TUGAS AKHIR

PRARANCANGAN PABRIK PROPILEN GLIKOL

DARI PROPILEN OKSIDA DAN AIR

KAPASITAS 369.000 TON PER TAHUN

Diajukan untuk Memenuhi Persyaratan Meraih Gelar Sarjana Teknik

Strata Satu pada Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Oleh :

Kunang Firnanda

D 500 080 006

Dosen Pembimbing

1. Dr. Ahmad M. Fuadi

2. Rois Fatoni., Ph.D

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

SURAKARTA

2012

INTISARI

Prarancangan pabrik propilen glikol dimaksudkan untuk mencukupi

kebutuhan propilen glikol dalam negeri dan selebihnya untuk kepentingan ekspor.

Propilen glikol dibuat melalui reaksi hidrasi propilen oksida dan air dengan

katalis asam sulfat. Proses pembuatan propilen glikol dilakukan di dalam Reaktor

Alir Tangki Berpengaduk (RATB). Reaksi berlangsung pada fase cair, suhu 32ºC

dan tekanan 1 atm. Untuk memurnikan propilen glikol dilakukan proses distilasi

sehingga diperoleh produk propilen glikol dengan kemurnian 99,95%.

Pabrik propilen glikol dengan kapasitas 362.000 ton per tahun ini

membutuhkan bahan baku propilen oksida sebanyak 276.730,97 ton per tahun

dan air sebanyak 1.735.644,08 ton per tahun. Utilitas yang dibutuhkan dalam

setiap tahunnya antara lain 11.948.981,75 liter air, 32.711.987,3 ton steam,

9.197.892 liter bahan bakar, 1.049.558,4 kW listrik 9.452.995,20 ton brine

solution 20% dan udara tekan 659.311,49 m3.

Dari hasil analisis ekonomi diperoleh hasil yaitu Percent Return On

Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 62,93% dan setelah pajak sebesar

44,05%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar1,3 tahun sedangkan setelah

pajak sebesar 1,8 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 42,70%, dan Shut

Down Point (SDP) sebesar 27,69%. Discounted Cash Flow (DCF) sebesar

50,01%. Berdasarkan data di atas maka pabrik propilen glikol layak didirikan

dan dikaji lebih lanjut.

Kata kunci : Propilen glikol, proses hidrasi, RATB

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Pendirian Pabrik

Dalam era industrialisasi sekarang ini, industri kimia mengalami

perkembangan yang sangat pesat, jumlahnya dari tahun ke tahun semakin

meningkat pesat, seiring dengan meningkatnya jumlah industri tersebut,

kebutuhan terhadap bahan baku juga semakin besar. Selain meningkatnya

kebutuhan bahan baku untuk industri, meningkatnya jumlah industri tersebut

berpengaruh terhadap meningkatnya kebutuhan tenaga kerja. Salah satu bahan

kimia yang dibutuhkan adalah Propilen glikol.

Propilen glikol yang disebut juga 1.2-propanediol merupakan salah

satu bahan kimia yang memiliki banyak fungsi dan digunakan di berbagai

industri kimia, antara lain :

1. Dalam industri makanan digunakan sebagai pengawet makanan.

2. Dalam industri kosmetik berfungsi sebagai pelembut dan pelembab.

3. Sebagai salah satu formula dalam industri farmasi.

4. Sebagai addictive dalam industri produksi cat, yang berfungsi sebagai

pengatur atau penstabil viscositas dan warna.

(Kirk dan Othmer, 1992)

Konsumsi industri dalam negeri terhadap propilen glikol dalam kurun

waktu 10 tahun terakhir ini semakin meningkat, namun belum ada satupun

industri kimia dalam negeri yang memproduksi Propilen glikol, sehingga

untuk mencukupi kebutuhan propilen glikol Indonesia harus impor hal ini

menunjukkan bahwa sangat diperlukan mendirikan pabrik propilen glikol di

Indonesia.

1.2 Tujuan pendirian pabrik

Dengan mendirikan pabrik ini maka dapa tmencukupi kebutuhan

propilen glikol didalam maupun luar negeri, sehingga dapat memberikan

pemasukan devisa bagi negara.

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Macam-macam proses

Propilen glikol dapat diproduksi dengan cara hidrolisis propilen

oksida dengan air yang berlebih. Bisa juga dengan cara menambahkan

methanol pada reaktan yang berfungsi sebagai diluent karena propilen

oksida tidak larut dalam air.

Produksi propilen glikol dapat dilakukan dengan 3 proses, antara lain :

1. Hidrasi propilen oksida tanpa katalis

Reaksi :

CH2 – CH – CH3 + H2O → CH3 – CH – CH2 (1.2)

O OH OH

Konversi yang dihasilkan dari proses ini mencapai 90%. Proses ini

berlangsung pada temperatur 120-190⁰C dengan tekanan 2.170 kPa.

(Chan dan Seider, 2004).

2. Hidrasi propilen oksida dengan katalis asam

Reaksi :

H+

CH2 – CH – CH3 + H2O → CH3 – CH – CH2 (1.3)

O OH OH

Untuk proses ini telah dilakukan penelitian oleh Chan dan Seider pada

tahun 2004 dengan cara mereaksikan 43,04 lbmol propilen oksida

dengan 802,8 lbmol air dan 71,87 lbmol methanol sebagai diluent serta

20 lbmol asam sulfat sebagai katalis. Proses ini berlangsung pada

kondisi operasi 77-93⁰F dengan tekanan 1 atm. Diperoleh konversi

sebesar 95,5%.

(Chan dan Seider, 2004).

3. Hidrasi propilen oksida dengan katalis basa

Reaksi :

OH-

CH2 – CH – CH3 + H2O → CH3 – CH – CH2 (1.4)

O OH OH

Proses produksi propilen glikol dengan katalis basa brlangsung pada

temperatur 70⁰C dengan tekanan 1 atm. Konversi yang dihasilkan 70%.

(Chan dan Seider, 2004).

Dengan memperhatikan kondisi proses (suhu dan tekanan)

serta konversi yang dihasilkan dari berbagai proses pembutan propilen

glikol dipilih proses hidrasi propilen oksida dengan katalis asam.

2.1.1 Kegunaan Produk

Propilen glikol secara luas digunakan dalam dunia industri kimia

makanan, yaitu sebagai solvent zat pewarna makanan, dan inhibitor

fermentasi makanan. Pada bidang farmasi dan obat-obatan digunakan

sebagai softening agent. Pada bidang otomotif sebagai pelumas mesin.

Dapat juga digunakan sebagai pembersih air yang membeku dalam lemari

es.

METODE PENELITIAN

3.1.Konsep Proses

3.1.1. Kondisi operasi

Reaksi produksi propilen glikol terjadi dalam reaktor alir tangki

berpengaduk (RATB) dengan kondisi operasi sebagai berikut :

Temperatur : 32⁰C

Tekanan : 1 atm

Fase : cair

Perbandingan mol C3H6O : H2O : 43,04 lbmol : 802,80 lbmol

Sifat reaksi : eksotermis, irreversible

Kondisi operasi : isotermal

Konversi : 99,95%

(Chan dan Seider, 2004)

Kondisi operasi dipilih berdasarkan pertimbangan bahwa pada kondisi

tersebut laju pembentukan propilen glikol sangat optimal dan aman.

3.1.2. Mekanisme reaksi

Hidrasi propilen glikol menggunakan katalis asam disebut juga reaksi

spontan terjadi menurut reaksi berikut :

Reaksi :

H+

CH2 – CH – CH3 + H2O → CH3 – CH – CH2 (2.1)

O OH OH

Propilen okside sangat reaktif terhadap senyawa yang mengandung ion

hidrogen labil, seperti air, amonia dan asam organik. H2O tertarik ke

propilen oksida kemudian terjadi pemecahan atom H pada H2O yang

kamudian berikatan dengan molekul propilen oksida membentuk

molekul propilen glikol.

(Kirk dan Othmer, 1992)

3.1.3. Tinjauan kinetika

Dengan membuat reaktan air berlebih, maka reaksi hidrasi propilen

oksida dengan air dinyatakan sebagai reaksi orde 1, dengan persamaan

kecepatan reaksi (-rA) :

-rA = kCA (2.2)

K = A exp (-E/RT)

(2.3)

Dimana :

k = konstanta kecepatan reaksi hidrasi propilen oksida menjadi

propilen glikol

CA = konsentrasi propilen oksida (kmol/jam)

A = faktor pre ekponential

= 4,711 x 109 /detik

R = konstanta gas ideal

= 1,9872 Btu/lbmol.R

3.1.4. Tinjauan termodinamika

Hidrasi propilen oksida menjadi propilen glikol berlangsung satu arah

(irreversible), karena harga kesetimbangan (K) sangat besar.

Reaksi :

C3H6O + H2O → C3H8O2 (2.4)

Harga konstanta kesetimbangan dapat dievaluasi menggunakan data

termodinamika energi bebas gibbs, sebagaimana ditunjukkan dalam

perhitungan berikut :

Tabel 2.1. Harga ΔGof masing-masing komponen

No Komponen ΔGof 298K (kJ/mol)

1 C3H6O -25,77

2 H2O -228,60

3 C3H8O2 -304,48

(Yaws, 1999)

Total ΔGof 298K = ∑ ΔG

of (produk) - ∑ ΔG

of (reaktan)

=-304,48 kJ/mol – (-25,77 kJ/mol + (-228,60 kJ/mol))

= -50,11 kJ/mol

= -50.110 kJ/kmol

Konstanta kesetimbangan pada saat Treff = 298 K

ΔGof = -RT LnK

Keterangan :

ΔGof = Energi bebas Gibbs standar (kJ/kmol)

K298K = Konstanta kesetimbangan

= 607.263.583

Nilai konstanta kesetimbangan reaksi pada temperatur 32⁰C :

Harga ΔHof masing-masing komponen pada temperatur 298 K adalah

sebgai berikut :

Tabel 2.2. Harga ΔHof masing-masing komponen

No Komponen ΔHof 298K (kJ/mol)

1 C3H6O -92,76

2 H2O -241,8

3 C3H8O2 -421,5

(Yaws,1999)

ΔHoR 298K = ∑ ΔH

of (produk) - ∑ ΔH

of (reaktan)

= -421,5 kJ/mol – (-92,76 kJ/mol +(-241,8 kJ/mol))

= -86,94 kJ/mol

= -86.940 kJ/kmol

Harga ΔHo

R menunjukkan harga negatif sehingga reaksi merupakan

reaksi eksotermis. Untuk nilai K pada temperatur operasi (T = 32oC),

adalah :

= 0,45

K305 = 0,45 x K298 K

= 0,45 x 607.263.583

= 271.412.256,20

Karena harga K yang sangat besar, maka reaksi produksi propilen glikol

merupakan reaksi searah (irreversible).

3.1.5 Langkah proses

Proses produksi propilen glikol menggunakan bahan baku propilen

oksida dan air secara garis besar dibedakan menjadi 4 tahap, yaitu :

1. Tahap persiapan bahan baku

Dalam tahap ini dilakukan pencampuran bahan baku yang terdiri

dari propilen oksida, air dan metanol di dalam mixer. Penggunaan

metanol ditujukan agar propilen oksida dapat tercampur sempurna

dengan air. Suhu operasi mixer yaitu 32⁰C dengan tekanan 1 atm.

Bahan baku air proses diperoleh dari utilitas sedangkan bahan baku

propilen oksida disimpan dalam kondisi cair dengan kemurnian

99,95% dan disimpan dalam tanki dengan temperatur penyimpanan

32⁰C dan tekanan 1 atm. Pencampuran di mixer juga melibatkan

arus recycle dari hasil atas dekanter. Hasil dari mixer kemudian

dialirkan kedalam Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (R-01).

2. Tahap reaksi

Dengan menggunakan optimasi terhadap jumlah reaktor, maka

reaktor yang digunakan sebanyak 2 buah. Dalam reaktor R-01

konversi yang dihasilkan sebesar 88%, sedangkan dalam reaktor R-

02 konversi menjadi 97%.

Reaksi hidrasi dimaksudkan untuk mereaksikan bahan baku

propilen oksida dengan air didalam reaktor R-01 yang bereaksi

dalam kondisi operasi 32⁰C dan tekanan 1 atm. Di dalam R-01 juga

ditambahkan katalis asam sulfat. Setelah konversi 88%, hasil R-01

dialirkan ke R-02 untuk meningkatkan konversi menjadi 97%.

Reaksi berlangsung eksotermis, sehingga reaktor perlu diberi jaket

pendingin untuk menjaga temperatur operasi agar stabil.

3. Tahap netralisasi

Setelah dari reaktor R-02 kemudian diumpankan menuju MD-01

untuk mengambil katalis asam sulfat agar bisa digunakan lagi. Dari

MD-01 diumpankan menuju netralizer untuk menetralkan produk

yang masih mengandung sedikit asam sulfat. Didalam netralizer

asam sulfat dinetralkan dengan menambahkan NaOH yang

dialirkan dari unit utilitas.

4. Tahap pemurnian produk

Dalam tahap ini ditujukan untuk memurnikan produk yang masih

bercampur dengan propilen oksida dan metanol. Produk dari

netralizer dimasukkan kedalam Rotary drum vacum filter untuk

mengendapkan natrium sulfat yang terbentuk, kemudian hasil dari

rotary drum vacum filter yang berupa cairan dimasukkan kedalam

dekanter untuk memisahkan propilen oksida-metanol dan propilen

glikol-air. Produk atas (propilen oksida-metanol direcycle kembali

ke mixer dan produk bawah (propilen glikol-air) diumpankan ke

MD-02 untuk memperoleh kemurnian 99,95%.

HASIL PENELITIAN

Pabrik propilen glikol dengan kapasitas 362.000 ton per tahun ini

membutuhkan bahan baku propilen oksida sebanyak 276.730,97 ton per tahun dan

air sebanyak 1.735.644,08 ton per tahun. Utilitas yang dibutuhkan dalam setiap

tahunnya antara lain 11.948.981,75 liter air, 32.711.987,3 ton steam, 9.197.892

liter bahan bakar, 1.049.558,4 kW listrik 9.452.995,20 ton brine solution 20% dan

udara tekan 659.311,49 m3.

Dari hasil analisis ekonomi diperoleh hasil yaitu Percent Return On

Investment (ROI) sebelum pajak sebesar 62,93% dan setelah pajak sebesar

44,05%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak sebesar1,3 tahun sedangkan setelah

pajak sebesar 1,8 tahun. Break Even Point (BEP) sebesar 42,70%, dan Shut Down

Point (SDP) sebesar 27,69%. Discounted Cash Flow (DCF) sebesar 50,01%.

Berdasarkan data di atas maka pabrik propilen glikol layak didirikan dan dikaji

lebih lanjut.

KESIMPULAN

Analisa kelayakan ekonomi pabrik propilen glikol dinyatakan sebagai

berikut:

1. Kentungan sebelum pajak sebesar Rp. 2.130.921.385.034,88 per tahun dan

keuntungan setelah pajak sebesar Rp. 1.491.644.969.524,41 per tahun.

2. ROI (Return On Investment) sebelum pajak adalah 62,93%.

ROI (Return On Investment) sesudah pajak adalah 44,05%.

ROI (Return On Invesment) sebelum pajak untuk pabrik beresiko rendah

minimal 20% (Aries dan Newton, 1995).

3. POT (Pay Out Time) sebelum pajak adalah 1,3 tahun

POT (Pay Out Time) sesudah pajak adalah 1,8 tahun

POT (Pay Out Time) sebelum pajak untuk pabrik beresiko rendah

maksimal 5 tahun (Aries dan Newton, 1995).

4. BEP (Break Event Point) adalah 42,70% dan SDP (Shut Down Point)

adalah 27,69% . BEP untuk pabrik kimia pada umumnya berkisar antara

40%-60%.

5. DCF (Discounted Cash Flow) adalah 50,12%. DCF yang dapat diterima

harus lebih besar dari bunga pinjaman di bank. Besarnya DCF untuk

pabrik beresiko rendah minimal 1,5 kali besarnya bunga bank. Untuk

perancangan pabrik propilen glikol ini bunga bank diperkirakan sebesar

37,5%.

Berdasarkan hasil dari analisa kelayakan ekonomi tersebut diperoleh

kesimpulan bahwa pabrik propilen glikol layak untuk didirikan dan dikaji lebih

lanjut.

DAFTAR PUSTAKA

Aries, R.S., Newton, RD., 1955, Chemical Engineering Cost Estimation,

Mc.Graw Hill Book Company Inc, New York, Toronto, London.

Arinta, 2011, Macam-macam Struktur Organisasi, http:// arinta.blogspot.

com/2011/05/macam-macam struktur organisasi.html, diakses Jum’at, 2

Maret 2012, pukul 17.25.

Badan Pusat Statistik, 2011, Statistik Perdagangan Luar Negeri Indonesia, http:

www.bps.go.id, diakses Jum’at, 25 Mei 2012, pukul 19:15 WIB.

Bardan, T.B., 2004, Belajar Merancang Pabrik Kimia (Bagian III): Sistem

Pengendalian dan Sistem Manajemen Pabrik serta Kajian Kelayakan

Ekonomi, http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/teknologi tepat_guna

/belajar_merancang_pabrik_kimia_bagian_III_sistem_pengendalian_dan

_sistem_manajemen_pabrik_serta_kajian_kelayakan_ekonomi, diakses

Jum’at, 2 Maret 2012, pukul 17.33.

Brown, G. G., 1978, Unit Operations, John Wiley and sons, Inc, New York.

Brownell, L. E., and Young, E. H. 1979, Process Equipment Design, Wiley

Easthern Limited, New Delhi.

Chan, Arthur., and Seider, Warren D., 2004, Batch Manufacture of Propylene

Glycol, Department of Chemical and Biomolecular Engineering

University of Pennsylvania, Pennsylvania.

Coulson, J. M. and Richardson, J. F., 1983, Chemical Engineering, 1st edition,

Volume 6, Pergason Press, Oxford.

EEA, 2011, Peralatan Energi Panas: Boiler & Pemanas Fluida Termis, UNEP.

Fessenden, Ralph J. and Fessenden, Joan. S.,1992, Kimia Organik, Erlangga.

Jakarta.

Hanum, F, 2002, Proses Pengolahan Air Sungai Untuk Keperluan Air Minum,

Fakultas Teknik Program Studi Teknik Kimia Universitas Sumatera

Utara.

Kakap, 2011, Udara Tekan dan Penggunaanya, http://kakap. wordpress.

com/2011/03/31/udara-tekan-dan-penggunaannya.

Kern, D.Q., 1950, Process Heat Transfer, Mc. Graw-Hill International Book

Company Inc., New York.

Kirk, R.E. and Othmer, D.F., 1992, Encyclopaedia of Chemical Technology, 3rd

medition, vol. 12, Interscience Publishing Inc., New York.

Kirk, R.E. and Othmer, D.F., 1992, Encyclopaedia of Chemical Technology, 3rd

edition, vol. 16, Interscience Publishing Inc., New York.

Mc Ketta, John, J., Cunningham W.A., 1984, Encyclopedia of Chemical

Processing and Design, Vol 20, Marcel Dekker Inc, New York.

Nurani, 2010, Pengertian Air Pendingin dan Karakteristiknya, http://

anakmangkang.blogspot.com/2010/07/pengertian-air-pendingin.html.

Permenkes, 2010, Persyaratan Kualitas Air Minum, Menteri Kesehatan Republik

Indonesia.

Peters and Timmerhaus, 1991, Plant Design and Economics for Chemical

Engineers, 4th

ed, McGraw-Hill International Edition Chemical and

Petroleum Engineering Series

Perry’s, R.H., and Green, D., 1999, Perry’s Chemical Engineer’s Hand Book, 7th

edition, Mc. Graw Hill Book Company Inc., New York.

Powel, S.T., 1954, Water Containing for Industry, 1st ed, Mc.Graw Hill Book

Company Inc, New York, Toronto, London.

PT Petrokimia Gesik, 2002, Asam Sulfat, http://www.petrokimia-gresik.com

Rase, H. F, 1987, Chemical Reactor Design for Process Plant, vol. 1& 2, Mc.

Graw Hill Book Company Inc., Singapore.

Said and Ruliasih, 2011, Pengolahan Air Sungai Skala Rumah Tangga secara

Kontinyu, hal. 284-305.

Smith, J. M. and Van Ness, H. C., 1987, “Introduction to Chemical Engineering

Thermodynamic”, 3 edition, McGraw-Hill Kogakusha Ltd, Tokyo.

Sukandar, D, 2011, Perseroan Terbatas, http://legalakses.com. Diakses Selasa, 14

Pebruari 2011, pukul 15:24.

Sulaksono, B, 2010, Kelebihan dan Kelemahan Perseroan Terbatas,

http://guslak.blogspot.com. Diakses Selasa, 14 Pebruari 2011, pukul

15.46.

Yahya, 2011, Break Event Point (BEP), http:// amrinyahya. blogspot. com/

2011_04_01_archive.html, diakses Jum’at, 3 Maret 2012, Pukul 14.12.

Yaws, 1979, Thermodynamic and Physical Properties Data, Mc Graw Hill Book

Co., Singapore.