NASKAH PUBLIKASI PRARANCANGAN

PABRIK BUTINEDIOL DARI ASETILEN DAN FORMALDEHID

KAPASITAS 55.000 TON PER TAHUN

Oleh:

Wahyu Aditiya Arif

D 500 060 013

Dosen Pembimbing:

Muhammad Mujiburohman, S.T., M.T., Ph.D.

Ir. H. Haryanto Ar., M.S.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

SURAKARTA

2013

ABSTRAK

Wahyu Aditiya Arif, Haryanto, M. Mujiburohman, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Butynediol merupakan bahan yang cukup penting dalam sintesis bahan-bahan organik, seperti butanediol, tetrahydrofuran, dan pyrolidone. Pabrik butynediol dari acetylene dan formaldehyde dirancang dengan kapasitas 55.000 ton/tahun. Pabrik beroperasi kontinyu selama 330 hari per tahun. Proses pembuatan butynediol dijalankan dalam reaktor fixed bed single tube,

irreversible, dengan kondisi operasi berlangsung pada range suhu 100-130oC dan tekanan 2 atm.

Hasil dari reaktor dipisahkan dalam separator, hasil atas separator berupa gas bereaksi dengan udara menjadi flare dan hasil bawah berupa cairan diumpankan ke menara distilasi. Dari hasil bawah menara distilasi diperoleh produk butynediol dengan kemurnian yang diinginkan di pasaran (45%). Hasil atas menara distilasi dipisahkan kembali dengan menggunakan coller untuk memperoleh produk samping berupa metanol dengan kemurnian sebesar 99%. Pabrik direncanakan didirikan di Kawasan Industri Gresik (KIG), Jawa Timur dengan luas tanah 1,2 Ha. Bentuk Perseroan Terbatas dan jumlah karyawan sebanyak 150 orang. Dari analisis ekonomi, pabrik butynediol ini membutuhkan modal terdiri dari modal tetap dan modal kerja sebesar Rp 104.401.542.770,20. Keuntungan sebelum pajak sebesar Rp 41.389.710.474,34 /th. Keuntungan sesudah pajak sebesar Rp 16.555.884.189,74 /th. Analisis kelayakan ini memberikan hasil bahwa Percent Return On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 39,6447% dan setelah pajak sebesar 15,8679%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 2,0143 tahun sedangkan setelah pajak sebesar 3,8697 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 44,0718% kapasitas, dan Shut Down Point (SDP) sebesar 26,1336% kapasitas. Discounted Cash Flow Rate of Return (DCFRR) sebesar 36,5813%. Berdasarkan data–data di atas maka pabrik butynediol dari acetylene dan formaldehyde cukup layak untuk didirikan. Kata Kunci : Prarancangan Pabrik, Butinediol, Fixed Bed Single Tube

A. Pendahuluan

Sejalan dengan berkembangnya industri di Indonesia, semakin banyak

diversifikasi usaha telah dilakukan. Banyak bahan mentah atau setengah jadi diolah

menjadi produk intermediate atau produk jadi, sehingga mengurangi ketergantungan kita

pada produk impor.

Pertumbuhan industri kimia di Indonesia patut dibanggakan. Tentu saja banyak

alasan mengapa pemerintah begitu bersemangat untuk mengembangkan industri tersebut.

Bukan hanya karena jumlah bahan baku yang cukup memadai di tanah air maupun

wilayah pemasaran yang luas melainkan juga karena prospek dan kelanjutan industri

kimia di Indonesia cukup cerah.

Salah satu industri yang mempunyai kegunaan penting dan mempunyai prospek

yang bagus adalah industri butynediol. Pertimbangan utama yang melatarbelakangi

berdirinya pabrik butynediol ini, pada prinsipnya adalah sama dengan sektor-sektor lain

yaitu untuk melakukan usaha yang secara sosial ekonomi cukup menguntungkan. Karena

sifatnya yang prospektif di masa yang akan datang, dalam pengertian potensi pasar,

mudah diperoleh bahan baku, yakni acetylene dan formaldehyde, teknologi yang

dibutuhkan dapat terpenuhi, dan terdapatnya tenaga pelaksana, maka keuntungan dapat

dicapai dengan adanya pendirian pabrik butynediol. Sifat prospektif ini akan terlaksana

dengan kemampuan modal yang memadai.

Paper ini menampilkan analisis prarancangan pabrik butynediol dari acetylene dan

formaldehyde mulai dari perancangan kapasitas, pemilihan proses, dan alat, serta analisis

ekonomi.

B. Perancangan Kapasitas

Dalam pemilihan kapasitas pabrik butynediol ada beberapa pertimbangan-

pertimbangan, yaitu:

a. Prediksi Kebutuhan Dalam Negeri

Kapasitas pabrik butynediol ditentukan berdasarkan kebutuhan impor

butynediol dalam negeri yang berasal dari negara-negara lain. Kebutuhan butynediol

di Indonesia terus meningkat dari tahun ke tahun. Hal ini dapat dilihat pada tabel

dibawah ini:

Tabel 1. Kebutuhan butynediol di Indonesia

No Tahun Kebutuhan Impor (ton/tahun)

1 2005 4.433.356

2 2006 11.692.243

3 2008 18.529.922

4 2009 240.170.898

5 2010 293.314.041

Sumber : Badan Pusat Statistik 2005-2010

Gambar 1. Grafik Tahun Versus Kebutuhan butynediol

Dari hasil regresi linear diperoleh perkiraan kebutuhan butynediol

pada tahun 2015 (tahun ke 10):

y = 6E+07x2 - 1E+11 …….…………………………......(1)

= 6E+07(10)2 – 1E+11

= 5.623,8478 ton

y = 6E+07x ‐ 1E+11R² = 0.755

‐1E+08‐5000000

050000000100000001500000020000000250000003000000035000000

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Kebu

tuha

n

Tahun Ke

Chart Title

Series1

Linear (Series1)

 

Impor butynediol dari tahun 2015 ke tahun – tahun berikutnya mengalami

kenaikan rata-rata sebesar 59,8235%. Berdasarkan data diatas dapat diperkirakan

kebutuhan impor butynediol pada tahun 2015 sebesar 5.623,8478 ton/tahun.

b. Ketersediaan Bahan Baku

Bahan baku formaldehyde dan acetylene telah banyak diproduksi di Indonesia.

Mengingat persediaan bahan baku yang memadai dan kebutuhan butynediol yang

besar, maka sangat prospektif bila mendirikan pabrik butynediol.

c. Kapasitas minimal

Dari pabrik yang sudah beroperasi dibeberapa negara dapat diketahui bahwa

kapasitas minimal perancangan lebih dari 1.000 ton/tahun, dengan kapasitas

maksimalnya sebesar 100.000 ton/tahun. Sampai saat ini sekitar 200.000 ton/tahun

butynediol diproduksi di Eropa. Salah satu pabrik yang sudah berdiri di Cina

memproduksi butynediol sebesar 60.000 ton/tahun.

Pabrik-pabrik kimia yang sudah berdiri di Indonesia yang berkapasitas antara

55.000 ton/tahun sampai 60.000 ton/tahun rata-rata mempunyai luas area pabrik

sebesar 105.000 m2.

Berdasarkan pertimbangan diatas maka dalam perancangan pabrik butynediol

yang akan didirikan pada tahun 2015 ditentukan kapasitas sebesar 55.000 ton/tahun.

Kapasitas ini ditetapkan dengan beberapa tujuan antara lain:

1. Dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri,

2. Dapat dieksport sehingga menghasilkan devisa bagi negara,

3. Dapat merangsang berdirinya industri kimia lain yang menggunakan butynediol

sebagai bahan baku seperti industri butenediol, butanediol, dan tetrahydrofuran.

C. Penentuan Jenis Proses

Pada prinsipnya proses produksi butynediol secara komersial dilaksanakan dengan

cara ”ethynylation”, yaitu dengan mereaksikan acetylene dan formaldehyde dengan

katalisator CuC2.

( Kirk and Othmer, 1980 )

Secara stoikiometri pembentukan butynediol mengikuti persamaan:

..................................(2)

Acetylene formaldehyde butynediol

Proses ini disebut dengan proses Reppe.

Reaksi lain yang mungkin terjadi , yaitu :

.......................................................(3)

Acetylene formaldehyde propargyl aslcohol

(Speight, 2002)

Reaksi ini dapat dilakukan di dalam reaktor fixed bed (memakai tumpukan katalis

padat), atau reaktor slurry. Reaksi berlangsung pada kondisi suhu 100-130°C dan tekanan

2 atmosfer.

(Ullman, 1988)

           

 

 

 

 

 

 

 

OHCOCH HC 43222→+

OHCCCHHOCHOCH H C 2222 2  2 →+

VP-01T = 76P = 2,2

R -01T = 110oCP = 2 atm

Sp-01T = 93oC

P = 1,9 atm

M D-01T = 112,1162oC

P = 2 atm

T-03T = 35 oCP = 1 atm

T-01T = 35°C

P = 1

T-02T = 35°C

P = 56

CH2OH2O

CH3OH

H2N2

C2H2C2H2

N2H2

H2OC4H6O 2CH3O HCH2O

C2H2N2H2

H2OCH3OHCH2O

C2H2N2H2

H2OCH3O HCH2OC2H2

N2H2

H2OCH3O HCH2O

H2OCH3O HC4H6O2

H2OCH3O HC4H6O 2

H2OCH3OHC4H6O 2

T-03T = 35 oCP = 1 atm

Diagram Alir Kualitatif Proses dan Material

Gambar 1 Diagram Alir Kualitatif produksi Butynediol kapasitas 55.000 ton/tahun

Diagram Alir Kuantitatif Proses dan Material

Gambar 2 Diagram Alir Kuantitatif produksi Butynediol kapasitas 55.000 ton/tahun.

T-01T = 35°C

P = 1 ,5 a tm

T -02T = 35°C

P = 56 a tm

S P -01T= 93°C

P = 1 ,9 atm

R -01T= 110°CP = 2 a tm

M D -01T =112,1162°C

P =2 atm

T-03T= 35°CP = 1 atm

T -04T= 35°CP = 1 atm

C H 2O = 4809,0833H 2O = 8332,0676C H 3O H = 2025,5590 = 15166 ,7099

H 2 = 2 ,1177N 2 = 10 ,5885C 2H 2 = 3136 ,4290 = 3149 ,1352

C 2H 2 = 2147,0857H2 = 4 ,2354 N 2 = 21 ,1769 H 2O = 8905 ,7097C H 3O H = 2428 ,8299C 4H 6O 2 = 6823 ,3929C H2O = 97 ,1532 = 20427 ,5837

C 2H 2 = 1073 ,5428H2 = 2 ,1177 N 2 = 10,5885 H 2O = 573 ,6421C H 3O H = 403 ,2709C H2O = 48,5766 = 2111,7386

C 2H 2 = 1073,5428H2 = 2 ,1177 N 2 = 10 ,5885 H 2O = 573,6421C H 3O H = 403 ,2709C H2O = 48 ,5766 = 2111,7386

H 2O = 7758,4256C H 3O H = 1622 ,2881C 4H 6O 2 = 6823 ,3929 = 16204,1065

H 2O = 155,1685C H 3O H = 0 ,0000 C 4H 6O 2 = 6789 ,2759 = 6944 ,4444

H 2O = 7603 ,2571 C H 3O H = 1622,2881C 4H 6O 2 = 34 ,1170 = 9259 ,6621

H 2O = 7758,4256C H 3O H = 1622,2881C 4H 6O 2 = 6823,3929 = 16204,1065

D. Tinjauan Kinetika

Pada prinsipnya proses produksi butynediol secara komersial dilaksanakan dengan

cara ”ethynylation”, yaitu dengan mereaksikan acetylene dan formaldehyde dengan

katalisator CuC2.

( Kirk and Othmer, 1980 )

Secara stoikiometri pembentukan butynediol mengikuti persamaan:

..................................(4)

Acetylene formaldehyde butynediol

Proses ini disebut dengan proses Reppe.

Reaksi lain yang mungkin terjadi , yaitu :

.......................................................(5)

Acetylene formaldehyde propargyl aslcohol

(Speight, 2002)

Reaksi ini dapat dilakukan di dalam reaktor fixed bed (memakai tumpukan katalis

padat), atau reaktor slurry. Reaksi berlangsung pada kondisi suhu 100-130°C dan tekanan

2 atmosfer.

(Ullman, 1988)

Pada proses pembuatan butynediol, terjadi reaksi antara formaldehyde dengan

acetylene dengan mekanisme sebagai berikut:

1. ..........................(6)

Acetylene formaldehyde butynediol

2. ............................................(7)

Acetylene formaldehyde propargyl alcohol

3 .............................(8)

Propargyl alcohol acetylene butynediol

(Moore, 1964)

OHC OCH H C  43222→+

OHCCCHHOCHOCH H C  2222 2  2 →+

OHCCCHHOCHOCH H C CuC22222

22 ⎯⎯ →⎯ +

OHCO CHH C  CuC43222

2⎯⎯ →⎯ +

OHCCCHHOCHH C O H C CuC222243

2⎯⎯ →⎯ +

Proses ethynylation berlangsung pada suhu 100-130oC. Konversi formaldehyde

sebesar 98,6% dan selektivitas sebesar 98%.

(Chang dkk. 1992)

Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan secara eksotermis atau endotermis

maka perlu pembuktian dengan menggunakan panas reaksi (∆Η) yang dapat ditentukan

dengan persamaan:

                                      .......................................................................(9)   

Persamaan reaksi:

                                                                                                       .................................................(10) 

Jika ∆Η = (−) maka reaksi bersifat eksotermis

Jika ∆Η = (+) maka reaksi bersifat endotermis

...................................(11) 

         =  - 50730,86 Btu/lbmol – (97484,57 - 49827,84) Btu/lbmol

= -98387,59 Btu/lbmol

Dari harga ∆Η sebesar -98387,59 Btu/lbmol dapat disimpulkan bahwa pada reaksi

ethynylation adalah reaksi eksotermis.

Nilai tetapan kesetimbangan (K) dari reaksi pembentukan butynediol adalah

sebesar 1,9953 x 1020, sehingga dapat disimpulkan bahwa rekasi yang terjadi merupakan

reaksi irreversibel, karena nilai tetapan kesetimbangan yang didapat sangat besar.

Ditinjau dari segi kinetika, proses ethynylation dari formaldehyde mempunyai

persamaan kecepatan reaksi sebagai berikut:

ff

ff

CKCKkW

r.1...

+=− ................................................................................(12)

diketahui pada suhu 383 K, diperoleh harga

k = 234 x 10-3 kmol/kg h, dan

Kf = 0,47 m3/kmol

or f 

opf reaksi o H H H  . .  ∆−∆=∆ 

OHCCCHHOCH OCH H C  22 222 2  → +

OCHHHCH OH C H H  of

of 

of  222264  ( ∆+∆ −∆ =∆

Sehingga didapat persamaan baru untuk nilai kecepatan reaksi pada proses

ethynilasi formaldehid sebagai berikut:

f

f

CCWx

r.47,01

..10234 3

+=−

−

...........................................................................(13)

Keterangan:

W : Berat Katalis (kg/m3)

Kf : Konstanta kesetimbangan adsorpsi formaldehid (m3/kmol)

K : Konstanta kecepatan reaksi (kmol/kg.h)

Cf : Konsentrasi Formaldehid (kmol/m3)

(Chang dkk. 1992)

E. Perancangan Diagram Alir Proses

Alat utama yang digunakan

1. Reaktor

Tugas : Sebagai tempat berlangsungnya reaksi antara acetylene dan

formaldehyde menjadi butynediol sebanyak 20.427,5837

kg/jam

Jenis : Reaktor Fixed Bed Single Tube

Kondisi operasi

Suhu : 110oC

Tekanan : 2 atm

2. Separator

Tugas : Memisahkan uap sebanyak 4.235,3841 kg/jam dan cairan

sebanyak 16.204,1065 kg/jam yang berasal dari reaktor

Tipe : Horizontal drum, Torispherical Dished Head

Kondisi operasi

Suhu : 93,101oC

Tekanan : 1,9 atm

3. Menara Destilasi (01)

Tugas : Memisahkan butynediol dari campurannya

Tipe : Packed distillation column

Kondisi operasi

a. Puncak menara : Suhu : 108,670oC

Tekanan : 1,1 atm

b. Umpan menara : Suhu : 88,702oC

Tekanan : 1,1 atm.

c. Dasar menara : Suhu : 174,663oC

. Tekanan : 1 atm

4. Menara Destilasi (02)

Tugas : Memisahkan metanol dengan air

Tipe : Packed distillation column

Kondisi operasi

d. Puncak menara : Suhu : 74,879oC

Tekanan : 1 atm

e. Umpan menara : Suhu : 108,670oC

Tekanan : 1,1 atm.

f. Dasar menara : Suhu : 112,634oC

. Tekanan : 1 atm

F. Analisis Ekonomi

Dari analisis ekonomi, pabrik butynediol ini membutuhkan modal terdiri dari

modal tetap dan modal kerja sebesar Rp 104.401.542.770,20. Keuntungan sebelum

pajak sebesar Rp 41.389.710.474,34  /th. Keuntungan sesudah pajak sebesar Rp

16.555.884.189,74 /th. Analisis kelayakan ini memberikan hasil bahwa Percent Return

On Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 39,6447% dan setelah pajak sebesar

15,8679%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar 2,0143 tahun sedangkan setelah

pajak sebesar 3,8697 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 44,0718% kapasitas, dan

Shut Down Point (SDP) sebesar 26,1336% kapasitas. Discounted Cash Flow Rate of

Return (DCFRR) sebesar 36,5813%.

Tabel 1 Kesimpulan Evaluasi Ekonomi

Kriteria Nilai Persyaratan Pustaka

ROI (b) dalam % 39,6447 Minimal 11% sebelum

pajak

Aries and

Newton, 1955

ROI (a) dalam % 15,8679 (untuk pabrik beresiko rendah)

POT (b) dalam tahun 2,0143 Maksimal 5 tahun sebelum

pajak

Aries and

Newton, 1955

POT (a) dalam tahun 3,8673

BEP dalam % 44,0718 40-60%

SDP dalam % 26,1336

DCFRR dalam % 36,5813 >1,5 Bunga pinjaman bank Mandiri (20%)

Dari hasil perhitungan analisis ekonomi diatas maka dapat diambil kesimpulan

bahwa dari segi ekonomi, pabrik butynediol ini layak untuk didirikan di Indonesia.

Gambar 6.2 Grafik Break Even Point dan Shut Down Point

G. KESIMPULAN

Pabrik butynediol digolongkan sebagai pabrik beresiko rendah karena ditinjau

dari segi sifat bahan baku dan produk yang tidak membahayakan dan kondisi operasinya

tidak terlalu tinggi.

Berdasarkan analisis ekonomi terhadap pabrik memberikan hasil sebagai berikut :

1. Keuntungan sebelum pajak (Pb) sebesar Rp 41,389,710,474.34 /tahun.

Keuntungan sesudah pajak (Pa) sebesar Rp 16,555,884,189.74 /tahun.

2. ROI sebelum pajak sebesar 39,6447%

ROI sesudah pajak sebesar 15,8679%.

Syarat :ROI minimum untuk pabrik beresiko rendah adalah 11% (Aries dan

Newton, 1955).

3. POT sebelum pajak (POTb) selama 2,0143 tahun

POT sesudah pajak (POTa) selama 3,8697 tahun

Syarat : Batas maksimum untuk pengembalian modal adalah selama 5 tahun

(Aries dan Newton, 1955).

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Mily

ar (R

upia

h)/ta

hun

Kapasitas produksi/tahun (%)

Grafik Parameter Analisis Ekonomi

SDP BEP0.3R

a

SaRa

Va

Fa

4. Break Even Point (BEP) sebesar 44,0718%

5. Shut Down Point (SDP) sebesar 26,1336%

Syarat : Nilai BEP untuk pabrik kimia umumnya berkisar antara 40-60%.

6. Discounted Cash Flow Rate of Return (DCFRR) sebesar 36,5813%.

Syarat: Nilai minimum DCFRR sebesar 1,5 x bunga bank. Dimana bunga bank

saat ini diantara 10-14%

Dari data di atas maka dapat disimpulkan pabrik butynediol ini layak untuk didirikan.

 

DAFTAR PUSTAKA

Chang F. W. , J.M. ,Chen & J. C. Guo, The Ethynylation Kinetic of Formaldehyde, Chem. Eng. Sci. , Vol 47, 1992.

Kirk, R. E., and Othmer, D.F., 1952, Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd

ed., Vol. 1, The Inter Science Encyclopedia, Inc., New York.

Moore, W. P., 1960, Process for Butynediol, available at http://patft.uspatentonline.com/ accessed on 25/04/2006.

Speight, J. G., 2002, Chemical and Process Design Hand Book, Mc Graw Hill Book Co., Inc., New York.

Ullman, 1989, Ullman’s Encyclopedia of Indutrial Chemistry, Vol. A-16, Interscience Encyclopedia, Inc., New York.