naskah publikasi prarancangan pabrik maleic …eprints.ums.ac.id/31209/23/naskah_publikasi.pdf ·...
TRANSCRIPT
NASKAH PUBLIKASI
PRARANCANGAN PABRIK MALEIC ANHYDRIDE
DARI N-BUTANA DAN UDARA
KAPASITAS 35.000 TON/TAHUN
Diajukan untuk Memenuhi Persyaratan Meraih Gelar Sarjana Teknik
Strata 1 pada Prodi Teknik Kimia Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Oleh :
PRASINTA PRIMA
D 500 100 016
Dosen Pembimbing :
HERRY PURNAMA, PhD.
ROIS FATONI, PhD.
PRODI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
SURAKARTA
2014
INTISARI
Pabrik maleic anhydride dengan bahan baku n-butana dan udara dengan
kapasitas 35.000 ton per tahun direncanakan beroperasi selama 330 hari per tahun.
Proses pembuatan maleic anhydride dengan cara oksidasi n-butana dimana
udaradan n-butana direaksikan pada suhu 390oC dan tekanan diatas atmosferis (2
atm) di dalam reaktor fixed bed multitube yang berisi katalis vanadium
phosphorus oxide (VPO), reaksi yang terjadi merupakan reaksi eksotermis dan
nonadiabatis. Hasil samping dari reaksi tersebut adalah karbonmonoksida dan
karbondioksida.
Kebutuhan n-butana untuk pabrik ini sebanyak 3.948,507 kg/jam Produk
yang dihasilkan berupa maleic anhydride sebanyak 4.392,590 kg/jam. Utilitas
pendukung proses meliputi penyediaan air sebesar 322.713,992 kg/jam yang
diperoleh dari air sungai Mahakam, penyediaan saturated steam sebesar 29.174
kg/jam yang diperoleh dari reboiler. Kebutuhan bahan bakar solar baik unuk
generator, reboiler dan furnace sebesar 1.838,97 kg/jam, kebutuhan udara tekan
sebesar 2.884 kg/jam, kebutuhan listrik diperoleh dari PLN dan generator sebesar
839,3 kW. Pabrik ini didirikan di kawasan Bontang, Kalimantan Timur dengan
luas tanah 13.956 m2 dan jumlah karyawan 116 orang.
Pabrik maleic anhydride ini menggunakan modal tetap sebesar Rp
334.271.960.087 dan modal kerja sebesar Rp. 217.488.964.383. Dari analisis
ekonomi terhadap pabrik ini menunjukkan keuntungan sebelum pajak Rp
149.279.511.098 per tahun setelah dipotong pajak 25 % keuntungan mencapai Rp
111.959.633.324. Percent return on investment (ROI) sebelum pajak 44,66% dan
setelah pajak 33,49%. Pay out time (POT) sebelum pajak 1,83 tahun dan setelah
pajak 2,3 tahun. Break even point (BEP) sebesar 40,16%, dan shut down point
(SDP) sebesar 27,64% dan discounted cash flow (DCF) terhitung sebesar 42,55%.
Dari data analisis kelayakan di atas disimpulkan, bahwa pabrik ini
menguntungkan dan layak untuk didirikan.
Kata kunci: maleic anhydride, proses oksidasi n-butana, reaktor fixed bed
multitube
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Indonesia merupakan salah satu
negara berkembang, yang memiliki
banyak potensi. Salah satunya adalah
potensi bahan alam yang tersedia
melimpah di negara ini. Bila potensi
ini diolah dengan baik tentunya dapat
menjadi penyokong perekonomian.
Tidak dapat dipungkiri bahwa
perekonomian Indonesia dari waktu
ke waktu mengalami perubahan yang
cukup signifikan. Salah satu
pengolahan yang tepat adalah
industri kimia yaitu maleic
anhydride. Dapat dilihat dari
kebutuhan ekspor maleic anhydride
ke Indonesia dari tahun 2010-2012
terus mengalami kenaikan, hal ini
juga ditunjukkan oleh angka impor
yang terus meningkat di tahun
tersebut(Data ekspor-impor BPS,
2012). Dengan didirikannya pabrik
maleic anhydride diharapkan dapat
memenuhi kebutuhan dalam negeri
yang semakin meningkat dan
memberikan lapangan kerja bagi
masyarakat Indonesia.
Maleic anhydride dapat
terbentuk dari oksidasi benzena,
oksidasi butana dan oksidasi butena
dengan katalis vanadium oxide.
Maleic anhydride banyak
dimanfaatkan untuk bahan pembuat
fiber glass, alkyl resin, agricultur
chemical, plastik dan lain-lain
(Krick & Othmer, 1978).
Dari ketiga proses oksidasi yang
ada, proses oksidasi butana paling
menguntungkan untuk digunakan.
Bahan baku ini dapat diperoleh dari
dalam negeri. Bahan baku n-butana
dari PT. Badak NGL di Kalimantan
Timur. Dengan pertimbangan adanya
bahan baku memadai maka
memungkinkan untuk mendirikan
pabrik maleic anhydride di Bontang
Kalimantan Timur.
1.2. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian sebagai
berikut:
1. Mengurangi ketergantungan
impor maleic anhydride.
2. Melakukan diversifikasi produk
yang bernilai ekonomi tinggi yang
nantinya dapat menambah devisa
negara.
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kapasitas Rancangan
Produksi
Berdasarkan data statistik
perdagangan bik dalam maupun
Indonesia kebutuhan maleic
anhydride mengalami peningkatan
dalam tiga tahun terakhir terlihat
pada Tabel 1 berikut:
Tabel 1 Data Ekspor Impor maleic anhydride Indonesia
Gambar 1. Grafik kebutuhan ekspor impor maleic anhydride
Dari data diatas diperoleh
bahwa persamaan garis lurus
, diperkiran nilai
ekspor tahun dua ribu dua puluh
(2020) mencapai 14100,7 ton/tahun.
Sedangkan ,
untuk impor dapat mencapai 5886,9
ton/tahun. Sehingga pabrik maleic
anhyride berkapasitas 35.000
ton/tahun.
y = 492.64x + 468.37 R² = 0.9477
y = 885.71x + 4358.9 R² = 0.9994
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Ke
bu
tuh
an (
ton
/tah
un
)
Tahun ke-
Impor
Ekspor
No Tuhun Ekspor
(ton/tahun)
Impor
(ton/tahun)
1 2010 5.257,453 1.027,809
2 2011 6.104,674 1.320,033
3 2012 7.652,000 2.013,084
2.2. Proses Produksi Maleic
Anhydride
Maleic anhydride diproses dari 3
cara yaitu
1. Reaksi oksidasi benzena
Proses oksidasi benzena
menggunakan katalis padat
vanadium oxide yang diletakkan
dalam multitube dengan pendingin
dari suatau larutan tang disirkulasi
melalui shell side dari reaktor.
Recovery gas maleic anhydride yang
terbentuk dicairkan dengan
mengunakan kondensasi parsial,
sedangkan gas yang belum
terkondensasi dialirkan ke scrubber
untuk dicuci sebagai maleic
anhydride dan proses selanjutnya
dilakukan proses pemurnian.
2. Reaksi oksidasi butana
Maleic anhydride dengan
oksidasi butana menggunakan katalis
vanadium phophorus oxide (VPO)
reaksi yang berjalan sangat
eksotermis.
Dalam pembentukan maleic
anhydride dengan reaksi oksidasi
merupakan reaksi eksotermis. Panas
eksotemis reaksi yaitu 390-430oC.
Reaksi butan menjadi maleic
anhydride mencapai yeild maksimum
pada konversi 85% (Krick &
Othmer, 1978).
3. Reaksi oksidasi butena
Sedikit pabrik yang
menggunakan bahan baku butena
sebagai bahan baku dalam
pembuatan maleic anhydride. Karena
reaksi yang terjadi merupakan reaksi
analog dengan reaksi butena.
DISKRIPSI PROSES
3.1 Tinjauan Termodinamika
Pembuatan maleic anhydride
merupakan reaksi oksidasi n-butana
yang bersifat eksotermis dan
irreversible. Untuk mengetahui
bagaimana reaksi berjalan baik
secara bolak-balik ataupun searah,
dibutuhkan harga konstanta
kesetimbangnan reaksi (K). Reaksi:
C4H10 + 3,5 O2 C4H2O3 + 4 H2O
Data ΔHf untuk masing-masing
komponen pada temperatur 298 K,
tekanan 1 atm adalah:
- n-C4H10 : -126,15 kJ/mol
- H2O : -241,80 kJ/mol
- O2 : 0 kJ/ mol
- C4H2O3 : -398,30 kJ/mol
Sehingga ΔH 298 pada reaksi diatas
= ΔHfo produk - ΔHf
o reaktan
= (ΔHfo
C4H2O3 + 4 x ΔHfo
H2O) –
(ΔHfo C4H2O3 + 3 ½ ΔHf
o O2)
= (-398,30 + 4 x (-241,80)) –
(-126,15 + 3 x 0) kJ/mol
= -1365,5 – ( - 126,15) kJ/mol
= - 1239,35 kJ/mol
ΔHo
reaksi bernilai negatif sehingga
reaksi bersifat eksotermis. Persamaan
Van’hoffuntuk mengetahui berjalan
secara reversible ataupun
irreversible. Data ΔGo pada tekanan
1 atm dan temperatur 298 K :
- n-C4H10 : -17,15 kJ/mol
- H2O : -228,45 kJ/mol
- O2 : 0 kJ/ mol
- C4H2O3 : -355,60 kJ/mol
Sehingga ΔH 298 pada reaksi diatas
= ΔGfo produk - ΔGf
o reaktan
= (ΔGfo
C4H2O3 + 4 x ΔGfo
H2O) –
(ΔGfo C4H2O3 + 3 ½ ΔGf
o O2)
= (-355,60 + 4 x (-228,45)) –
(-17,15 + 3 x 0) kJ/mol
= - 1251,71 kJ/mol
(Yaws, 1979)
3.2 Tinjauan Kinetika
Reaksi pembentukan maleic
anhydride dengan oksidasi butana
merupakan reaksi oksidasi katalitik
dengan menggunakan vanadium
phosphorous oxide (VPO) sebagai
katalis. Selain produk utama,
dihasilkan produk samping berupa
karbondioksida dan karbomonoksida.
Persamaan kecepatan reaksi
pembentukan maleic anhydride
sebagai berikut :
( )
( )
(
)
( )
(
)
( )
Dimana:
k1 : konstanta laju reaksi, kmol/
(kg katalis s Pa) (k1 : 9,66.10-5
; k2
: 1,72.10-5
; k3 : 2,21.10-5
)
r1 : laju reaksi, kmol/ (kg katalis
s Pa)
kdiss : konstanta dissosiasi, Pa-1
(
kdiss : 0,11.10-5
)
ksorpt : konstanta adsorpsi,
Pa-1
( ksorpt : 0,42.10-5
)
(Schneider, Emig, & Hoffmann,
1987)
3.3 Langkah Proses
Proses pembuatan maleic
anhydride dengan oksidasi butana
terbagi menjadi 3 tahap, yaitu:
1. Tahap penyiapan bahan baku
2. Tahap sintesa maleic anhydride
3. Tahap pemurnian
Tahap pertama yaitu penyiapan
bahan baku, bahan baku yang berupa
LPG butana yang disimpan dalam
tangki (T-01) dalam bentuk cair
dengan kondisi operasi 19,27 oC
tekanan 2 atm, kemudian dipompa
(P-02) menuju vaporizer (VP-01)
untuk merubah fasenya menjadi gas.
Udara yang merupakan sumber
oksigen (21%) dengan suhu 30oC
tekanan 1 atm. Udara yang diserap
dari lingkungan ini dinaikan
tekanannya terlebih dahulu menjadi 2
atm dengan kompresor (K-01).
Keluaran vaporizer yang berupa gas
butana akan di furnace (Fn-01)
bersama udara, untuk ditingkatkan
suhunya sebesar 390oC. Selanjutnya
masuk ke reaktor (R-01) untuk
proses sintesa menjadi maleic
anhydride.
Tahap sintesa maleic anhydride
dengan mereaksikan n-butana dan
oksigen (O2) dengan kondisi operasi
reaksi 390oC tekanan diatas
atmosferis (2 atm) didalam reaktor
fixed bed multitube dan katalis
vanadium phosphorous oxide (VPO).
Konversi butana menjadi maleic
anhydride sebesar 85%, dengan yeild
50-60% dan selektivitasnya 65-75%.
Reaksi:
C4H10 + 3,5 O2 C4H2O3 + 4 H2O
(
)
C4H10 + 6,5 O2 4 CO + 5 H2O
C4H10 + 6,5 O2 4 CO2 + 5H2O
(Krick & Othmer, 1978)
Reaksi yang berlangsung diatas
ialah reaksi eksotermis. Sehingga
dibutuhkan pendingin untuk menjaga
reaksi, adapun pendingin yang
digunakan ialah downtherm A.
Produk yang dihasilkan reaktor
berupa campuran gas dengan suhu
376,603 oC dengan tekanan 1,76 atm.
Kemudian produk yang telah
terbentuk dialirkan ke absoeber (AB-
01) untuk proses pemurnian.
Proses pemurnian maleic
anhydride melalui 3 alat, yaitu
dengan absorber (AB-01), stripper 1
(S-01) kemudian stripper 2 (S-02).
Absorben ini bertujuan untuk
memisahkan maleic anhydride
dengan oksigen, n-butana, i-butana,
pentana dan etana yang tidak
bereaksi, serta CO, CO2 yang
merupakan produk samping sintesa
maleic anhydride.
Campuran gas yang keluar dari
reaktor (R-01) diturunkan
tekanannya menjadi 1,1 atm dengan
expander (E-01) terlebih dahulu,
kemudian didinginkan dengan cooler
(Co-01) untuk dialirkan ke absorber
(AB-01) melalui bagian bawah,
sedangkan penjerap yaitu dibuthyl
phalaet dilewatkan melalui atas.
Keduanya dikontakkan secara
langsung, dimana campuran gas yang
berisikan maleic anhydride akan
dijerap oleh dibuthyl phtalate keluar
sebagai hasil bawah absorber (AB-
01). Selanjutkan dialirkan ke stripper
1 (S-01). Dalam stripper 1 (S-01)
dipisahkan antara maleic anhydride
dengan penjerap. Penjerap yang
keluar melalui bagian bawah akan di
recycle kembali ke absorber (AB-01)
dan hasil atas yang kaya akan maleic
anhydride akan lanjut ke stripper 2
(S-02). Stripper 2 (S-02) bertugas
untuk memurnikan larutan maleic
anhydride dengan air dan sedikit
dibuthyl phlat hasil pemisahan
stripper 1. Diharapkan produk
stripper 2 (S-02) mengandung 99,5%
maleic anhydride dan sedikit air.
Sedangkan hasil atas absorber
(AB-01) yang berisikan hasil
samping dan sedikit produk serta
bahan yang tidak habis bereaksi
seperti n-butana, yang nantinya akan
dibuang kelingkungan. Namun
karena jumlah n-butana yang tidak
habis bereaksi masih cukup banyak
sehinnga perlu di recycle kembali
kedalam reaktor (R-01). Proses
recycle n-butana ini dengan
pendinginan pada chiller dan
dipisahkan dengan separator. Dimana
hasil bawah separator yang berupa
cairan n-butana, i-butana, pentana
dan etana di recycle kemabli bersama
make-up bahan baku. Dan hasil atas
akan dibuang kelingkungan.
3.4 Spesifikasi Alat Utama Proses
Reaktor (R-01)
Fungsi : Mereaksikan
n-butana dengan oksigen menjadi
maleic anhydride
Tipe : Fixed bed
multitube
Jumlah : 1 buah
Bahan konstruksi : Stainless
steel
Kondisi operasi :
Suhu : 390oC
Tekanan : 2 atm
Fase reaksi : gas-gas
Dimensi :
Diameter shell : 2,28 m
Tinggi shell : 0,01 m
Tinggi head : 0,30 m
Volume reaktor :15,69 m3
Tinggi reaktor : 5,34 m
Katalis :
Nama : Vanadium
Phosphorous Oxide (VPO)
Absorber (AB-01)
Fungsi : Menyerap
maleic anhydride hasil reaksi dari
reaktor
Tipe : Packed tower
Jumlah : 1 buah
Bahan konstruksi : Carbon steel
SA-283 grade C
Kondisi operasi :
Suhu : 250 oC
Tekanan : 1,08 atm
Tinggi packing : 7,52 m
Jenis packing : Raschingring
Diameter menara : 5,49 m
Tinggi menara : 10,20 m
Tebal shell : 0,01 m
Tebal head : 0,01 m
Stripper (S-01)
Fungsi : Memisahkan
dibutyl phthalate dari maleic
anhydride
Tipe : Packed tower
Jumlah : 1 buah
Bahan konstruksi : Carbon steel
SA-283 grade C
Kondisi operasi :
Suhu : 105 oC
Tekanan : 1 atm
Tinggi packing : 2,75 m
Jenis packing : Berl saddle
Diameter menara : 2,03 m
Tinggi menara : 4,65 m
Tebal shell : 0,02 m
Tebal head : 0,45 m
Stripper (S-02)
Fungsi : Memurnikan
maleic anhydride
Tipe : Packed tower
Jumlah : 1 buah
Bahan konstruksi : Carbon steel
SA-283 grade C
Kondisi operasi :
Suhu : 104 oC
Tekanan : 1 atm
Tinggi packing : 3,45 m
Jenis packing : Berl saddle
Diameter menara : 2,05 m
Tinggi menara : 5,32 m
Tebal shell : 0,02 m
Tebal head : 0,43 m
Separator (SP-01)
Fungsi : Memisahkan
gas cair keluaran chiller 01
Tipe : Vertikal
separator flash drum
Jumlah : 1 buah
Bahan konstruksi : Carbon steel
SA-283 grade C
Kondisi operasi :
Suhu : 16,65 oC
Tekanan : 1,07 atm
Dimensi :
Diameter : 3,56 m
Tinggi : 8,39 m
Volume : 82,53 m3
Tebal shell : 0,44 m
Tebal head : 0,38 m
Separator (SP-02)
Fungsi : Memisahkan
gas cair keluaran chiller 02
Tipe : Vertikal
separator flash drum
Jumlah : 1 buah
Bahan konstruksi : Carbon steel
SA-283 grade C
Kondisi operasi :
Suhu : -133,8 oC
Tekanan : 1,03 atm
Dimensi :
Diameter : 5,78 m
Tinggi : 13,4 m
Volume : 354,15 m3
Tebal shell : 0,31 m
Tebal head : 0,31 m
ANALISIS EKONOMI
Total penjualan produk per tahun :
Rp. 924.000.000.000,00
Total biaya produksi :
Rp. 774.720.488.902,00
Keuntungan sebelum pajak :
Rp. 149.279.511.098,00
Pajak di Indonesia :
25%
Keuntungan setelah pajak :
Rp. 111.959.633.324,00
a. Percent return on invesment
(ROI)
ROI sebelum pajak : 44, 658 %
ROI setelah pajak : 33,494 %
b. Pay out time (POT)
POT sebelum pajak : 1,83 tahun
POT setelah pajak : 2,30 tahun
c. Break event point (BEP)
BEP : 40,155 %
d. Shut down point (SDP)
SDP : 27,638 %
Gambar 2. Grafik analisis ekonomi
KESIMPULAN
Hasil analisis kelayakan
ekonomi adalah sebagai berikut:
1. Keuntungan sebelum pajak US$
12.439.959,26 per tahun
Keuntungan setelah pajak US$
9.329.969,44 per tahun
2. ROI (Return On Investment)
sebelum pajak 44, 658 %
ROI (Return On Investment)
sesudah pajak 33,494 %
ROI (Return On Investment)
sebelum pajak untuk pabrik
beresiko tinggi minimal 44%.
3. POT (Pay Out Time) sebelum
pajak 1,83 tahun
POT (Pay Out Time) sesudah
pajak 2,30 tahun
POT (Pay Out Time) sebelum
pajak untuk pabrik beresiko tinggi
maksimal 2 tahun.
4. BEP (Break Even Point) adalah
40,155 % dan SDP (Shut Down
Point) adalah 27,638 %. BEP
untuk pabrik kimia pada
umumnya berkisar antara 40% -
60% dan SDP antara 20-30%
5. DCF (Discounted Cash Flow)
adalah 42,547%. DCF yang dapat
diterima harus lebih besar dari
bunga pinjaman di bank.
Dari data hasil perhitungan
analisis ekonomi di atas dapat
disimpulkan bahwa pabrik maleic
anhydride layak untuk didirikan.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. (2010, September).
Chemical Engineering Plant
Cost Index. Dipetik July 2014,
dari http://goliath.ecnext.com
Anonim. (2014, July). Matche.
Dipetik July 2014, dari
http://www.matche.com
Anonim. (2011, April 1). Perbedaan
LPG, LNG dan Gas Alam.
Dipetik May 6, 2014, dari
http://teknikmesinunbb.blogspot.
com
Aries, R., & Newton, R. (1955).
Chemical Engineerring Cost
Estimation. New York: Mc
Graw Hill Book Co.
Bird, R., Stewart, W., & Lightfoot,
E. (1960). Transport
Phenomena. New York: John
Wiley and Sons.
Brown, G. G. (1978). Unit
Operation. New York: John
Wiley and Sons.
Brownell, L., & Young, E. (1979).
Process Equipment Design. New
York: John Wiley and Sons.
Coulson, J., & Richardson, J. (1983).
Chemical Engineering Design.
Oxford: Pergason Press.
Kern, D. (1950). Process Heat
Transfer. New York: Mc Graw
Hill Internasional Book
Company.
Krick, R., & Othmer, D. (1978).
Encycloepedia of Chemical
Technology. New York: A
Willey Interscience Publication.
Ludwig, E. (1964). Applied Process
Design for Chemical and
Petrochmical Plant. Boston:
Gulf Publishing Company.
Perry, R. G. (1997). Perry's
Chemical Engineer's Handbook.
New York: Mc Graw-HillBook
Company.
Peter, M., & Timmerhaus, K. (2003).
Plant Design and Economic for
Chemical Engineering. New
York: Mc Graw Hill
Internasional Book Company.
Schneider, A., Emig, G., &
Hoffmann, H. (1987). Kinectics
Investigation and Reactor
Simulation for The Catalityc
Gas-Phase Oxidation of n-
Butana to Maleic Anhydride.
Smith, J., & Van Ness, H. (1975).
Introduction to Chemical
Engineering Thermodynamics.
Tokyo: Mc Graw Hill
Kogakusha.
Statistika, B. P. (2012, Desember).
Statistika Perdagangan Luar
Negeri Indonesia. Dipetik April
2013, dari http://bps.co.id
Sukandar, D. (2011, March 18).
Perseroan Terbatas. Dipetik
April 2014, dari
http://hukum.kompasiana.com
Treybal, R. (1980). Mass Trasfer
Operation. Tokyo: Mc Graw
Hill Kogakusha.
Ulrich, G. (1954). A Guide to
Chemical Enguneering Process
Design and Economics. Canada:
John Wiley and Sons.
Yaws, C. (1979). Thermodynamic
and Physical Properti Data.
Singapore: Mc Graw Hill Book
Co.