PDF (Naskah Publikasi) - Universitas Muhammadiyah Surakarta

NASKAH PUBLIKASI
PRARANCANGAN PABRIK FORMALDEHIDA
DENGAN PROSES KATALIS PERAK
KAPASITAS 20.000 TON/TAHUN
Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh
Gelar Kesarjanaan Strata 1 Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Oleh :
Agus Nur Arifin
D 500 050 014
Dosen Pembimbing :
Dr. Ir. H. Ahmad M. Fuadi, M.T.
Ir.Haryanto AR, M.S
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2014
INTISARI
Formaldehida merupakan senyawa gugus aldehida yang paling sederhana
dan memiliki nilai sangat strategis. Dalam dunia industri kimia, banyak sektor
industri kimia yang menggunakan formaldehida sebagai bahan pendukung untuk
pembuatan produk lain. Formaldehida dapat dimanfaatkan secara langsung
sebagai bahan pengawet, desinfektan, atau digunakan sebagai bahan intermediet
pada pembuatan urea formaldehida, melamin formaldehida dan phenol
formaldehida. Formaldehida ini diproduksi dengan bahan baku metanol dan udara.
Pendirian pabrik formaldehida dengan proses katalis perak ini direncanakan
berkapasitas 20.000 ton / tahun dan didirikan di kawasan industri Bontang,
Kalimantan Timur pada tahun 2015.
Proses pembuatan formaldehida dengan proses katalis perak dibagi mejadi
tiga tahap, yaitu persiapan bahan baku, pembentukan produk, dan pemurnian
produk. Tahap pertama, 1.183,1721 kg/jam metanol diuapkan terlebih dahulu
menggunakan vapourizer (Vp-01) sebelum dicampur dengan 9.940,4827 Kg/jam
udara. Setelah metanol menjadi fase gas, bersamaan dengan udara dimasukan
kedalam reaktor fixed bed multitube yang mana sebelumnya dinaiikan terlebih
dahulu pada suhu 600C tekanan 1,2 atm. Didalam reaktor terjadi reaksi yang
bersifat eksotermis, irreversible, non isotermal, dan non adiabatis dengan media
pendingin moltensalt. Setelah proses pembentukan reaksi produk terjadi, produk
dikeluarkan dari reaktor (R-01) pada suhu 616.3897C. Tahap terakhir yaitu tahap
pemurnian produk. Sebelum pemurnian produk dengan absorber (Ab-01), produk
keluaran reaktor terlebih dahulu diturunkan suhunya menjadi 35oC agar sesuai
dengan suhu operasi di absorber. Didalam absorber produk keluaran reaktor
dimurnikan dengan 1.134,0354 kg/jam air. Sebanyak 2.525,2525 kg/jam hasil
bawah absorber merupakan produk formaldehida yang diinginkan, dan
9.732,4377 kg/jam hasil atas absorber gas CH3OH, H2O, O2, N2, H2 dan CH2O.
Pabrik formaldehida ini direncanakan beroperasi 330 hari/tahun dengan
jumlah
karyawan
sebanyak
135
orang
dengan
modal
tetap
Rp.129.369.308.314,95 dan modal kerja Rp. 10.594.996.139,01. Dari analisis
kelayakan diperoleh Percent Return On Invesment (ROI) sebelum pajak
41,7200% dan setelah pajak 29,2040%. Pay Out time (POT) sebelum pajak
1,9330 tahun dan setelah pajak 2,5510 tahun. Break Event Point (BEP) sebesar
42,18% dan Shut Down Point (SDP) sebesar 26,22%. Discounted cash Flow
(DCF) terhitung sebesar 47,11%. Berdasarkan pertimbangan bahwa ROI, POT,
BEP, dan DCF untuk pabrik beresiko rendah dan perhitungan memenuhi standar,
maka pabrik ini layak untuk didirikan.
Pendahuluan
Sektor industri saat ini berperan besar dalam meningkatkan kemajuan
suatu Negara. Salah satu sektor industri tersebut adalah sektor industri kimia. Di
Indonesia saat ini, sektor industri kimia mengalami pertumbuhan yang signifikan
dengan ditandai banyak berdirinya perusahaan atau pabrik-pabrik berbasis industri
kimia.
Salah satu industri kimia tersebut adalah industri formaldehida.
Formaldehida adalah senyawa dari gugus aldehid yang paling sederhana dan
memiliki nilai strategis dalam perkembangan dunia industri, karena banyak sektor
industri lain yang menggunakan formaldehida sebagai bahan bakunya. Kegunaan
formaldehida 37% sendiri sebagai bahan baku turunan formaldehida sendiri
seperti urea formaldehida, resin formaldehida, melamin formaldehida, dan penol
formaldehida.
Saat ini kebutuhan akan formaldehida dalam negeri tidak sebanding dengan
produksi dalam negeri, sehingga pemerintah membutuhkan impor dari luar negeri.
Hal ini dapat terlihat dari kebutuhan impor formaldehida dari tahun 2001–2005
berdasarkan data impor BPSI (Biro Pusat Statistik Indonesia).
Table 1.1 Daftar Kebutuhan Impor Formaldehida Indonesia Dari Tahun
2001 - 2006
No.
Tahun
Kebutuhan impor (ton/tahun)
1
2001
3.132,090
2
2002
3.446,745
3
2003
4.175,261
4
2004
5.001,957
5
2005
9.089,312
6
2006
10.068,260
Untuk itu dibutuhkan pendirian pabrik formaldehida baru dengan kapasitas
20.000 ton/tahun yang dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri.
Dasar Reaksi
Proses pembentukan formaldehida dengan katalis perak didasarkan
pada reaksi oksidasi. Reaksinya adalah sebagai berikut :
CH3OH(g) +
½ O2(g)
CH2O(g)
+
H2O(g) …….1
CH3OH(g)
CH2O(g)
H2(g) ……………..2
+
Reaksi diatas berlangsung di dalam reaktor fixed bed multitube pada
temperatur 590o-650oC dan tekanan atmospheris dengan perbandingan mol
antara metanol dan udara adalah 1 : 2 (Kirk and Othmer, 1996).
Tinjauan Termodinamika
Tabel 1. Data Panas Pembentukan dan Energi Gibbs
Komponen
CH2O
∆Hfo (Kj/mol) ∆Gfo (Kj/mol)
-115,9
-109,91
CH3OH
-201,17
-162,51
-241,8
-228,6
H2
0
0
O2
0
0
H2O
( Yaws, 1999 )
Reaksi I
CH3OH (g) + ½ O2 (g)
ΔHfo produk
CH2O(g) + H2O (g) ......................4
∆Hro
=
ΔHro
= (∆Hfo CH2O + ∆Hfo H2O) - (∆Hfo CH3OH +(1/2 ∆Hfo O2))
–
ΔHfo reaktan
.......................................................5
= (-115,9 + (-241,8)) - (-201,17 + 0)
ΔHro
= -156,53 kJ/mol
Reaksi II
CH3OH (g)
CH2O (g) + H2 (g) ....................................6
ΔHro
= ΔHfo produk – ΔHfo reaktan ...........................................................7
ΔHro
= (∆HfoCHOH+ ∆Hfo H2) - (∆Hfo CH3OH)
= (-115,9 + (0)) - (-201170 )
ΔHro
= +85,27 kJ/mol
Pada reaksi pertama terjadi reaksi eksotermis dan pada reaksi kedua
terjadi reaksi endotermis. Namun demikian, secara keseluruhan reaksi yang
berlangsung adalah reaksi eksotermis. (Kirk and Othmer, 1994)
Untuk harga K didapatkan :
∆Go
= ∆Gfoproduk - ∆Gforeaktan
..........................................................8
= (Gf CH2O + Gf H2O) - (Gf CH3OH + ½Gf O2)
= (-109,91 + -228,6) – (-162,51 + 0)
= -176 kJ/mol = -176.000 J/mol
G
= -RT ln K ………………………………………………………9
In K
=
G
 RT
In K
=
 176.000
 8,314(298)
K
=
7,0975.1030  K sangat besar
Jadi reaksinya adalah reaksi irreversible karena harga K yang didapat
sangat besar (Smith dan Van Ness, 1996).
Tinjauan Kinetika
Persamaan kinetika reaksi pembentukan formaldehida adalah sebagai
berikut :
-rm =
k s .k m . p m
…………………………………………………10
1  k m . pm 
Harga konstanta kecepatan reaksi kimia adalah sebagai berikut :
CH3OH + ½ O2
CH2O + H2O ...........................................11
CH3OH
CH2O + H2 ...............................................12
Dimana :
kS
= 0,032 exp (6300 / T)
km
= 14,7 exp (-7050/T) (Mezaki and Inoue, 1989)
Langkah Proses
Proses produksi formaldehida dibagi menjadi 3 tahap yaitu :
1. Tahap penyiapan bahan baku
Pada tahap ini terdapat 2 tahap penyiapan yaitu tahap penyiapan
bahan baku metanol dan udara. Untuk metanol pertama-tama metanol cair
dari tangki penyimpanan (F-01) (T = 35oC, P = 1 atm) dipompa menuju ke
vaporizer (V-01). Didalam vaporizer, metanol cair diubah fasenya menjadi
gas sampai titik didihnya menjadi 70,10oC dengan tekanan 1 atm. Selanjutnya
produk hasil dari vaporizer dialirkan ke separator (H-01) untuk dipisahkan
antara cairan dan uap. Produk atas dari separator (L-01) yang berupa gas
inilah yang selanjutnya digunakan sebagai umpan reaktor, sedangkan hasil
bawah separator (L-01) yang berupa cairan dikembalikan sebagai campuran
umpan untuk vaporizer (V-01). Sedangkan untuk udara diperoleh dari alam
dengan cara diserap menggunakan blower (G-01) pada tekanan 1,2 atm dan
suhu 35oC. Selanjutnya udara dialirkan ke heat exchanger (E-01) untuk
dinaikkan suhunya menjadi 170oC.
Udara hasil keluar heat exchanger (E-01) selanjutnya di umpankan
bersama-sama dengan uap metanol kedalam reaktor (R-01). Tetapi
sebelumnya, campuran metanol dan udara tersebut dinaikkan suhunya hingga
mencapai 600oC dengan menggunakan furnace (Q-01). Umpan keluar dari
furnace selanjutnya di turunkan tekanannya dari
2,78 atm menjadi 1,2 atm
dengan menggunakan expander (Exp-01) sebelum masuk ke reaktor (R-01)
sebagai umpan.
2. Tahap pembentukan produk
Umpan campuran metanol dan udara pada suhu 600oC dan tekanan
1,2 atm diatas selanjutnya direaksikan didalam reaktor fix bed multitube yang
telah diisi katalis perak. Reaksi yang terjadi didalam reaktor berlangsung
dalam fase gas dan bersifat irreversible, eksotermis, non-adiabatis, dan nonisothermal. Untuk mengurangi panas yang dihasilkan, maka digunakan
pendingin Moltensalt untuk mengurangi suhu pada reaktor. Produk hasil
reaksi, selanjutnya dikeluarkan dari reaktor (R-01) dengan suhu 616,39oC.
3. Tahap pemurnian produk
Produk reaktor yang keluar dari reaktor tidak langsung didinginkan di
cooler (E-03), melainkan diturunkan dahulu suhunya dengan memanfaatkan
panasnya yang tinggi yaitu 616oC. Panas produk reaktor digunakan untuk
memanaskan umpan udara dengan melewatkannya di heat exchanger (E-01),
sehingga panas produk reaktor turun dari 616,39oC menjadi 486,28oC.
Selanjutnya panas dari produk reaktor dimanfaatkan lagi untuk membuat
steam di waste heat boiler (E-02), sehingga panas dari produk reaktor turun
dari 486,28oC menjadi 484,37oC.
Produk reaktor yang keluar dari waste heat boiler selanjutnya
dialirkan ke cooler (E-03) untuk didinginkan suhunya menjadi 35oC, suhu
yang dibutuhkan untuk umpan absorber. Setelah itu produk reaktor yang
keluar dari cooler (E-03) dialirkan menuju ke absorber (D-01) dengan suhu
35oC dan tekanan 1,0029 atm. Didalam absorber (D-01) formaldehida diserap
dengan menggunakan media penyerap air. Hasil atas yang berupa gas yaitu
oksigen, nitrogen, dan sedikit H2O, CH3OH, dan CHOH digunakan sebagai
bahan bakar furnace (Q-01) dan selebihnya dijual. Sedangkan untuk hasil
bawah yang berupa larutan formaldehida 37%, selanjutnya dialirkan menuju
tangki penampungan (F-02) dengan menggunakan pompa (L-03) untuk
selanjutnya siap dipasarkan.
Spesifikasi Alat Dan Bahan
1. Tangki penyimpan bahan baku metanol
Kode
: F-01
Fungsi
: menampung metanol
Tipe
: silinder vertical dengan flat bottom dan head conical roof
Volume
: 80.954,1030 gal
Jumlah
: 1 buah
selama 7 hari
2. Tangki penyimpan produk formaldehida
Kode
: F-02
Fungsi
: menampung formaldehida selama 7 hari
Tipe
: silinder vertical dengan flat bottom dan head conical roof
Volume
: 129.171,6528 gal
Jumlah
: 1 buah
3. Blower
Kode
: G-01
Fungsi
: menaikkan tekanan udara dari 1 atm menjadi 1,2 atm dan
mengalirkan udara ke reaktor
Tipe
: sentrifugal 1 stage
Kapasitas : 882.952,3741 m3/jam
Daya
: 3 Hp
4. Vaporizer
Kode
: V-01
Fungsi
: menguapkan metanol sebelum masuk reaktor
Tipe
: heat exchanger double pipe
Panjang pipa
: 12 ft
Luas permukaan
: 88,0320 ft2
5. Separator
Kode
: H-01
Fungsi
: memisahkan antara cairan dan uap metanol dari vaporizer
Tipe
: vertical drum
Volume
: 1,2001 m3
Diameter
: 30 in
6. Heat exchanger
Kode
: E-01
Fungsi
: memanaskan udara
Tipe
: heat exchanger double pipe
Panjang pipa
: 12 ft
Luas permukaan
: 88,032 ft2
7. Waste heat boiler (WHB)
Kode
: E-02
Fungsi
: membuat steam
Tipe
: heat exchanger double pipe
Panjang pipa
: 12 ft
Luas permukaan
: 22,0080 ft2
8. Expander
Kode
: Ex
Fungsi
: menurunkan tekanan dari 2,7976 atm menjadi 1,2 atm
Tipe
: single stage dan sentrifugal
Laju alir
: 2,718 m3/s
Daya
: 50 Hp
9. Furnace
Kode
Fungsi
: Q-01
: menaikkan suhu umpan reaktor menjadi 6000C
Tipe
: box
Qduty
: 5,5469 MMBTU/jam
10. Reaktor
Kode
: R-01
Fungsi
: mereaksikan CH2OH dengan O2 menjadi CHOH
Tipe
: fixed bed multitube
Jenis
: reaktor katalitik non adiabatic dan non isothermal
Suhu
: 600-616,38970C
Tekanan
: 1,2 atm
Katalis
: perak (Ag)
Volume
: 2.213,7512 galon
Tinggi total : 5,1657 m
Jumlah
: 1 buah
11. Absorber
Kode
: D-01
Fungsi
: menyerap formaldehida dengan menggunakan air
Tipe
: packed tower
Suhu
: 350C
Tekanan
: 1 atm
12. Cooler
Kode
: E-03
Fungsi
: mendinginkan produk reaktor dari suhu 484,360C menjadi 350C
Tipe
: heat exchanger shell and tube
Panjang tube
: 16 ft
Luas permukaan
: 2.257,6438 ft2
Jumlah tube
: 719 buah
Analisi Ekonomi
Berdasarkan hasil analisis ekonomi didapatkan bahwa pendirian pabrik
formaldehida membutuhkan modal investasi sebesar Rp.129.369.308.314,95 dan
biaya produksi sebesar Rp. 136.164.709.711,37. Analisis ekonomi terhadap pabrik
ini menunjukkan keuntungan sebelum pajak Rp.53.973.081.854,19 pertahun dan
keuntungan setelah pajak Rp.37.781.157.297,94 pertahun. Percent Return On
Invesment (ROI) sebelum pajak 41,7200% dan setelah pajak 29,2040%. Pay Out
time (POT) sebelum pajak 1,9330 tahun dan setelah pajak 2,5510 tahun. Break
Event Point (BEP) sebesar 42,18% dan Shut Down Point (SDP) sebesar 26,22%.
Discounted cash Flow (DCF) terhitung sebesar 47,11%.
Gambar 1. Grafik Kelayakan Analisis Ekonomi
280,00
Milyar (Rupiah) per Tahun
240,00
200,00
160,00
Sa
Ra
120,00
80,00
Va
40,00
Fa
-
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Kapasitas Produksi per Tahun (%)
Kesimpulan
Dari hasil analisa ekonomi dapat diambil kesimpulan bahwa :
1) Percent Return on Investment sebelum pajak = 41,72% dan sesudah pajak =
29,20%. Batas minimum Percent ROI pabrik resiko rendah 20%
2) Pay Out Time sebelum pajak = 1,9330 tahun dan sesudah pajak =
2,5510 tahun. Batas maksimum POT pabrik resiko rendah = 5 tahun
3) Break Even Point = 41,18 %. Syarat BEP untuk pabrik kimia antara 40-60%
4) Shut Down Point = 26,22 %. Syarat SDP untuk pabrik kimia minimal 25%
5) Discounted cash Flow adalah 47,11 %
Dari hasil evaluasi ekonomi di atas Pabrik Formaldehid dengan proses
Katalis Perak kapasitas 20.000 ton/tahun layak untuk didirikan.
DAFTAR PUSTAKA
Agra, S., 1989, Kinetika dan Katalis, Universitas Gadjah Mada
Anonim,
2003,
matches
process
Equipment
Cost
Estimate,
http://www.matche.com/ , Diakses tanggal 25 September 2013, jam
13.43 WIB
Anonim, 2009, Chemichal price, http://www.icis.com/, diakses tanggal 25
September 2013, jam 13.46 WIB
Anonim, 2009, Formaldehyde and Adhesive Resin, http://www.ikah.dprin.go.id/,
diakses tanggal 19 Januari 2013, jam 12.26 WIB
Anonim, 2013, Silver Catalyst, www.allgemeine-gold.de, diakses tanggal 31
Oktober 2013, jam 12.26 WIB
Aries, R.S. and Newton, R.D., 1955, Chemical Engineering Cost Estimation,
McGraw-Hill Book Company, New York.
Badan Pusat Statistik, 2001-2005, Statistik Perdagangan Luar Negeri Indonesia,
Export-Import, Jakarta
Brown, G.G., Et.All., 1950, Unit Operation, Modern Asia ed, John Willey and
Sons Inc., New York
Brownell, L.E. and Young, E.H., 1959, Process Equipment Design Vessel Design,
Michigan.
Coulson, J.M. and Richarson, J.F., 1983, Chemical Engineering, vol. 6,
Pergamon Press Ltd, New York.
Fogler, H.S., 1999, Elements of Chemical Reaction Engineering, 3rd edition,
Prentice Hall P.T.R, New Jersey.
Kern, D.Q., 1950, Process Heat Transfer, McGraw Hill International Book
Company, Singapura.
Kirk, R.E. and Othmer, V.R., 1993, Encyclopedia of Chemical Technology, vol.5
Carbon & Graphite Fibers to C1-Chlorocarbons, 4th ed., John Wiley &
Sons Inc., New York.
Kirk, R.E. and Othmer, V.R., 1994, Encyclopedia of Chemical Technology, vol.11
Flavor Characterization to Fuel Cells, 4th ed., John Wiley & Sons Inc.,
New York.
Kirk, R.E. and Othmer, V.R., 1995, Encyclopedia of Chemical Technology, vol.16
Mass Transfer to Neuroregulators, 4th ed., John Wiley & Sons Inc., New
York.
Kirk, R.E. and Othmer, V.R., 1996, Encyclopedia of Chemical Technology, vol.17
Nickel & Nickel Alloys to Paint, 4th ed., John Wiley & Sons Inc., New
York.
Kirk, R.E. and Othmer, V.R., 1998, Encyclopedia of Chemical Technology, vol.25
Vitamins to Zone Refining, 4th ed., John Wiley & Sons Inc., New York.
Mc Ketta, J.J. and Cunningham, D.F., 1976, Encyclopedia of Chemical
Processing and Design, vol.11, Marcel Pekker, New York, p. 350-370.
Mezaki, R. and Inoue, H, 1991, Rate Equation of Solid Catalyzed Reaction,
University of Tokyo Press, Tokyo, p. 218.
MSDS Air pdf, http://s7d9.scene7.com/is/content/minesafetyappliances/10003.
Perry, R.H. and Green, D.W., 1950, Chemical Engineers’ Handbook, 3th ed.,
McGraw Hill Book Company, Tokyo.
Peters, M.S., Timmerhaus, K.D. and West, R.E., 2003, Plant Design and
Economics for Chemical Engineers, 5th ed., Mc-Graw Hill, New York.
Treybal, R.E., 1984, Mass Transfer Operation, 3rd ed., McGraw Hill International
Book Company, Japan.
Ullman’s, 1988, Encyclopedia of Industrial Chemistry, vol.A11 Fibers 5.Synthetic
Inorganic to Formaldehyde, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim..
Widiyanti, Arin., 2006,”Daftar 20 Perusahaan Produsen Formalin”. Detik News.
http://news.detik.com/read/2006/01/03/160825/511554/10/daftar-20perusahaan-produsen-formalin?nd992203605 diunggah 26.09.2013
Yaws, C.L., 1999, Chemical Properties Handbook, McGraw Hill Companies Inc.,
USA.
HASIL TURNUTIN