Ekonomi Teknik Kimia

Process Design Development

Disusun oleh :

Ir. H. Abdullah Saleh, M.Si., M.Eng.

Jurusan Teknik KimiaFakultas Teknik

Universitas Sriwijaya2014

1

CHAPTER 2 Process Design Development

I. PROSEDUR DESAIN-PROYEK

Pengembangan proyek desain selalu dimulai dengan ide awal atau rencana. Ide

awal ini harus dinyatakan dengan jelas dan ringkas untuk menentukan ruang lingkup

proyek. Spesifikasi umum dan laboratorium yang bersangkutan atau data teknik kimia

harus disajikan bersama dengan ide awal.

I.1. Jenis Desain

Metode yang digunakan untuk melaksanakan sebuah desain proyek dapat

diklasifikasikan dalam beberapa tahap, berdasarkan akurasi dan detail data yang

dibutuhkan.

1. Desain awal atau cepat-estimasi

Jenis desain ini biasanya digunakan sebagai dasar untuk menentukan apakah

pekerjaan lebih lanjut harus dilakukan pada proses yang diusulkan. Desain didasarkan pada

metode proses perkiraan, dan perkiraan biaya kasar. Beberapa Rincian disertakan, dan

waktu yang dihabiskan untuk perhitungan disimpan dalam bentuk minimal.

2. Desain rincian perkiraan

Jika hasil dari desain awal menunjukkan bahwa pekerjaan lebih lanjut dibenarkan,

desain rincian perkiraan dapat dikembangkan. Pada tahap ini, potensi biaya dan profit dari

proses yang akan didirikan ditentukan dengan analisa mendetail dan perhitungan

matematis.

3. Desain detail proses

Ketika desain rincian proses menunjukkan bahwa proyek yang diusulkan dapat

sukses secara komersil, langkah terakhir sebelum mengembangkan konstruksi rencana

pabrik adalah persiapan desain proses secara rinci. Lengkap spesifikasi disajikan untuk

semua komponen pabrik, dan biaya yang akurat berdasarkan harga pasar diperoleh.

I.2. Kelayakan Survey

2

Sebelum pekerjaan rinci yang dilakukan pada desain, teknis dan ekonomi faktor

dari proses yang diusulkan harus diperiksa. Berbagai reaksi dan proses fisik yang terlibat

harus dipertimbangkan, bersama dengan ada dan kondisi pasar yang potensial untuk

produk tertentu. Sebuah survei awal memberikan indikasi proyek sukses dari kemungkinan

dan juga menunjukkan informasi tambahan yang diperlukan untuk membuat evaluasi yang

lengkap. Berikut ini adalah daftar item yang harus dipertimbangkan dalam membuat

kelayakan suatu survei :

1. Bahan baku (ketersediaan, kuantitas, kualitas, biaya)

2. Termodinamika dan kinetika reaksi kimia yang terlibat (ekuilibrium, hasil, harga,

kondisi optimum)

3. 3 Fasilitas dan peralatan yang tersedia saat ini

4. Fasilitas dan peralatan yang harus dibeli

5. Estimasi biaya produksi dan total investasi

6. 6 Keuntungan (kemungkinan dan optimal, per pon produk dan per tahun, pulang on

investment)

7. 7 Bahan konstruksi

8. 8 pertimbangan keselamatan

9. Pasar (supply sekarang dan masa depan dan permintaan, pemanfaatan kini,

penggunaan baru, kebiasaan membeli ini, kisaran harga untuk produk dan produk,

karakter, lokasi, dan jumlah pelanggan mungkin)

10. 10 Persaingan (statistik produksi secara keseluruhan, perbandingan berbagai proses

manufaktur, spesifikasi produk pesaing)

11. 11 Sifat produk (kimia dan sifat fisik, spesifikasi, kotoran, efek penyimpanan)

12. 12 Penjualan dan layanan purna jual (metode penjualan dan distribusi, iklan

diperlukan, layanan teknis yang diperlukan)

13. pembatasan Pengiriman dan kontainer

14. Tanaman lokasi

15. situasi Paten dan pembatasan hukum

I.3. Pengembangan Proses

Pada beberapa kasus, studi kelayakan awal menunjukan riset tambahan,

laboratorium, dan datapilot plantdiperlukan, sehingga dibentuk sebuah program untuk

3

melengkapi kekurangan data tersebut. Pengembangan proses berdasarkan data pilot plant

biasanya dibutuhkan untuk mendapat data desain yang akurat.

Informasi berharga pada bahan dan energi saldo dapat diperoleh, dan kondisi

proses dapat diperiksa untuk memasok data pada suhu dan tekanan variasi, hasil, tarif, nilai

bahan baku dan produk, bets dibandingkan operasi terus-menerus, bahan konstruksi,

karakteristik operasi, dan variabel desain terkait lainnya.

I.4 Desain

Langkah awal untuk mempersiapkan desain awal, yaitu dengan menentukan basis

desain. Spesifikasi produk dan ketersediaan bahan baku, desain dapat dikontrol melalui

berbagai variabel seperti faktor operasi tahunan, temperatur air pendingin, tekanan uap

yang tersedia, bahan bakar yang digunakan, dan lain – lain.

Langkah selanjutnya adalah menyederhanakan diagram alir proses yang terlibat dan

menentukan unit operasi yang dibutuhkan. Prinsip unit proses yang digunakan pada desain

untuk bagian tertentu peralatan. Spesifikasi peralatan secara umum disajikan dalam bentuk

tabel dan dilengkapi laporan desain final.

1. Columns (distilasi). Selain jumlah piring dan operasi kondisi itu juga diperlukan

untuk menentukan diameter kolom, bahan konstruksi, tata letak piring, dll

2. Kapal. Selain ukuran, yang sering ditentukan oleh waktu perampokan diinginkan,

bahan konstruksi dan kemasan atau membingungkan harus ditentukan.

3. Reaktor. Jenis katalis dan ukuran, diameter tidur dan ketebalan, fasilitas panas

pertukaran, siklus dan regenerasi pengaturan, m? Terials konstruksi, dll, harus

ditentukan.

4. Heater atau furnace. Produsen biasanya disertakan dengan tugas, dikoreksi log

mean-perbedaan suhu, persen menguap, penurunan tekanan yang diinginkan, dan

bahan konstruksi.

5. Pompa dan kompresor. Tentukan jenis, kebutuhan daya, perbedaan tekanan,

gravitasi, viskositas, dan tekanan kerja.

6. Peralatan khusus. Spesifikasi untuk mekanik pemisah, mixer, pengering, dll

4

Desain Awal dan proses pengembangan awal memberikan hasil yang dibutuhkan

untuk desain rincian perkiraan. Faktor – faktor berikut merupakan variabel yang harus

dipersiapkan sebelum batas akhir pembuatan desain rincian perkiraan :

1. Proses Produksi

2. Neraca Panas dan Massa

3. Range Temperatur dan Tekanan

4. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk

5. Konversi, laju reaksi, dan waktu siklus

6. Sistem Utilitas

7. Lokasi Pabrik

I.5. Konstruksi dan Operasi

Selama proses konstruksi pabrik berlangsung, insinyur teknik kimia diharapkan

untuk mengunjungi lokasi konstruksi dengan tujuan membantu interpretasi pabrik dan

mempelajari metode untuk pengembangan desain yang selanjutnya agar berproduksi lebih

optimum.

II. INFORMASI DESAIN DARI LITERATUR

II.1. Diagram Alir

Insinyur teknik kimia menggunakan diagram alir untuk menampilkan urutan

peralatan dan unit operasi pada keseluruhan proses, untuk menyederhanakan tampilan

proses produksi, dan untuk mengindikasikan kuantitas neraca panas serta neraca massa.

Diagram ini dapat dibagi menjadi tiga jenis umum,

1. Diagram alir kualitatif

2. Diagram alir kuantitatif

3. Diagram alir gabungan-detail

Berikut adalah contoh diagram alir kualitatif dan kuantitatif pada proses produksi Asam

Nitrat dengan proses Oksidasi Ammonia.

5

Flow diagram kualitatif menyediakan basis referensi yang menyediakan spesifikasi

peralatan, data kuantitatif, dan contoh perhitungan. Flow diagram kualitatif tentu tidak

kehilangan keefektifannya dengan adanya informasi yang berlimpah, sehingga data yang

diperlukan siap tersedia pada tabel pendukung.

6

Gambar 2. Contoh Diagram Alir Kuantitatif

Flow diagram kuantitatif menyediakan basis referensi yang menyediakan data

kuantitatif, contoh perhitungan, tanpaspesifikasi peralatan. Flow diagram kualitatif tentu

tidak kehilangan keefektifannya dengan adanya informasi yang berlimpah, sehingga data

yang diperlukan siap tersedia pada tabel pendukung.

7

II. 2. Desain Awal

Dalam rangka memperkuat pernyataan sebelumnya, pada bagian ini akan

membahas prosedur desain proyek. Pada bagian ini, lebih arif apabila kita memperhatikan

dengan seksama desain spesifik awal. Pada bagian desain awal proyek, maka dibutuhkan

dua faktor yaitu :

1. Problem Statement

2. Survey Literatur

II.3. Neraca Massa dan Neraca Panas

Berikut merupakan contoh perhitungan Neraca Massa pembuatan dodecylbenzene

sulfonatedengan basis 300 hari produksi dan konversi produk sebesar 85%.

Gambar 3. Contoh Perhitungan Neraca Massa

8

Setelah Neraca Massa dibuat maka, data kuantitas massa dapat diolah untuk

menghasilkan Neraca Panas peralatan.

Gambar 4. Diagram Alir Kuantitatif pembuatan Deterjen

II.4. Desain dan Pemilihan Peralatan

Desain peralatan pada tahap awal proses evaluasi melibatkan penentuan ukuran

peralatan dalam satuan volume, laju alir per satuan waktu, dan luas permukaan. Berikut

merupakan contoh perhitungan pada desain dan permilihan peralatan unit Alkilasi.

Contoh Perhitungan Pemilihan dan Desain Peralatan pada Unit Alkilasi

9

Diasumsikan siklus 4h dan operASI alkilator pada tekanan dan temperatur konstan secara

berturut-turut 115of

Dan 1 atm. Volume reaktan perhari(dengan faktor keamanan 10%) adalah ;

Jika reaktor penuh sebanyak 75% pada tiap siklus, volume reaktor yang dibutuhkan adalah

Penghitungan Panas Reaksi

Panas pembentukan (delta Hf) dodecylbenzene dan dodecene dievaluasi menggunakan

teknik termokimia standar yang diuraikan dalam buku termodinamika engineering, panas

pembentukan benzene tersedia dalam literatur.

sehingga,

Diasumsikan panas reaksi dilepaskan pada 3 h dari siklus 4 h (1/6 dari 1 hari operasi):

Gunakan perbedaan temperatur 10O F untuk air pendingin untuk menemukan massa air

pendingin yang dibutuhkan untuk menghilangkan panas reaksi.

10

Laju alir volumetrik adalah 42.3 gpm. Pilih pompa sentrifugal 45- gpm konstruksi baja

karbon.

Luas perpindahan panas yang dibutuhkan untuk mendinginkan reaktor

Diasumsikan air yang masuk suhu 80o F dengan peningkatan suhu 10 oF. Koefisien

perpindahan panas secara keseluruhan yang masuk akal untuk tipe perpindahan panas

dapat dihitung 45 Btu/(h)(ft2)(of)

Reaktor berpengaduk 1300 gal diperkirakan 160 ft2 luas jaket. Oleh karena itu, luas

permukaan yang tersedia cukup untuk menjaga kondisi isothermal dalam reaktor.

Ukuran storage tank

Tersedia simpanan benzene dan dodecene untuk 6 hari:

Pilih tanki baja karbon 10000 gal untuk penyimpanan benzene dan tanki baja karbon 25000 gal untuk penyimpanan dodecene.

Tersedia holding tank storage untuk 1 hari:

Vholding = 5918 gal

Pilih tanki baja karbon 6000 gal untuk holding tank.

Pengukuran pompa lainnya

Tersedia pengisian benzen dan dodecene ke dalam reaktor dalam 10 menit:

11

Pilih pompa sentrifugal 30 gpm, konstruksi baja karbon

Tabel 1. Spesifikasi Peralatan pada Unit Alkilasi

Pilih pompa sentrifugal 70 gpm, konstruksi baja karbon.pompa alkilate digunakan untuk

memindahkan alkilate dari holding tank ke fraksionator benzene harus beroperasi secara

kontinu. Sehingga,

Pilih pompa positive displacement 10 gpm, konstruksi baja karbon disimpulkan alat yang

dibutuhkan untuk unit alkilasi dalam desain proses persiapan ini tersedia dalam tabel 1.

Persiapan daftar peralatan yang serupa unuk unit proses yang lain lengkap dengan

pemilihan dan desain peralatan pada fase desain permulaan. Gmabar 2-5 menampilkan

diagram peralatan sederhana untuk proses yang diusulkan dan meliputi spesifikasi ukuran

atau kapasitas setipa bagian pralatan proses .

II.5. Ekonomi

Biaya pembelian untuk setiap bagian peralatan proses boleh diestimasikan dari data

biaya yang di publish atau buletin pabrikan yang tepat. Tanpa memperhatikan sumber data

biaya pembelian yang di publish harus slalu dikoreksi untuk indeks biaya terbaru. Prosedur

ini digambarkan secara detail pada bab 6 untuk unit alkilasi biaya pembelian peralatan

12

dapat diestimasikan menggunakan informasi spesifikasi peralatan pada tabel 1 dan data

biaya diperkenalkan pada bab 14 melalui 16 pada buku ini.. tabel 2 menampilkan biaya

terbaru untuk 1 january 1990. Investasi fixed-capital yang dibutuhkan untuk proses

pabrikasi detergen nonbiodegredable dapat diestimasikan dari biaya pembelian peralatan

total menggunakan metode rasio biaya peralatn pada tabel 17 bab 6. Biaya pembelian

peralatan total ditunjukan di tabel 3 dan dasar untuk perkiraan pengolahan biaya fixed-

capital ditunukan pada tabel 4.

Kesalahan yang mungkin terjadi dalam metode perkiraan investasi fixed-capital ini

sebanyak 30%. Evaluaasi kebutuhan utilitas dan pengoperasian laboratorium untuk proses

harus dibuat sebelum biaya produk total dapat diestimasikan. Detail untuk evaluasi biaya

dan produksi langsung ditunjukan pada bab 6 dan apendix b. Perkiraan biaya produk total

untuk pabrikasi untuk 15 juta ton pertahun detergen didasarkan pada metode yang

dijelaskan dalam bab 6 table 5.

Biaya produk total yang telah diestimasikan, grup desain di salah satu posisi untuk

mengevaluasi management proses yang ditujukan menggunakan pengukuran profitabilitas

sebagai rate of return, payout time atau present worth. Metode yang ada secara penuh

ditunjukan pada bab 10.

13

Gambar 5. Diagram Peralatan yang telah disederhanakan pada proses produksi deterjen

14

15

II.6. Kesimpulan

Desain permulaan dikenalakan pada subbab ini dikembangkan untuk menunjukan

pendekatan logika langkah demi langkah yangmana sering diikuti untuk setiap desain

proses yang baru. Prosedur yang tepat dapat diubah dari prusahaan ke perusahaan dan dari

insinyur desain ke lainnya. Demikian juga asumsi dan faktor rule of tumb yang digunakan

dapat diubah dari 1 perusahaan ke pengaruh selanjutnya untuk perluasan yang besar di

pengalaman desain dan kebijakan perusahaan. Namun , langkah dasar untuk desain proses

diuraikan di desain perusahaan mencakup pabrikasi peralatan rumah tangga biasa

16

Tidak ada usaha yang telah dibuat untuk menampilkan desain secara lengkap.

Faktanya, memperkecil panjang,banyak asumsi dibuat yangmana akan diverifikasi atau

dibenarkan pada desain proses normal. Tidak ada solusi alternatif yang diusulkan survei

literatur.

III. PERBANDINGAN TERHADAP BERBAGAI PROSES

Demi keberlangsungan suatu desain proyek salah satu hal yang penting adalalah

menentukan proses yang paling sesuai untuk mendapatkan produk. Beberapa tipe proses

produksi tersedia untuk membuat material produksi yang sama, dan perbandingan terhadap

beberapa proses dilakukan untuk mendapatkan kondisi optimum.

Perbandingan dapat diselesaikan melalui pengembangan desain akhir. Pada

beberapa kasus, seluruh proses dapat dieliminasi dengan menyisakan satu atau dua proses

yang paling sesuai dengan beban perbandingan terhadap variabel tambahan dan

perhitungan pada detail desain untuk setiap proses tidak diperlukan. Hal-hal di bawah ini

merupakan faktor yang harus diperhitungkan untuk perbandingan :

1. Faktor Teknis

a. Fleksibilitas Proses

b. Operasi Kontinyu

c. Keterlibatan Kontrol Spesial

d. Konversi Komersial

e. Keterlibatan Tenaga Ahli

f. Kebutuhan Energi

g. Probabilitas Pengembangan pada masa mendatang

h. HSE

2. Bahan Baku

a. Ketersediaan pada masa kini dan yang akan datang

b. Proses Pengolahan yang dibutuhkan

c. Kebutuhan Pergudangan

d. Penanganan Material Bahan Baku

3. Limbah dan Produk Samping

a. Jumlah yang dihasilkan

b. Nilai Ekonomi

17

c. Pangsa Pasar dan Kegunaan

d. Cara Pembuangan

e. Apek Lingkungan

4. Peralatan

a. Ketersediaan

b. Material Konstruksi

c. Biaya Awal

d. Biaya Instalasi dan Perawatan

5. Lokasi Pabrik

a. Luas area yang diperlukan

b. Fasilitas Transportasi

c. Jarak dengan pasar dan sumber bahan baku

d. Ketersediaan Tenaga Kerja

e. Iklim

f. Batasan Hukum dan Pajak

6. Biaya

a. Bahan Baku

b. Energi

c. Depresiasi

d. Biaya Tetap lainnya

e. Pengelolaan dan Pengeluaran

f. Kebutuhan Tenaga Kerja Khusus

g. Real Estate

h. Hak Paten

i. Pengendalian Lingkungan

7. Faktor Waktu

a. Deadlinepenyelesaian proyek

b. Pengembangan Proyek yang dibutuhkan

c. Aktualitas Pasar

d. Kurs Mata Uang

8. Pertimbangan Proses

a. Ketersediaan Teknologi

b. Bahan Baku yang dapat digunakan pada proses lain

18

c. Konsistensi Produk pada Perusahaan

d. Tujuan Umum Perusahaan

III.1 Operasi Batch versus Kontinyu

Apabila melakukan perbandingan terhadap beberapa proses, pertimbangan akan

selalu diarahkan pada keuntungan menggunakan proses kontinyu atau batch. Pada

beberapa kasus, biaya tetap dapat dikurangi dengan menggunakan operasi kontinyu

dibandingkan dengan batch. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor seperti jumlah tenaga

kerja yang lebih sedikit, dan pengendalian peralatan serta mutu produk akhir dapat terjaga.

IV. SPESIFIKASI DAN DESAIN PERALATAN

Tujuan utama merancang pabrik adalah mengembangkan dan memberikan pabrik

lengkap yang dapat beroperasi secara efektif di industri. Untuk itu insinyur teknik kimia

harus mampu dalam merancang dan menggabungkan antara unit satu dengan unit lainnya

sehingga pabrik dapat beroperasi dengan lancar sesuai dengan kebutuhan industri. Setiap

alat memiliki fungsinya masing-masing sesuai keperluan untuk itu desain alat sangat

penting dalam mendesain pabrik. Dalam pemilihan peralatan insinyur teknik kimia perlu

mengetahui spesifikasi dari alat yang akan dirancang sesuai dengan kebutuhan yang akan

digunakan dalam suatu industri tertentu. Pemilhan bahan konstruksi tersebut harus sesuai

standar dan diakui perkembangannya.

IV.1 Desain Scale-Up

Bila data yang akurat tidak dapat ditemukan pada literatur, membuat tes pilot-

plantyang mungkin diperlukan untuk membantu dalam merancang peralatan pabrik yang

lebih efektif. Namun, hasil tes tersebut harus ditingkatkan kapasitasnya. Seorang insinyur

teknik kimia harus mengetahui keterbatasan metode scale-updan mampu dalam memilih

variabel desain yang penting. Data dari pilot-planthampir diperlukan secara keseluruhan

kecuali untuk informasi yang spesifik telah tersedia untuk jenis bahan dan kondisi operasi

yang terlibat. Peralatan konvensional seperti heat axchangers, pumps, distillation columns,

dan jenis alat lainnya dapat dirancang secara memadai tanpa menggunakan data dari pilot-

plant.

19

Dalam desain peralatan diperlukan analisis faktor penting dari berbagai jenis

peralatan yang secara lengkap ditunjukkan pada Tabel 6. Dimana tabel tersebut

menunjukkan variabel utama yang mencirikan ukuran atau kapasitas scale-up maksimum.

IV.2 Faktor K3L

Beberapa contoh faktor keamanan yang direkomendasikan untuk desain peralatan

ditunjukkan pada tabel 6. Faktor-faktor tersebut menyajikan jumlah over desain yang

mungkin digunakan pada laporan perubahan kondisi operasi pada setiap waktu.

Pada desain perkerjaan secara umum, besaran faktor keamanan diatur melalui

konsiderasi ekonomi dan pasar, akurasi desain data, dan kalkulasi pada desain.

20

21

IV.3 Spesifikasi

Secara umum untuk desain peralatan dapat dipilih peralatan standar yang

memungkinkan. Produsen dapat memberikan ukuran yang diinginakan sesuai ketersedian.

Produsen biasanya dapat memberikan harga yang relatif murah dan berkualitas tinggi

dengan jaminan yang baik untuk peralatan standar. Insinyur teknik kimia tidak bisa

menjadi ahli pada semua peralatan di pabrik- pabrik industri. Oleh karena itu perlu

pengalaman dari orang lain. Produsen yang ahli dalam jenis peralatan tertentu dapat

memberikan informasi mengenai keahliannya dalam jenis peralatan tersebut. Sehingga

dalam merancang peralatan insinyur perlu memberikan spesifikasi awal pada produsen

dengan mengevaluasi kebutuhan desain yang diperlukan. Spesifikasi awal diperlukan

sebagai dasar dari penyusunan spesifikasi akhir. Dimana spesifikasi awal dari peralatan

harus menunjukkan hal – hal berikut ini :

1. Identifikasi

2. Fungsi

3. Operasi

4. Bahan yang ditangani

5. Data dasar desain

6. Pengendali ( kontrol penting )

7. Kebutuhan isolasi

8. Toleransi yang diizinkan

9. Informasikhusus danrincianyang berkaitan denganperalatankhusus, seperti

bahankonstruksitermasukgasket, instalasi, tanggal pengiriman yang diperlukan,

mendukung, dan rincian desain khusus atau komentar.

Selanjutnya spesifikasi akhir dapat disiapkan insinyur, namun diperlukannya saran

dari produsen dalam perubahan desain dasar sehingga dapat mengurangi biaya awal dan

tidak mengurangi keefektifan dari peralatan.

IV.5 Material Konstruksi

Hal yang harus dipertimbangkan dalam mendesignchemical plants dan

equipmentnya adalah pengaruh dari korosi dan erosi. Pengaruh dari korosi dan erosi itu

berhubungan dengan material konstruksi yang digunakan untuk mendesign chemical plants

dan equipmentnya sehingga perlu diketahui dengan tepat bagaimana chemical resistance

dan sifat fisika dari material konstruksi tersebut. Suatu material konstruksi tidak akan

22

terpengaruh oleh korosi jika kontak langsung dengan lingkungan namun akan terpengaruh

dengan erosi akibat adanya aliran fluida atau pergerakan substansi (zat) secara terus

menerus.

Ada beberapa faktor yang harus diperhatikan dalam pemilihan akhir suatu material

konstruksi:

1. Kekuatan material (strength)

2. Resistance to physical or thermal shock

3. Biaya (cost)

4. Ease of fabrication (mudah pembuatannya)

5. Necessary maintenance

6. General type of service required; including operating temperature and pressure

agar lebih menyakinkan lagi dalam pemilihan material konstruksi setelah

mempertimbangkan 6 hal diatas, dapat dilanjutkan dengan mencari literature material

konstruksi untuk mendesign peralatan proses suatu zat dan bisa dengan uji laboratorium

yang mampu mengindikasikan bagaimana ketahanan korosi suatu material serta produk

yang dihasilkan setelah selama proses terjadi berkontak langsung dengan material

konstruksi alatnya.

23

DAFTAR PUSTAKA

Peters, Max S. 1991. PlantDesign and Economics for Chemical Engineer 4th Edition. McGrawHill : University of Colorado.

24