naskah publikasi prarancangan pabrik dibutyl phthalate dari

NASKAH PUBLIKASI
PRARANCANGAN PABRIK DIBUTYL PHTHALATE DARI PHTHALIC
ANHYDRIDE DAN N-BUTANOL DENGAN KATALIS ASAM SULFAT
KAPASITAS 12.500 TON/TAHUN
Disusun oleh:
Ali Mahmudi
D 500 090 007
Dosen pembimbing:
1. Ir. Nur Hidayati, M.T., Ph.D.
2. Ir. Haryanto A.R., M.S.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
SURAKARTA
2013
i
ii
SURAT PERNYATAAN
PUBLIKASI KARYA ILMIAH
Bismillaahirrahmaanirrohiim
Yang bertanda tangan dibawah ini, saya:
Nama
: Ali Mahmudi
NIM
: D500 090 007
Fakultas/Jurusan
: Teknik/Teknik Kimia
Jenis
: Skripsi
Judul
: Prarancangan Pabrik Dibutyl Phthalate dari Phthalic
Anhydride dan n-Butanol dengan Katalis Asam Sulfat
Kapasitas 12.500 Ton/Tahun
Dengan ini menyatakan bahwa saya menyetujui untuk:
1. Memberikan hak bebas royalti kepada Perpustakaan UMS atas penulisan karya ilmiah
saya, demi pengembangan ilmu pengetahuan,
2. Memberikan hak menyimpan, mengalihmediakan/mengalih formatkan, mengelola
dalam
bentuk
pangkalan
data
(database),
mendistribusikannya,
serta
menampilkannya dalam bentuk softcopy untuk kepentingan akademis kepada
Perpustakaan UMS, tanpa perlu meminta ijin dari saya selama tetap mencantumkan
nama saya sebagai penulis/pencipta,
3. Bersedia dan menjamin untuk menanggung secara pribadi tanpa melibatkan pihak
Perpustakaan UMS, dari semua bentuk tuntutan hukum yang timbul atas pelanggaran
hak cipta dalam karya ilmiah ini.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sesungguhnya dan semoga
dapat digunakan sebagaimana semestinya.
Surakarta, Juli 2013
Yang menyatakan
Ali Mahmudi
iii
A. PENDAHULUAN
Sebagai Negara berkembang Indonesia dituntut untuk selalu memperbaiki
sistem perekonomian. Upaya untuk meningkatkan sistem perekonomian tersebut
salah satunya adalah dengan memajukan sistem industrialisasi. Pasar bebas yang
dibuka seluas-luasnya merupakan salah satu alternatif agar terbangun industri
yang kompetitif. Industri kimia yang memproduksi bahan kimia hulu maupun
hasil olahannya merupakan contoh sektor industri yang kompetitif.
Salah satu industri kimia yang dinilai prospektif adalah Plasticizer.
Plasticizer merupakan salah satu bahan penunjang bagi industri plastik yang
berfungsi membentuk sifat kekenyalan atau keliatan agar barang-barang dari
plastik menjadi kenyal, mudah dibentuk dan tidak mudah pecah/patah. Dibutyl
phthalate merupakan salah satu jenis plasticizer yang digunakan di Indonesia.
Dibutyl phthalate diperoleh dari reaksi phthalic anhydride dan 2 molekul
n-butanol melalui satu tahap reaksi esterifikasi disertai pengeluaran air, adapun
reaksinya adalah sebagai berikut (Keyes,1975):
C6H4(CO)2
+
Phthalic Anhydride
2C4H9OH
H2 SO4
n-Butanol
C6H4(COOC4H9)+ H2O
Dibutyl Phthalate
Air
Dengan menggunakan katalis asam sulfat, waktu reaksi yang digunakan
sangat singkat, sehingga kemungkinan terjadinya reaksi samping sangat kecil.
Produk yang diperoleh dari reaksi esterifikasi adalah 99% dibutyl phthalate.
Selain pertimbangan di atas, pendirian pabrik dibutyl phthalate di
Indonesia didasarkan oleh beberapa hal sebagai berikut:
 Menciptakan lapangan pekerjaan sehingga dapat mengurangi jumlah
angka pengangguran dalam negri
 Memacu industri-industri baru untuk menggunakan dibutyl phthalate
sebagai bahan bakunya
 Mengurangi ketergantungan terhadap negara asing
 Meningkatkan pendapatan negara dari sektor industri, serta dapat
menghemat devisa negara
 Meningkatkan mutu sumber daya manusia Indonesia lewat alih
teknologi
1
B. PERANCANGAN KAPASITAS
Kapasitas produksi pabrik mempengaruhi perhitungan ekonomis maupun
teknis dalam suatu perancangan pabrik. Dalam menentukan kapasitas rancangan
pabrik dibutyl phthalate ini perlu mempertimbangkan beberapa hal, diantaranya
proyeksi konsumsi dibutyl phthalate, kapasitas produksi dibutyl phthalate
komersial yang sudah ada dan kapasitas minimal atau maksimal yang terpasang.
1. Proyeksi Kebutuhan dibutyl phthalate
Tabel 1. Data impor Indonesia terhadap dibutyl phthalate (BPS, 20062010)
No.
Tahun
Jumlah (kg)
1.
2006
479.571
2.
2007
2.652.987
3.
2008
3.886.947
4.
2009
1.052.693
5.
2010
1.157.688
Berdasarkan data yang ditunjukkan pada tabel 1.1. data impor Indonesia
terhadap dibutyl phthalate mengalami pasang surut. Namun kebutuhan dibutyl
phthalate diprediksikan akan
mengalami
peningkatan pada tahun-tahun
berikutnya.
2. Kapasitas Produksi Pabrik Komersial yang Sudah Ada
Saat ini ada 2 pabrik di Indonesia yang memproduksi dibutyl pthtalate,
yaitu: PT. Indo Polimers Adiputra dengan kapasitas 7.200 ton/tahun dan PT.
Buana
Chemical
Industries
yang
berkapasitas
10.000
ton/tahun
(Indochemical’CIC’,2002). Berdasarkan pertimbangan di atas maka diambil
kapasitas produksi rancangan pabrik dibutyl phthalate ini sebesar 12.500
ton/tahun. Berdasarkan faktor lokasi bahan baku, pemasaran, fasilitas transportasi,
utilitas, dan tenaga kerja, maka Gresik, Jawa Timur dirasa tepat untuk dijadikan
lokasi pendirian pabrik dibutyl phthalate dalam perencanaan ini.
2
C. PROSES PEMBUATAN DIBUTYL PHTHALATE
Dibutyl phthalate diproduksi dengan mereaksikan antara phthalic
anhydride dan butanol dengan reaksi esterifikasi menggunakan katalis asam
sulfat. Reaksi dijalankan dalam Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) pada
suhu 80-150oC. Reaksi berlangsung dalam fase cair, dengan persamaan reaksi
sebagai berikut (Berman dkk., 1948):
O
C
COOC4H9
C 6 H4
O
+ C6H4OH
C6H4
C
COOH
O
Phthalic Anhyride
Butanol
Monobutyl Phthalate
COOC4H9
COOC4H9
+ C6H4OH → C6H4
C 6 H4
COOH
Monobutyl Phthalate
+ H2O
COOC4H9
Butanol
Dibutyl Phthalate
Air
Gambar 1. Reaksi Esterifikasi dibuytl phthalate
D. TINJAUAN KINETIKA
Reaksi esterifikasi pembentukan dibutyl phthalate adalah reaksi orde 2
terhadap terhadap monoester. Dari eksperimen diperoleh persamaan empiris untuk
harga k, adalah sebagai berikut (Berman,1949):
 B  10
k T  2,1 x10 5  889 x10 4 C 1,228 x10 3 C   
 M   1205,8
(15,135 4516/ T )



Dengan :
kT
: Konstana laju reaksi dengan katalis (m3/.kmol jam)
C
:Prosen berat katalis dalam umpan (%)
B/M
: Rasio mol Butanol dan MBP
T
: Temperatur
3
Reaksi esterifikasi pembuatan dibutyl phthalate adalah reaksi eksotermis
atau menghasilkan panas yang ditandai dengan harga panas reaksi pembentukan
bernilai negatif (ΔHf = negatif). Sedangkan dari segi kesetimbangan reaksi (K),
reaksi esterifikasi pembuatan dibutyl phthalate tersebut berjalan ke arah kanan
yang ditandai dengan energi gibs bernilai negatif (ΔG = negatif). ΔG bernilai
negatif juga menunjukkan entropi atau derajat spontanitas (ΔS) reaksi semakin
besar yang berarti reaksi tersebut dapat terjadi.
E. DESKRIPSI PROSES
Secara keseluruhan proses produksi dibutyl phthalate dibagi menjadi 3
tahap yaitu:
1. Tahap persiapan bahan baku
2. Tahap Reaksi
3. Tahap Pemurnian Produk
1. Tahap Persiapan Bahan Baku
Tahap ini dimaksudkan untuk mempersiapkan bahan baku agar sesuai
dengan kondisi operasi. Bahan baku butanol disimpan dalam keadaan cair pada
tangki (F-02) suhu 30oC dan tekanan 1 atm. Dalam kondisi cair jenuh butanol
dipompa melewati heater (E-01) untuk dinaikkan suhunya dari 30oC sampai
117oC kemudian dicampur dengan butanol recycle dari menara destilasi (MD-02)
masuk ke reactor (R-01). Bahan baku phthalic anhydride padatan dari silo bahan
baku (S-01) pada suhu kamar 30oC dan tekanan 1 atm diangkut dengan bucket
elevator menuju melting tank (Mt-01) untuk dicampur dengan asam sulfat
kemudian dilelehkan dan dipompa menuju reactor (R-01).
2. Tahap reaksi
Reaktor yang digunakan adalah Reaktor Alir Tangki Berpengaduk, dengan
kondisi operasi reaktor pada suhu 140oC dan tekanan 1 atm.
3. Tahap Pemurnian Produk
Hasil bawah reaktor didinginkan dengan menggunakan cooler (E-03).
Setelah itu dialirkan ke dalam netralizer (R-02) untuk dinetralkan dengan NaOH
60%. Setelah dinetralisasi, selanjutnya produk dialirkan menuju decanter (DC-01)
4
untuk memisahkan produk dengan endapan garam. Produk atas decanter
selanjutnya dipompakan menuju menara distilasi (MD-01) untuk memurnikan
produk. Produk bawah menara berupa dibuytl phthalate dilewatkan pada cooler
(E-04) untuk diturunkan suhunya dan produk disimpan pada tangki penyimpanan
(F-04). Produk atas reaktor berupa uap jenuh campuran air dan butanol
didinginkan dan dicampur dengan hasil atas MD-01. Campuran air dan butanol ini
selanjutnya dipisahkan menggunakan MD-02. Produk atas berupa uap air yang di
buang ke lingkungan sedangkan produk bawah berupa butanol dikembalikan ke
dalam reaktor. Diagram alir proses produksi dibutyl phthalate dapat dilihat pada
gambar 2.
Dengan kapasitas 12.500 ton/tahun pabrik dibuytl phthalate ini
membutuhkan bahan baku pthalic anhydride sebanyak 1.001,06 kg/jam, n-butanol
1.123,84 kg/jam dan katalis asam sulfat 21,33 kg/jam. Data masing-masing
komponen tiap arus disajikan dalam tabel 2.
5
1
100
1
13
30
P-21
1
1
128
14
Melting
tank
silo
P-16
1
140
2
1
30
4
P-22
T.
Asam
sulfat
5
P-19
1
1
232
P-17
P-24
T. Butanol
P-16
P-37
1
140
6
P-18
MD-02
1
140
Reaktor
P-32
P-26
P-36
Netraliz
er
30
1
60
8
3
P-25
P-23
MD-01
P-15
P-33
1
P-25
40
1
1
30
7
T.
NaOH
12
P-15
Decanter
11
165
T.DBP
P-27
10
P-35
P-20
1
60
9
P-28
P-34
Gambar 2. Diagram alir kualitatif pabrik dibutyl phthalate
6
Tabel 2. Data komponen dan massa tiap arus pabrik dibutyl phthalate
Komponen
H2O
C8H4O3
C8H6O4
C4H2O3
C16H22O4
C12H14O4
C4H10O
H2SO4
NaOH
Na2SO4
Total
Nomor Arus
1
0,50
998,06
2,00
0,50
2
0,11
3
1,14
998,06
2,00
0,50
4
0,64
1123,73
20,69
20,69
5
64,98
0,08
0,00
0,03
0,59
0,55
103,70
0,01
6
38,42
9,90
2,00
0,47
1577,69
221,59
105,51
20,67
7
11,24
16,87
1001,06
1123,84 1022,39
21,33
169,95
1976,26
28,12
8
57,26
9,90
2,00
0,47
1577,69
221,59
105,51
0,02
0,02
29,92
2004,39
9
49,67
9,90
2,00
0,47
10,51
0,02
0,02
29,92
0,00
0,14
102,66
10
7,59
11
12
7,59
13
72,06
1577,69
221,44
95,00
1577,69
12,76 208,68
2,35 92,65
7E-04
1901,73
1592,81 308,92
72,06
14
0,51
0,00
0,08
0,00
0,59
209,23
196,35
0,00
406,76
7
F. SPESIFIKASI ALAT UTAMA PROSES
Alat-alat yang digunakan dalam proses produksi dibuytl phthalate harus
disesuaikan dengan kapasitas peracangan dan standar internasional yang umum
digunakan. Dari hasil perhitungan data spesifikasi alat proses pabrik dibuytl
phthalate dengan kapasitas 12.500 ton/tahun adalah sebagai berikut:
1. Silo
Kode alat
: S-01
Fungsi
: Penampung phthalic anhydride sebelum diumpankan ke
melting tank
Suhu operasi
: 30
Tekanan operasi : 1 atm
Diameter
: 0,865 m
Tinggi
: 0,865 m
Tebal plate shell : 3/16 in
Tebal plate roof : 3/16 in
Bahan konstruksi : Carbon steel SA 135
Harga
2.
: US $ 13.500
Melting Tank
Kode alat
: Mt-01
Fungsi
: Melelehkan sekaligus memanaskan phthalic anhydride
dan asam sulfat dari 30oC menjadi 140oC
Suhu operasi
: 140
Tekanan operasi : 1 atm
Diameter
: 0,865 m
Tinggi
: 1,287 m
Tebal plate shell : 3/16 in
Tebal plate roof : 3/16 in
Bahan konstruksi : Stainless steel SA 304
Harga
3.
: US $ 230.000
Reaktor
Kode alat
: R-01
8
Fungsi
: Tempat terjadinya reaksi antara n-butanol dengan phthalic
anhydride menjadi dibutyl pthalate
Suhu operasi
: 140
Tekanan operasi : 1 atm
Diameter
: 2,508 m
Tinggi
: 3,538 m
Tebal plate shell : 3/16 in
Tebal plate roof : 3/16 in
Bahan konstruksi : Stainless steel SA 304
Harga
4.
: US $ 230.000
Netralizer
Kode alat
: R-02
Fungsi
: Tempat terjadinya reaksi netralisasi asam sulfat (sisa
reaksi di reaktor) dengan natrium hidroksida menjadi
natrium sulfat
Suhu operasi
: 60
Tekanan operasi : 1 atm
Diameter
: 1,145 m
Tinggi
: 1,668 m
Tebal plate shell : 3/16 in
Tebal plate roof : 3/16 in
Bahan konstruksi : Stainless steel SA 304
Harga
5.
: US $ 230.000
Dekanter
Kode alat
: Dc-01
Fungsi
: Tempat terjadinya pemisahan berdasarkan densitas bahan
hasil reaksi di netralizer
Suhu operasi
: 60
Tekanan operasi : 1 atm
Diameter
: 1,227 m
Panjang
: 5,105 m
9
Tebal plate shell : 3/16 in
Tebal plate roof : 3/16 in
Bahan konstruksi : Carbon steel SA 135
Harga
6.
: US $ 25.400
Menara Distilasi
a. Menara distilasi-01
Kode alat
: MD-01
Fungsi
: Tempat terjadinya pemisahan produk dibutyl
phthalate dengan sisa reaktan, sehingga produk
dibutyl phthalate yang dihasilkan menjadi 99%
Jenis
: Plate sieve tray
Bahan
: Carbon steel SA-238 Grade C
Tinggi MD-01
: 3,413 m
Jumlah plate minimum
: 0,148 plate
Jumlah plate ideal
: 0,416 plate
Jumlah plate aktual
: 3 plate
Seksi stripping (bawah) : 2 plate
Seksi enriching (atas)
: 1 plate
Diameter atas
: 2,032 m
Diameter bawah
: 2,904 m
Diameter MD-01
: 2,904 m
Tebal head
: 3/16 in
Tebal shell
: 3/16 in
Jarak antar tray
: 0,55 m
∆Pt
: 0,005 atm
Umpan masuk
: Tray nomer 1
Kondisi atas
a. FLV
:
0,014
b. Uf
:
1,604 m/dt
c. An
:
2,851 m2
d. AD
:
0,389 m2
10
Kondisi bawah
a. FLV
:
0,095
b. Uf
:
0,656 m/dt
c. An
:
5,825 m2
d. AD
: 0,794 m2
Harga
: US $ 3.848
b. Menara distilasi-02
Kode alat
: MD-02
Fungsi
: Tempat terjadinya pemisahan n-butanol dan sisa
reaktan dengan air
Jenis
: Plate sieve tray
Bahan
: Stainless steel SA-304
Tinggi MD-01
: 16,793 m
Jumlah plate minimum
: 23,653 plate
Jumlah plate ideal
: 33,790 plate
Jumlah plate aktual
: 34 plate
Seksi stripping (bawah) : 1 plate
Seksi enriching (atas)
: 33 plate
Diameter atas
: 0,760 m
Diameter bawah
: 2,824 m
Diameter MD-01
: 2,824 m
Tebal head
: 3/16 in
Tebal shell
: 3/16 in
Jarak antar tray
: 0,55 m
∆Pt
: 0,005 atm
Umpan masuk
: Tray nomer 33 dari atas
Kondisi atas
e. FLV
:
0,010
f. Uf
:
2,636 m/dt
g. An
:
0,399 m2
h. AD
:
0,054 m2
11
Kondisi bawah
e. FLV
:
0,056
f. Uf
:
1,050 m/dt
g. An
:
5,508 m2
h. AD
: 0,751 m2
Harga
: US $ 72.400
12
G. ANALISIS EKONOMI
Analisa ekonomi berfungsi untuk mengetahui apakah pabrik yang akan
didirikan dapat menguntungkan atau tidak dan layak atau tidak jika didirikan
berdasarkan valuasi ekonominya. Berdasarkan evaluasi ekonomi yang telah
dilakukan pabrik direncanakan beroprasi selama 330 hari pertahun dengan jumlah
karyawan 163 orang, modal tetap sebesar Rp 99.105.458.205,44 pertahun. Modal
kerja sebesar Rp 214.150.396.665,74 pertahun. Setelah dipotong pajak
keuntungan mencapai Rp 24.440.684.182,77 pertahun. Percent return on
investment (ROI) sebelum pajak sebesar 11,39% dan sesudah pajak sebesar
8,35%. Pay out time (POT) sebelum pajak sebesar 2,21 tahun dan setelah pajak
2,89 tahun. Break event point (BEP) sebesar 43,69%, shut down point (SDP)
sebesar 27,70%, internal rate of return (IRR) berdasarkan discounted cash flow
(DCF) sebesar 20,91%. Hasil ini dapat ditunjukkan dalam gambar 3.
250,0
Miliyar per tahun
200,0
Sa
150,0
Fa
Va
100,0
Ra
BEP
50,0
SDP
0,0
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
Kapasitas Pabrik per tahun (%)
Gambar 3. Grafik hasil analisis ekonomi pabrik dibutyl phthlate
13
H. KESIMPULAN
Pabrik dibutyl phthalate dari phthalic anhydride dan n-butanol dengan
proses esterifikasi katalis asam sulfat kapasitas 12.500 ton/tahun digolongkan
pabrik beresiko rendah, karena suplai bahan baku dekat (non-impor) dan kondisi
operasi pada kondidi atmosferis (tekanan 1atm dan suhu 140oC).
Kelayakan pabrik berdasarkan analisis ekonomi ditunjukkan dalam tabel 3.
Tabel 3. Perbandingan Anlasisis Ekonomi Perhitungan dan Referensi
(Aries&Newton,1955)
Keterangan
Perhitungan
Referensi
1. ROI (return on investment)
35,23%
Low risk 11%
sebelum pajak
2. POT (pay out time) sebelum
High risk 44%
2,21th
pajak
Low risk 2th
High risk 5th
3. BEP (break even point)
43,69%
40%-60%
4. SDP (shut down point)
27,70%
-
5. DCF (discounted cash flow)
20,97%
Minimal 20%
Berdasarkan pertimbangan bahwa ROI, BEP, dan DCF untuk pabrik
beresiko rendah perhitungannya memenuhi standar, sehingga pabrik dibutyl
phthalate ini layak unuk didirikan.
14
DAFTAR PUSTAKA
Aries, R.S, and Newton, R.D., 1995, “Chemical engineering Cost Estimation”,
Mc. Graw Hill Book Co Inc., New York.
Berman, S., Melnychuk, A.A., and Othmer, D.F. 1948.“Dibutyl Phthalate:
Reaction Rate of Catalitic Esterification”. J. Industrial and Engineering
Chemistry. Vol 40, no 7 1312-1319.
Biro Pusat Statistik, 1998-2004, Statistik Perdagangan Luar Negeri Indonesia.
Jakarta.
Faith, Keyes, and Clark, 1975, Industrial Chemical, 4th Edition, John Wiley and
Sons Inc., New York.
15
LAMPIRAN
Hasil tes originalitas karya ilmiah, tes menggunakan software turnitin:
16