PRARANCANGAN PABRIK MONOCHLOROBENZENE DARI

BENZENE DAN CHLORINE

KAPASITAS 100.000 TON/TAHUN

PUBLIKASI ILMIAH

Disusun sebagai Salah Satu Syarat Menyelesaikan Program Studi Strata I pada

Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik

Oleh :

Crade Lisa Putri

D 500 120 002

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2016

i

ii

iii

1

PRARANCANGAN PABRIK MONOCHLOROBENZENE DARI BENZENE DAN

CHLORINE KAPASITAS 100.000 TON/TAHUN

ABSTRAK

Prarancangan pabrik monochlorobenzene dengan kapasitas 100.000 ton per tahun

direncanakan beroperasi selama 330 hari dalam satu tahunnya. Pabrik ini akan didirikan

di Kawasan Industri Cilegon, Banten, dengan luas tanah 23.000 m2 dengan jumlah

karyawan 188 orang. Proses pembuatan monochlorobenzene dilakukan dalam reaktor

fixed bed multitube menggunakan katalis ferric chloride (FeCl3). Reaksi berlangsung

pada fase gas-cair dengan chlorine berupa gas dan benzene berupa cair irreversible,

eksotermis, dan beroperasi secara non-adiabatis dan non-isothermal (55-72oC) pada

tekanan 2,36 atm. Kebutuhan bahan baku yang terdiri dai benzene dan chlorine masing-

masing sebanyak 13.172,3643 kg per jam dan 11.956,7106 kg per jam. Sedangkan unit

pendukung proses (utilitas) meliputi penyediaan air sebesar 226.967,7583 kg per jam,

penyediaan saturated steam sebesar 3.141,7971 kg per jam, bahan bakar fuel oil

sebanyak 381,2433 liter per jam, listrik diperoleh dari PLN dan generator set sebagai

cadangan dengan kapasitas 1200 kW, udara tekan sebesar 50 m3 per jam. Dari analisis

ekonomi yang telah dengan modal tetap sebesar Rp1.007.332.776.785,00 dan modal

kerja sebesar Rp479.548.851.888,00 diperoleh Percent Return on Investment (ROI)

sebelum pajak 48,59% dan setelah pajak 36,44%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak

selama 1,71 tahun dan setelah pajak 2,15 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar

45,63%, dan Shut Down Point (SDP) sebesar 28,85%. Internal Rate of Return (IRR)

sebesar 35,36%. Berdasarkan hasil analisis ekonomi dapat disimpulkan bahwa pabrik

ini menguntungkan dan layak untuk didirikan.

Kata kunci: klorinasi benzene, monochlorobenzene, reaktor fixed bed multitube

ABSTRACT Preliminary design of monochlorobenzene with a capacity of 175,000 tonnes per year is

planned to operate for 330 days per year. This plant will be estbalished in Cilegon with

a land area of 23,000 m2 and the number of employees of 188 people.

Monochlorobenzene is produced from benzene and chlorine in a fixed bed multitube

reactor with ferric chloride (FeCl3) as catalyst. The reaction occures in the gas-liquid

phase where the chlorine is gas and benzene is liquid, irreversible, exothermic and

operated in non-adiabatic and non-isothermal conditions at a temperature range 55-

72oC, and pressure 2.36 atm. The needs of raw materials of benzene and chlorine are

13,172.3643 kg per hour and 11,956.7106 kg per hour. The utility unit includes the

supply of water is as much as 226,967.7583 kg per hour, supply of saturated steam

3,141.7971 kg per hour, obtained from the boiler with fuel oil as much as 381.2433 L

per hour, the compressed air 50 m3 per hour, and the main power source to meet the

needs of electricty obtained of PLN and generator sets as backup with a capacity 1200

kW. The plant of mochlorobenzene requires a fixed capital of IDR1,007,332,776,785

and working capital of IDR479,548,851,888. The Percent Return on Investment (ROI)

before tax 48.59% is and after tax is 36.44%. The Pay Out Time (POT) before tax is

1.71 years and after tax is 2.15 years. The Break Even Point (BEP) is 45.63%, and Shut

Down Point (SDP) is 28.85%. The Internal Rate of Return (IRR) is 35.36%.

2

Keywords: chlorinated benzene, fixed bed multitube reactor, monochlorobenzene

1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Memasuki era industrialisasi dan untuk menghadapi perdagangan bebas, perlu

adanya pengembangan dalam dunia perindustrian di Indonesia. Dalam rangka

tersebut, perlu didirikan sebuah industri yang dapat bermanfaat besar bagi

perkembangan perindustrian di Indonesia. Salah satu jenis industri tersebut adalah

industri monochlorobenzene.

1.2 Penentuan Kapasitas Perancangan Pabrik

Dalam menentukan kapasitas perancangan perlu melihat kebutuhan produk

dalam negeri, dimana dari data Badan Pusat Statistik (BPS) tahun 2010-2014

kebutuhan impor monochlorobenzene terus mengalami peningkatan. Ketersediaan

bahan baku juga sangat mempengaruhi kelangsungan proses suatu pabrik, dimana

bahan baku pembuatan monochlorobenzene ini adalah benzene yang diperoleh dari

Pertamina UP IV Cilacap dan chlorine dari PT Asahimas Chemical. Data impor

monochlorobenzene dapat dilihat pada tabel berikut:

Tabel 1. Data Impor Monochlorobenzene (Badan Pusat Statistik, 2015)

Tahun Ton/Tahun

2010 229.681,58

2011 443.054,58

2012 414.170,50

2013 374.190,75

2014 398.091,75

Dari data tersebut, prarancangan pabrik monochlorobenzene ini dirancang

dengan kpasitas 100.000 ton/tahun.

2. DESKRIPSI PROSES

Dasar reaksi klorinasi benzene dan chlorine adalah sebagai berikut:

C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl ... (1)

C6H5Cl + Cl2 → C6H4Cl2 + HCl ... (2)

Reaksi antara benzene dan chlorine menjadi monochlorobenzene

dilakukan dalam reaktor fixed bed multitube pada fase cair-gas pada tekanan

2,36 atm dan suhu 55oC dengan katalis ferric chloride (FeCl3).

2.1 Tinjauan Termodinamika

3

Data nilai ΔHof untuk masing – masing komponen adalah sebagai berikut

(Yaws, 1999):

ΔHof 𝐶6𝐻6 = 82930 kJ/kmol

ΔHof 𝐶𝑙2 = 0 kJ/kmol

ΔHof 𝐶6𝐻5𝐶𝑙 = 51840 kJ/kmol

ΔHof 𝐻𝐶𝑙 = -92300 kJ/kmol

ΔHof 𝑝 − 𝐶6𝐻4𝐶𝑙2 = 23010 kJ/kmol

ΔHof 𝑜 − 𝐶6𝐻4𝐶𝑙2 = 29960 kJ/kmol

Pada reaksi :

1. C6H6 (l) + Cl2 (g) → C6H5Cl (l) + HCl (g) ...(1)

ΔHR1o

(298 K) = ΔHof produk - ΔHo

f reaktan …(3)

= 51840 + (-92300) – (82930+0)

= -123390 kJ/kmol

ΔHR1 (328 K) = ΔHRo

(298 K) + ΔHproduk - ΔHreaktan ... (4)

= (-123390) + (4639,5803 + 872,6300) – (4028,1666 +

1017,9234)

= -122923,8797 kJ/kmol

2. C6H5Cl (l) + Cl2 (g) → C6H4Cl2 (l) + HCl (g)

ΔHR2o

(298 K) = ΔHof produk - ΔHo

f reaktan …(3)

= (0,75*23010+ 0,25*29960 + 872,6300) –

(51840+0)

= -119392,5 kJ/kmol

ΔHR2 (328 K) = ΔHRo

(298 K) + ΔHproduk - ΔHreaktan ... (4)

= (-119392,5) + (0,75*5561,1220 + 0,25*5647,3635 +

(872,6300) – (4639,5803 + 1017,9234)

= -118594,6913 kJ/kmol

ΔHR (328 K) = ΔHR1 (328 K) + ΔHR2 (328 K) ... (5)

= -122923,8797 kJ/kmol + -118594,6913 kJ/kmol

= -241518,5710 kJ/kmol

ΔHReaksi menunjukkan nilai negatif, sehingga reaksi berlangsung secara

eksotermis.

4

Harga ΔGof untuk masing–masing komponen adalah sebagai berikut (Yaws,

1999):

ΔGfo Cl2 = 0 kJ/kmol

ΔGfo C6H6 = 129660 kJ/kmol

ΔGfo C6H5Cl = 99160 kJ/kmol

ΔGfo HCl = -95300 kJ/kmol

ΔGfo p-C6H4Cl2 = 77150 kJ/kmol

ΔGfo o-C6H4Cl2 = 82680 kJ/kmol

Pada reaksi pembentukan monochlorobenzene :

1. C6H6 (l) + Cl2 (g) → C6H5Cl (l) + HCl (g) ... (1)

ΔGo = ΔGo

f produk - ΔGof reaktan ... (6)

= 99160 + (-95300) – (129660 + 0)

= -125800 kJ/kmol

ΔGo pada suhu 298 K memiliki persamaan :

ΔGo = - RT ln K1 ... (7)

Sehingga kontanta kesetimbangan pada suhu 298 K (K1) dapat dihitung dengan

persamaan:

ln K1 = −∆Go

R T ... (8)

= −(−125800)

8,314 . 298

= 50,7755

K1 = 𝑒50,7755

= 1,1260.1022

Pada suhu reaksi berlangsung 55oC (328 K), besarnya konstanta kesetimbangan

K2 dapat dihitung dengan persamaan:

5

𝑙𝑛𝐾2

𝐾1= [−

∆𝐻

𝑅] [

1

𝑇2−

1

𝑇1] ...(9)

𝑙𝑛𝐾2

1,1260. 1022= [−

−122923,8797

8,314] [

1

328−

1

298]

𝑙𝑛𝐾2

1,1260. 1022= −4,5379

𝐾2

1,1260. 1022= e−4,5379

𝐾2

1,1260. 1022= 0,0107

K2 = 1,2043.1020

Nilai konstanta kesetimbangan K yang diperoleh sangat besar, sehingga reaksi

berjalan searah menuju produk atau irreversible.

2. C6H5Cl (l) + Cl2 (g) → C6H4Cl2 (l) + HCl (g) ... (2)

ΔGo = ΔGo

f produk - ΔGof reaktan ... (6)

= 0,75*77150 +0,25*82680+(-95300) – (99160 + 0)

= -115.927,5 kJ/kmol

ΔGo pada suhu 298 K memiliki persamaan :

ΔGo = - RT ln K1 ... (7)

Sehingga kontanta kesetimbangan pada suhu 298 K (K1) dapat dihitung dengan

persamaan:

ln K1 = −∆Go

R T ... (8)

= −(−115,927,5)

8,314 . 298

= 46,7908

K1 = 𝑒46,7908

= 2,0940.1020

Pada suhu reaksi berlangsung 55oC (328 K), besarnya konstanta kesetimbangan

K2 dapat dihitung dengan persamaan:

𝑙𝑛𝐾2

𝐾1= [−

∆𝐻

𝑅] [

1

𝑇2−

1

𝑇1] ... (9)

𝑙𝑛𝐾2

2,0940. 1020= [−

−118594,6913

8,314] [

1

328−

1

298]

𝑙𝑛𝐾2

2,0940. 1020= −4,3781

𝐾2

2,0940. 1020= e−4,3781

6

𝐾2

2,0940. 1020= 0,0125

K2 = 2,6278,1018

Nilai konstanta kesetimbangan K yang diperoleh sangat besar yang jauh dari 1,

maka reaksi berjalan searah menuju produk atau irreversible.

2.2 Tinjauan Kinetika

Data kinetika pembentukan monochlorobenzene adalah sebagai berikut

(Bodman, 1968):

r1 = -k1 . xB ... (10)

r2 = -k2 . xm ... (11)

Dimana: r1 = kecepatan reaksi 1 (pers. 1)

r2 = kecepatan reaksi 2 (pers. 2)

xB = fraksi mol benzene

xm = fraksi mol monochlorobenzene

k1 = konstanta kinetika pada reaksi 1 (pada 55oC)= 1,00x10-4s-1

k2 = konstanta kinetika pada reaksi 2 (pada 55oC)= 0,15x10-4s-1

3. SPESIFIKASI ALAT PROSES

3.1 Reaktor

Kode : R – 111

Fungsi : Sebagai tempat terjadinya reaksi antara benzene dengan

chlorine dengan bantuan katalis FeCl3

Jenis : Fixed Bed Multitube

Suhu : 55-72oC

Tekanan : 2,36 atm

Katalis : FeCl3

Bahan konstruksi : Stainless Steel SA-314

Dimensi

- OD shell : 0,9917 m

- ID shell : 0,9790 m

- Tinggi : 7,8116 m

- Jumlah Tube (Nt) : 384 tube

- Tinggi bed katalis : 5,8522 m

- OD tube : 1,5000 in

7

- ID tube : 1,3700 in

3.2 Menara Destilasi

Tabel 2. Spesifikasi Menara Destilasi

Spesifikasi Menara Destilasi 1 Menara Destilasi 2

Kode D-221 D-222

Fungsi Memisahkan benzene

Memisahkan produk

monochlorobenzene

dan dichlorobenzene

Jenis Sieve tray Sieve tray

Bahan konstruksi Carbon steel SA-283 grade

C

Carbon steel SA-283

grade C

Kondisi operasi

Suhu top (oC) 80,24 138,73

Suhu bottom (oC) 138,73 171,03

Tekanan (atm) 1 1,08

Diameter (m) 0,8642 1,3991

Tebal shell (in) 0,2500 0,2500

Jenis head Torispherical head Torispherical head

Tinggi head (m) 0,2274 0,3239

Tebal head (in) 0,3125 0,3125

Jumlah plate 46 33

Plate Spacing (m) 0,4500 0,4500

Feed plate 41 23

Tinggi total (m) 21,6048 15,0479

3.3 Absorber

Kode : D-111

Jenis : Menara absorber dengan packing

Fungsi : Menyerap gas HCl menggunakan air

Bahan konstruksi : Stainless Steel SA-314

Suhu : 32,5oC

Tekanan : 2,36 atm

Packing

- Jenis : Raschig ring

- Bahan : Ceramics

- Ukuran : 1,5 in

Dimensi

- ID shell : 0,9796 m

- OD shell : 0,9955 m

8

- Tebal shell : 0,3125 in

- Tebal head : 0,3125 in

- Tinggi head : 0,2484 m

- Tinggi total : 7,0549 m

3.4 Separator

Kode : D-131

Fungsi : Memisahkan keluaran R-111 berupa cairan dan gas

Jenis : Horizontal separator with demister

Bahan konstruksi : Stainless Steel SA-314

Suhu : 71,28oC

Tekanan : 2,36 atm

Dimensi

- Diameter : 1,3631 m

- Panjang : 4,0893 m

- Waktu hold-up : 14 menit

4. UTILITAS

Unit pendukung proses (utilitas) merupakan bagian penting yang dapat

menunjang kelancaran proses produksi. Dalam prarancangan kali ini, sumber

air yang digunakan berasal dari air sungai. Utilitas yang dibutuhkan, antara

lain:

a. Unit penyediaan air = 226.967,7583 kg/jam

b. Unit penyediaan steam = 3.141,7971 kg/jam

c. Unit penyediaan bahan bakar = 381,2433 L/jam

d. Unit penyediaan listrik = 855,6595 kW

e. Unit penyediaan udara tekan = 50 m3/jam

5. MANAJEMEN PERUSAHAAN

Pabrik ini direncanakan memiliki bentuk perusahaan Perseroan Terbatas

(PT) dengan lokasi di Kawasan Industri Cilegon, Banten, dengan jumlah

karyawan 188 orang yang tebagi atas karyawan shift dan nonshift.

6. ANALISIS EKONOMI

Pada prarancangan pabrik ini, dilakukan analisis ekonomi agar dapat

memperkirakan besarnya laba yang diperoleh, lamanya modal investasi, modal

9

dapat kembali, kelayakan investasi dan kapan terjadinya titik impas. Analisis

ekonomi juga bertujuan untuk mengetahui apakah pabrik yang akan didirikan

dapat menguntungkan atau tidak. Pabrik yang akan didirikan dievaluasi pada

tahun 2020. Analisis harga alat maupun harga-harga lain diperhitungkan pada

tahun evaluasi.

Gambar 6.2 Grafik Analisis Kelayakan Pabrik Monochlorobenzene

7. KESIMPULAN

Hasil analisis ekonomi adalah sebagai berikut:

No. Kriteria Hasil Batasan

1.

Return On Investment

(ROI) Untuk pabrik low risk min

11%, high risk min 44%

(Tabel 54, Aries dan

Newton, hal 193)

- ROI sebelum pajak 48,59%

- ROI setelah pajak 36,44%

2.

Pay Out Time (POT)

Untuk pabrik low risk maks

5 tahun, high risk maks 2

tahun (Tabel 55, Aries dan

Newton, hal 196)

- POT sebelum pajak 1,71 tahun

- POT setelah pajak 2,15 tahun

3. Break Event Point (BEP) 45,63% 40 - 60%

4. Shut Down Point (SDP) 28,85% 20 - 30%

0

50

100

150

200

250

300

350

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Do

lla

r/ t

ah

un

( x

10

6

Kapasitas Produksi per tahun (%)

BEP

SDP

Fa

Sa

Ra

Va

0,3 Ra

10

5.

Internal Rate of Return

(IRR) 39,92%

Lebih besar dari bunga bank

deposito 7% (Bank

Bukopin)

Dari hasil analisis ekonomi yang sudah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa

pabrik monochlorobenzene ini menguntungkan dan layak untuk didirikan.

DAFTAR PUSTAKA

Aries, R.S., and Newton, R.D., 1955, Chemical Engineering Cost Estimation, Mc.

Graw Hill Book Company, New York.

Badan Pusat Statistik, 2015, Statistik Perdagangan Luar Negeri.

Brannan, C.R., 2002, Rules of Thumb for Chemical Engineer, Gulf Publising, United

States of America.

Brown, G.G., 1950, Unit Operations, John Wiley and Sons, Inc., New York.

Brownell, L.E. and Young, E.H., 1979, “Process Equipment Design”, John Wiley and

Sons, Inc., New York.

Bodman, Samuel.W., 1968, The Industrial Practice of Chemical Process Engineering,

MIT Press, England.

Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 2005, Chemical Engineerin, 4th ed, Vol. 6, Elsevier

Butterworth-Heinemann, Linacre House, Jordan Hill, Oxford.

Faith, W.L., Keyes, D.B., and Clark, R.L., 1957, Industrial Chemistry, John Wiley and

Sons, London.

Fessenden, R.J. and J.S Fessenden, 1999, Kimia Organik, Jilid 1, Terjemahan Aloysius

Hadyana Pudjaatmaka, Erlangga, Jakarta.

Fogler, H.S., 2006, Elementary of Chemical Reaction Engineering, 3th ed., Prentice-

Hall, Engle Cliffs., NJ

Holman, J.P., 2010, Heat Transfer, 10th ed, Mc.Graw-Hill Companies, Inc, New York.

Kern, D.Q., 1950, Process Heat Transfer, Mc. Graw-Hill International Book Company

Inc., New York.

Kirk, R.E. and Othmer, D.F., 1983, Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd ed., Vol.

6, The Inter Science Encyclopedia, Inc., New York.

Levenspiel, O., 1972, Chemical Reaction Engineering 2nd ed., John Wiley and Sons,

Inc., Toronto.

11

Ma’sud, Fuad, 2004, Survai Diagnosis Organisasi Konsep dan Aplikasi, Badan Penerbit

Universitas Diponegoro, Semarang.

Mc.Ketta, J.J., and Cunningham W.A., 1993, Encyclopedia of Chemical Processing and

Design, Marcel Dekker, Inc., New York.

Perry, R.H. and Green, D.W., 2007, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook 8th ed.,

Mc. Graw-Hill Book Company, New York.

Peters, M.S. and Timmerhaus, K.D., 2003, Plant Design and Economic for Chemical

Engineering 5th ed., Mc. Graw-Hill International Book Company Inc., New York.

Rase, H.F., and Holmes, J. R., 1977, Chemical Reactor Design for Process Plant,

Volume One : Principles and Techniques, John Wiley and Sons, Inc., New York.

Reid, R. C., Praustniz, J. M., and Poling, B. E., 1987, The Properties of Gases and

Liquids 4th ed., Mc-Graw Hill Book Co., New York.

Riawan, 1990, Kimia Organik, Bina Rupa Aksara, Jakarta.

Smith, J.M., 1985, Chemical Engineering Kinetics 5th ed., Mc. Graw-Hill Book

Company, Singapore.

Smith, J.M. and Van Ness, H.C., 1987, Introduction to Chemical Engineering

Thermodynamics 4th ed., Mc. Graw-Hill Book Co., New York.

Ulrich, G.D., 1984, A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics,

John Wiley and Sons, Inc., New York.

Widjaja, G dan Yani, A, 2003, Perseroan Terbatas, Raja Grafindo Persada, Jakarta.

Yaws, 1999, Thermodynamic and Physical Properties Data, Mc. Graw Hill Book Co.,

Singapore.

Zamani, 1998, Manajemen, Badan Penerbit IPWI, Jakarta.