prarancangan pabrik dimethyl ether proses dehidrasi

Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun

Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 14

BAB II

DESKRIPSI PROSES

2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk

2.1.1 Spesifikasi Bahan Baku (Methanol)

Bentuk : Cair

Titik didih (1 atm) : 64,7°C

Temperatur : 30°C

Kemurnian : 99,95%

Impuritas : Air

(PT. Pertamina Indonesia)

2.1.2 Spesifikasi Produk (Dimethyl Ether)

Bentuk : Cair

Titik didih (1 atm) : -24°C

Kemurnian : 99,5%

Impuritas : Methanol (0,45%), Air (0,05%)

Titik lebur : -141,5°C

(MEGS Specialty Gasses. Inc, 2014)

2.2 Konsep Proses

2.2.1 Dasar dan Mekanisme Reaksi

Reaksi pembuatan dimethyl ether (DME) dengan menggunakan bahan baku

methanol adalah sebagai berikut:

2CH3OH (g) → CH3OCH3 (g) +H2O (g)

Pada reaksi di atas terjadi dehidrasi methanol menjadi dimethyl ether dan air dengan

katalis γAl2O3.SiO2 berbentuk padat (Turton, 1998).



2.2.2 Mekanisme Reaksi

Reaksi katalitis dengan reaktan methanol berbentuk gas dan katalisator

γAl2O3.SiO2 (zeolit) berbentuk padatan berlangsung sebagai berikut:

1. Difusi gas reaktan dari fase gas ke permukaan luar (interface) katalis sedangkan

difusi reaktan dari permukaan luar katalis melewati pori-pori ke permukaan

dalam pori katalis (difusi molekuler).

2. Adsorpsi reaktan pada permukaan dalam katalis.

3. Reaksi 2CH3OH (g) → CH3OCH3 (g) + H2O (g)

4. Desorpsi hasil reaksi dari permukaan dalam katalis.

5. Difusi gas hasil reaksi dari permukaan dalam katalis ke permukaan luar katalis

kemudian dari permukaan luar katalis (interface) ke fase gas.

Mekanisme reaksi katalitis di atas pada tahap difusi dan reaksi berlangsung

sangat cepat, sedangkan adsorpsi pada permukaan katalis berlangsung paling lambat.

Kecepatan reaksi katalitis secara keseluruhan dikontrol oleh adsorpsi.

Mekanisme reaksi dehidrasi methanol dengan katalis γAl2O3.SiO2 ini melalui

beberapa tahap yaitu:

CH3OH + B ↔ CH3OH B

CH3OH + A + B ↔ CH3O- A + H+ B

CH3OH B + CH3O- A

lambatCH3OCH3 + OH- A + B

H+ B + OH- A cepat

H2O A +B

H2O A ↔ H2O + A

2CH3OH CH3OCH3 + H2O

A = Acide surface site

B = Basic surface site (Dolbear et al, 1973)



2.2.3 Fase Reaksi

Fase reaksi untuk reaksi pembentukan dimethyl ether dari methanol adalah

sebagai berikut:

2CH3OH (g) → CH3OCH3 (g) + H2O (g)

Reaksi secara keseluruhan berada dalam fase gas.

2.2.4 Kondisi Operasi

Reaksi dijalankan di dalam fixed bed multitube reactor yang berlangsung

secara eksotermis. Reaktor beroperasi secara non adiabatis non isotermal pada tekanan

minimal 15 atm dan suhu 250oC-400oC. Jika suhu reaktor lebih tinggi dari 400oC dapat

terjadi kerusakan katalis. Suhu di bawah 250oC dapat mengganggu kecepatan reaksi,

sehingga akan memperlama waktu reaksi (Turton, 1998).

2.2.5 Sifat Reaksi

1. Tinjauan Termodinamika

Turton (1998) menyebutkan bahwa harga ΔH°reaksi negatif, maka reaksi

pembentukan DME bersifat eksotermis, sehingga sistem membebaskan energi. .

Konstanta kesetimbangan (K) untuk reaksi pembentukan dimethyl ether

dengan proses dehidrasi dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Data Konstanta Kesetimbangan

T K200°C (473 K) 92.6300°C (573 K) 52.0400°C (673 K) 34.7

Sumber: Turton, 1998

Tabel 2.1 menunjukkan harga konstanta kesetimbangan kecil, sehingga

reaksi bersifat reversible, namun nilainya sudah lebih besar dari 1 dan pada suhu

yang digunakan (250°C-400°C) tidak ada reaksi samping, sehingga reaksi dianggap

irreversible (Turton, 1998).



2. Tinjauan Kinetika

Persamaan konstanta kecepatan reaksi pembentukan Dimethyl Ether adalah

sebagai berikut:

22

22/837,1693815

)2,00009,1(

)1(exp10707,3

RTX

PXAr

A

methanolT

A

Dengan :

(-ra) : Kecepatan reaksi, kmol/m3.jam

T : Suhu, K

Pmethanol : Tekanan parsial methanol, atm

R : Konstanta gas ideal = 0,08206 atm.m3/Kmol.K

(Bondiera J. And C Naccache, 1991)

Persamaan tersebut berlaku untuk kisaran temperatur antara 250oC sampai

400oC dan tekanan diatas 15 atm. Reaksi terjadi pada fase gas dengan menggunakan

katalisator γAl2O3.SiO2 (Turton, 1998).

2.3 Diagram Alir Proses

2.3.1 Diagram alir proses

Diagram alir ada tiga macam, yaitu:

a. Diagram Alir Kualitatif (Gambar 2.1)

b. Diagram Alir Kuantitatif (Gambar 2.2)

c. Diagram Alir Proses (Gambar 2.3)



Gambar 2.1 Diagram Alir Kualitatif

Gam

bar 2.1D

iagram A

lir Kualitatif



Gambar 2.2 Diagram Alir Kuantitatif

Gam

bar 2.2D

iagram A

lir Kuantitatif



Gambar 2.3 Diagram Alir Proses



2.3.2 Langkah Proses

Langkah proses pembuatan DME dari methanol dapat dikelompokkan dalam

empat tahap proses, yaitu:

1. Tahap Persiapan Bahan Baku

a. Tahap ini bertujuan untuk menyiapkan methanol sebelum direaksikan dalam

reaktor. Methanol di pasaran berbentuk cair dengan kemurnian sekitar 99,95%

berat.

b. Methanol pada suhu 30oC dan tekanan 1 atm dari Tangki penyimpan (T-01)

dialirkan menuju ke tee kemudian dicampur dengan arus recycle dari Menara

Distilasi (MD-02). Umpan methanol dipompa (P-01) ke vaporizer (V-01) yang

beroperasi pada tekanan 1 atm untuk diuapkan hingga mencapai suhu 64,7oC.

c. Methanol dari vaporizer (V-01) selanjutnya dialirkan menuju kompresor (K-

01) untuk dinaikkan tekanan dari 1 atm menjadi 15 atm dan suhunya mencapai

250oC.

2. Tahap Pembentukan DME

a. Campuran methanol setelah dipanaskan hingga suhu 250oC kemudian masuk

ke dalam reaktor yang berisi katalis padat γAl2O3.SiO2. Dalam reaktor terjadi

proses dehidrasi methanol menjadi dimethyl ether dan air.

b. Reaktor yang digunakan untuk reaksi adalah jenis fixed bed multitube dengan

kondisi non adiabatic non isothermal dan bersifat eksotermis. Reaktor

beroperasi pada suhu 250oC dengan tekanan 15 atm. Untuk mempertahankan

kondisi operasi reaktor digunakan Dowtherm A sebagai pendingin. Pendingin

masuk kedalam shell reaktor. Konversi yang diperoleh dalam reaktor sebesar

80%.



3. Tahap Pemurnian

a. Pemisahan DME

Campuran gas yang terdiri dari DME, air dan sisa methanol keluar dari reaktor

(R-01) dengan kondisi tekanan 14,9 atm dan suhu 300oC kemudian dilewatkan

pada ekspander (E-01) untuk menurunkan tekanan. Selanjutnya produk dan

sisa reaktan dialirkan ke menara detilasi (MD-01) untuk proses pemurnian.

Umpan pada fase uap superheated berupa DME, air dan sisa methanol pada

tekanan 6 atm dan suhu 211oC. Menara destilasi (MD-01) kondisi dasar kolom

beroperasi pada tekanan 6 atm dan suhu 140,5oC, sedangkan kondisi puncak

kolom pada tekanan 5,8 atm dan suhu 35,4oC diperoleh hasil atas berupa DME

dan bawah berupa campuran methanol dan air. Uap yang keluar dari Menara

destilasi (MD-01) dilewatkan ke kondensor (CD-01), kemudian kondensat cair

ditampung di akumulator (AC-01). Kondensat cair sebagian diumpankan ke

menara destilasi (MD-01) sebagai reflux dan sebagian lagi sebagai produk.

b. Tahap pemisahan methanol dan air

Hasil bawah menara destilasi (MD-01) yang berupa campuran methanol dan air

dialirkan dengan pompa (P-02) menuju menara destilasi (MD-02). Kondisi

bawah menara destilasi (MD-2) dioperasikan pada tekanan 1 atm dan suhu

99,8oC, sedangkan kondisi puncak kolom pada tekanan 1 atm dan suhu 64,6 oC.

Methanol sebagai hasil atas dilewatkan ke kondensor (CD-02) kemudian

kondensat cair ditampung di akumulator (AC-02). Sebagian kondensat cair

dialirkan kembali ke menara destilasi sebagai reflux dan sebagian lagi

diumpankan sebagai recycle feed untuk dicampur dengan fresh methanol pada

tee (M-01) untuk umpan reaktor. Komposisi methanol recycle sama dengan

feedstock methanol.



4. Tahap Penyimpanan Produk

DME disimpan pada tangki penyimpanan produk (T-02) pada fase cair dengan

kondisi tekanan 5,8 atm dan suhu 25oC.

2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas

2.4.1 Neraca Massa

Diagram alir neraca massa sistem table:

Produk : Dimethyl Ether (DME)

Kapasitas : 95.000 ton/tahun

Basis perhitungan : 1 jam operasi

1. Tee (M-01)

Tabel 2.2 Neraca Massa Tee

KomponenInput Output

Arus 1 Arus 6 Arus 2Methanol 16.679,65 4.076,83 2.0756,48

Air 8,34 2,04 10,38Dimethyl Ether - - -

Total16.687,99 4.078,87

20.766,8620.766,86

2. Reaktor (R-01)

Tabel 2.3 Neraca Massa Reaktor

KomponenInput OutputArus 2 Arus 3

Methanol 20.756,48 4.151,30Air 10,38 4.680,59

Dimethyl Ether - 11.934,98Total 20.766,86 20.766,86



3. Menara Destilasi I (MD-01)

Tabel 2.4 Neraca Massa Menara Destilasi I

KomponenInput OutputArus 3 Arus 4 Arus 5

Methanol 4.151,30 53,98 4.097,32Air 4.680,59 6,00 4.674,59

Dimethyl Ether 11.934,98 11.934,97 -

Total 20.766,8611.994,94 8.771,91

20.766,86

4. Menara Destilasi II (MD-02)

Tabel 2.5 Neraca Massa Menara Destilasi II

KomponenInput OutputArus 5 Arus 6 Arus 7

Methanol 4.097,32 4.076,83 20,49Air 4.674,59 2,04 4.672,55

Dimethyl Ether - - -

Total 8.771,9140.78,87 4.693,04

8.771,91

Neraca Massa Total

Tabel 2.6 Neraca Massa Total

KomponenINPUT OUTPUTArus 1 Arus 4 Arus 7

Methanol 16.679,65 53,98 20,49Air 8,34 6 4.672,55

Dimethyl Ether - 11.934,97 -

Total 16.687,9911.994,94 4.693,04

16.687,99

2.4.2 Neraca Panas

Neraca tenaga sistem tabel:

Basis perhitungan : 1 jam operasi

Suhu referensi : 298 K



1. Tee (M-01)

Tabel 2.7 Neraca Panas Tee

Neraca Panas di M-01 Q masuk (kJ/jam) Q keluar (kJ/jam)Panas masuk mixer 208.769,23

Panas recycle 413.752,91Panas keluar mixer 622.522,14

Total 622.522,14 622.522,14

2. Vaporizer (V-01)

Tabel 2.8 Neraca Panas Vaporizer

Neraca Panas di V-01 Q masuk (kJ/jam) Q keluar (kJ/jam)Panas masuk vaporizer 622.522,14Panas keluar vaporizer 1.188.065,09

Panas sensibel 836.027,92Panas laten penguapan 22.793.050,59Panas yang dibutuhkan

pemanas24.194.621,46

Total 24.817.143,60 24.817.143,60

3. Kompresor (K-01)

Tabel 2.9 Neraca Panas Kompresor

Neraca Panas di K-01Stage 1

Q masuk (kJ/jam) Q keluar (kJ/jam)Panas masuk 1.188.065,1Panas keluar 6.491.917,1

Panas kompresi 1 5.303.852,0Total 6.491.917,1 6.491.917,1

Neraca Panas di K-01Intercooler


Panas yang diserappendingin

4.654.809,8

Total 6.491.917,1 6.491.917,1



Neraca Panas di K-01Stage 2


Panas kompresi 2 5.825.840,9Total 7.662.948,2 7.662.948,2

4. Reaktor (R-01)

Tabel 2.10 Neraca Panas Reaktor

Neraca Panas di R-01 Q masuk (kJ/jam) Q keluar (kJ/jam)Panas masuk reaktor 7.662.948,18Panas akibat reaksi 58.458.022,88Panas keluar reaktor 10.381.275,97Panas yang diserap

pendingin55.739.695,08

Total 66.120.971,06 66.120.971,06

5. Ekspander (E-01)

Tabel 2.11 Neraca Panas Ekspander

Neraca Panas di E-01 Q masuk (kJ/jam) Q keluar (kJ/jam)Panas masuk ekspander 10.381.275,97Panas keluar ekspander 6.650.431,12

Panas yang dilepas 3.730.844,85Total 10.381.275,97 10.381.275,97

6. Menara Destilasi I (MD-01)

Tabel 2.12 Neraca Panas Menara Destilasi I

Neraca Panas di MD-01 Q masuk (kJ/jam) Q keluar (kJ/jam)Panas masuk distilasi 1 6.650.431,12

Panas distilat 181.774,21Panas bottom 3.545.574,48

Panas kondensor 4.846.736,43Panas reboiler 1.923.653,99

Total 8.574.085,11 8574085,11



7. Menara Destilasi II (MD-02)

Tabel 2.13 Neraca Panas Menara Destilasi II

Neraca Panas di MD-01 Q masuk (kJ/jam) Q keluar (kJ/jam)Panas masuk distilasi 2 3.545.574,48

Panas distilat 549.128,03Panas bottom 2.573.394,94

Panas kondensor 9.413.840,59Panas reboiler 8.990.789,08

Total 12.536.363,56 12.536.363,56

2.5 Lay Out Pabrik dan Peralatan

2.5.1 Lay Out Pabrik

Tata letak pabrik merupakan suatu pengaturan yang optimal dari seperangkat

fasilitas-fasiitas dalam pabrik. Tata letak yang tepat sangat penting untuk mendapatkan

efisiensi, keselamatan, dan kelancaran kerja para pekerja serta keselamatan proses. Pada

prarancangan pabrik ini, tata letak pabrik dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Untuk mencapai kondisi yang optimal maka hal-hal yang harus diperhatikan

dalam menentukan tata letak pabrik adalah:

1. Pabrik DME merupakan pabrik baru (bukan pengembangan), sehingga dalam

menentukan lay out tidak dibatasi oleh bangunan yang ada.

2. Berdasarkan kebutuhan DME dunia yang terus meningkat maka diperlukan

adanya perluasan pabrik sebagai pengembangan pabrik masa depan.

3. Faktor keamanan sangat diperlukan untuk bahaya kebakaran dan ledakan, maka

perencanaan lay out diusahakan jauh dari sumber api, bahan panas, dan bahan

yang mudah meledak.

4. Sistem kontruksi yang direncanakan adalah outdoor untuk menekan biaya

bangunan dan gedung.

Secara garis besar lay out dibagi menjadi beberapa bagian utama, yaitu:



1. Daerah administrasi/perkantoran, laboratorium dan ruang kontrol

Daerah administrasi/perkantoran, laboratorium dan ruang kontrol adalah daerah

pusat kegiatan administrasi pabrik yang mengatur kelancaran operasi.

Laboratorium dan ruang kontrol sebagai pusat pengendalian proses, kualitas dan

kuantitas bahan yang akan diproses serta produk yang dijual.

2. Daerah proses

Daerah proses adalah daerah dimana alat proses diletakkan dan proses

berlangsung.

3. Daerah penyimpanan bahan baku dan produk.

4. Daerah bengkel, gudang, dan garasi.

5. Daerah utilitas.

Daerah utilitas adalah daerah dimana kegiatan penyediaan bahan pendukung

proses berlangsung dipusatkan.

(Vilbrandt, 1959)



LAY OUT PABRIK

Gambar 2.4 Lay Out pabrik

2.5.2 Lay Out Peralatan

Tata letak peralatan proses pada prarancangan pabrik ini dapat dilihat pada

Gambar 2.5. Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menentukan lay out

peralatan proses pada pabrik DME, antara lain:



1. Aliran bahan baku dan produk

Pengaliran bahan baku dan produk yang tepat akan memberikan keuntungan

ekonomi yang besar, serta menunjang kelancaran dan keamanan produksi.

2. Aliran udara

Aliran udara di dalam dan di sekitar area proses perlu diperhatikan

kelancarannya. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya stagnasi udara

pada suatu tempat sehingga mengakibatkan akumulasi bahan kimia yang dapat

mengancam keselamatan pekerja.

3. Penerangan

Penerangan seluruh pabrik harus memadai selain itu pada tempat-tempat proses

yang berbahaya atau beresiko tinggi perlu adanya penerangan tambahan.

4. Lalu lintas manusia

Dalam perencangan lay out pabrik perlu diperhatikan agar pekerja dapat

mencapai seluruh alat proses dangan cepat dan mudah. Hal ini bertujuan apabila

terjadi gangguan pada alat proses dapat segera diperbaiki. Keamanan pekerja

selama menjalani tugasnya juga diprioritaskan.

5. Pertimbangan ekonomi

Dalam menempatkan alat-alat proses diusahakan dapat menekan biaya operasi

dan menjamin kelancaran dan keamanan produksi pabrik.

6. Jarak antar alat proses

Untuk alat proses yang mempunyai suhu dan tekanan operasi tinggi sebaiknya

dipisahkan dengan alat proses lainnya, sehingga apabila terjadi ledakan atau

kebakaran pada alat tersebut maka kerusakan dapat diminimalkan.



LAY OUT PERALATAN

Gambar 2.5 Lay Out Peralatan

prarancangan pabrik dimethyl ether proses dehidrasi

Documents