteorology.

 Data ini perlu dalam merancang isolasi peralatan dan dalam menguji keumungkinan penggunaan pendingin udara.

DATA TEMPAT DAN LOKASI PABRIK

D. Sistem Utilitas

 Tentukan tipe utilitas yang tersedia pada tempat yang dipilih, terutama level steam proses (high, medium and low pressure), suhu air pendingin (yang direcycle dari cooling towers), gas inert, fasilitas refrigerasi.

E. Peraturan Lingkungan.

 Daftar kebutuhan khusus dimana proses harus memenuhinya yang berkaitan dengan peraturan lingkungan , seperti gas rumah kaca, atanah dan polusi air.

PERTIMBANGAN KESEHATAN DAN KESELAMATAN KERJA

a. Explosion Risks

 Daftar campuran yang potensial terbakar yang terlibat dengan komponen dalam reaktor dan fasilitas penyimpanan. Tentukan kisaran suhu dan konsentrasi, terutama untuk campuran gas- udara.

b. Fire risks.

 Temukan informasi tentang flash point, suhu auto-ignition dan flammability limits.

c. Toxicity.

 Tentukan karakter toksik dan non-toksik zat kimia utama yang terlibat dalam proses. Indikasi volatilitas kompoenen cairan beracun adalah keharusan.

FIRE

 Api (atau terbakar / pembakaran):

 Reaksi kimia pada substansi menggabungkan dengan oksidator dan melepaskan energi oksidasi eksotermik cepat bahan bakar dinyalakan

 Kebakaran terjadi karena kombinasi dari tiga komponen:

 Oksidasi: oksigen, oksidator

 Bahan bakar / bahan mudah terbakar: uap / gas, cair, padat

 Sumber pemicu: percikan, api, panas, listrik statis,

elektro- magnetik, dll

 Fuels:

Solids : coal, wood-dust, fiber, plastic, metals

Liquids : gasoline, kerosene, acetone, methanol, ether, benzene Vapor : acetylene, propane, methane, CO, H2.

 Oxidizers:

Solids : Ammonium nitrite, metal peroxide

Liquids : H2O2, HNO3, HClO3 (perchloric acid) • Vapor : O2.

FIRE AND FLAMES

FIRE AND FLAMES

Parameter penting: intensitas radiasi panas (kW / m2) Bentuk api:

 Flash fire (Kebakaran di kolam).

 BLEVEs (Boiling Liquid Expanding-Vapor Explosion): Dapat terjadi apabila tangki yang berisi cairan, dalam kondisi : tekanan didalam tangki diatas tekanan atmosfir, dan suhunya berada diatas titik didihnya, tiba-tiba pecah, maka akan terjadi ledakan uap dari sebagain besar isi tangki.

 Jet atau Torch Fire

Karakteristik yang mempengaruhi intensitas radiasi:

Bentuk nyala api, Arah / orientasi nyala api, Jumlah jelaga (debu2 hasil pembakaran) yang dihasilkan DAN Pengaruh tarikan angin pada nyala api

HAZARD IDENTIFICATION

SCENARIO IDENTIFICATION

Hazard Identification

Source Characterization

Accident Scenario

• Location

• Condition (P, T)

• Rate

• State (gas, liquid)

- Monitoring - Math. model - Sci. estimates

26

PROBABILITY CONSEQUENCES

RISK

DETERMINATION

Exposure Assessment

Dose Response Assessment

Risk

Characterization

•NOEL (No Observable Effect Level)

• TD (Toxic Dose)

• LD (Lethal Dose)

• etc.

• Chemical species

• Frequency

• Duration

• Routes

Data

THANK YOU