prarancangan pabrik dimethyl ether proses dehidrasi
TRANSCRIPT
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).
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 15
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)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 16
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).
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 17
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)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 18
Gambar 2.1 Diagram Alir Kualitatif
Gam
bar 2.1D
iagram A
lir Kualitatif
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 19
Gambar 2.2 Diagram Alir Kuantitatif
Gam
bar 2.2D
iagram A
lir Kuantitatif
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 20
Gambar 2.3 Diagram Alir Proses
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 21
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%.
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 22
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.
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 23
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
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 24
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
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 25
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
Q masuk (kJ/jam) Q keluar (kJ/jam)Panas masuk 6.491.917,1Panas keluar 1.837.107,3
Panas yang diserappendingin
4.654.809,8
Total 6.491.917,1 6.491.917,1
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 26
Neraca Panas di K-01Stage 2
Q masuk (kJ/jam) Q keluar (kJ/jam)Panas masuk 1.837.107,3Panas keluar 7.662.948,2
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
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 27
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:
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 28
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)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 29
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:
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 30
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.
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether Proses Dehidrasi MethanolDengan Katalis γAl2O3.SiO2 Berkapasitas 95.000 Ton/Tahun
Teknik Kimia Universitas Wahid Hasyim 31
LAY OUT PERALATAN
Gambar 2.5 Lay Out Peralatan