bab ii deskripsi proses 16repository.ump.ac.id/6462/4/tri yoko bab ii.pdfbab ii deskripsi proses 19...

Bab II Deskripsi Proses

16

BAB II

DESKRIPSI PROSES

2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk

2.1.1 Spesifikasi Bahan Baku

Butana

Bentuk : cair jenuh

Warna : jernih

Kemurnian : minimal 99%

Impuritas : maksimal 1% propana

Density : 600 kg/m3

oksigen

Kadar : 23,2 % berat dari udara.

: 20,946 % mol.

Warna : jernih

Bm : 31,999 g/mol

Volume jenis : 0,7 m3/kg

Titik didih : - 182,98 0C

Titik beku : - 218,79 0C

Temperatur kritis : - 118,57 0C

Tekanan kritis : 50,43 bar

Volume kritis : 73,4 cm3/mol

Pra Rancangan Pabrik..., Tri Yoko Biantoro, Fak. Teknk UMP 2010


17

Density cair : 0,8 kg/m3

Density gas : 1,4292 kg/m3

2.1.2 Spesifikasi Bahan Pembantu

Katalis Mangan

Bentuk : padatan / metal

Warna : silvery metallic

Berat atom : 54.938045

Fase : solid at 298 K

Density : 7470 kg/m3

Melting point : 1519 K atau 1246 oC

Boiling point : 2334 K atau 2061 oC

Thermal conductivity : 7,8 W/m.K

2.1.3 Spesifikasi Produk

Asam Asetat

Bentuk : cair jenuh

Warna : jernih

Kemurnian : minimal 99,85 %

Impuritas : maksimal 1 % asam format

Density : 1049 kg/m3



18

2.2 Konsep Proses

2.2.1 Dasar Reaksi

Pada proses pembuatan asam asetat dengan proses oksidasi n-butana

didasarkan pada reaksi sebagai berikut:

C4H10 + 5/2 O2 2 CH3COOH + H2O

Asam asetat yang dihasilkan mempunyai kemurnian 99,85 %. Katalis yang

digunakan adalah manganese asetat liquid.

2.2.2 Mekanisme Reaksi

Mekanisme reaksi pembentukan asam asetat dari n-butana dan oksigen

dengan katalis manganese asetat adalah sebagai berikut :

H5C2-C2H5 + 2 Mn3+ C2H8* + 2 H+ + 2 Mn2+

C2H8* + 5/2 O2 C2H8O5*

C2H8O5* + 2 H+ + 2 Mn2+ 2 CH3COOH + H2O + 2 Mn3+

Reaksi yang terjadi melibatkan bahan baku dan katalis manganese asetat

yang berfungsi sebagai inisiator, yang akan mengarahkan pembentukan radikal

bebas. Radikal bebas yang terbentuk akan mengikat oksigen dari udara. Kemudian

dengan bantuan katalis akan terbentuk asam asetat.

2.2.3 Kondisi Operasi

Reaksi pembentukan asam asetat merupakan reaksi fase cair dengan

kondisi operasi pada tekanan 50 atm dan suhu 180oC. Kondisi operasi dipilih

berdasarkan pertimbangan :



19

2.2.3.1 Tinjauan Thermodinamika

Dilihat dari reaksi pembentukan asam asetat :

C4H10 + 5/2 O2 CH3COOH + H2O 180oC, 50 atm

n-butana oksigen asam asetat air

H298 = -986,030 kJ/mol

Tanda negatif menunjukkan bahwa reaksi antara n-butana dengan oksigen yang

membentuk asam asetat adalah reaksi eksotermis.

Dilihat dari energi bebas Gibbs (Gfo)

Data yang dibutuhkan :

No. Komponen ∆H (J/mol) ∆G (J/mol)

1.

2.

3.

N- Butane

Asam Asetat

Air

- 125.790

- 484.500

- 285.820

-16.570

- 389.900

- 237.129

(Smith-Van Ness, sixth edition)

Gf 298o = Gf

o produk - Gfo reaktan

= (-237.129 kJ/mol) + (2 x – 389.900 kJ/mol) – (- 16.570 kJ/mol)

= - 1000359 J/mol

K453,15 = exp [ - Gfo/RT ]

= exp [ 1000359 J/mol / (8,314 J/ gmol x 298.15)]

= exp 403,563

Untuk T = 180 + 273.15 = 453.15 K



20

∆ Cp dT R T

Τ+ 1 2

∆Gf453.15o

RT ∆Gf298 - ∆H0

RT0 ∆H0 RT

1 T

∆Cp R

∆Cp dT R T

T

∫ = ∆A ln τ +[∆B T0 + (∆CT02 + )( )] (τ-1)

To

(Smith-Van Ness, sixth edition) (13.19) T

∫ dT = ∆AT0 (τ -1) + T02 (τ2 -1) + T0

3 (τ3 -1) + ( )

To

(Smith-Van Ness, sixth edition) (14.19)

T T

= + + ∫ dT - ∫ T0

T0

(Smith -Van Ness, sixth edition)

Dengan data sebagai berikut :

∆A = - 2,0625 ; ∆B = - 36.93 x 10 -3 ; T = 453.15 ; τ = 1.52

∆C = 11.222 x 10 -6 ; ∆D = 0.5675 x 10 5 ; T0 = 298.15 ; ∆H0 = - 1129040

Karena harga (K) sangat besar berarti laju reaksi ke kanan (k1) jauh lebih besar

daripada reaksi ke kiri (k2), sehingga dapat dikatakan reaksi adalah irreversible.

2.2.3.2 Tinjauan Kinetika

Pertama-tama gas dilarutkan ke dalam cairan, kemudian keduanya harus

menyebar atau bergerak ke permukaan katalis untuk bereaksi hingga tahan untuk

berpindah atau terjadi pada antarmuka gas-cairan dan kemudian ke permukaan

padatan. Penjelasan diatas menyatakan kecepatan secara umum.

Untuk mengembangkan persamaan kecepatan , mari kita gambarkan teori

dua lapis film dan menggunakannya berdasarkan tatanama.

∆ D

τ2T02

∆ Cp

R∆B 2

∆C 3

∆D T0

τ – 1 τ



21

(Levenspiel, Third Edition)

(Levenspiel, Third Edition)

Dari gambar 22.2 , kita dapat menulis persamaan kecepatan :

-rA’’’= ρAg

Ket :

έA= Faktor efektifitas untuk reaksi orde pertama dari A dengan persamaan

kecepatan (kA’’’ CB)

1

1 kAg ai

HA kAl ai

HA kAc ac

HA (kA

’’’ CB) έA ƒs + + +



22

Hukum konstanta Henry : HA = ρA / CA

Dalam hubungan ini :

- ra’ = kecepatan reaksi pembentukan asam asetat

k’ = konstanta kecepatan reaksi = 1.77 x 10-5 m3/kg.s

Data yang dibutuhkan :

Gas stream : vg = 0.01 m3/s ; HA = 86000 Pa.m3/mol.

Liquid stream : vl = 2 x 10-4 m3/s ; CBo = 400 mol/m3

Catalyst : dp = 5 mm = 5 x 10-3m ; ρs = 1800 kg/m3

De = 4.16 x 10-10 m3/m.cat.s

Kinetik : kAgai = 3 x 10-4 mol / m3.Pa.s; kAlai = 0.02 s-1; kAc = 3.86 x 10-4 m/s

2.3 Diagram Alir Proses

2.3.1 Diagram Alir Proses



23

2.3.2 Langkah Proses

Proses pembuatan asam asetat melalui proses oksidasi n-butana dengan

menggunakan katalis manganese acetat secara umum digolongkan menjadi tiga

tahap, yaitu :

1. Tahap penyiapan bahan baku

2. Tahap pembentukan produk

3. Tahap pemurnian

1. Penyiapan Bahan Baku

Bahan baku n-butana disimpan dalam kondisi cair pada T= 30 oC dan

tekanan 3 atm pada tangki penyimpan (T-01). N-butana fresh dialirkan dengan

pompa menuju reaktor dengan melewati (HE-01) untuk menaikkan suhu dari

30oC menjadi 180 oC dan tekanan 50 atm.

Bahan baku udara dikompresikan dengan kompressor 3 stage untuk

menaikkan tekanan menjadi 50 atm. Kompressor multistage tersebut dilengkapi 2

intercooler sehingga suhu dapat terjaga pada 180 oC.

2. Tahap Pembentukan Produk

Aliran arus keluar dari Heat Exchanger pertama (HE-01) yang berisi n-

butana fresh dimasukkan ke dalam reaktor yang telah berisi katalis manganese

acetat. Kemudian disemprotkan udara dengan tekanan 50 atm melewati cairan

tersebut sehingga terjadi reaksi pembentukan asam asetat.

Jenis reaktor yang dipakai adalah bubble reaktor dengan berpendingin air,

mengingat reaksi yang bersifat eksotermis yang menghasilkan panas.



24

Reaktor bekerja secara non isotermal non adiabatis. Suhu reaktor

dipertahankan dengan aliran air pendingin yang disirkulasi di shell. Suhu reaksi

dipertahankan sekitar 180 oC untuk mempertahan reaksi tetap berlangsung pada

fase cair sehingga mempertahankan yield pada kondisi yang diinginkan. Jika suhu

reaksi terlalu rendah maka yield akan kurang daripada yang diharapkan, dan bila

suhu terlalu tinggi maka akan merusak katalis manganese asetat. Suhu keluar

reaktor 217 oC. Selanjutnya produk dari reaktor di alirkan ke condensor untuk

dikondensasikan sebelum dimasukkan ke dalam flash drum (FD-01).

3. Tahap Pemurnian

Produk dari kondensor dilewatkan ke flash drum (FD-01), untuk

memisahkan senyawa condesable (as.asetat, as format, air, dan methanol) dan non

condesable (oksigen, karbon dioksida, nitrogen, dan propana). Senyawa

condesable dialirkan ke separator vessel untuk memisahkan n-butana dan

asetaldehid dengan dasar perbedaan densitas. Keluaran separator vessel ada dua,

keluaran yang memiliki densitas kurang dari 1 (n-butana) ditampung ke tangki

penyimpanan kedua (T-02), sedangkan keluaran yang memiliki densitas lebih dari

1 menuju kolom destilasi kesatu (D-01).

Kemudian setelah keluar dari separator vessel, campuran produk

dipanaskan dahulu di dalam Heat Exchanger (HE-02) sehingga suhunya sekitar

110oC sebelum dimasukkan ke dalam kolom destilasi. Dalam kolom destilasi

kesatu (D-01), dengan komponen kunci ringan yaitu air dan asam format sebagai

kandungan terbanyak dalam hasil atas yang kemudian dibuang ke Unit

Pengolahan Limbah (UPL). Sedangkan hasil bawah dengan komponen kunci berat



25

asam asetat, yang berisi campuran produk dipompa menuju tangki ketiga (T-03).

Hasil bawah menara destilasi yang mengandung asam asetat yang cukup banyak

(90%).



26

2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas

2.4.1 Neraca Massa

a. Neraca Massa di Sekitar Reaktor

Komponen

Input Output

Arus 1

(Kg/Jam)

Arus 2

(Kg/Jam)

Arus 3

(Kg/Jam)

N-Butana 8278,85 3961,26

Oksigen 5892,26 58,92

Nitrogen 19048,24 19048,24

Karbon Dioksida 203,18 203,18

Propana 82,79 82,79

Asam Asetat 8750,00

Asam Format 73,15

Air 1314,02

Methanol 13,71

Total

8361,64 25143,68 33505,28

33505,31

b. Neraca Massa di Flash Drum

Komponen

Input Output

Arus 3

(Kg/Jam)

Arus 4

(Kg/Jam)

Arus 5

(Kg/Jam)

N-Butana 3961,26 2253,82 1707,44

Oksigen 58,92 58,92 0,00

Nitrogen 19048,24 19048,24 0,00

Karbon Dioksida 203,18 203,18 0,00

Propana 82,79 82,79 0,00

Asam Asetat 8750,00 283,42 8466,58

Asam Format 73,15 4,51 68,63



27

Air 1314,02 70,30 1243,72

Methanol 13,71 2,50 11,22

Total

33505,28 22007,68 11497,60

33505,28

c. Neraca Massa di Separator Vessel

Komponen

Input Output

Arus 5

(Kg/Jam)

Arus 6

(Kg/Jam)

Arus 7

(Kg/Jam)

N-Butana 1707,44 1707,44

Asam Asetat 8466,58 8466,58

Asam Format 68,63 68,63

Air 1243,72 1243,72

Methanol 11,22 11,22

Total

11497,60 1707,44 9790,16

11497,60

d. Neraca Massa di Destilasi I

Komponen

Input Output

Arus 7

(Kg/Jam)

Arus 8

(Kg/Jam)

Arus 9

(Kg/Jam)

Asam Asetat 8466,58 370,64 8095,94

Asam Format 68,63 54,06 14,58

Air 1243,72 979,56 264,16

Methanol 11,22 11,22 0,00

Total

9790,16 1415,48 8374,68

9790,16



28

Neraca Panas

Dilampiran

2.5 Lay Out Pabrik dan Peralatan Proses

2.5.1 Lokasi Pabrik

Lokasi pabrik secara geografis akan sangat berpengaruh terhadap sukses

atau tidaknya kegiatan industri di pabrik tersebut. Suau pabrik sebaiknya

ditempatkan di suatu tempat diman biayanya distribusinya minimum. Tetapi

faktor-faktor lain seperti daerah ekspansi dan lingkungan juga harus

dipertimbangkan dalam menentukan lokasi pabrik.

Faktor-faktor yang harus diperhatikan dalam menentukan lokasi pabrik adalah :

- Persediaan bahan makanan - Persediaan buruh

- Pemasaran - Pajak dan peraturan daerah

- Sumber tenaga dan bahan bakar - Karakteristik temapt

- Iklim - Fasilitasi transportasi

- Masyarakat - Persediaan air

- Keamanan negara - Bahan-bahan buangan

- Perlindungan terhadap banjir dan kebakaran

Selain hal-hal diatas, di dalam menentukan lokasi suatu pabrik ada beberapa

orientasi, yaitu :

a. Orientasi kepada bahan mentah (Raw Material Oriented), yaitu penentuan

lokasi pabrik berdasarkan jarak antara bahan mentah dengan pabrik. Jadi

pabrik yang raw material oriented didirikan dekat sumber bahan mentah.



29

b. Orientasi pasar (Market Oriented), yaitu penentuan lokasi pabrik berdasarkan

atas jarak antara pabrik dengan daerah pemasaran hasil tersebut.

c. Junction oriented, yaitu penentuan lokasi pabrik berdasarkan atas jarak antara

pabrik dengan sumber bahan mentah dan jarak antara pabrik dengan pasar.

d. Dan orientasi-oientasi lain yang dapat menjadi pertimbangan.

Di dalam menentukan lokasi pabrik ada faktor lain yang perlu dipertimbangkan,

yaitu :

Upah buruh yang rendah

Pajak ringan

Dekat dengan sumber air

Dekat dengan sumber tenaga

Namun sifat-sifat bahan baku maupun produk juga digunakan sebagai

pertimbangan dalam menentukan lokasi pabrik. Misal pabrik dengan “weight

lossing”, dimana hasil produk jauh lebih ringan bila dibandingkan dengan bahan

bakunya, maka lokasi pabrik sebaiknya terletak didekat sumber bahan baku.

Sedangkan “weight gaining” dimana hasil jauh lebih berat bila dibandingkan

dengan bahan bakunya, maka pabrik terletak di daerah pemasaran.

2.5.2 Lay Out Pabrik

Setelah proses flow diagram disusun, sebelum desain pemipaan struktural

dan listrik dimulai, maka lay out proses pabrik dan peralatan harus direncanakan

terlebih dahulu.



30

Perencanaan lay out pabrik meliputi perencanaan storage area, proses area

dan handling area. Pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam lay out pabrik

adalah :

1. Tanah yang tersedia

2. Tipe dan kualitas produk

3. Kemungkinan pengembangan pabrik masa mendatang

4. Distribusi bahan baku, bahan jadi, air, listrik dan lain-lain

5. Keadaan lingkungan cuaca dan sosial

6. Keamanan terhadap bahaya kebakaran, peledakan, gas beracun dan bentuk

bangunan

7. Pengaturan terhadap penggunaan lantai ruangan dan elevasi

Secara garis besar lay out pabrik ini dibagi menjadi beberapa daerah utama yaitu :

1. Daerah administrasi/perkantoran, laboratorium dan ruang kontrol

Daerah administrasi merupakan pusat kegiatan administrasi pabrik yang

mengatur kelancaran operasi

Laboratorium dan ruang kontrol sebagai pusat pengendalian proses,

kuantitas dan kualitas bahan yang akan diproses serta produk yang akan

dijual.

2. Daerah proses

Merupakan daerah alat-alat proses diletakkan dan proses berlangsung

3. Daerah pergudangan umum dan garasi

4. Daerah utilitas



31

Merupakan daerah dimana terjadi kegiatan penyediaan air, listrik, steam, baan

bakar, dan unit pengolahan limbah.

Adapun perincian luas tanah sebagai bangunan pabrik dapat dilihat pada tabel

dibawah ini :

Tabel 2.1 Perincian Luas Tanah dan Bangunan Pabrik

No. Bangunan Ukuran (m) Luas (m2)

1 Pos Keamanan 8 x 5 x 5 200

2 Parkir 20 x 50 1000

3 Masjid 30 x 30 900

4 Bengkel 40 x 40 1600

5 Gudang 20 x 30 600

6 Kantor Pusat 40 x 70 2800

7 Daerah proses 70 x 80 5600

8 Utilitas 40 x 80 3200

9 Limbah 30*50 1500

10 Laboratorium 20 x 30 600

11 Tangki penyimpan 40 x 100 4000

12 Pemadam kebakaran 15 x 20 300

13 Daerah pengembangan 50 x 160 8000

14 Kantin 10x30 300

15 Jalan / taman 10000

16 Aula 30 x 50 1500

17 Poliklinik 20 x 30 600

Jumlah 42700



32

1 1

17 18 16 13

15 14 12 11 18 7 8 9 10

6 2

18 5 4 3

1 2 1

Gambar 2.2 Denah Pabrik



33

Keterangan gambar tata letak pabrik :

1. Pos Keamanan

2. Taman

3. Parkir

4. Kantor Pusat

5. Aula

6. Poliklinik

7. Gudang

8. Bengkel

9. Pemadam Kebakaran

10. Kantin

11. Masjid

12. Laboratorium

13. Pengolahan Limbah

14. Proses Produksi

15. Tangki Penyimpanan

16. Utilitas

17. Daerah Pengembangan

18. Jalan

2.5.3 Lay Out Peralatan

Dalam perancangan lay out peralatan proses ada beberapa hal yang perlu

dipertimbangkan, yaitu :

1. Aliran proses bahan baku dan produk

Pengaliran bahan baku dan produk yang tepat akan memberikan keuntungan

ekonomis yang besar serta menunjang kelancaran dan keamanan produksi.

Perlu diperhatikan elevasi pipa, untuk pipa diatas tanah perlu dipasang pada

ketinggian 3 m atau lebih. Sedangkan untuk pemipaan pada permukaan tanah

diatur sedemikian rupa sehingga tidak mengganggu lalu lintas pekerja.

2. Aliran udara

Aliran udara di dalam dan sekitar areal proses perlu diperhatikan supaya

lancar. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya stagnasi udara pada



34

suatu tempat yang dapat mengakibatkan akumulasi bahan kimia yang dapat

membahayakan pekerja. Selain itu perlu diperhatikan juga hembusan angin.

3. Cahaya

Penerangan seluruh pabrik harus memadai pada tempat-tempat proses yang

berbahaya atau beresiko tinggi perlu diberikan penerangan tambahan.

4. Lalu lintas manusia

Dalam perancangan lay out peralatan perlu diperhatikan agar para pekerja

dapat mencapai seluruh alat proses dengan cepat dan mudah. Apabila terjadi

gangguan alat proses dapat segera diperbaiki. Selain itu keamanan pekerja

selama menjalankan tugasnya perlu diperhatikan.

5. Dalam menempatkan alat-alat proses pada pabrik diusahakan agar dapat

menekan biaya operasi dan menjamin kelancaran dan keamanan produksi

pabrik sehingga dapat menguntungkan dari segi ekonomi.

6. Jarak antar alat proses

Untuk alat operasi yang mempunyai tekanan dan suhu operasi yang tinggi

sebaiknya dipisahkan dari alat proses lainnya sehingga apabila terjadi ledakan

atau kebakaran pada alat tersebut tidak membahayakan alat proses lainnya.

Tata letak alat proses harus dirancang sedemikian rupa sehingga :

Kelancaran proses produksi terjamin

Dapat mengefektifkan penggunaan luas lantai

Biaya material handling menjadi rendah dan menyebabkan turunnya

pengeluaran utnuk kapital yang tidak penting.



35

Jika lay out peralatan proses sedemikian rupa sehingga urut-urutan proses

produksi lancar, maka perusahaan tidak perlu membeli alat angkutan yang

biayanya mahal.

Karyawan mendapat kepuasan kerja

Jika karyawan mendapatkan kepuasan kerja, maka akan mengakibatkan

meningkatnya semangat kerja yang menyebabkan meningkatnya

produktivitas kerja.



36



37

Keterangan :

1. T-01 : Tangki penyimpan n-butana dengan impuritas Propana.

2. T-02 : Tangki penyimpan n-butana.

3. T-03 : Tangki penyimpan asam asetat.

4. P-01 : Pompa fresh feed N-Butana masuk ke reaktor

5. P-02 : Pompa produk masuk ke separator vessel

6. P-03 : Pompa poduk dari HE ke D-01

7. P-04 : Pompa produk atas D-01 ke UPL

8. P-05 : Pompa produk bawah D-01 ke T-03

9. P-06 : Pompa produk Reaktor ke T-02

10. HE-01 : Heater fresh feed

11. HE-02 : Heater umpan D-01

12. CL-01 : Pendingin hasil Reaktor

13. CD-01 : Kondensor D-01

14. R-01 : Reaktor

15. F-01 : Flash drum

16. E-01 : Expander Valve

17. SV-01 : Separator Vessel

18. D-01 : Kolom destilasi I

19. AC-01 : Accumulator D-01

20. RB-01 : Reboiler D-01

21. F-01 : Filter

22. B-01 : Blower

23. K-01 : Kompresor


bab ii deskripsi proses 16repository.ump.ac.id/6462/4/tri yoko bab ii.pdfbab ii deskripsi proses 19...

Documents