Download Perancangan Pabrik Vinil Klorida dari Etilen and more Papers Industrial Engineering in PDF only on Docsity!
PRA RANCANGAN PABRIK
Pabrik Vinil Klorida dengan Proses Klorinasi Langsung Etilen
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun
LAPORAN I
Pendahuluan dan Deskripsi Proses
Pembimbing: Sri Helianty, S.T., M.T. Koordinator: Muhammad Iwan Fermi, S.T., M.T.
Kelompok 2021 - 1 - 18
Semester Genap Tahun Akademik 202 2 /202 3
Fadia Haya Ramadhani 1807113128 Laura Mega Susanti 1807125322 Niken Triani Klaway Reza 1807111284
Program Studi Sarjana Teknik Kimia
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik
Universitas Riau
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 i Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti
LEMBAR PENGESAHAN
TUGAS PERANCANGAN PABRIK
Semester Genap Tahun 20 22 /20 23 LAPORAN I PENDAHULUAN DAN DESKRIPSI PROSES
Pabrik Vinil Klorida dengan Proses Klorinasi Langsung Etilen
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun
Kelompok 2021 - 1 - 18
Fadia Haya Ramadhani 1807113128 Laura Mega Susanti 1807125322 Niken Triani Klaway Reza 1807111284 Catatan: Pekanbaru, Maret 2022 Disetujui Pembimbing Sri Helianty, S.T., M.T. NIP.19740526 200003 2 003
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 iii Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 35
LAMPIRAN A SPESIFIKASI BAHAN BAKU DAN PRODUK ................... 37
LAMPIRAN B PERHITUNGAN GPM ............................................................ 38
LAMPIRAN C SIFAT TERMODINAMIKA BAHAN BAKU DAN
PRODUK ............................................................................................................. 44
LAMPIRAN D SIFAT KINETIKA REAKSI .................................................. 52
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 iv Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 1.1 Grafik Impor Vinil Klorida dari Tahun 2015- 2020 ........................... 5 Gambar 1.2 Grafik Produsen Vinil Klorida di Dunia............................................ 6 Gambar 2.1 Pembuatan Vinil Klorida dengan Hidroklorinasi Asetilena ............ 10 Gambar 2.2 Pembuatan Vinil Klorida dengan Oksiklorinasi Etana .................... 12 Gambar 2.3 Pembuatan Vinil Klorida dengan Pirolisis Etilen Diklorida ........... 13 Gambar 2.4 Pembuatan Vinil Klorida dengan Oksiklorinasi Etilen ................... 15 Gambar 2.5 Pembuatan Vinil Klorida dengan Klorinasi Langsung Etilen ......... 16 Gambar 2.6 Process Flow Diagram (PFD) Klorinasi Langsung Etilen .............. 20 Gambar 3.1 Impor Vinil Klorida oleh Indonesia dari Tahun 2015- 2020 ............ 25 Gambar 3.2 Lokasi Pabrik Vinil Klorida yang akan didirikan ............................ 30
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 1 Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Pembangunan industri nasional dalam upaya meningkatkan daya saing pasar internasional dan mempertahankan pasar dalam negeri memberikan kontribusi besar pada pendapatan negara. Pembangunan bidang industri dilaksanakan dengan terpadu serta bertahap melalui peningkatan keterkaitan antara industri dengan sektor ekonomi lainnya, terutama sektor ekonomi yang memiliki persediaan bahan baku industri kimia. Salah satu bahan baku kimia yang banyak dikonsumsi oleh industri kimia dalam negeri adalah vinil klorida , yang selama ini masih banyak didatangkan dari luar negeri. Vinil klorida merupakan senyawa organik dengan rumus molekul C 2 H 3 Cl yang banyak digunakan sebagai bahan baku plastik seperti PVC sheet , PVC film, PVC leather (kulit imitasi), dan produk- produk lainnya seperti botol plastik. Kebutuhan vinil klorida di dalam maupun luar negeri terus meningkat setiap tahunnya. Penyediaan untuk kebutuhan di dalam negeri sebagian telah dipenuhi oleh PT. Asahimas Chemical dan PT. Sulfindo. PT. Asahimas Chemical dan PT. Sulfindo yang berlokasi di kawasan Industri Cilegon dan Jakarta masing-masing menghasilkan vinil klorida dengan kapasitas 800.000 ton/tahun dan 130. ton/tahun. Walaupun demikian, Indonesia masih melakukan impor vinil klorida untuk kebutuhan industri plastik dari negara-negara maju seperti Amerika Serikat, Prancis, Jerman dan Jepang. Oleh karena itu, perlu didirikan pabrik vinil klorida untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri. Selain itu, surplus produksi vinil klorida diekspor untuk meningkatkan devisa negara dan mendorong pertumbuhan industri- industri berbahan baku vinil klorida. Bahan baku pembuatan vinil klorida terdiri dari asetilena, etilen diklorida, etana, dan etilen. Pembuatan vinil klorida menggunakan etilen dinilai lebih ekonomis karena harga bahan baku etilen yang lebih murah bila dibandingkan
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 2 Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti dengan asetilena. Diprediksi konsumsi vinil klorida terus meningkat dalam beberapa tahun ke depan karena adanya perkembangan industri-industri yang menggunakan vinil klorida seperti industri polimer. Dengan berdirinya pabrik vinil klorida diharapkan dapat mendorong Indonesia untuk dapat menambah kapasitas produksi dari sektor industri kimia dalam negeri dan membangun kemampuan Indonesia menjadi eksportir dalam sektor ini. Selain itu, diharapkan dapat menciptakan pemerataan usaha dengan memacu pertumbuhan industri-industri baru yang menggunakan bahan baku vinil klorida. 1.2 Tujuan Perancangan Tujuan dari perancangan pabrik vinil klorida ini diharapkan mampu memberikan beberapa keuntungan sebagai berikut.
- Memenuhi kebutuhan vinil klorida dalam negeri
- Mengurangi impor sehingga dapat menghemat devisa negara
- Membuka peluang bagi pengembangan-pengembangan industri berbahan baku vinil klorida sehingga tercipta diversifikasi produk yang mempunyai nilai ekonomi lebih tinggi
- Membuka lapangan pekerjaan baru bagi masyarakat sehingga menurunkan tingkat pengangguran 1.3 Ruang lingkup Adapun ruang lingkup perancangan pabrik vinil klorida adalah sebagai berikut. Laporan I : Mempelajari studi literatur dan basis perancangan yang terdiri dari pendahuluan dan seleksi proses yang berisi latar belakang, tujuan, ruang lingkup, analisa pasar, analisa ekonomi pabrik, deskripsi proses, dan dasar perancangan yang akan digunakan
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 4 Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti Thailand dan Amerika. Untuk menambah pendapatan negara perlu dilakukan penambahan industri pabrik vinil klorida di Indonesia, sekaligus mengurangi jumlah impor vinil klorida dan berpeluang ekspor ke negara lain. Konsumsi vinil klorida bergantung pada pasar PVC, karena lebih dari 99% permintaan vinil klorida dunia digunakan untuk produksi PVC. Permintaan PVC erat kaitannya dengan pertumbuhan pembangunan ekonomi suatu negara. Industri konstruksi merupakan pendorong permintaan yang signifikan karena pipa PVC, fitting , pelapis dinding, serta kawat dan kabel adalah beberapa persyaratan dasar untuk membangun sebagian besar infrastruktur. Asia Timur Laut merupakan konsumen global vinil klorida terbesar dengan Cina daratan sebagai penggerak kawasan ini yang menyumbang 80% dari konsumsi vinil klorida regional dan 44% total konsumsi vinil klorida global pada tahun 2020. Amerika Utara adalah pasar terbesar kedua vinil klorida dengan 17% konsumsi global, Eropa Barat dengan 11% dari permintaan vinil klorida global pada tahun 2020. Asia Timur Laut diperkirakan tetap menjadi pasar regional terbesar untuk vinil klorida dan PVC. Berikut ini disajikan data impor vinil klorida dari luar negri untuk tahun 2015 hingga tahun 2020 berdasarkan data badan pusat statistik (BPS). Tabel 1. 1 Impor Vinil Klorida tahun 201 5 hingga tahun 2020 Tahun Kebutuhan (Ton/Tahun) 2015 113.359, 2016 97.196, 2017 112.777, 2018 144.285, 2019 127. 740 , 42 2020 121. 070 , 22 (www.bps.go.id, 2021) Berdasarkan Tabel 1.1 di atas, dapat dilihat bahwa nilai impor vinil klorida mengalami peningkatan dan penurunan serta menurun pada tahun 2018-2020, dikarenakan Indonesia sudah mampu memunuhi kebutuhan dari produk dalam negeri. Kebutuhan vinil klorida dalam negeri dipenuhi oleh PT. Asahimas Chemical sebanyak 800.000 ton/tahun dan PT. Sulfindo sebanyak 130.000 ton/tahun.
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 5 Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti Gambar 1. 1 Grafik Impor Vinil Klorida dari Tahun 2015- 2020 Dari grafik di atas diperoleh persamaan regresi linier untuk memprediksi kebutuhan impor vinil klorida di Indonesia pada tahun yang akan datang. Adapun perkiraan impor vinil klorida di Indonesia pada tahun 2027 sebagai berikut. 𝑦 = 4619 , 8 𝑥 − 9000000 Keterangan: y = Jumlah impor vinil klorida (Ton) x = Tahun Sehingga, jumlah impor vinil klorida di Indonesia pada tahun 2027 adalah: y = 4.619,8x – 9. 000. 000 y = 4.691,8 (2027) – 9. 000. 000 y = 364 .334,6 ton Maka dapat diperkirakan berdasarkan perhitungan di atas Indonesia pada tahun 2027 akan mengimpor vinil klorida sebanyak 364.334,6 ton. Permintaan produk vinil klorida ini tidak hanya di dalam negeri saja namun juga secara global. Berikut ini disajikan Tabel 1.2 yang merupakan data produsen vinil klorida di dunia. y = 4619,8x - 9E+ 80.000, 90.000, 100.000, 110.000, 120.000, 130.000, 140.000, 150.000, 2 0 1 4 2 0 1 5 2 0 1 6 2 0 1 7 2 0 1 8 2 0 1 9 2 0 2 0 2 0 2 1 Jumlah Impor (Ton) Tahun
Data Impor Vinil Klorida
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 7 Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti 1.5 Analisa Ekonomi Analisa ekonomi dari perancangan pabrik vinil klorida ini berdasarkan perhitungan Gross Profit Margin (GPM). Gross Profit Margin (GPM) didefinisikan sebagai rasio profitabilitas yang digunakan untuk menghitung kelebihan laba kotor terhadap pendapatan penjualan. Persamaan yang digunakan dalam menghitung Gross Profit Margin adalah sebagai berikut (Peters dkk., 2003). Gj = Sj − Coj ..................................................................................................... (1.1) Keterangan: Gj = Gross Profit Sj = Amount of sales in year j (Rupiah) Coj = Cost of operation in year j (Rupiah) Data gross profit margin dari berbagai jenis proses pembuatan vinil klorida dapat dilihat pada Tabel 1. 3 berikut. Tabel 1. 3 Nilai GPM Masing-Masing Proses Pembentukan Vinil Klorida Nama Proses Persamaan Reaksi
GPM
(Rupiah/Kg) Hidroklorinasi Asetilena 𝐶^2 𝐻^2 +^ 𝐻𝐶𝑙^ 𝐻𝑔𝐶𝑙 2 → 𝐶 2 𝐻 3 𝐶𝑙 Rp38. Oksiklorinasi Etana 4 𝐶^2 𝐻^6 +^2 𝐶𝑙^2 +^3 𝑂^2 𝐴𝑙𝐶𝑙 3 → 4 𝐶 2 𝐻 3 𝐶𝑙 + 6 𝐻 2 𝑂 Rp76. Pirolisis Etilen Diklorida 2 𝐶 2 𝐻 4 𝐶𝑙 2 → 2 𝐶 2 𝐻 3 𝐶𝑙 + 2 𝐻𝐶𝑙 Rp20.57 8 Oksiklorinasi Etilen
𝐶𝑢𝐶𝑙 2 → 𝐶 2 𝐻 4 𝐶𝑙 2 + 𝐻 2 𝑂 𝐶 2 𝐻 4 𝐶𝑙 2 → 𝐶 2 𝐻 3 𝐶𝑙 + 𝐻𝐶𝑙 Rp66. Klorinasi Langsung Etilen
𝐹𝑒𝐶𝑙 3 → 𝐶 2 𝐻 4 𝐶𝑙 2 𝐶 2 𝐻 4 𝐶𝑙 2 → 𝐶 2 𝐻 3 𝐶𝑙 + 𝐻𝐶𝑙 Rp80.
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 8 Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti Dari data analisa ekonomi yang diperoleh pada Tabel 1.3 di atas, GPM dapat dihitung menggunakan rumus berikut. 𝐺𝑃𝑀 = 𝐻𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐽𝑢𝑎𝑙 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘 − 𝐻𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐽𝑢𝑎𝑙 𝐵𝑎ℎ𝑎𝑛 𝐵𝑎𝑘𝑢 .......................... (1.3) Berdasarkan hasil perhitungan menggunakan rumus di atas, maka didapat GPM sebesar Rp80.587 dengan menggunakan proses klorinasi langsung etilen. Proses ini menghasilkan GPM yang lebih besar apabila dibandingkan dengan proses lainnya. Sehingga dapat disimpulkan bahwa proses ini layak digunakan untuk pembuatan vinil klorida skala industri.
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 10 Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti ledakan. Hal ini merupakan resiko yang ada ketika asam yang digunakan mengalami reaksi dengan hidrogen kering serta klorin dan jika konversi reaktan tidak sesuai. Gambar 2. 1 Pembuatan Vinil Klorida dengan Hidroklorinasi Asetilena Campuran gas asetilena dan HCl memasuki reaktor pipa paralel. Pipa berdiameter 2 m dan tinggi 4 m, shell pipa berisi 1500 tabung. Panas yang dihasilkan saat reaksi dapat dihilangkan dengan sirkulasi fluida pendingin. Gas-gas yang meninggalkan zona reaksi diserap oleh soda kaustik dan air untuk menyingkirkan asam hidroksida. Kelebihan gas mengembun pada tahap ini, lalu dipisahkan dari air. Gas-gas yang terlarut dalam fraksi organik diluent pada temperatur sedang untuk menghindari dekomposisi dari vinil klorida. Gas tersebut dimurnikan dengan destilasi pada temperatur rendah dengan tekanan antara 0,4 dan 0,5 x 10^6 Pa abs. Asetilena dalam gas recovery dimurnikan dengan adsorpsi dan stripping , kemudian dikembalikan ke reaktor, keseluruhan tahap berlangsung dengan adanya inhibitor berpolimerisasi.
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 11 Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti Konversi reaksi sebesar 88% terhadap asetilena dengan selektivitas yang dihasilkan 98% dan produk samping berupa 1,1- dichloroethane. Proses ini berlangsung satu tahap, kondisi reaksi rendah, dan berlangsung secara eksotermik. Selain itu, digunakannya asam klorida sebagai bahan baku memudahkan dengan proses klorohidrokarbon yang lain sehingga menghasilkan asam klorida sebagai produk samping. Asetilena merupakan hidrokarbon yang relatif mahal, mahalnya biaya bahan baku asetilena ini tentunya berakibat dapat membebani biaya produksi vinil klorida (Naqvi & Kumar, 1995). 2.1.2 Proses Oksiklorinasi dengan Etana Berdasarkan paten US 0 05728905A, vinil klorida dapat dihasilkan dari proses oksiklorinasi dengan reaksi sebagai berikut. 4 𝐶 2 𝐻 6 + 2 𝐶𝑙 2 + 3 𝑂 2 𝐴𝑙𝐶𝑙 3 → 4 𝐶 2 𝐻 3 𝐶𝑙 + 𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑠 + 6 𝐻 2 𝑂 ................ (2. 3 ) Vinil klorida Monomer (VCM) paling sering diproduksi dari etilen dan klorin dengan cara mengklorinasi etilen untuk menghasilkan 1,2- dichloroethane dan dehidroklorinasi untuk mendapatkan VCM. Harga etilen cukup mahal sehingga oksiklorinasi etana lebih menarik (Cheshire & Cheshire, 1999). Proses oksiklorinasi etana berlangsung pada 500 oC dan 1 atm. Reaktor yang umumnya digunakan untuk suhu tinggi adalah reaktor dengan jenis fixed bed multitube karena reaktor jenis ini lebih fleksibel dan tahan terhadap suhu tinggi. Namun, kelemahan reaktor ini adalah memerlukan waktu shut down yang cukup lama ketika proses pemindahan katalis.
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 13 Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti 2.1.3 Proses Pirolisis dengan Etilen Diklorida Proses pertama yang digunakan dalam pembuatan vinil klorida dari etilen umumnya dikenal sebagai proses pirolisis etilen diklorida. Proses dengan reaksi pirolisis atau perengkahan etilen diklorida sebagai berikut. 2 𝐶 2 𝐻 4 𝐶𝑙 2 → 2 𝐶 2 𝐻 3 𝐶𝑙 + 2 𝐻𝐶𝑙 ....................................................................... (2. 4 ) Reaksi pirolisis etilen diklorida (EDC) berlangsung secara endotermik (∆H = 71 kJ/mol). Unit pirolisis umumnya beroperasi pada tekanan pengukur 3 hingga 30 atm dan pada suhu 500 °C untuk pengendalian perpindahan panas dan pemisahan HCl dari vinil klorida dengan distilasi fraksional pada suhu nonkriogenik. Konversi EDC melewati reaktor pirolisis biasanya dipertahankan pada 5 0 %, dengan waktu tinggal 5 detik. Selektivitas reaksi perengkahan terhadap vinil klorida >99% dapat dicapai pada kondisi ini. Proses ini memberikan peningkatan konversi EDC yang semakin kecil dengan selektivitas yang semakin rendah terhadap vinil klorida karena beberapa produk sampingan yang dihasilkan selama pirolisis bertindak sebagai penghambat reaksi (Kirk & Othmer, 1998). Berikut ini merupakan blok diagram dari proses pirolisis menggunakan etilen diklorida. Gambar 2. 3 Pembuatan Vinil Klorida dengan Pirolisis Etilen Diklorida
Kapasitas 350.000 Ton/Tahun 2021 - 1 - 18 Laporan 1 14 Dibuat oleh Diperiksa oleh Disetujui oleh Fadia Haya Ramadhani Laura Mega Susanti Adapun kelemahan dari proses ini, yaitu membutuhkan tekanan dan temperatur yang tinggi serta konversi reaktan rendah, yaitu 5 0 % (Prasetya, 2016). Sedangkan keuntungan dari proses pirolisis dengan etilen diklorida, yaitu proses lebih sederhana, reaksi tidak memerlukan katalis, dan investasi rendah, serta HCl sebagai produk samping dapat di recycle kembali sebagai reaktan sehingga lebih menguntungkan dari segi ekonomi. 2.1.4 Proses Oksiklorinasi dengan Etilen Proses pembentukan vinil klorida dapat dilakukan secara oksiklorinasi etilen yang bersifat eksotermik (∆H = - 239 kJ/mol) pada 260 oC dan 10 atm. Adapun persamaan reaksi oksiklorinasi dengan etilen sebagai berikut. 𝐶 2 𝐻 4 + 2 𝐻𝐶𝑙 + 1 2
𝐶𝑢𝐶𝑙 2 → 𝐶 2 𝐻 4 𝐶𝑙 2 + 𝐻 2 𝑂 .................................................. (2.5) Berdasarkan persamaan reaksi 2.5, etilen bereaksi dengan HCl kering dan oksigen menghasilkan etilen diklorida dan air dengan katalis CuCl 2 , katalis CuCl 2 mudah membentuk kompleks dengan etilen sehingga mempermudah kontak dengan katalis. Reaksi oksiklorinasi dilangsungkan dalam reaktor fluidized bed ataupun fixed bed dengan produk samping, yaitu 1,1,2- trichloroethane. Pemurnian dan perengkahan dari etilen diklorida diperlukan untuk mendapatkan vinil klorida sebagai produk utama. Adapun persamaan reaksi pirolisis etilen diklorida sebagai berikut. 𝐶 2 𝐻 4 𝐶𝑙 2 → 𝐶 2 𝐻 3 𝐶𝑙 + 𝐻𝐶𝑙 ............................................................................... (2.6) Sebelum dilakukan proses pirolisis, perlu diperhatikan bahwa suhu reaktor lebih dari 300oC selama reaksi oksiklorinasi mengakibatkan deaktivasi katalis CuCl 2. Proses ini mempunyai selektivitas 97% dan tingkat konversi 99,5%.
