Pra Perancangan Pabrik Propylene Glycol Dengan Bahan Baku Gliserol PDF [PDF]

Citation preview

UNIVERSITAS INDONESIA



TUGAS AKHIR ANALISIS DAN SINTESIS PROSES KIMIA PRA-PERANCANGAN PABRIK PROPYLENE GLYCOL DENGAN BAHAN BAKU GLISEROL



DISUSUN OLEH : Mutiara Primaster W.



1306405723



DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK MEI 2016



KATA PENGANTAR



Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, dimana tanpa karunia Nya, penulis tidak akan dapat menyelesaikan laporan ahir Analisis dan Sintesis Proses Kimia yang berjudul “Pra-Perancangan Pabrik Propylene Glycol dengan Bahan Baku Gliserol”. Laporan akhir ini tidak akan terealisasi tanpa adanya bantuan dan bimbingan dari erbagai pihak. Penulis juga menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Prof. Ir. Mahmud Subandriyo, M.Sc., Ph.D. selaku pengajar mata kuliah Analisis dan Sintesis Proses Kimia. 2. Orang tua penulis yang senantiasa mencurahkan perhatian dan kasih saying kepada penulis. 3. Aulia Rahmi, Astrini Pradyasti, Hasanuddin, Osman Abhimata, Andika Dwi dan Chairani Shafira selaku teman sekelas dalam mata kuliah ini.



Penulis menyadari bahwa dalam tulisan tugas akhir ini masih banyak kesalahan dan kekurangan. Untuk itu, penulis mohon mssf yan sebesar-besarnya apabila terdapat kesalahan ataupun kekurangan dalam tulisan ini. Penulis berharap tulisan ini dapat bermanfaat bagi pembacanya.



Depok, 31 Mei 2016



Penulis



ii Universitas Indonesia



ABSTRAK Propilen glikol merupakan suatu produk kimia yang memiliki banyak fungsi dalam dunia industri makanan, kosmetik, maupun obat-obatan. Ropilen glikol dapat digunakan sebagai pelarut, pengawet, pelembab pendingin dan antifreeze, serta aditif ada industri cat. Meskipun fungsi dari propilen glikol sangat banyak, namun belum ada pabrik lokal yang memproduksi propilen glikol, sehingga selama ini untuk memenuhi demand dari propilen glikol di Indonesia masih dilakukan impor. Dari sekian banyak metode produksi propilen glikol, salah satunya adalah dengan menggunakan bahan baku gliserol. Bahan baku gliserol kemudian dipilih karena industri biodiesel yang merupaan penghasil gliserol sedang maju di Indonesia, sehingga bahan baku mudah didapat. Proses produksi propilen glikol dalam rancangan ini melalui produk intermediate yaitu asetol, dengan menggunakan dua reaksi yaitu reaksi dehidrasi dan reaksi hidrogenasi. Kata



Kunci:



gliserol,



dehidrasi,



hidrogenasi,



asetol,



propilen



glikol



iii Universitas Indonesia



EXECUTIVE SUMMARY



Propilen glikol merupakan cairan jernih, kental, tidak berwarna dan sedikit berbau. Propilen glikol dikategorikan aman untuk industri makaan dan farmasi, digunakan sebagai pelarut, pengawet, softening agent, pelumas, fluida, dan dalam produk antifreeze. Propilen glikol dapat digunaan dalam berbagai sektor industri kimia seperti industri makanan, idustri kosmetik, industri farmasi dan industri cat. Berdasarkan data yang didapatkan dari Badan Pusat Statistik Indonesia, kebutuhan impor propilen glikol di Indonesia dibutuhkan dalam tabel beriku: Tahun 2007 2008 2009 2010



Jumlah (ton) Impor Kebutuhan 20.054 19.677 22.873 22.821 23.667 23.546 26.120 25.235



Pertumbuhan demand dari propilen glikol di Indonesia diperkirakan sebesar 4%. Saat ini, di Indonesia belum ada pabrik yang memprodusi propilen glikol, sehingga pabik ini dianggap memiliki prospek yang besar dan pesaing dari pabrik ini adalah pasar impor. Kapasitas pabrik propilen glikol ini adalah 76000 ton per tahun. Kapasitas ini ditentukan dengan pertimbangan kebutuhan propilen glikol di Indonesia. Sementara itu, harga propilen glikol terus meningkat setiap tahunnya. Pabrik yang akan dibangun di Cilegon, Banten ini dianggap feasible ditinjau dari



nilai



CCF



nya



yaitu



0,46,



yang



masih



lebih



tinggi



dari



0,33.



iv Universitas Indonesia



DAFTAR ISI



_Toc452595569 KATA PENGANTAR ................................................................................................. ii ABSTRAK .................................................................................................................. iii EXECUTIVE SUMMARY ........................................................................................ iv DAFTAR ISI ................................................................................................................ v DAFTAR TABEL...................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ viii BAB 1 PENDAHULUAN ........................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang .................................................................................................... 1 1.2 Deskripsi Produk ................................................................................................. 2 1.3 Bahan Baku ......................................................................................................... 4 1.4 Kapasitas Produksi .............................................................................................. 6 1.5 Lokasi Pabrik ...................................................................................................... 9 1.6 Analisis Ekonomi Tahap I................................................................................. 10 1.6.1 Harga Raw Material ................................................................................... 10 1.6.2 Harga Jual Produk ...................................................................................... 12 BAB 2 STUDI LITERATUR ................................................................................... 14 2.1 Metode Produksi Propilen Glikol dari Gliserol ................................................ 14 2.2 Pemilihan Metode ............................................................................................. 18 BAB 3 INPUT OUTPUT STRUCTURE ................................................................. 19 3.1 Block Flow Diagram ......................................................................................... 19 3.2 Process Flow Diagram ...................................................................................... 20 3.3.1 Evaporator (E-101)..................................................................................... 21 3.3.2 Reaktor Dehidrasi (R-101) ......................................................................... 21 3.3.3 Kondenser (E-102) ..................................................................................... 23 3.3.4 Kolom Distilasi (V-201) ............................................................................ 24 3.3.5 Reaktor Hidrogenasi (R-301) ..................................................................... 24 3.3.6 Kondenser (V-301)..................................................................................... 27 3.3.7 Kolom Distilasi (V-501) ............................................................................ 27 3.4 Neraca Massa dan Energi .................................................................................. 27 v Universitas Indonesia



3.4.1 Neraca Massa ............................................................................................. 27 3.4.2 Neraca Energi ............................................................................................. 30 3.5 Seleksi Material Alat ......................................................................................... 30 3.6 Sizing Alat ......................................................................................................... 31 3.7 Analisis Ekonomi Tahap 2 ................................................................................ 39 BAB 4 HEAT EXCHANGER NETWORK ............................................................ 44 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 52



vi Universitas Indonesia



DAFTAR TABEL



Tabel 1.1 Kebutuhan Impor Propilen Glikol di Indonesia Tahun 1994-2000 .................................6 Tabel 1.2 Simulasi Kebutuhan Impor Propilen Glikol di Indonesia ..................................................7 Tabel 1.3 Perkiraan Jumlah Produksi Pabrik propilen Glikol 20 Tahun ke Depan ........................8 Tabel 1.4 Harga Crude Gliserol ............................................................................................................. 11 Tabel 1.5 Kebutuhan Bahan Baku untuk 100% Kapasitas Produksi.............................................. 12 Tabel 1.6 Harga Beli Propilen Glikol.................................................................................................... 12 Tabel 1.7 Produksi Propilen Glikol ....................................................................................................... 13 Tabel 2.1 Pemilihan Metode untuk Produksi Propilen Glikol ......................................................... 14 Tabel 3.1 Sifat Fisik dari Komponen-Komponen Umpan................................................................ 24 Tabel 3.2 Neraca Massa Overall ............................................................................................................ 27 Tabel 3.3 Neraca massa Evaporator E-101.......................................................................................... 28 Tabel 3.4 Neraca Massa Reaktor R-101............................................................................................... 29 Tabel 3.5 Neraca Massa Kolom Distilasi V-201 ................................................................................ 29 Tabel 3.6 Neraca Massa Reaktor R-301............................................................................................... 29 Tabel 3.7 Neraca Massa Separator E-301 ............................................................................................ 29 Tabel 3.8 Neraca Massa Kolom Distilasi V-501 ................................................................................ 30 Tabel 3.9 Neraca Energi .......................................................................................................................... 30 Tabel 3.10 Sizing Tangki TK-101 ......................................................................................................... 31 Tabel 3.11 Sizing Tangki TK-102 ......................................................................................................... 31 Tabel 3.12 Sizing Tangki TK-301 ......................................................................................................... 31 Tabel 3.13 Sizing Tangki TK-501 ......................................................................................................... 32 Tabel 3.14 Sizing Tangki TK-601 ......................................................................................................... 32 Tabel 3.15 Sizing Vessel V-301............................................................................................................. 32 Tabel 3.16 Sizing Separator E-103 ........................................................................................................ 33 Tabel 3.17 Sizing Evaporator E-101 ..................................................................................................... 33 Tabel 3.18 Sizing Kolom Distilasi V-201 ............................................................................................ 34 Tabel 3.19 Sizing Kolom Distilasi V-501 ............................................................................................ 35 Tabel 3.20 Sizing Reaktor R-101........................................................................................................... 36 Tabel 3.21 Sizing Reaktor R-301........................................................................................................... 37 Tabel 3.22 Sizing Pompa......................................................................................................................... 39 Tabel 3.23 Harga Peralatan Pabrik Propilen Glikol ........................................................................... 41 Tabel 4.1 Fluida Dingin Pabrik .............................................................................................................. 44 Tabel 4.2 Fluida Panas Pabrik ................................................................................................................ 44 Tabel 4.3 Penggabungan Fluida Panas dan Fluida Dingin ............................................................... 47



vii Universitas Indonesia



DAFTAR GAMBAR Gambar 1.0.1 Struktur Kimia Propilen Glikol ............................................................ 2 Gambar 1.2 Sifat-Sifat Fisik Propilen Glikol .............................................................. 3 Gambar 1.3 Sebaran Industri Biodiesel di Indonesia .................................................. 5 Gambar 1.4 Proyeksi Kebutuhan Propilen Glikol di Indonesia .................................. 8 Gambar 1.5 Data Harga Gliserol Tahun 2001 hingga 2009 ...................................... 11 Gambar 1.6 Data Harga Beli Propilen Glikol Tahun 2001 hingga 2009 .................. 13 Gambar 2.1 Proses Produksi Propilen Glikol pada Paten US 2010/0204527 ........... 15 Gambar 2.2 Proses Produksi Propilen Glikol pada Paten US 7943805B2 ................ 15 Gambar 2.3 Reaksi pada Paten US 7943805 B2 ....................................................... 16 Gambar 2.4 Alternatif 2 Proses pada Paten US 7943805 B2 .................................... 16 Gambar 2.5 Alternatif 3 pada Paten US 7943805 B2................................................ 17 Gambar 2.6 Proses Produksi Propilen Glikol pada Paten US 2010/0207971 A1 ..... 17 Gambar 2.7 Proses Produksi Propilen Glikol pada Paten US 2010/0112335 A1 ..... 18 Gambar 3.1 Block Flow Diagram Pabrik Propilen Glikol ........................................ 19 Gambar 3.2 Process Flow Diagram Pabrik Propilen Glikol ...................................... 20 Gambar 3.3 Skema Konversi Gliserol menjadi Propilen Glikol Melalui Produk Intermediate Asetol ..................................................................................................... 21 Gambar 3.4 Pengaruh Katalis pada Pembentukan Asetol dari Dehidrasi Gliserol ... 23 Gambar 3.5 Reaksi Hidrogenasi pada Pembentukan Propilen Glikol dari Asetol .... 25 Gambar 3.6 Variasi Suhu pada Reaksi Pembentukan Propilen Glikol...................... 25 Gambar 3.7 Variasi Tekanan pada Reaktor Hidrogenasi .......................................... 26 Gambar 3.8 Perbandingan Katalis pada Reaksi Hidrogenasi Asetol menjadi Propilen Glikol........................................................................................................................... 26 Gambar 3.9 Grafik Estimasi CEPCI sampai dengan tahun 2019 .............................. 39 Gambar 4.1 Hot and Cold Composite Curve ............................................................. 45 Gambar 4.2 Hot and Cold Composite Curve Setelah Pinch ...................................... 46 viii Universitas Indonesia



Gambar 4.3 Keperluan Panas terhadap Perubahan Suhu .......................................... 48 Gambar 4.4 Desain Pinch .......................................................................................... 50



ix Universitas Indonesia



BAB 1 PENDAHULUAN



1.1 Latar Belakang Pertumbuhan industri di Indonesia dari tahun ke tahun cenderung mengalami peningkatan. Beberapa industri kimia yang dimaksud adalah industri makanan, farmasi, produk kimia, dan industri kosmetik. Seiring dengan peningkatan industri tersebut, maka kebutuhan bahan baku industri juga akan semakin meningkat. Salah satu dari industri yang memproduksi bahan kimia yang diperlukan oleh industri lain ada propilen glikol. Propilen glikol (1,2-propadienol, 1,2-dihydroxypropane atau 1,2-propilen glikol) merupakan suatu senyawa organic yang banyak sekali digunakan dalam industri makanan, kosmetik dan farmasi. Bahan kimia ini digunakan dalam berbagai sector industri kimia, seperti: 



Bahan pengawet maupun pelarut dalam industri makanan







Bahan pelembut atau pelembab dalam industri kosmetik







Formula obat dalam industri farmasi







Aditif yang berfungsi sebagai penstabil viskositas dan warna dalam industri cat. Propilen glikol memiliki sifat toksisitas yang rendah dan sifat formulasi yang



baik, sehingga propilen glikol seringkali digunakan sebagai bahan baku pada produk makanan, kosmetik dan obat-obatan. Selain merupakan antimikroba dan pengawet makanan yang efektif, propilen glikol dapat dimanfaatkan secara luas sebagai pelarut bahan organic dan dapat larut dengan sempurna dalam air. Propilen glikol merupakan pelarut penting untuk senyawa aromatic pada industri konsentrat perasa, dapat menghasilkan konsentrat perasa kualitas tinggi dengan biaya yang rendah (Huntsman, 2006). Propilen glikol juga dapat dijadikan sebagai wetting agent yang sempurna untuk natural gum dan dapat menjadi katalis dalam proses penyederhanaan persenyawaan sitrus dan emulsi perasa lainnya. Propilen glikol juga dapat digunakan untuk mengabsorbsi excess air pada obat, kosmetik, maupun produk makanan. 1 Universitas Indonesia



2



Propilen glikol taraf industri merupakan perantara penting pada produksi resin alkil untuk cat dan furnace. Kegunaan lain dari propilen glikol adalah sebagai pendingin untuk automobile dan truk bermesin diesel. Kegunaan dari propilen glikol yang sangat banyak ini menyebabkan demand propilen glikol semakin meningkat dari tahun ke tahun. Peningkatan akan permintaan propilen glikol diproyeksikan sebesar 4% per tahun. Namun, hingga saat ini belum ada satu pun perusahaan Indonesia yang memproduksi propilen glikol, sehingga seluruh kebutuhan untuk industri dalam negri masih mengandalkan impor. Hal ini menyebabkan harga jual propilen glikol meningkat, sehingga pembuatan pabrik propilen glikol di Indonesia sangat diperlukan mengingat tingginya permintaan propilen glikol sebagai bahan baku pada industri farmasi, kosmetik dan makanan di Indonesia. Oleh karena itu, pembangunan pabrik propilen glikol sangat diperlukan. 1.2 Deskripsi Produk Propilen glikol adalah cairan jenih, kental dan tidak berwarna yang memiliki sedikit bau, rasa yang pahit-manis, dan tekanan uap rendah. Nama IUPAC dari propilen glikol adalah 1,2-propanadiol, rumus kimianya adalah CH3CHOHCH2OH dan nama komersil yang umum digunakan adalah Propylene Glycol Industrial (PGI) dan Propylene Glycol USP yang merupakan tingkatan propilen glikol untuk penggunaan industri. Struktur molekul propilen glikol dapat digambarkan sebagai berikut:



Gambar 1.0.1 Struktur Kimia Propilen Glikol



Sedangkan, berikut adalah sifat-sifat fisik dari propilen glikol:



Universitas Indonesia



3



Gambar 1.2 Sifat-Sifat Fisik Propilen Glikol (Sumber: Huntsman, 2006)



Bahan utama dari pembuatan propilen glikol pada pabrik ini adalah gliserol. Gliserol merupakan produk samping yang tidak digunakan dari industri biodiesel dana mudah didapatkan. Karena kemudahan untuk mendapatkannya inilah, maka gliserol banyak digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan propilen glikol. Industri biodiesel yang menghasilkan gliserol ini juga merupakan industri yang sedang berkembang di Indonesia, sehingga pasokan gliserol sebagai bahan baku pembuatan propilen glikol juga mudah didapatkan dari tahun ke tahun. Propilen glikol yang diprooduksi harus memenuhi persyaratan dari US Food, Drug, and Cosmetic Act. Propilen glikol terdaftar sebagai tambahan untuk makanan tertentu, dan secara umum digolongkan aman. Selain itu, propilen glikol memenuhi persyaratan Food Chemicals Codex dan spesifikasi US Pharmacopeia XXII. Secara kimiawi, keberadaan gugus hidroksil sekunder membedakan propilen glikol dari etilen glikol, yang memiliki dua gugus hidroksil primer. Fungsionalitas alkohol primer dan sekunder memiliki reaktivitas berbeda. Salah satu aplikasi komersil propilen glikol yang paling penting adalah bahwa propilen glikol digunakan pada pembuatan polyester dari reaksi dengan asam dibasic atau polybasic. Propilen glikol bermutu industri merupakan perantara penting pada pada produksi alkyl resin



Universitas Indonesia



4



untuk cat dan pernis. Propilen glikol digunakan untuk memproduksi unsaturated polyester resin untuk berbagai kegunaan, seperti pelapis gel, laminasi untuk konstruksi kapal, dan pelapis keramik buatan. Propilen glikol juga digunakan sebagai pelarut dan plasticizer pada tinta cetak, pengawet pada karangan bunga, dan stabilizer pada fluida hidraulik. Propilen glikol juga digunakan pada pendingin untuk automobil dan truk bermesin diesel. Semua aplikasi penukar kalor memerlukan aditif inhibitor korosi dan dirancang untuk rentang suhu operasi serta tipe material konstruksi yang spesifik. Operasi pada suhu rendah tanpa membekukan dan suhu tinggi tanpa tekanan berlebih adalah fitur utama sistem ini. Seluruh produksi komersial propilen glikol dijalankan pada tekanan tinggi, suhu tinggi, dan terjadi proses hidrolisis katalitik propylene oxide. Distribusi produk pada proses ini pada umumnya adalah 90% propilen glikol dan 10% produk sampingan. Suhu reaktor hidrasi adalah 120-190oC pada tekanan yang mencapai 21,7 bar. Setelah reaksi, air berlebih dipisahkan dengan drying tower, sedangkan glikol dimurnikan dengan high vacuum distillation. Perusahaan produsen propilen glikol di USA diantaranya adalah Arco, Dow, Eastman, Olin, dan Texaco dengan rata-rata penjualan mencapai US$0,94/kg. 1.3 Bahan Baku Gliserol pada pabrik produksi propilen glikol didapatkan dari industri biodiesel, yang kebutuhannya terus naik setiap tahu. Proyeksi kenaikan kebutuhan biodiesel di Indonesia diperkirakan sekitar 5% tiap tahunnya. Diperkirakan pada tahun produksi pabrik ini yaitu tahun 2019, supply gliserol diperkirakan sebesar 2,3 juta ton per tahun. Sehingga, dengan pertumbuhan propilen glikol sebesat 4%, diperkirakan pabrik ini akan tetap mendapat supply yang cukup untuk memenuhi pertumbuhan produksi.



Universitas Indonesia



5



Gambar 1.3 Sebaran Industri Biodiesel di Indonesia (Sumber: http://www.egnret.ewg.apec.org/Archive/me_indonesia.html)



Dengan produksi biodiesel di Indonesia yang mencapai 5,5 juta kiloliter per tahun, atau senilai dengan 4,67 juta ton per tahun, maka akan dihasilkan 520.000 ton gliserol per tahunnya. Diperkirakan pabrik propilen glikol yang berlokasi di daerah Cilegon ini akan mendapatkan suplai gliserol dari pabrik biodiesel di sekitarnya. Diperkirakan crude gliserol akan didapatkan dari: 



PT Indo Biofuels Energy, Cilegon







Asianagro Sumiasih, Sumatera







Sumiasih Bekasi







Sweden Bioenergi







Wilmar Group Gliserol dari produksi biodiesel masih terkontaminasi berbagai kontaminan



seperti air, monogliserida, digliserida, garam, sabun, residu katalis dan beberapa residu ester. Komposisi crude gliserol yang didapatkan dari byproduct biodiesel adalah sebagai berikut: 



Crude glycerol, 70 to 88 wt%







Methanol,