Perancangan Pabrik Ammonium Sulfate Dari Amonia Dan Asam Sulfate Dengan Kapasitas Produksi 200.000 Ton/ Tahun [PDF]

Citation preview

PRARANCANGAN PABRIK AMMONIUM SULFATE DARI AMONIA DAN ASAM SULFAT DENGAN KAPASITAS PRODUKSI 200.000 TON/TAHUN Tugas Khusus Perancangan Saturator (STR-201)



(Skripsi)



Oleh FITA DESTI SENJA (1215041022)



JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2017



ABSTRACT MANUFACTURING OF AMMONIUM SULFATE FROM AMMONIA AND SULFURIC ACID WITH CAPACITY OF PRODUCTION 200.000 TON/YEAR Design of Saturator (STR-201)



Oleh FITA DESTI SENJA



Ammonium sulfate is one of the chemical industry products used as fertilizer, chemical raw materials, water treatment, food additives, additives in firefighting and reagents in the laboratory. Ammonium sulfate can be produced by several processes: 1) direct neutralization process, 2) Marseburg process, and 3) Morino process. Industry’s utilities were used including water treatment and supply systems, steam supply systems, cooling water, air supply systems and power generation systems. This plant will be produced 200,000 tons/year with operation time 330 days/year. Factory location is planned on Klari, Karawang, West Java. The require of employees are 192 people with formation of a Limited Liability Company that was leaded by a President Director who is assisted by Director of Production and Director of Marketing and Finance with line and staff organization structure. From the economic analysis is gotten : Fixed Capital Investment (FCI) Working Capital Investment (WCI) Total Capital Investment (TCI) Break Even Point (BEP) Shut Down Point (SDP) Pay Out Time before taxes (POT)b Pay Out Time after taxes (POT)a Return on Investment before taxes (ROI)b Return on Investment after taxes (ROI)a Discounted cash flow (DCF)



= = = = = = = = = =



Rp 345.499.215.703 Rp 60.970.449.830 Rp 406.469.665.533 35,68% 14,78% 1,59 years 1,90 years 39,05% 31,24% 43,74%



Considering the summary above, it is proper to study the establishment of ammonium sulfate plant further, because the plant is profitable and has good prospects.



ABSTRAK PRARANCANGAN PABRIK AMMONIUM SULFATE DARI AMONIA DAN ASAM SUFAT DENGAN KAPASITAS PRODUKSI 200.000 TON/TAHUN Tugas Khusus Perancangan Saturator (STR-201)



Oleh FITA DESTI SENJA Ammonium sulfate merupakan salah satu produk industri kimia yang digunakan sebagai pupuk, bahan baku ndustri kimia, pengolahan air, bahan aditif pada makanan, zat tambahan dalam pemadam kebakaran dan reagen di laboratorium. Ammonium sulfate dapat di produksi dengan beberapa proses yaitu 1) proses netralisasi langsung, 2) Proses Marseburg, dan 3) Proses Morino. Penyediaan kebutuhan utilitas pabrik berupa sistem pengolahan dan penyediaan air, sistem penyediaan steam, cooling water, sistem penyediaan udara dan sistem pembangkit tenaga listrik. Kapasitas produksi pabrik direncanakan 200.000 ton/tahun dengan 330 hari kerja dalam 1 tahun. Lokasi pabrik direncanakan didirikan di Kec. Klari, Kab. Karawang, Jawa Barat. Tenaga kerja yang dibutuhkan sebanyak 192 orang dengan bentuk badan usaha Perseroan Terbatas (PT) yang dipimpin oleh seorang Direktur Utama yang dibantu oleh Direktur Produksi dan Direktur Pemasaran dan Keuangan dengan struktur organisasi line and staff. Dari analisis ekonomi diperoleh: Fixed Capital Investment Working Capital Investment Total Capital Investment Break Even Point Shut Down Point Pay Out Time before taxes Pay Out Time after taxes Return on Investment before taxes Return on Investment after taxes Discounted cash flow



(FCI) (WCI) (TCI) (BEP) (SDP) (POT)b (POT)a (ROI)b (ROI)a (DCF)



= = = = = = = = = =



Rp 345.499.215.703 Rp 60.970.449.830 Rp 406.469.665.533 35,68% 14,78% 1,59 years 1,90 years 39,05% 31,24% 43,74%



Mempertimbangkan rangkuman di atas, sudah selayaknya pendirian pabrik ammonium sulfate ini dikaji lebih lanjut, karena merupakan pabrik yang menguntungkan dan mempunyai prospek yang baik.



PRARANCANGAN PABRIK AMMONIUM SULFATE DARI AMONIA DAN ASAM SULFAT DENGAN KAPASITAS PRODUKSI 200.000 TON/TAHUN Tugas Khusus Perancangan Saturator (STR-201)



Oleh



FITA DESTI SENJA 1215041022



(Skripsi) Sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Pada Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung



JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2017



RIWAYAT HIDUP



Penulis dilahirkan di Guruh Nangi-Lampung, pada tanggal 13 Desember 1994, sebagai putri ketiga dari tiga bersaudara, dari pasangan Bapak Sumaryoto dan Ibu Suwati Wati Putri. Penulis menyelesaikan pendidikan Sekolah Dasar Negeri 1 Merak Batin pada tahun 2006, Sekolah Menengah Pertama Negeri 2 Negeri Katon pada tahun 2009, dan Sekolah Menengah Kejuruan Pelita Gedong Tataan Pesawaran Lampung pada tahun 2012. Pada tahun 2012, penulis terdaftar sebagai Mahasiswa Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung melalui Penerimaan Mahasiswa Perluasan Akses Pendidikan (PMPAP) 2012. Melalui jalur penerimaan tersebut, penulis mendapat keringanan bebas SPP, kemudian penulis berganti beasiswa dengan menjadi penerima Beasiswa Bidikmisi yang memperoleh bantuan pendidikan dan uang saku selama 8 semester. Selama menjadi mahasiswa, penulis pernah menjadi anggota muda BEM U KBM unila bidang Sosial Politik periode 2012-2013, Anggota Divisi Media Informasi Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia Periode 2013-2014, menjadi Sekretaris Umum Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia Universitas Lampung Periode 2014– 2015, dan pada tahun 2015-2016, penulis menjadi Staff Kesekretariatan BEM Fakultas Teknik Universitas Lampung.



Penulis pernah menjadi asisten dosen mata kuliah Etika Profesi Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Lampung pada tahun 2013-2014. Selain itu, Penulis juga pernah menjadi asisten praktikum, dengan asistensi sebagai berikut : 1. Kimia Terapan (PTK612103) pada Tahun Ajaran 2015/2016 2. Kimia Terapan (PTK612103) pada Tahun Ajaran 2014/2015 3. Praktikum Instruksional II (PTK612307) pada Tahun Ajaran 2015/2016



Pada tahun 2015, penulis melakukan Kerja Praktek di PT PERTAMINA (Persero) RU VI Balongan, Indramayu, Jawa Barat. Penulis ditempatkan di bagian Energy Cont and Loss RU VI dengan Tugas Khusus “Evaluasi Kinerja Furnace 11-F-101 pada Crude Distillation Unit”. Selain itu, penulis melakukan penelitian dengan judul “Absorpsi Gas CO2 pada Replika Gas Buang PLTU Tarahan Menggunakan Larutan Na2CO3 (Variasi Laju Alir Na2CO3)”. Penelitian Ini juga Telah dipublikasikan pada Seminar Nasional Riset dan Industri II Balai Riset dan Standarisasi Industri Lampung tahun 2016 dengan Nomor ISBN : 978-602-708702-6. Seminar tersebut mengusung tema “Peranan Teknologi dan Inovasi untuk Pengembangan Industri Berbasis Sumber Daya Alam Lokal Secara Terpadu” yang diselenggarakan pada tanggal 28 November 2016 di Hotel Emersia Bandar Lampung.



.



Dengan segenap hati, ku ucapkan beribu syukur kepada : Allah SWT, Atas segala nikmat yang diberikan yaitu nikmat sehat, nikmat rizki dan nikmat ilmu Dan atas segala karunia dan kehendaknya Nya hingga terciptalah sebuah karya kecil yang tertuang dalam sebuah tulisan Yang ku persembahkan kepada : Orang Tuaku sebagai tanda baktiku, terima kasih atas segalanya, doa, kasih sayang, pengorbanan, kesabaran, dan keikhlasannya. Ini hanyalah setitik balasan yang tidak bisa dibandingkan dengan berjuta-juta pengorbanan dan kasih sayang yang tidak pernah berakhir. Kakak-kakaku dan Sahabatku atas segalanya, kasih sayang dan doa. Guru-guruku sebagai tanda hormatku, terima kasih atas ilmu yang telah diberikan. Kepada Almamaterku tercinta, semoga kelak berguna dikemudian hari.



Motto Dan Persembahan ”Sesungguhnya Allah akan meningkatkan beberapa derajat orang - orang yang beriman diantaramu dan orang – orang yang diberi ilmu pengetahuan beberapa derajat” (Qs. Al-Mujadalah : 11)



” keep moving, keep going, keep doing and you will get there” (Dr.Elida Purba, S.T., M.Sc., 2012)



Yang menentukan setiap hasil adalah pikiran kita, karena pikiran itulah yang akan menuntun setiap langkah kita, bangun pikiran positif dan maju agar hasil menjadi lebih baik dan indah. If you wanna make your dream comes true, wake up!!



SANWACANA



Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang Maha Kuasa dan Maha Penyayang, atas segala rahmat dan hidayah-Nya, sehingga tugas akhir ini yang berjudul “Prarancangan Pabrik Ammonium Sulfate dari Amonia dan Asam Sulfat dengaan Kapasitas Produksi 200.000 Ton / Tahun” dapat diselesaikan dengan baik.



Tugas akhir ini disusun dalam rangka memenuhi salah satu syarat guna memperoleh derajat kesarjanaan (S-1) di Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Lampung.



Penyusunan tugas akhir ini tidak lepas dari bantuan dan dukungan dari beberapa pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Dr. Elida Purba, S.T.,M.Sc., Selaku Dosen Pembimbing I, yang telah memberikan pengarahan, masukan, bimbingan, kritik dan saran selama penyelesaian tugas akhir. Semoga ilmu bermanfaat yang diberikan dapat berguna dikemudian hari. 2. Lia Lismeri, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing II, atas semua ilmu, saran, masukan dan pengertiannya dalam penyelesaian tugas akhir. 3. Ir. Azhar, M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Universitas Lampung. 4. Dr. Lilis Hermida, S.T., M.Sc. dan Dr. Herti Utami, S.T., M.T, selaku Dosen Penguji yang telah memberikan saran dan kritik.



5. Seluruh Dosen Teknik Kimia Universitas Lampung, atas semua ilmu dan bekal masa depan yang akan selalu bermanfaat. 6. Keluargaku tercinta, Ibu dan bapak, atas pengorbanan, doa, cinta dan kasih sayang yang selalu mengiringi disetiap langkahku. Kakak ku Fani Akhto Wardiono dan Fina Nur Utari atas kasih sayang dan doa. Budi Tri Wibowo atas segala dukungan, kepercayaan, ketulusan, bantuan dan semangat. Semoga Allah yang Maha kuasa dan Maha Penyayang memberikan perlindungan dan Karunia-Nya kepada kalian. 7. Sahabat terbaikku Ria Putri Hermiyati atas segala kebaikan, bantuan dan dukungan dalam setiap hal, baik dalam suka maupun duka. 8. Devy Purnama Sari, selaku Partner Tugas Akhir yang selalu bersama-sama menyatukan pikiran, pendapat, ego, serta segala hal dalam mengerjakan Tugas Akhir. Untuk keluarga Devy dan Elin, atas segala kabaikannya, kesabarannya yang telah menjadikan saya keluarga baru. 9. Partner penelitian Finka Pertama Putri, kak Nilam dan kak Dai terimakasih karena telah melewati proses bersama-sama. Yolanda Sefriantina, selaku partner Kerja Praktek, karena telah membantu dalam melewati fase-fase di tanah orang selama Kerja Praktek. 10. Teman angkatan Elliza Novia Shinta atas ilmu-ilmunya, Riana Okta Lestari dan keluarga atas segala kebaikaannya, Dwi Derti S. atas segala bantuannya, dan seluruh angkatan 2012 yang tidak dapat disebutkan satu persatu, terimakasih atas segala bantuan dan doa kalian semua. 11. Kakak-kakak tingkatku (kak ricky, kak elin , kak nilam dan semua nya yang tidak dapat disebutkan) atas segala ilmunya



12. Semua adik – adik angkatanku, terkhusus untuk adik asuh Tri Wiranti yang selalu mendoakan dan memberikan dukungan, semoga cepat lulus ya adik – adikku. 13. Semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan tugas akhir ini.



Semoga Allah membalas semua kebaikan mereka terhadap penulis. Akhir kata, Penulis menyadari bahwa skripsi ini mash jauh dari kesempurnaan, akan tetapi sedikit harapan semoga skripsi ini berguna dan bermanfaat bagi kita semua. Amin.



Bandar Lampung, Desember 2017



Penulis,



Fita Desti Senja



xi



DAFTAR ISI



Halaman HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i ABSTRAK ..................................................................................................... ii ABSTRACT .................................................................................................... iii LEMBAR PENGESAHAN .......................................................................... iv RIWAYAT HIDUP ....................................................................................... vi MOTTO DAN PERSEMBAHAN ................................................................. viii SANWACANA ............................................................................................... ix DAFTAR ISI ................................................................................................... xi DAFTAR TABEL .......................................................................................... xx DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xxiii



BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ........................................................................................... 1 1.2 Kegunaan Produk ....................................................................................... 3 1.3 Ketersediaan Bahan Baku....................................................................... ... 4 1.4 Analisis Pasar.......................................................................................... ... 5 1.5 Rancangan Kapasitas Produksi Ammonium Sulfate ................................... 8 1.6 Lokasi Pabrik ............................................................................................. 10



xii



BAB II URAIAN PROSES 2.1 Jenis Proses Pembuatan Ammonium Sulfate ............................................. 12 2.1.1 Proses Netralisasi Langsung ............................................................... 13 2.1.2 Proses Marseburg ............................................................................... 15 2.1.3 Proses Morino..................................................................................... 16 2.2. Tinjauan Proses ......................................................................................... 17 2.2.1 Tinjauan Ekonomi .............................................................................. 17 2.2.1.1 Proses Netralisasi Langsung ....................................................... 17 2.2.1.2 Proses Marseburg........................................................................ 20 2.2.1.3 Proses Morino ............................................................................. 24 2.2.2 Tinjauan Termodinamika ................................................................... 28 2.2.2.1 Proses Netralisasi Langsung ....................................................... 30 2.2.2.2 Proses Marseburg........................................................................ 31 2.2.2.3 Proses Morino ............................................................................. 34 2.3. Pemilihan Proses ....................................................................................... 37 2.4. Uraian Proses ............................................................................................ 38 2.4.1 Tahap Persiapan Bahan Baku ............................................................. 38 2.4.2 Reaksi dan Kristalisasi ....................................................................... 39 2.4.3 Tahap Pemisahan Kristal .................................................................... 41 2.4.4 Tahap Pengeringan dan Pendinginan Produk ..................................... 41 2.4.5 Bagging Unit ...................................................................................... 42



BAB III SPESIFIKASI BAHAN BAKU DAN PRODUK 3.1. Bahan Baku ............................................................................................... 43 3.1.1 Amonia (NH3) .................................................................................... 43



xiii



3.1.2 Asam Sulfat (H2SO4) .......................................................................... 45 3.2. Produk ...................................................................................................... 46



BAB IV NERACA MASSA DAN ENERGI 4.1 Neraca Massa ............................................................................................. 48 4.2 Neraca Energi ...................................................................................... ...... 54



BAB V SPESIFIKASI ALAT 5.1 Spesifikasi Alat Proses ............................................................................... 61 5.1.1 Tangki Asam Sulfat (ST-101) ............................................................ 61 5.1.2 Tangki Amonia (ST-102) ................................................................... 62 5.1.3 Vaporizer (V-101) .............................................................................. 62 5.1.4 Expander Valve (EV-101) .................................................................. 63 5.1.5 Saturator (STR-201) ........................................................................... 64 5.1.6 Centrifuge (CF-301) ........................................................................... 66 5.1.7 Rotary Dryer (RD-301) ...................................................................... 67 5.1.8 Screen (S-301) .................................................................................... 67 5.1.9 Rotary Cooler (RC-301) ..................................................................... 68 5.1.10 Heater Udara (H-301) ...................................................................... 69 5.1.11 Condenser (C-201) ........................................................................... 70 5.1.12 Ejector (E-201) ................................................................................. 71 5.1.13 Barometic Condenser (BRC-201) A/B ............................................ 72 5.1.14 Accumulator (T-202) ........................................................................ 73 5.1.15 Ventury Scrubber (VS-301).............................................................. 74 5.1.16 Dissolving Tank (T-203) .................................................................. 74



xiv



5.1.17 Mother Liquor Tank (T-201) ............................................................ 76 5.1.18 Solid Storage (SS-301) ..................................................................... 77 5.1.19 Ware House (WH-301) .................................................................... 78 5.1.20 Pompa Proses ................................................................................... 78 5.1.20.1 Pompa Proses (PP-101) ............................................................ 78 5.1.20.2 Pompa Proses (PP-102) ............................................................ 79 5.1.20.3 Pompa Proses (PP-201) ............................................................ 80 5.1.20.4 Pompa Proses (PP-202) ............................................................ 80 5.1.20.5 Pompa Proses (PP-203) ............................................................ 81 5.1.20.6 Pompa Proses (PP-204) ............................................................ 82 5.1.20.7 Pompa Proses (PP-205) ............................................................ 82 5.1.20.8 Pompa Proses (PP-206) ............................................................ 83 5.1.21 Screw Conveyor (SC-301) ................................................................ 84 5.1.22 Belt Conveyor ................................................................................... 84 5.1.22.1 Belt Conveyor (BC-301) ........................................................... 84 5.1.22.2 Belt Conveyor (BC-302) ........................................................... 85 5.1.22.3 Belt Conveyor (BC-303) ........................................................... 85 5.1.22.4 Belt Conveyor (BC-304) ........................................................... 86 5.1.22.5 Belt Conveyor (BC-305) ........................................................... 87 5.1.22.6 Belt Conveyor (BC-306) ........................................................... 87 5.1.22.7 Belt Conveyor (BC-307) ........................................................... 88 5.1.23 Bucket Elevator (BE-301) ................................................................ 89 5.1.24 Fan.................................................................................................... 89 5.1.24.1 Fan (F-301)............................................................................... 89



xv



5.1.24.2 Fan (F-302)............................................................................... 90 5.1.24.3 Fan (F-303)............................................................................... 90 5.1.24.4 Fan (F-304)............................................................................... 91 5.2 Peralatan Utilitas ........................................................................................ 91 5.2.1 Peralatan Sistem Penyedia Air ........................................................... 91 5.2.1.1 Bak Sedimentasi ......................................................................... 91 5.2.1.2 Tangki Alum (ST-401) ............................................................... 92 5.2.1.3 Tangki Soda Kaustik (ST-402) ................................................... 92 5.2.1.4 Tangki Kaporit (ST-403) ............................................................ 93 5.2.1.5 Clarifier (CL-401) ...................................................................... 94 5.2.1.6 Sand Filter (SF-401) ................................................................... 95 5.2.1.7 Tangki Air Filter (FWT-401)...................................................... 95 5.2.1.8 Tangki Domestic Water Tank (DWT-401) ................................. 96 5.2.1.9 Hydrant Water Tank (HWT-401) ............................................... 97 5.2.1.10 Hot Basin (HB-401).................................................................. 98 5.2.1.11 Cooling Tower (CT-401) .......................................................... 98 5.2.1.12 Cold Basin (CB-401) ................................................................ 99 5.2.1.13 Tangki Asam Sulfat (ST-404) .................................................. 100 5.2.1.14 Tangki Dispersan (ST-405) ...................................................... 100 5.2.1.15 Tangki Inhibitor (ST-406) ........................................................ 101 5.2.1.16 Cation Exchanger (CE-401) ..................................................... 102 5.2.1.17 Anion Exchanger (AE-401) ...................................................... 103 5.2.1.18 Demin Water Tank (DWT-401) ................................................ 104 5.2.2 Unit Penyedia Steam .......................................................................... 104



xvi



5.2.2.1 Deaerator (DA-401) ................................................................... 104 5.2.2.2 Storage Tank Hidrazin (ST-407) ................................................ 105 5.2.2.3 Boiler (B-401)............................................................................. 106 5.2.2.4 Tangki Bahan Bakar (ST-408).................................................... 107 5.2.2.5 Blower Steam (BL-401) .............................................................. 107 5.2.3 Unit Penyedia Udara Instrumen ......................................................... 108 5.2.3.1 Air Dryer (AD-401) .................................................................... 108 5.2.3.2 Kompresor (AC-401) .................................................................. 108 5.2.3.3 Cyclone (CYC-401) .................................................................... 108 5.2.3.4 Blower Udara (BU-401) ............................................................. 109 5.2.3.5 Blower Udara (BU-402) ............................................................. 109 5.2.3.6 Blower Udara (BU-403) ............................................................. 110 5.2.3.7 Blower Udara (BU-404) ............................................................. 110 5.2.4 Unit Penyedia Listrik.......................................................................... 110 5.2.4.1 Generator (GS-401) .................................................................... 110 5.2.5 Pompa Utilitas .................................................................................... 111 5.2.5.1 Pompa Utilitas (PU-401) ............................................................ 111 5.2.5.2 Pompa Utilitas (PU-402) ............................................................ 111 5.2.5.3 Pompa Utilitas (PU-403) ............................................................ 112 5.2.5.4 Pompa Utilitas (PU-404) ............................................................ 112 5.2.5.5 Pompa Utilitas (PU-405) ............................................................ 113 5.2.5.6 Pompa Utilitas (PU-406) ............................................................ 114 5.2.5.7 Pompa Utilitas (PU-407) ............................................................ 115 5.2.5.8 Pompa Utilitas (PU-408) ............................................................ 115



xvii



5.2.5.9 Pompa Utilitas (PU-409) ............................................................ 116 5.2.5.10 Pompa Utilitas (PU-410) .......................................................... 117 5.2.5.11 Pompa Utilitas (PU-411) .......................................................... 117 5.2.5.12 Pompa Utilitas (PU-412) .......................................................... 118 5.2.5.13 Pompa Utilitas (PU-413) .......................................................... 119 5.2.5.14 Pompa Utilitas (PU-414) .......................................................... 119 5.2.5.15 Pompa Utilitas (PU-415) .......................................................... 120 5.2.5.16 Pompa Utilitas (PU-416) .......................................................... 121 5.2.5.17 Pompa Utilitas (PU-417) .......................................................... 121 5.2.5.18 Pompa Utilitas (PU-418) .......................................................... 122 5.2.5.19 Pompa Utilitas (PU-419) .......................................................... 123 5.2.5.20 Pompa Utilitas (PU-420) .......................................................... 123 5.2.5.21 Pompa Utilitas (PU-421) .......................................................... 124 5.2.5.22 Pompa Utilitas (PU-422) .......................................................... 125 5.2.5.23 Pompa Utilitas (PU-423) .......................................................... 125



BAB VI UTILITAS DAN PENGOLAHAN LIMBAH 6.1 Unit Pengolahan Air ................................................................................... 128 6.1.1 Air untuk Keperluan Umum dan Sanitasi .......................................... 128 6.1.2 Air Pendingin ..................................................................................... 129 6.1.3 Air Umpan Boiler ............................................................................... 132 6.1.4 Air Proses ........................................................................................... 133 6.1.5 Air Pemadam Kebakaran.................................................................... 134 6.2 Penyedia Steam .......................................................................................... 141 6.2.1 Deaerasi .............................................................................................. 141



xviii



6.2.2 Steam Generator................................................................................. 141 6.3 Unit Penyedia Udara Instrumen ................................................................. 142 6.4 Unit Pembangkit Tenaga Listrik ................................................................ 142 6.5 Unit Pengadaan Bahan Bakar..................................................................... 143 6.6 Laboratorium .............................................................................................. 143 6.7 Pengolahan Limbah .................................................................................... 148



BAB VII TATA LETAK DAN LOKASI PABRIK 7.1 Lokasi Pabrik ...................................................................................... ...... 150 7.2 Tata Letak Pabrik ....................................................................................... 154 7.3 Estimasi Area Pabrik .................................................................................. 156



BAB VIII MANAGEMEN DAN ORGANISASI 8.1 Bentuk Perusahaan...................................................................................... 160 8.2 Struktur Organisasi Perusahaan ................................................................. 163 8.3 Tugas dan Wewenang ................................................................................ 166 8.4 Status Karyawan dan Sistem Penggajian ................................................... 173



BAB IX INVESTASI DAN EVALUASI EKONOMI 9.1 Investasi...................................................................................... ............... 184 9.2 Evaluasi Ekonomi ...................................................................................... 188 9.3 Angsuran Pinjaman .................................................................................... 191 9.4 Discounted Cash Flow (DCF).................................................................... 191



xix



BAB X SIMPULAN DAN SARAN 10.1 Simpulan .................................................................................................. 194 10.2 Saran ......................................................................................................... 194 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A LAMPIRAN B LAMPIRAN C LAMPIRAN D LAMPIRAN E LAMPIRAN F



xx



DAFTAR TABEL



Halaman Tabel 1.1 Daftar Pabrik yang Memproduksi Asam Sulfat di Indonesia .......... 4 Tabel 1.2 Daftar Pabrik yang Memproduksi Amonia di Indonesia ................. 5 Tabel 1.3 Data Impor Ammonium Sulfate di Indonesia pada Tahun 2005 – 2016 ................................................................................................. 6 Tabel 1.4 Data Ekspor Ammonium Sulfate di Indonesia pada Tahun 2005 – 2016.................................................................................................. 6 Tabel 2.1 Harga Bahan Baku dan Produk Proses Netralisasi Langsung ......... 19 Tabel 2.2 Harga Bahan Baku dan Produk Proses Marseburg .......................... 23 Tabel 2.3 Harga Bahan Baku dan Produk Proses Morino ............................... 27 Tabel 2.4 Data ∆H0f dan ∆G0 Komponen pada Kondisi Standar (298 K) ...... 29 Tabel 2.5 Nilai Cp untuk Komponen Proses Netralisasi Langsung pada T = 30oC .......................................................................................... 30 Tabel 2.6 Nilai Cp untuk Komponen Proses Marseburg pada T = 60oC ......... 32 Tabel 2.7 Nilai Cp untuk Komponen Proses Morino pada T = 200oC ............ 35 Tabel 2.8 Perbandingan Proses Pembuatan Ammonium Sulfate ...................... 37 Tabel 4.1 Komposisi Bahan Baku Asam Sulfat (H2SO4) ............................... 49 Tabel 4.2 Komposisi Bahan Baku Amonia ...................................................... 49 Tabel 4.3 Komposisi Produk Ammonium Sulfate ((NH4)2SO4) ....................... 49



xxi



Tabel 4.4 Berat Molekul Komponen ............................................................... 49 Tabel 4.5 Neraca Massa Saturator (STR–201) ............................................... 51 Tabel 4.6 Neraca Massa Centrifuge (CF–301) ............................................... 51 Tabel 4.7 Neraca Massa Accumulator (T–202) .............................................. 51 Tabel 4.8 Neraca Massa Mother Liquor Tank (T–201) ................................. 52 Tabel 4.9 Neraca Massa Rotary Dryer (RD–301) ......................................... 52 Tabel 4.10 Neraca Massa Screen (S-301) ....................................................... 53 Tabel 4.11 Neraca Massa Rotary Cooler (RC-301) ........................................ 53 Tabel 4.12 Neraca Massa Ventury Scrubber (VS–301) .................................. 53 Tabel 4.13 Neraca Massa Dissolving Tank (T–203) ...................................... 54 Tabel 4.14 Neraca Massa Condenser (C-201) ................................................ 54 Tabel 4.15 Neraca Energi di Vaporizer (V-101) ............................................. 56 Tabel 4.16 Neraca Energi di Exvander Valve (EV-101) ................................. 56 Tabel 4.17 Neraca Energi di Saturator (STR-201) .......................................... 57 Tabel 4.18 Neraca Energi di Centrifuge (CF-301) ......................................... 57 Tabel 4.19 Neraca Energi di Rotary Dryer (RD-301) ..................................... 57 Tabel 4.20 Neraca Energi di Screen (S-301) .................................................. 58 Tabel 4.21 Neraca Energi di Heater (H–301) ................................................. 58 Tabel 4.22 Neraca Energi di Rotary Cooler (RC–301) ................................... 58 Tabel 4.23 Neraca Energi di Mother Liquor Tank (T-201) ............................ 59 Tabel 4.24 Neraca Panas di Dissolving Tank (T-203) .................................... 59 Tabel 4.25 Neraca Panas di Ventury Scrubber (VS-301) ............................... 59 Tabel 4.26 Neraca Panas di Accumulator (T-202) .......................................... 60 Tabel 4.27 Neraca Panas di Condenser (C-201) ............................................. 60



xxii



Tabel 6.1 Kebutuan Air untuk Air Pendingin ................................................. 130 Tabel 6.2 Kebutuhan Air untuk Air Umpan Boiler.......................................... 132 Tabel 6.3 Kebutuhan Air untuk Air Proses ...................................................... 133 Tabel 6.4 Tingkat Kebutuhan Informasi dan Sistem Pengendalian ................. 148 Tabel 6.5 Pengendalian Variabel Utama Proses .............................................. 148 Tabel 7.1 Perincian Luas Area Pabrik Ammonium Sulfate .............................. 156 Tabel 8.1 Jadwal Kerja Masing-Masing Regu ................................................. 176 Tabel 8.2 Perincian Tingkat Pendidikan .......................................................... 177 Tabel 8.3 Jumlah Operator Berdasarkan Jenis Alat ......................................... 178 Tabel 8.4 Jumlah Karyawan Berdasarkan Jabatan .......................................... 179 Tabel 9.1. Fixed Capital Investment ............................................................... 185 Tabel 9.2. Manufacturing Cost ....................................................................... 186 Tabel 9.3. General Expenses ........................................................................... 187 Tabel 9.4. Biaya Administratif ........................................................................ 187 Tabel 9.5. Minimum Acceptable Persent Return On Investment .................... 188 Tabel 9.6. Acceptable Pay Out Time untuk Tingkat Resiko Pabrik ................ 189 Tabel 9.7. Hasil Uji Kelayakan Ekonomi ....................................................... 192



DAFTAR GAMBAR



Halaman Gambar 1.1 Data Impor Ammonium Sulfate di Indonesia Tahun 2005 – 2016 .............................................................................................. 7 Gambar 2.1 Blok Diagram Proses Netralisasi Langsung ................................. 14 Gambar 2.2 Blok Diagram Proses Marseburg ................................................. 15 Gambar 2.3 Blok Diagram Proses Morino....................................................... 17 Gambar 4.1 Diagram Alir Neraca Massa ......................................................... 50 Gambar 4.2 Diagram Alir Neraca Panas .......................................................... 50 Gambar 7.1 Peta Kabupaten Karang – Jawa Barat .......................................... 157 Gambar 7.2 Area Sungai Citarum – Jawa Barat ............................................. 158 Gambar 7.3 Tata Letak Pabrik dan Fasilitas Pendukung ................................ 158 Gambar 7.4 Tata Letak Peralatan Proses ........................................................ 159 Gambar 8.1. Struktur Organisasi Perusahaan ................................................. 165 Gambar 9.1. Grafik Analisa Ekonomi ............................................................ 163 Gambar 9.2. Kurva Cummulative Cash Flow ................................................. 164



BAB I PENDAHULUAN



1.1 Latar Belakang Indonesia merupakan salah satu negara yang kaya akan SDA (sumber daya alam), baik yang terdapat di daratan maupun lautan. Saat ini Indonesia sedang melakukan pembenahan dari berbagai sektor, yaitu mulai dari sektor pendidikan, pertanian, kesehatan, kelautan, energi, maupun industri. Pembangunan industri di Indonesia sampai saat ini terus berkembang guna memenuhi kebutuhan dalam negeri dan guna menerobos pasar internasional. Kekayaan SDA di Indonesia seperti perkebunan dan pertanian pun mulai mendapatkan perhatian, namun terdapat kendala dalam pengembangan di sektor perkebunan dan pertanian yakni kurangnya pasokan pupuk di Indonesia seperti pupuk ZA (zwavelzure ammonia) atau ammonium sulfate. Pabrik pupuk ini sangat diperlukan di Indonesia, hal ini dikarenakan Indonesia merupakan negara yang devisa utamanya diperoleh dari pertambangan dan merupakan negara agraris. Ammonium sulfate merupakan garam anorganik yang biasa digunakan sebagai pupuk nitrogen selain pupuk urea, NPK, dan ammonium nitrat. Dalam pupuk ini terkandung senyawa sulfur dalam bentuk anion sulfate yang mudah diserap tanaman,



2



dan senyawa nitrogen dalam bentuk kation ammonium yang mudah melepas hidrogen. Di Indonesia, produsen ammonium sulfate hanya satu, yaitu PT Petrokimia Gresik, dengan kapasitas produksi per tahun 650.000 ton ammonium sulfate. Produksi ammonium sulfate yang ada belum cukup untuk memenuhi kebutuhan ammonium sulfate dalam negeri, yang diperkirakan akan mencapai lebih dari 3 juta ton pada 2025. Keadaan ini memaksa Indonesia harus melakukan impor ammonium sulfate untuk memenuhi kekurangan kebutuhan ammonium sulfate per tahun. Kebutuhan ammonium sulfate di Indonesia ini diperkirakan akan meningkat terus pada tahuntahun berikutnya karena memiliki tanah yang subur dan berpotensi untuk mengembangkan industri pertanian dan perkebunan. Total kebutuhan ammonium sulfate relatif semakin meningkat, dan hanya dipenuhi oleh PT Petrokimia Gresik. Kekurangan kebutuhan ammonium sulfate di Indonesia juga dipenuhi dengan mengimpor ammonium sulfate dari luar negeri. Pada tahun 2005-2008 kebutuhan ammonium sulfate tidak terlalu tinggi, namun pada tahun 2009 hingga sekarang kebutuhan ammonium sulfate terus meningkat hingga 2500 kali lipat. Hal tersebut dapat dilihat dari data impor ammonium sulfate yang melonjak pesat dari tahun 2005 yang hanya 432,1 ton/tahun menjadi 1,17 juta ton/tahun pada tahun 2015. Ketergantungan impor ammonium sulfate



menyebabkan devisa negara



berkurang, sehingga diperlukan suatu usaha penanggulangan yaitu mendirikan pabrik-pabrik ammonium sulfate di Indonesia. Adapun faktor-faktor yang menjadi landasan pendirian pabrik ammonium sulfate yaitu:



3



1. Indonesia adalah negara agraris yang membutuhkan pasokan pupuk khususnya ammonium sulfate



yang sangat besar namun pabrik yang



memproduksi ammonium sulfate



sangat sedikit, sehingga tidak mampu



memenuhi permintaan pasar yang sangat besar. 2. Pendirian pabrik ammonium sulfate ini akan menjadi salah satu pemasok pupuk ZA sehingga akan memenuhi kebutuhan dalam negeri dan mengurangi jumlah impor yang berarti menghemat devisa negara. 3. Dengan didirikannya pabrik ini, diharapkan dapat mendorong perkembangan industri di Indonesia secara umum. 4. Dari segi sosial dan ekonomi dengan adanya pabrik ini dapat menyerap tenaga kerja dan secara tidak langsung meningkatkan perekonomian masyarakat. 5. Jumlah produksi amonia dan asam sulfat yang banyak di Indonesia sehingga pendirian pabrik ammonium sulfate ini akan menambah pelanggan bagi industri amonia dan asam sulfat tersebut. Berdasarkan faktor-faktor yang telah disebutkan di atas, sehingga sangat perlu didirikannya pabrik ammonium sulfate di Indonesia. 1.2 Kegunaan Produk Pada sektor pertanian dan perkebunan di Indonesia, ammonium sulfate sering disebut pupuk ZA, dan memiliki rumus kimia (NH4)2SO4. Berikut ini merupakan kegunaan dari ammonium sulfate :



4



1. Sebagai pupuk dan bahan aditif pada makanan yang digunakan sebagai pengatur keasaman dalam tepung dan roti. 2. Untuk pengolahan air dan digunakan pada fraksinasi protein. 3. Sebagai bahan baku industri kimia, industri tekstil, industri farmasi. 4. Sebagai zat tambahan dalam pemadam kebakaran serta reagen di laboratorium.



1.3 Ketersediaan Bahan Baku Bahan baku dalam pembuatan ammonium sulfate adalah amonia (NH3) dan asam sulfat (H2SO4). Amonia jumlahnya sangat banyak karena banyak pabrik di Indonesia yang menghasilkan amonia dan juga jumlah asam sulfat yang jumlahnya banyak di Indonesia, sehingga tidak perlu mengimpor kedua bahan baku tersebut dari luar negeri. Berikut merupakan daftar pabrik yang memproduksi asam sulfat: Tabel 1.1 Daftar Pabrik yang Memproduksi Asam Sulfat di Indonesia No 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 13. 14. 15.



Nama Pabrik PT Indonesia Acid PT Mahkota Indonesia PT Timur Raya Tunggal PT Indo-Bharat Rayon PT South Pasific Viscous PT Petrokimia Gresik PT Liku Telaga PT Madu Lingga PT Copper Smelting Co PT Aktif Indonesia Indah PT Dunia Kimia Utama PT Ariaguna Nusantara PT Utaki



Lokasi Pabrik Jakarta Timur Jakarta Utara Tangerang Purwakarta Purwakarta Gresik Gresik Gresik Gresik Surabaya Palembang Palembang Medan



Produksi (ton/tahun) 82.500 72.500 57.000 54.750 18.000 678.000 325.000 6.000 600.000 15.000 20.000 9.500 8.000



5



Tabel 1.2 Daftar Pabrik yang Memproduksi Amonia di Indonesia No Nama Pabrik



Lokasi Pabrik



1. PT Pupuk Kujang 2. PT Petrokimia Gresik 3. PT Pupuk Sriwijaya 4. PT Pupuk Kalimantan Timur 5. PT Kaltim Parna Industri 6. PT Pupuk Iskandar Muda Sumber: kemenperin.go.id, 2017



Cikampek- Jawa Barat Gresik-Jawa Timur Palembang Bontang-Kaltim Bontang-Kaltim Aceh Utara



Kapasitas Produksi (Ton/Tahun) 660.000 850.000 1.335.000 2.510.000 500.000 386.000



Dengan mempertimbangkan aspek lokasi pendirian pabrik ammonium sulfate yang bertempat di Klari Karawang, maka di pilih pabrik pemasok bahan baku untuk amonia yaitu PT Pupuk Kujang yang berada di Cikampek kabupaten Karawang dan pemasok asam sulfat dari PT Indonesia Acid dan PT Mahkota Indonesia yang semuanya berada di daerah Jakarta dan tidak jauh dari daerah Karawang-Jawa Barat. Jika dalam skala jangka waktu panjang ingin melakukan peningkatan kapasitas pabrik, maka tidak perlu dikhawatirkan dalam memperoleh bahan baku karena melimpahnya produsen amonia dan asam sulfat di Indonesia. 1.4 Analisis Pasar Kebutuhan ammonium sulfate di Indonesia diperkirakan akan selalu meningkat karena penggunaannya cenderung besar khususnya pada sektor pertanian yang digunakan sebagai pupuk. Saat ini pabrik yang memproduksi ammonium sulfate hanya PT Petrokimia Gresik dengan kapasitas 650.000 ton/tahun. Produksi tersebut belum mencukupi kebutuhan masyarakat Indonesia terhadap ammonium sulfate (pupuk ZA) sehingga Indonesia harus mengimpor pasokan pupuk ZA dalam jumlah



6



yang cukup besar. Berikut ini adalah tabel yang memuat data kebutuhan impor ammonium sulfate di Indonesia yang diperoleh dari Badan Pusat Statistik (2017). Tabel 1.3 Data Impor Ammonium Sulfate di Indonesia pada Tahun 2005-2016 No Tahun Jumlah (Ton) 1 2005 432,1 2 2006 77,6 3 2007 1.142,4 4 2008 486,0 5 2009 338.394,6 6 2010 268.451,5 7 2011 503.391,6 8 2012 820.346,1 9 2013 728.487,2 10 2014 864.452,4 11 2015 1.170.193,8 12 2016 930.687,7 Sumber: Badan Pusat Statistik, 2017 Berdasarkan Tabel 1.3 di atas, dapat dilihat bahwa jumlah impor pada tahun 2005 hingga 2008 sangat sedikit bila dibandingkan dengan tahun-tahun berikutnya. Pada tahun 2009-2016, impor ammonium sulfate cenderung mengalami peningkatan secara signifikan. Tabel 1.4 Data Ekspor Ammonium Sulfate di Indonesia pada Tahun 2005-2016 No Tahun Jumlah (Ton) 1 2005-2008 0 2 2009 2.905,9 3 2010 7.683,7 4 2011 16.867,0 5 2012 7.525,0 6 2013 7.556,6 7 2014 40.323,3 8 2015 10.048,5 9 2016 6.378,1 Sumber: Badan Pusat Statistik, 2017



7



Sampai pada tahun 2008 Indonesia tidak dapat mengekspor ammonium sulfate , namun pada tahun 2009 hingga sekarang Indonesia dapat mengekspor ammonium sulfate dari PT Petrokimia Gresik, namun jumlah ekspor tersebut masih sangat kecil jika dibandingkan dengan data impor ammonium sulfate di Indonesia. Prarancangan pabrik ammonium sulfate direncanakan akan dibangun pada tahun 2025, sehingga untuk mengetahui kebutuhan ammonium sulfate di Indonesia pada tahun tersebut maka dapat dibuat grafik berdasarkan data impor ammonium sulfate pada Tabel 1.3 sehingga pada grafik akan didapatkan persamaan yang diperoleh menggunakan metode regresi polinomial yang ditunjukkan ada Gambar 1.1 berikut ini.



1400000 y = 2078.8x2 + 85311x - 198243 R² = 0.9105



Kapasitas (Ton/Tahun)



1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0 1



2



3



4



5



Data Impor Amonium Sulfat



6 7 Tahun ke-



8



9



10



11



12



Poly. (Data Impor Amonium Sulfat)



Gambar 1.1 Data Impor Ammonium Sulfate di Indonesia Tahun 2005-2016



Berdasarkan data pada Gambar 1.1, melalui metode regresi polinomial didapat : y = ax + b



8



dimana : y = kebutuhan ammonium sulfate (ton/tahun) x = tahun produksi a = slope b = intersept Persamaan yang didapatkan yaitu y = 2078,8x2 + 85311x – 19824



...(Pers.1.1)



Pada Gambar 1.1 tahun ke-1 dimulai dari tahun 2005, sehingga untuk menghitung kebutuhan ammonium sulfate pada tahun 2025 yaitu tahun ke- 21 adalah: y = 2078,8 (21)2 + 85311(21)- 198243 y = 2.509.686 ton Sehingga dapat diperkirakan kebutuhan ammonium sulfate pada tahun 2025 akan meningkat menjadi 2.509.686 ton .



1.5 Rancangan Kapasitas Produksi Ammonium sulfate Adapun hal-hal yang menjadi dasar pertimbangan penentuan kapasitas yaitu: a.



Bahan baku amonia yang digunakan ini berasal dari PT Pupuk Kujang Cikampek dengan kapasitas produksi 660.000 ton/tahun atau sekitar 2000 ton/hari. Sebagian besar amonia yang dihasilkan dari PT Pupuk Kujang Cikampek ini digunakan sebagai bahan baku pembuatan urea, dan sisa kebutuhan amonia yang tidak digunakan di plant urea sekitar 13,3 ton/jam atau sekitar 105.000 ton/tahun. Kelebihan amonia sebagian besar lagi disalurkan ke PT Multi Nitrokimia, dan sebagian lagi dipasarkan ke beberapa wilayah.



9



b.



Bahan baku asam sulfat ini didapat dari PT Indonesia Acid Industry dengan kapasitas produksi asam sulfat 82.500 ton/tahun dan PT Mahkota Indonesia dengan kapasitas produksi 72.500 ton/tahun.



c.



Pabrik yang memproduksi pupuk ZA di Indonesia ini hanya ada satu yaitu PT Petrokimia Gresik dengan kapasitas produksi 650.000 ton/tahun (3 plant). Pabrik pupuk ZA yang pertama didirikan berkapasitas 200.000 ton/tahun dengan bahan baku amonia dan asam sulfat, dan selanjutnya dilakukan perluasan dengan pembangunan plant baru dengan kapasitas 200.000 ton/tahun untuk bahan baku asam sulfat dan amonia, serta 250.000 ton/tahun untuk bahan baku gypsum, amonia dan karbon dioksida.



Berdasarkan jumlah bahan baku yang tersedia, maka kapasitas produksi yang dapat rancang adalah 200.000 ton/tahun. Menurut stoikiometri pada reaksi antara asam sulfat dan amonia dengan kapasitas 200.000 ton/tahun dibutuhkan bahan baku asam sulfat sekitar 150.000 ton/tahun dan amonia 50.000 ton/tahun. Sehingga ketersediaan bahan bakunya sudah mencukupi. Selain itu pabrik ammonium sulfate yang telah berdiri di Indonesia yaitu PT Petrokimia Gresik dengan proses netralisasi langsung dibangun dengan kapasitas plant sebesar 200.000 ton/tahun juga. Berdasarkan alasan tersebut, maka prarancangan pabrik ammonium sulfate



ini



dirancang dengan kapasitas 200.000 ton/tahun atau sekitar 8% dari total kebutuhan ammonium sulfate di Indonesia.



10



1.6 Lokasi Pabrik Pemilihan lokasi suatu pabrik sangat dipengaruhi oleh kegiatan yang akan dijalani, seperti kegiatan fabrikasi, produksi, dan distribusi. Perencanaan penentuan lokasi pabrik yang baik akan dapat menekan biaya produksi dan distribusi. Lokasi pabrik akan didirikan di Karawang tepatnya di Kec. Klari yang berbatasan dengan Kawasan Industri Cikampek, Jawa Barat dengan pertimbangan sebagai berikut: a.



Bahan baku Bahan baku memegang peranan paling penting dalam proses produksi pabrik. Lokasi yang dekat dengan penyediaan bahan baku akan lebih menghemat biaya transportasi. Untuk bahan baku amonia akan diperoleh dari PT Pupuk Kujang Cikampek dengan kapasitas produksi 660.000 ton/tahun, dan asam sulfat akan diperoleh dari PT Indonesia Acid Industry, Jakarta Timur dengan kapasitas produksi 82.500 ton/tahun dan PT Mahkota Indonesia dengan kapasitas produksi 72.500 ton/tahun.



b.



Daerah pemasaran Ammonium sulfate merupakan pupuk anorganik yang banyak digunakan dalam sektor pertanian dan perkebunan. Dengan didirikannya pabrik di daerah Karawang, diharapkan dapat memenuhi kebutuhan pupuk ammonium sulfate di daerah Pulau Jawa dan Pulau Sumatera.



c.



Fasilitas transportasi Akses jalur darat, Karawang dilewati jalan nasional yaitu jalur Pantura dan akses laut dekat dengan Pelabuhan Tanjung Priok, sehingga diharapkan pemasokan bahan baku dan pemasaran produk tidak mengalami kesulitan.



11



d.



Penyediaan bahan bakar dan energi Kabupaten Karawang sebagian besar merupakan kawasan industri terpadu, sehingga penyediaan bahan bakar dan energi dapat dipenuhi.



e.



Penyediaan utilitas Penyediaan utilitas seperti air, dan listrik perlu diperhatikan agar proses produksi bisa berjalan dengan baik. Air sangat diperlukan untuk kebutuhan proses, pendingin, sanitasi, dan lain sebagainya. Penyediaan air dipenuhi dengan pendirian penyediaan unit pengolahan air, dan airnya diambil dari Sungai Citarum Jawa Barat.



f.



Penyediaan tenaga kerja Tenaga kerja yang digunakan dapat diperoleh dari penduduk yang bertempat tinggal disekitar pabrik meliputi tenaga kerja tingkat bawah, menengah, dan atas. Dengan didirikannya pabrik ini, maka akan memperluas lapangan kerja dan mengurangi tingkat pengangguran baik dari penduduk sekitar maupun penduduk urban.



g.



Perizinan Lokasi pabrik dipilih pada daerah khusus untuk kawasan industri, sehingga memudahkan dalam perizinan pendirian pabrik. Pabrik yang didirikan harus jauh dari pemukiman penduduk dan tidak mengurangi lahan produktif pertanian agar tidak menimbulkan dampak negatif bagi masyarakat dan lingkungan sekitarnya. Selain itu, lokasi pabrik harus memungkinkan untuk dilakukan pengembangan area pabrik. Hal ini berkaitan dengan kemungkinan pengembangan pabrik dimasa yang akan datang.



BAB II URAIAN PROSES



Ammonium sulfate atau yang lebih dikenal dengan pupuk ZA (zwavelzure ammonia) di Indonesia, merupakan suatu garam organik dengan rumus kimia (NH4)2SO4 yang sering digunakan sebagai pupuk secara komersial. Dalam ammonium sulfate ini terkandung senyawa sulfur dalam bentuk anion sulfat yang mudah diserap tanaman, dan senyawa nitrogen dalam bentuk kation amonium yang mudah melepas hidrogen. Kandungan sulfur dan nitrogen dalam ammonium sulfate ini masing – masing sebesar 24,23 % dan 21,21 %.



2.1



Jenis Proses Pembuatan Ammonium sulfate Pada tahun 1921, pertama kali pabrik amonia sintetik mulai diproduksi, dan



sumber ammonium sulfate adalah batubara. Batubara bituminus mengandung 1,5% N. Amonia yang diubah sebagai bahan pembuatan ammonium sulfate adalah sekitar 21-28 lb/ton batubara. Namun, dengan seiringnya waktu, ammonium sulfate mulai diproduksi melalui bahan baku (by product) dari proses kimia seperti caprolactam dan acrylonitrile. Bahan sumber lainnya yaitu cairan asam sulfat (sulfuric acid) dari buangan produksi steel (Mc. Ketta, 1984). Ada tiga macam proses pembuatan ammonium sulfate berdasarkan bahan baku yang sering digunakan yaitu: a.



Proses netralisasi langsung (reaksi antara gas amonia dengan asam sulfat)



13



2NH3 (g) + H2SO4 (l) → (NH4)2SO4 (aq) b.



Proses Marseburg (reaksi antara kalsium sulfat dengan amonium karbonat) NH3 (g) + H2O (l) + CO2 (g) → (NH4)2CO3 (aq) (NH4)2CO3 (aq) + CaSO4 2H2O (aq) → (NH4)2SO4 (s) + CaCO3 (s) + H2O (l)



c.



Proses Morino (reaksi antara amonia dengan sulfur dioksida dan dioksidasi) 2NH3 (g) + SO2 (g) + H2O (l) → (NH4)2SO3 (aq) (NH4)2SO3 (aq) + ½ O2 (g) → (NH4)2SO4 (s)



2.1.1 Proses Netralisasi Langsung Proses netralisasi merupakan reaksi antara amonia dan asam sulfat yang membentuk ammonium sulfate. Pembuatan ammonium sulfate dengan proses netralisasi langsung pada dasarnya dibagi menjadi 4 tahap yaitu tahap reaksi dan kristalisasi, tahap pemisahan, tahap pengeringan dan tahap pengepakan. Reaksi netralisasi dan kristalisasi terjadi dalam reaktor yang sama disebut dengan saturator. Dimana reaksi terjadi antara asam sulfat dengan amonia membentuk ammonium sulfate. Kondisi operasi di dalam saturator yaitu pada suhu 100-105°C dan tekanan 1 atm. Pada kondisi ini, umpan asam sulfat akan berada dalam fasa cair dan amonia berada dalam fasa gas. Gas amonia dan asam sulfat cair bereaksi secara stoikiometri membentuk ammonium sulfate dengan konversi reaksi sebesar 78% terhadap H2SO4 dan amonia habis bereaksi. Reaksi berlangsung secara spontan saat bahan masuk dalam saturator pada suhu 30oC, namun karena reaksi bersifat eksotermis sehinga menghasilkan panas, panas reaksi tersebut yang dimanfaatkan untuk proses kristalisasi dengan penjenuhan solven (H2O). Penjenuhan air dilakukan dengan menguapkan air pada



14



titik didiknya yaitu 100oC. Suhu saturator tetap dijaga 100-105°C, karena apabila suhu yang naik terlalu tinggi maka dikhawatirkan ammonium sulfate akan terdekomposisi. Untuk mempertahankan suhu 100 oC maka dilakukan dengan cara mengembalikan condensate dari steam yang keluar saturator dan telah dikondensasikan. Selain maka . Hal ini dikarenakan ketika suhu yang terlalu tinggi, asam sulfat (asam kuat) akan membentuk aerosol, dan akan bereaksi dengan gas amonia menjadi ammonium bisulfat (NH4HSO4). Pada proses reaksi dan kristalisasi yang terbentuk dalam unit yang sama yaitu saturator. Panas reaksi diserap dengan cara menguapkan air yang terdapat dalam saturator. Penguapan air juga akan menyembabkan kristal-kristal ammonium sulfate akan terbentuk. Kristal tersebut kemudian akan dipisahkan dengan mother liquor. Mother liquor dikembalikan dalam saturator untuk mempercepat proses kristalisasi. Kristal kemudian dikeringkan dan dikemas. Secara umum proses pembuatan ammonium sulfate digambarkan dalam blok diagram berikut ini:



Mother Liquor NH3 (g) H2SO4 (l)



Tahap Reaksi dan Kristalisasi



(NH4)2SO4 (aq)



Tahap Pemisahan



H2O (g) Tahap Pengemasan



Tahap Pengeringan



Hot Air



Gambar 2.1 Blok Diagram Proses Netralisasi Langsung Menurut Vogel (1979), mekanisme reaksi berdasarkan teori Bronsted-Lowry yang mendasarkan pada reaksi asam-basa, dimana asam sebagai pendonor proton



15



dan basa sebagai penerima proton (akseptor). Asam Sulfat (H2SO4) akan terurai menjadi sebuah proton (H+) dan sebuah basa konjugat (HSO4-). Selanjutnya, basa konjugat HSO4- akan terurai menjadi sebuah proton (H+) dan sebuah basa konjugat SO42-. Dua buah proton (H+) yang terbentuk akan bereaksi dengan basa (NH3) membentuk asam konjugat NH4+. Asam konjugat ini akan bereaksi dengan basa konjugat SO42- membentuk ammonium sulfate atau (NH4)2SO4.



2.1.2 Proses Marseburg Proses Marseburg merupakan pembuatan ammonium sulfate dengan bahan baku amonia (NH3) yang direaksikan dengan gas karbon dioksida dan air. Pembuatan ammonium sulfate dengan proses Marseburg ini tediri dari bagian inti proses, yaitu Carbonation, Reaction, Filtration, Evaporation, Drying & Cooling serta Bagging. Inti dari prosesnya bisa dijelaskan dari blok diagram proses pada Gambar 2.2 berikut ini. CaSO42H2O (s) NH3 (g) CO2 (g)



H2O (l)



Reaction & Gas Scrub



Carbonation



Filtration CaCO3 (s)



Anti Cracking Bagging



Drying and Cooling



Evaporator & Crystall



Gambar 2.2 Blok Diagram Proses Marseburg. Reaksi berlangsung pada menara karbonilasi. Ammonium carbonat (NH4)2CO3 yang keluar dari bagian bawah menara kemudian diumpankan ke dalam reaktor dan direaksikan dengan gypsum (CaSO4) yang akan menghasilkan larutan ammonium sulfate (NH4)2SO4 dan kapur CaCO3. Kondisi operasi pada reaktor



16



adalah 60°C dan tekanan 1 atm. Reaksi ini dilakukan di dalam reaktor alir tangki berpengaduk (RATB/CSTR).



Reaksi bersifat eksotermis sehingga diperlukan



pendinginan agar suhu reaksi bisa dijaga tetap 60°C untuk menjaga jangan sampai terjadi dekomposisi dari ammonium carbonat membentuk amonia dan gas CO2. Berdasarkan sifat kelarutan senyawa hasil reaksi harus mengandung air yang hanya cukup untuk melarutkan senyawa ammonium carbonat dan ammonium sulfate sehingga kedua senyawa ini dalam bentuk larutan dan mudah dipisahkan dari senyawa gypsum dan kalsium karbonat yang berupa padatan karena tidak dapat larut dalam air. Dengan harga konstanta kecepatan reaksi sebesar 5.444 m3/kmol.jam, maka waktu reaksinya cukup lama sebagaimana reaksi yang melibatkan padatan garam bisa sampai 6-9 jam, dan jika reaktor yang digunakan lebih dari satu dan disusun seri, maka hanya diperlukan waktu masing-masing 1 jam. Dengan menggunakan proses ini, konversi didapatkan sekitar 98% dengan kemurnian produk yang cukup tinggi hingga mencapai 99.5%. 2.1.3 Proses Morino Proses ini meliputi reaksi larutan amonia dengan sulfur dioksida dalam reaktor kristalizer yang diberi tambahan air kristal amonium sulfit. Gas yang tidak bereaksi dibuang ke udara. Reaksi yang berlangsung ini sangat eksotermis dengan kondisi reaksi terjadi pada tekanan 0.1 – 5 atm dan temperatur 200-450 oC. Pada reaksi ini dilakukan dengan menggunakan katalis P2O5. Konversi yang dihasilkan adalah 75%. Amonium Sulfit kristal dialirkan dari kristallizer menuju centrifuge untuk memisahkan cairan dan kristal. Kemudian ammonium sulfit yang telah lolos dari centrifuge dioksidasi menjadi ammonium sulfate dalam rotary dryer. Blok



17



Diagram proses dengan menggunakan metode Morino dapat dilihat pada Gambar 2.3 Berikut ini. O2



SO2 NH3 Reaksi Kristalisasi



Centrifuge



Oksidation and Drying



H2O Mother Liquor



Bagging



Gambar 2.3 Blok Diagram Proses Morino 2.2



Tinjauan Proses Selain dari kondisi operasi, kelayakan dari sebuah proses di industri dapat



ditinjau dari keekonomisan bahan baku yang digunakan untuk menghasilkan produk yang diinginkan dan juga ditinjau dari termodinanikanya. 2.2.1 Tinjauan Ekonomi Berikut ini adalah tinjauan ekonomi yang di tinjau dari harga dan kebutuhan bahan baku, sehingga didapat potensi keuntungan kotor dari masing-masing proses yang digunakan. 2.2.1.1 Proses Netralisasi Langsung Konversi reaksi pembentukkan ammonium sulfate ((NH4)2SO4) dari amonia (NH3) dan asam sulfat (H2SO4) adalah 78% terhadap H2SO4, Sehingga ammonia habis bereaksi. Waktu operasi pabrik adalah 24 jam dan 330 hari dalam satu tahun. Reaksi netralisasi amonia dan asam sulfat: 2NH3(g) + H2SO4(l)



→ (NH4)2SO4(aq)



Jika pada reaksi tersebut, massa (NH4)2SO4 yang terbentuk sebanyak 1 kg, maka :



18



massa NH 4 2 SO 4



=



2NH3(g)



+



H2SO4(l)



→



(NH4)2SO4(aq)



0,01515



+



0,009713



→



0



0,01515



+



0,007576



→



0,007576



0



+



0,002137



→



0,007576



1.



BM NH 4 2 SO 4



=



1 kg = 0,007576 Kmol 132 kg kmol



Mol (NH4)2SO4



-



Kebutuhan Bahan Baku



Berdasarkan perbandingan stoikiometri, maka bahan baku yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1 kg (NH4)2SO4 yaitu: a.



Kebutuahan NH3 Mol NH3 yang bereaksi



= 2 × mol (NH4)2SO4 yang terbentuk = 2 × 0,007576 kmol = 0,01515 kmol



Konversi



=



mol NH 3 yang bereaksi mol NH 3 mula  mula



Mol H2SO4 mula-mula



=



mol NH 3 yang bereaksi Konversi NH 3



Mol NH3 mula-mula



=



0,01515 kmol 1,00



= 0,01515 kmol Massa NH3 mula-mula



= mol NH3 mula-mula × BM NH3 = 0,01515 kmol × 17 kg/kmol = 0,25757 kg



b.



Kebutuhan H2SO4 Mol H2SO4 yang bereaksi



= mol (NH4)2SO4 yang terbentuk = 0,007576 kmol



19



Mol H2SO4 mula-mula



=



mol H 2 SO 4 yang bereaksi konversi terhadap H 2 SO 4



=



0,007576 kmol 0,78



= 0,009713 kmol Mol H2SO4 sisa



= Mol H2SO4 mula - Mol H2SO4 bereaksi = 0,009713 kmol - 0,007576 kmol = 0,002137 kmol



Mol H2SO4 sisa kemudian direcycle kembali ke dalam saturator, sehingga mol H2SO4 yang dibutuhkan yaitu



= Mol H2SO4 mula-mula- Mol H2SO4 sisa = 0,009713 kmol - 0,002137 kmol = 0,007576 kmol



Massa H2SO4 yang dibutuhkan = mol H2SO4 × BM H2SO4 = 0,007576 kmol × 98 kg/kmol = 0,7424 kg 2.



Ekomoni Potensial



Harga bahan baku untuk pembuatan ammonium sulfate dengan proses netralisasi langsung ditampilkan pada Tabel 2.1 berikut ini: Tabel 2.1 Harga Bahan Baku dan Produk Proses Netralisasi Langsung



1



NH3



Harga (USD/Kg) 0,21



2



H2SO4



0,15



2.035,12



3



(NH4)2SO4



0,33



4.450,00



No



Komponen



Sumber : alibaba, 2017



Harga (Rp/Kg) 2.850,80



20



a.



Total harga untuk pembuatan 1 kg ammonium sulfate proses netralisasi langsung = Harga kebutuhan NH3 + harga kebutuhan H2SO4 = (Rp 2.850,80/kg × 0,25757 kg) + (Rp 2.035,12/kg × 0,7424 kg) = Rp 1.209,142 + Rp 664,205 = Rp 1.873,347



b.



Harga produk (NH4)2SO4 = (4.450,00 Rp/kg x 1 kg) = Rp 4.450,00



c.



= harga produk – harga bahan baku



Profit / keuntungan



= Rp 4.450,00 - Rp 1.873,347 = Rp 1.926,813 × kapasitas produksi = 1.926,813 Rp/kg × 200.000.000 kg/tahun = 385.362.545.454,55 Rp/tahun 2.2.1.2 Proses Marseburg Konversi reaksi overall pembentukkan ammonium sulfate ((NH4)2SO4) dari amonia (NH3), karbon dioksida (CO2), H2O, dan gypsum adalah 98%, dan waktu operasi pabrik adalah 24 jam dan 330 hari dalam satu tahun. Reaksi pembentukan ammonium sulfate ((NH4)2SO4) dengan Proses Marseburg: NH3 (g) + H2O (l) + CO2 (g) → (NH4)2CO3 (aq) (NH4)2CO3 (aq) + CaSO4 2H2O (aq) → (NH4)2SO4 (s) + CaCO3 (s) + H2O(l) Jika pada reaksi tersebut, massa (NH4)2SO4 yang terbentuk sebanyak 1 kg, maka : Mol (NH4)2SO4



=



=



massa NH 4 2 SO 4 BM NH 4 2 SO 4



1 kg = 0,007576 Kmol kg 132 kmol



21



1.



Kebutuhan Bahan Baku



Berdasarkan perbandingan stoikiometri pada reaksi 2, bahan baku yang dibutuhkan untuk pembuatan 1 kg ammonium sulfate dengan Proses Marseburg adalah: a.



Kebutuhan (NH4)2CO3 Mol (NH4)2CO3 yang bereaksi



= mol (NH4)2SO4 yang terbentuk = 0,007575 kmol



mol NH 4 2 CO 3 yang bereaksi



Konversi



=



98%



=



0,007575 kmol mol NH 4 2 CO 3 mula  mula



Mol (NH4)2CO3 mula-mula



=



0,007575 kmol = 0,0077296 kmol 0,98



Massa (NH4)2CO3 mula-mula



= mol (NH4)2CO3 mula-mula × BM



mol NH 4 2 CO 3 mula  mula



(NH4)2CO3 = 0,0077296 kmol × 96 kg/kmol = 0,7420416 kg b.



Kebutuhan CaSO4.2H2O Mol CaSO4.2H2O mula-mula



= mol (NH4)2CO3 yang mula-mula = 0,0077296 kmol



Massa CaSO4.2H2O mula-mula = mol CaSO4.2H2O × BM CaSO4.2H2O = 0,0077296 kmol × 140 kg/mol = 1,082144 kg Reaksi 1: Mol (NH4)2CO3 yang terbentuk = mol (NH4)2CO3 mula-mula pada reaksi 2 = 0,0077296 kmol



22



Reaksi 2: Massa (NH4)2CO3 yang terbentuk= massa (NH4)2CO3 mula-mula pada reaksi = 0,7420416 kg c.



Kebutuhan NH3 Mol NH3 yang bereaksi



= 2 × mol (NH4)2CO3 yang terbentuk = 2 × 0,0077296 kmol = 0,0154592 kmol



Mol NH3 mula-mula



=



mol NH 3 yang bereaksi konversi



=



0,0154592 kmol 0,98



= 0,0157747 kmol Massa NH3 mula-mula



= mol NH3 mula-mula × BM NH3 = 0,0157747 kmol ×17 kg.kmol = 0,26817 kg



d.



Kebutuhan CO2 Mol CO2 yang bereaksi



= mol (NH4)2CO3 yang terbentuk = 0,0077296 kmol



Mol CO2 mula-mula



=



mol CO 2 yang bereaksi konversi



=



0,0077296 kmol 0,98



= 0,007887 kmol Massa CO2 mula-mula



= mol CO2 mula-mula × BM CO2 = 0,007887 kmol × 44 kg/mol = 0,347043 kg



23



e.



Kebutuhan H2O Mol H2O yang bereaksi



= mol (NH4)2CO3 yang terbentuk = 0,0077296 kmol



Mol H2O mula-mula



=



mol CO 2 yang bereaksi konversi



=



0,0077296 kmol 0,98



= 0,007887 kmol Massa H2O mula-mula



= mol H2O mula-mula × BM H2O = 0,007887 kmol × 18 kg/mol = 0,141966 kg



2.



Ekonomi Potensial



Harga bahan baku untuk pembuatan ammonium sulfate dengan proses netralisasi langsung ditampilkan pada tabel 2.2 berikut ini: Tabel 2.2 Harga Bahan Baku dan Produk Proses Marseburg



NH3



Harga (USD/Kg) 0,19



Harga (Rp/Kg) 2.850,80



2



CO2



0,3



4.008,3



3



H2O



-



-



4



CaSO4



0,03



400,83



5



(NH4)2SO4



0,33



4.450,00



No



Komponen



1



Sumber : alibaba, 2017



a.



Harga bahan baku pembuatan ammonium sulfate proses Maserburg = Harga kebutuhan NH3 + harga kebutuhan H2O + harga kebutuhan CO2 + harga kebutuhan CaSO4.2H2O



24



= (2.850,80 Rp/kg × 0,2681679 kg) + (0 Rp/kg × 0,141966 kg) + (4008.3 Rp/kg × 0,347043 kg) + (400,83 Rp/kg × 1,082144 kg) = Rp 1.433,1965 + Rp 0 + Rp 1.391, 0524 + Rp 433,7558 = Rp 3.258,00468



b.



Harga produk (NH4)2SO4 = (4.450,00 Rp/kg × 1 kg) = Rp 4.450,00



c.



= harga produk – harga bahan baku



Profit / keuntungan



= Rp 4.450,00 - Rp 3.258,00468 = Rp 483,0753 × kapasitas produksi = 483,0753 Rp/kg × 200.000.000 kg/tahun = 96.615.064.100 Rp/tahun



2.2.1.3 Proses Morino Konversi reaksi overall pembentukkan ammonium sulfate ((NH4)2SO4) dari amonia (NH3), SO2, H2O, dan O2 adalah 75%, dan waktu operasi pabrik adalah 24 jam dan 330 hari dalam satu tahun. Reaksi pembentukan ammonium sulfate ((NH4)2SO4) dengan proses Morino: 2NH3 (g) + SO2 (g) + H2O (l) → (NH4)2SO3 (aq) (NH4)2SO3 (aq) + ½ O2 (g) → (NH4)2SO4 (s) Jika pada reaksi tersebut, massa (NH4)2SO4 yang terbentuk sebanyak 1 kg, maka : Mol (NH4)2SO4



=



=



massa NH 4 2 SO 4 BM NH 4 2 SO 4



1 kg  0,007575 kmol kg 132 kmol



25



1.



Kebutuhan bahan baku



Berdasarkan perbandingan stoikiometri, maka untuk reaksi 2 maka bahan baku yang dibutuhkan untuk 1 kg ammonium sulfate dengan proses Morino adalah: a.



Kebutuhan (NH4)2SO3 Mol (NH4)2SO3 yang bereaksi



= mol (NH4)2SO4 yang terbentuk = 0,007575 kmol



Mol (NH4)2SO3 mula-mula



=



=



mol NH 4 2 SO 3 yang bereaksi konversi 0,007575 kmol 0,75



= 0,0101 kmol Massa (NH4)2SO3 mula-mula



= mol (NH4)2SO3 mula × BM (NH4)2SO3 = 0,0101 kmol × 116 kg/kmol = 1,1716 kg



b.



Kebutuhan O2 Mol O2 yang bereaksi



= ½ x mol (NH4)2SO4 yang terbentuk = ½ x 0,007575 kmol = 0,0037875 kmol



Mol O2 mula-mula



=



mol O 2 yang bereaksi konversi



=



0,0037875 kmol 0,75



= 0,00505 kmol Massa O2 mula-mula



= Mol O2 mula-mula × BM O2 = 0,00505 kmol × 32 kg/kmol = 0,1616 kg



26



Berdasarkan perbandingan stoikiometri, maka untuk reaksi 1: Mol (NH4)2SO3 pada reaksi 1



= Mol (NH4)2SO3 mula-mula pada reaksi 2 = 0,0101 kmol,



Massa (NH4)2SO3 pada reaksi 1



=Masa (NH4)2SO3 yang terbentuk di reaksi 2 = 1,1716 kg



c.



Kebutuhan NH3 Mol NH3 yang bereaksi



= 2 × mol (NH4)2SO3 yang terbentuk = 2 × 0,0101 kmol = 0,0202 kmol



Mol NH3 mula-mula



Massa NH3 mula-mula



=



mol NH 3 yang bereaksi konversi



=



0,0202 kmol = 0,02693 kmol 0,75



= Mol NH3 mula-mula × BM NH3 = 0,02693 kmol × 17 kg/mol = 0,457867 kg



d.



Kebutuhan SO2 Mol SO2 yang bereaksi



= mol (NH4)2SO3 yang terbentuk = 0,0101 kmol



Mol SO2 mula-mula



Massa SO2 mula-mula



=



mol SO 2 yang bereaksi konversi



=



0,0101 kmol = 0,013467 kmol 0,75



= mol SO2 mula-mula × BM SO2 = 0,013467 kmol × 64 kg/kmol = 0,86187 kg



27



e.



Kebutuhan H2O Mol H2O yang bereaksi



= mol (NH4)2SO3 yang terbentuk = 0,0101 kmol



Mol H2O mula-mula



=



mol H 2 O yang bereaksi konversi



=



0,0101 kmol 0,75



= 0,013467 kmol Massa H2O mula-mula



= mol H2O mula-mula × BM H2O = 0,013467 kmol ×18 kg/kmol = 0,242406 kg



2.



Ekonomi Potensial Proses Morino Tabel 2.3 Harga Bahan Baku dan Produk Proses Morino No



Komponen



1



NH3



2 3 4



SO2 H2O O2



5



(NH4)2SO4



Harga (USD/Kg) 0,19



Harga (Rp/Kg) 2.850,80



0,3 0,33



4.608,3 4.450,00



Sumber : alibaba, 2017 a.



Harga bahan baku pembuatan ammonium sulfate proses Morino = Harga kebutuhan NH3 + harga kebutuhan H2O + harga kebutuhan SO2 + harga kebutuhan O2 = (5.344,4 Rp/kg × 0,457867 kg) + (0 Rp/kg × 0,242406 kg) + (4676.35 Rp/kg × 0,86187 kg) + (0 Rp/kg × 0,1616 kg) = Rp 2.447,0244 + Rp 0 + Rp 1.233,6919 + Rp 0 = Rp 3.680,7163



28



b.



Harga produk (NH4)2SO4 = (3.741,08 Rp/kg × 1 kg) = Rp 3.741,08



c.



Profit / keuntungan



= harga produk – harga bahan baku = Rp 3.741,08 - Rp 3.680,7163 = Rp 60,3637 × kapasitas produksi = 60,3637 Rp/kg × 200.000.000 kg/tahun = 12.072.749. 311 Rp/tahun



2.2.2 Tinjauan Termodinamika Tinjauan termodinamika dibutuhkan untuk mengetahui suatu reaksi memerlukan panas (endotermis) atau melepas panas (eksotemis), yaitu dengan cara memperhitungkan nilai energi bebas gibbs (kondisi reaksi) (∆GR) dan panas reaksi pembentukan (kondisi reaksi) (∆HR). T



∆HR



= ΔH f298   ΔCp dT



(2.1)



T0



∆GR



= ΔH f298











ΔC p ΔC p T  ΔH f  ΔG o0  R  dT  RT  dT (2.2) T0 R R T0 T0 T



T



ΔH menunjukkan panas reaksi yang dihasilkan selama proses berlangsungnya reaksi kimia. Besar atau kecil nilai ΔH tersebut menunjukkan jumlah energi yang dibutuhkan maupun dihasilkan. ΔH bernilai positif (+) menunjukkan bahwa reaksi tersebut adalah reaksi endotermis dimana reaksi tersebt membutuhkan panas untuk berlangsungnya reaksi sehingga semakin besar ΔH maka semakin besar juga energi yang dibutuhkan. Sedangkan ΔH bernilai negatif (-) menunjukkan bahwa reaksi tersebut adalah reaksi eksotermis yang menghasilkan panas selama proses berlangsungnya reaksi.



29



ΔGo menunjukkan spontan atau tidak spontannya suatu reaksi kimia. ΔGo bernilai positif (+) menunjukkan bahwa reaksi tidak dapat berlangsung secara spontan, sehingga dibutuhkan energi tambahan dari luar. Sedangkan ΔGo bernilai negatif (-) menunjukkan bahwa reaksi tersebut dapat berlangsung secara spontan dan hanya membutuhkan sedikit energi. Oleh karena itu semakin kecil atau negatif ΔGo maka reaksi tersebut akan semakin baik karena untuk berlangsung reaksi yang spontan dan energi yang dibutuhkan semakin kecil. Dalam mencari nilai ∆H dan ∆Go reaksi dibutuhkan data ∆H dan ∆G standar pada masing-masing senyawa yang bereaksi, yang ditampilkan pada Tabel 2.4 Berikut ini. Tabel 2.4 Data ∆Hof dan ∆Go Komponen pada Kondisi Standar (298 K) Komponen



∆Hf 298 (kJ/mol)



*NH3 (g)



∆Gf 298 (kJ/mol)



-45,86



-16.33



*H2SO4 (l)



-810,19



-537.81



*CO2 (g)



-393.51



-394.36



*H2O (l)



-285.83



-237.13



*SO2 (g)



-296.83



-300.194



0



0



**(NH4)2CO3 (aq)



-934.71



-686.59



**CaSO42H2O (s)



-2005.52



-1780.17



**CaCO3 (s)



-1211.27



-1133.0272



**(NH4)2SO3 (s)



-900.40



-645



**(NH4)2SO4 (s)



-1178.80



-899.81



**(NH4)2SO4 (aq)



-1173.10



-895.46



**(NH4)2SO4 (s)



-1178.80



-895.81



*O2 (g)



Sumber: *Smith, 2001 ; **Perry, 1997 Berikut ini adalah tinjauan ΔH dan ΔGo reaksi pada masing-masing proses pembuatan ammonium sulfate:



30



2.2.2.1 Proses Netralisasi Langsung Harga ΔHof dan ΔGof untuk masing-masing komponen pada 298 K dapat dilihat pada Tabel 2.4. Reaksi



= 2NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4



ΔHof (298 K) = ∑ΔHof produk - ∑ΔHof reaktan = ΔHof (NH4)2SO4 – (2.ΔHof NH3 + ΔHof H2SO4) = -1173.10 – (2 ×-45.86+ -810.19) = -271.197 kJ/mol = -271.197,420 Kj/Kmol ΔGo(298 K)



= ∑ΔGof produk - ∑ΔGof reaktan = ΔGof (NH4)2SO4 – (2.ΔGof NH3 + ΔGof H2SO4) = -895.459 – (2 × -16.33 + -537.811) = -324.99 kJ/mol = -324.988,016 Kj/Kmol



Tabel 2.5 Nilai Cp untuk Komponen Proses Netralisasi Langsung pada T = 30oC Komponen



`



Cp (kJ/mol.K)



*NH3



0,03608



*H2SO4



0,14068



**(NH4)2SO4



0,21590



Sumber: *Yaws, 1996 ; *Himmelblau, 2004



Dengan menggunakan persamaan 2.1 dapat dicari nilai ΔHR dan menggunakan persamaan 2.2 untuk mendapatkan nilai ΔGR pada kondisi operasi 30oC. T



∆HR



= ΔH f298   ΔCp dT T0



31



∆HR(303)



373  373   373     = ΔH f298    Cp (NH 4 )2 SO4 dT    2  Cp NH3 dT   Cp H2SO4 dT  298   298   298



∆HR(303)



303  303   303     = - 271.197    0,2519 (75)    2  0,03608 (5)   0,14068 (5)  298   298   298



∆HR(303)



= -271,180 kJ/mol



∆HR(303)



= -271.179,708 kJ/kmol











ΔC p ΔC p T  ΔH f  ΔG o0  R  dT  RT  dT T0 R R T0 T0 T



T



∆GR (303)



= ΔH f298



∆GR (303)



303 =  271,18  - 271,4  -325  0,008  0,003 5  0,008  303  0,003 5 298 0,008 0,008 303 298 298



∆GR (303)



= -272,047 kJ/mol



∆GR (303)



= -272.046,74 kJ/kmol



373



373



Dari hasil didapatkan nilai ΔHR dan ΔGR adalah negatif yang berarti reaksi eksotermis sehingga melepas panas dan reaksi berjalan dengan spontan. 2.2.2.2 Proses Marseburg Harga ΔHof dan ΔGof komponen pada 298 K dapat dilihat pada Tabel 2.4. Reaksi 1



= NH3 (g) + H2O (l) + CO2 (g) → (NH4)2CO3 (aq)



ΔHof (298 K) = ∑ΔHof produk - ∑ΔHof reaktan = ΔHof (NH4)2CO3 – (2.ΔHof NH3 + ΔHof H2O + ΔHof CO2 ) = -934.71 – ((2 ×-45.86)+ -285.83 + -393.51) = -163.65 kJ/mol = -163.653,32 kJ/kmol ΔGo(298 K)



= ∑ΔGof produk - ∑ΔGof reaktan



32



= ΔGof (NH4)2CO3 – (2.ΔGof NH3 + ΔGof H2O + ΔGof CO2 ) = -686.59 – ((2 × -16.33) + -237.13 + -394.36 ) = -22.2064 kJ/mol = -22.446,096 kJ/kmol Reaksi 2 : (NH4)2CO3 (aq) + CaSO4 2H2O(aq) → (NH4)2SO4 (s) + CaCO3 (s) + H2O (l) ΔHof (298 K) = ∑ΔHof produk - ∑ΔHof reaktan = (ΔHof (NH4)2SO4 + ΔHof CaCO3 + ΔHofH2O) – (ΔHof (NH4)2CO3 + ΔHof CaSO4 2H2O) = (-1173.10 + -1211.268 + -285.83 ) – (-934.71 + -2005.52) = 270.02 kJ/mol = 270024,32 kJ/kmol ΔGo(298 K)



= ∑ΔGof produk - ∑ΔGof reaktan = (ΔGof (NH4)2SO4 + ΔGof CaCO3 + ΔGofH2O) – (ΔGof (NH4)2CO3 + ΔGof CaSO4 2H2O) = (-895.46 + -1133.0272 + -237.13) – (-1780.17 + -686.59) = 201.15 kJ/mol = 201.145 kJ/kmol



Tabel 2.6 Nilai Cp untuk Komponen Proses Marseburg pada T = 60oC Komponen



Cp (kJ/mol.K)



*NH3 (g)



0,0368199



*CO2 (g)



0,0395034



*H2O (l)



0,0750917



**(NH4)2CO3 (aq)



0,3036176



**CaSO42H2O (s)



0,1958112



**CaCO3 (s)



0,0846353



**(NH4)2SO4 (s)



0,2159000



*Yaws, 1997 ; **Perrys, 1997



33



Dengan menggunakan persamaan 2.1 dapat dicari nilai ΔHR dan menggunakan persamaan 2.2 untuk mendapatkan nilai ΔGR pada kondisi operasi 60oC. Reaksi 1



= NH3 (g) + H2O (l) + CO2 (g) → (NH4)2CO3 (aq) T



∆HR(333)



= ΔH f298   ΔCp dT T0



333 333  333   333  ∆HR(333) = ΔHf298    Cp (NH 4 )2 CO3 dT    2  Cp NH3 dT   Cp H2O dT   Cp CO2 dT  298 298   298   298 333 333  333   333  ∆HR(333) =  163,65    0,303 (35)    2  0,036 (35)   0,075 (35)   0,039 (35)   298 298 298   298 



∆HR(333) = -159,615 kJ/mol ∆HR(333) = -159614,926 kJ/kmol ∆GR(333) = ΔHf298 











T



T



T ΔC p ΔC p ΔHf  ΔG o0  R  dT  RT  dT T0 R R T0 T0



∆GR(333)



= 333



 163,6 



333



333 - 163,6  -22,45  0,008  0,115 75  0,008  75  0,0115 75 298 0,008 0,008 333 298 298



∆GR(333) = 469,534 kJ/mol ∆GR(333) = 469534,353 kJ/kmol Dari hasil didapatkan nilai ΔHR memiliki nilai negatif yang berarti reaksinya eksotermis sehingga melepas panas, namun ΔGR memiliki nilai yang positif sehingga reaksi berjalan secara lambat dan tidak spontan. Reaksi 2 = (NH4)2CO3 (aq) + CaSO4 2H2O(aq) → (NH4)2SO4 (s) + CaCO3 (s) + H2O (l) T



∆HR(333) = ΔH f298   ΔCp dT T0



34



333 333 333  333    333 ∆HR(333) = 270    0,21  35   0,08  35   0,07  35   2  0,3  35   0,19  35    298 298 298 298   298 



∆HR(333) = 131,89 kJ/mol ∆HR(333) = 131898,108 kJ/kmol ∆GR(333) = ΔHf298 











T



T



T ΔC p ΔC p ΔHf  ΔG o0  R  dT  RT  dT T0 R R T0 T0 333



∆GR(333)



333



333 = 270  270  -201,1  0,008  - 0,12 75  0,008  75  - 0,12 75 298 0,008 0,008 333 298 298



∆GR(333) = 607,869 kJ/mol ∆GR(333) = 607.869,388 kJ/kmol Dari hasil didapatkan nilai ΔHR dan ΔGR positif, sehingga reaksi membutuhkan panas (reaksi endotermis) dan reaksi berjalan lambat atau tidak spontan. 2.2.2.3 Proses Morino Harga ΔHof dan ΔGof untuk masing-masing komponen pada 298 K dapat dilihat pada Tabel 2.4. Reaksi 1



= 2NH3 (g) + SO2 (g) + H2O (l) → (NH4)2SO3 (aq)



ΔHof (298 K) = ∑ΔHof produk - ∑ΔHof reaktan = ΔHof (NH4)2SO3 – (2.ΔHof NH3 + ΔHof SO2 + ΔHof H2O) = -900.4 – ((2 ×-45.85)+ -296.83 + -285.83) = -226.027 kJ/mol = -226.026,72 kJ/kmol ΔGo(298 K)



= ∑ΔGof produk - ∑ΔGof reaktan = ΔGof (NH4)2SO3 – (2.ΔGof NH3 + ΔGof SO2 + ΔGof H2O)



35



= -645 – ((2 × -16.33) + -300.194 + -237.129) = -75.016 kJ/mol = -75.016,70 kJ/kmol = (NH4)2SO3 (aq) + ½ O2 (g) → (NH4)2SO4 (s)



Reaksi 2



ΔHof (298 K) = ∑ΔHof produk - ∑ΔHof reaktan = ΔHof (NH4)2SO4 – (ΔHof (NH4)2SO3 + ΔHof 1/2O2) = -1173.10 – (-900.4 + (1/2 × 0)) = -272,7 kJ/mol ΔGo(298 K)



= ∑ΔGof produk - ∑ΔGof reaktan = ΔGof (NH4)2SO4 – (ΔGof (NH4)2SO3 + ΔGof 1/2O2) = -895.46 – (-300.194 + (1/2 × 0)) = -250.46 kJ/mol = -250.459,68 kJ/kmol



Tabel 2.7 Nilai Cp untuk Komponen Proses Morino pada T 200oC Komponen *NH3 *H2O (l) *SO2 (g) *O2 (g) **(NH4)2SO3 (s) **(NH4)2SO4 (s) *Yaws, 1997 ; **Perrys, 1997



Cp (kJ/mol.K) 0,040846152 0,082524637 0,045530068 0,030827213 0,006956274 0,215900000



Dengan menggunakan persamaan 2.1 dapat dicari nilai ΔHR dan menggunakan persamaan 2.2 untuk mendapatkan nilai ΔGR pada kondisi operasi 200oC. Reaksi 1= 2NH3 (g) + SO2 (g) + H2O (l) → (NH4)2SO3 (aq) T



∆HR(473) = ΔH f298   ΔCp dT T0



36



∆HR(473)



473 473  473   473     = ΔHf298    Cp (NH 4 )2 SO3 dT    2  Cp NH3 dT   Cp SO2 dT   Cp H2O dT  298 298   298   298



∆HR(473)



473 473  473   473  = - 226    0,007 175    2  0,04 175   0,045 175   0,08 175  298 298   298   298



∆HR(473) = -261,51 kJ/mol ∆HR(473) = -261.515,098 kJ/kmol ∆GR(473)











T



T



T ΔC p ΔC p = ΔHf298  ΔHf  ΔG o0  R  dT  RT  dT T0 R R T0 T0 473



∆GR(473) =  226 



473



473  226  -75  0,008  - 0,2 175  0,008 175  - 0,2 175 298 0,008 0,008 473 298 298



∆GR(473) = 1712,98 kJ/mol ∆GR(473) = 1.712.984,658 kJ/kmol Dari hasil didapatkan, ΔHR ada suhu 473 K bernilai negatif yang merupakan reaksi eksotermis, sehingga reaksi membutuhkan panas namun reaksi tersebut berjalan sangat lambat dengan ditunjukkannya nilai positif yang besar. Reaksi 2= (NH4)2SO3 (aq) + ½ O2 (g) → (NH4)2SO4 (s) T



∆HR(473) = ΔH f298   ΔCp dT T0



473  473   473  ∆HR(473) = ΔHf298    Cp (NH 4 )2 SO4 dT    2  Cp (NH 4 )2 SO3 dT   Cp O2 dT   298 298   298  473  473   473  ∆HR(473) = - 272,7    0,216 175    2  0,007 175   0,03 175   298 298   298 



∆HR(473) = -241,529 kJ/mol ∆HR(473) = -241.529,610 kJ/kmol ∆GR(473) = ΔHf298 











T



T



T ΔC p ΔC p ΔHf  ΔG o0  R  dT  RT  dT T0 R R T0 T0



37



473



∆GR(473) =  272,7 



473



473  272,7  -250,5  0,008  - 0,19 175  0,008 175  - 0,19 175 298 0,008 0,008 473 298 298



∆GR(473) = 796,47 kJ/mol ∆GR(473) = 796.472,757 kJ/kmol Dari hasil didapatkan, ΔHR dan ΔGR pada suhu 473 K bernilai negatif yang merupakan reaksi eksotermis, sehingga reaksi membutuhkan panas dan reaksi berjalan dengan sangat spontan. 2.3



Pemilihan Proses Dari tiga macam proses yang telah dijelaskan, proses yang akan digunakan



untuk pembuatan ammonium sulfate akan ditinjau dari berbagai aspek yang dapat dilihat pada Tabel 2.8 berikut ini. Tabel 2.8 Perbandingan Proses Pembuatan Ammonium Sulfate Jenis Proses Parameter



Netralisasi Langsung 1. Bahan Baku dan Ekonomi



Marseburg



Morino



NH3 SO2,H2O O2 Dalam Negeri



Bahan Baku



NH3 dan H2SO4



Ketersediaan Bahan Baku Potensi Keuntungan



Dalam Negeri



NH3, CO2 CaSO42H2O H2O Dalam Negeri



385,4 M/tahun



96,9 M/tahun



12 M/tahun



Kontinyu 78% Tidak ada Tidak Ada



Batch 98% CaCO3 Tidak Ada



Kontinyu 75% Tidak ada P2O5



30oC -271,18 kJ/mol



60oC -159,61 kJ/mol 131,89 kJ/mol 469,53 kJ/mol 607,87 kJ/mol 1 atm



200oC -261,51 kJ/mol -241,53 kJ/mol 1712,98 kJ/mol 796,47 kJ/mol 5 atm



2. Aspek Teknis Proses Konversi Produk Samping Katalis 3. Kondisi Operasi Suhu ΔHR ΔGR



-272,047 kJ/mol



Tekanan



1 atm



38



Dari perbandingan proses pembuatan ammonium sulfate pada Tabel 2.8, dapat



disimpulkan



bahwa



pembuatan



ammonium



sulfate



yang



paling



menguntungkan adalah dengan proses netralisasi langsung. Kelebihan dari proses netralisasi bahan bakunya mudah didapat di dalam negeri, potensi keuntungannya yang paling besar, prosesnya tidak menggunakan katalis, kondisi operasi pada temperatur rendah, serta menggunakan tekanan atmosfer dan juga waktu reaksinya yang paling cepat dan spontan dibandingkan dengan proses lainnya yang dilihat dari nilai ΔGR negatif. Selain itu, proses netralisasi langsung tidak membutuhkan proses yang panjang dan kompleks dibandingkan dengan proses marseburg dan Morino. Berdasarkan perbandingan proses tersebut, maka proses yang akan digunakan dalam Prarancang pabrik ammonium sulfate ini adalah proses netralisasi langsung. 2.4



Uraian Proses Pembuatan ammonium sulfate dengan proses netralisasi langsung pada



dasarnya dibagi menjadi 5 tahap yaitu tahap penyiapan bahan baku, yaitu: 2.4.1 Tahap Persiapan Bahan Baku Bahan baku yang akan digunakan di pabrik ammonium sulfate ini berupa asam sulfat dan amonia. Asam Sulfat disimpan dalam tangki (ST-101) dengan tekanan 1 atm dan temperatur 30oC, kemudian asam sulfat dialirkan ke saturator (STR-201) dengan menggunakan pompa (PP-101). Amonia disimpan dalam tangki (ST-102) dengan tekanan 15 atm dan suhu 30oC. Amonia yang digunakan pada produksi ammonium sulfate ini harus berbentuk gas agar tekanan dalam saturator (STR-201) tidak tinggi, oleh sebab itu amonia cair harus diubah menjadi fasa gas



39



dengan menggunakan vaporizer (V-101). Amonia diturunkan tekanannya menggunakan expander valve (EV-101) dari 15 atm ke 1 atm. 2.4.2 Reaksi dan Kristalisasi Tahap reaksi dan kristalisasi tejadi pada satu alat yang sama yaitu STR-201. Suhu dalam saturator (STR-201) dijaga 100oC pada tekanan 1 atm. Gas amonia dimasukkan dalam bentuk gelembung melalui sparger saturator. Asam sulfat cair dan gas amonia dimasukkan dalam saturator (STR-201) secara kontinyu sampai kondisi supersaturated, sehingga terjadi reaksi pembentukan ammonium sulfate yang membentuk kristal. Reaksi yang ada pada saturator yaitu : 2 NH3(g) + H2SO4(l) → (NH4) 2SO4(aq) Reaksi antara amonia dan asam sulfat sangat eksotermis (menghasilkan panas), sehingga dibutuhkan media pendingin dan pengontrol suhu dalam Saturator (STR-201). Media pendingin yang digunakan yaitu air, sehingga panas reaksi yang dihasilkan akan diserap oleh air dan digunakan untuk menguapkan air dalam saturator. Selain sebagai pendingin, air juga digunakan sebagai pengontrol konsentrasi larutan dalam saturator. Air yang menguap akan masuk ke kondenser (C-201) dan diembunkan menjadi kondensat dengan menggunakan cooling water, yang kemudian akan dikembalikan lagi dalam saturator (STR-201). Kondenser dilengkapi dengan steam jet ejector (E-201) untuk mengambil udara yang terdapat dalam C-201 agar tidak menyebabkan korosi. Kristal ammonium sulfate akan terbentuk pada saat kondisi dalam saturator lewat jenuh (supersaturated). Kondisi ini dapat dicapai dengan menguapkan air dalam saturator, yang mengakibatkan kondisi ammonium sulfate melebihi



40



solubilitas nya dalam air, sehingga akan terbentuk kristal-krisal dalam saturator (STR-201). Kristal ammonium sulfate yang terbentuk cenderung mengendap di dasar saturator, oleh sebab itu untuk mencegah pengendapan kristal dan menjaga homogenitas slurry terdapat pengaduk di dasar saturator (STR-201). Selain itu terdapat gelembung-gelembung gas yang merupakan media pengaduk yang cukup efektif, karena selain memperluas media kontak antara reaktan, gelembunggelembung gas tersebut juga mensirkulasi kristal yang mengendap di dasar saturator. Level dalam saturator juga harus dijaga antara 70%-80% dari ketinggian saturator (Azizah 2013). Apabila level larutan terlalu tinggi maka akan banyak gas amonia yang lepas ke udara sehingga akan terjadi pengkristalan di condenser. Sebaliknya apabila level terlalu rendah maka akan menyebabkan amonia dan asam sulfate yang dimasukkan dalam draft tube tidak akan keluar kebadan shell saturator sehinggaakan menghambat poses kristalisasi. Untuk menjaga level tersebut, maka dialirkan mother liqour dari mother liqour tank (T-201). Jumlah kristal yang terbentuk ini dijaga tidak boleh lebih dari 50% volume, karena jika terlalu banyak kristal di dasar saturator akan terjadi pengendapan yang dapat menyumbat saluran saturator. Kristal dan Mother liquor keluaran saturator ini berupa slurry yang kemudian dialirkan ke centrifuge (CF-301) dengan menggunakan pompa (P-201) untuk dipisahkan antara kristal dan mother liquor. Mother liquor akan ditampung dalam Mother liquor tank (T-201) dan dikembalikan ke saturator (STR-201) ntuk mempercepat proses kristalisasi.



41



2.4.3. Tahap Pemisahan Kristal Pada tahap pemisahan kristal, produk keluaran reaktor selanjutnya dialirkan ke centrifuge (CF-301) melalui pompa (PP-201). Centrifuge ini berfungsi untuk memisahkan kristal ammonium sulfate dari mother liquor. Kristal ammonium sulfate yang sudah terpisah masih mengandung air 3% (w/w) yang kemudian akan dikeringkan di rotary dryer (RD-301). 2.4.4. Tahap Pengeringan dan Pendinginan Produk Kristal ammonium sulfate keluaran dari centrifuge (CF-301) diangkut menggunakan screw conveyor (SC-301) menuju ke alat pengering. Alat yang digunakan dalam pengeringan ini yaitu rotary dryer (RD-301). Tahapan pengeringan produk ini bertujuan untuk mengurangi kadar air dalam kristal ammonium sulfate sehingga kandungan air di dalam kristal ammonium sulfate yang awalnya 3% (w/w) menjadi 0,1 % (w/w) atau maksimal 1% (w/w). Rotary dryer (RD-301) ini menggunakan udara panas sebagai media pengering dengan suhu 120oC. Udara panas dan uap air serta debu-debu kristal yang terikut di dalam udara panas ditarik ke bagian atas rotary dryer dengan menggunakan dust fan (F-301) menuju venturi scrubber. Setelah kristal ammonium sulfate sudah cukup kering, kristal di alirkan ke screening (S-301) untuk memisahkan krisal yang sesuai ukuran kristal yang diinginkan yaitu antara 30 USmesh - 5 USmesh. Kristal yang oversize dialirkan ke dissolving tank (T-203) untuk dilarutkan kembali dan kristal yang undersize dikembalikan ke mother liquor tank (T-201). Ukuran kristal yang telah sesuai dengan yang diinginkan kemudian didinginkan menggunakan rotary cooler (RC-301) hingga mencapai 40 oC dan diangkut menggunakan belt conveyor menuju solid storage (SS-301)



42



2.4.5. Bagging Unit Kristal ammonium sulfate yang keluar dari rotary cooler, selanjutnya diangkut menggunakan belt conveyor lalu diumpankan ke bucket elevator (BE301), dan masuk ke solid storage (SS-301) untuk kemudian diangkat ke bagian pengepakan menggunaan belt conveyor.



BAB III SPESIFIKASI BAHAN BAKU DAN PRODUK



Berikut ini adalah spesifikasi bahan baku untuk pembuatan ammonium sulfate serta produknya yang mencakup sifat fisik dan kimia dari bahan baku dan produk tersebut



3.1



Bahan Baku



3.1.1 Amonia (NH3) a.



Sifat fisik amonia Rumus molekul



: NH3



Kemurnian amonia



: min 99,5%



Impuritis



: H2O min 0,5% dan minyak min 10 ppm



Wujud



: gas (25oC, 1 atm) dan cair (25oC, 15 atm)



Berat molekul



: 17,03 g/mol



Titik leleh



: -77,07oC



Titik beku



: -77,74 oC



Titik didih



: -33,35oC



Tekanan kritis



: 111,3 atm



Temperatur kritis



: 132,4oC



Densitas liquid



: pada 30oC (594,02 kg/m3)



44



Densitas gas



: pada 15oC (0,73 kg/m3), pada 100oC (0,56 kg/m3)



Viskositas



: 0.255 cP (-30oC) 0,0128 cP (pada 100oC)



Viskositas dinamik



: 0,000098 poise (pada 0oC dan 1 atm)



Panas penguapan



: 1371 kJ/kg (-33,3 pada 1 atm)



Panas spesifik liquid



: Pada 300 K (4,75 kJ/kg.K)



Vapor pressure



: 8,88 bar (pada 70 oF)



Faktor kompesibilitas (z)



: 0,9929 (pada 15oC)



Specific gravity gas



: 0,597 (pada 21oC dan 1 atm)



Specific volume gas



: 1,4111 m3/kg (pada 21oC dan 1 atm)



Specific heat at constant pressure : 0,037 kJ/mol.K (pada 15oC dan 1 atm) Specific heat at constant volume : 0,028 kJ/mol.K (pada 15oC dan 1 atm) Ratio of spesific heat ()



: 1,309623 (pada 15oC dan 1 atm)



Konduktivitas termal liquid



: 477×106 kW/(m.K) pada 300 K



Konduktivitas termal gas



: 22,19 mW/(m.K) pada 0oC dan 1 K



Solubilitas pada air



: 862 v/v (pada 0oC)



Panas pembentukan (ΔHf 298) : - 45,86 kJ/mol Energy gibbs (ΔGf 298)



: -16,33 kJ/mol



Sifat fisik



: gas tidak berwarna, berbau menyengat, dan dapat dicairkan melalui kompresi



b.



Sifat kimia amonia (Vogel, 1985) Sangat larut dalam air, dan sedikit larut dalam alkohol



45



3.1.2 Asam Sulfat (H2SO4) a.



Sifat fisik asam sulfat Rumus molekul



: H2SO4



Wujud



: cair (30oC, 1 atm)



Kemurnian H2SO4



: min 98,0%



Impuritis



: chlorida (max 10 ppm), nitrate (max 5 ppm), besi (max 50 ppm), timbal (max 50 ppm)



Berat molekul



: 98,08 g/mol



Densitas



: 1,834 g/ml pada 20oC



Viskositas



: 21 mPa pada 25oC



Vapor density



: 3,4 gr/ml



Vapor pressure



: 1 mmHg pada 294,8 oF



Titik didih



: 340oC pada 1 atm



Titik leleh



: 10,49oC



Dekomposisi



: 340oC (fire condition menjadi sulfirid oxide)



Solubilitas dalam air



: Miscible (tidak ditemukan)



Specific gravity



: 2,13



Panas penguapan



: 56 kj/mol



Panas pembentukan



: -810,19 kj/mol (l) dan -907,51 kj/mol (aq)



Energy gibbs



: -537,8113 kJ/mol



Temperatur kristis



: 287oC



Tekanan kritis



: 48,4 atm



pH



: 1,2 (0,1 N solution)



Surface tension



: 51,7 mN/m pada 50oC



46



Sifat fisik



: cairan tidak berwarna, bau khas asam sulfat,



Sangat korosif (laju korosivitas = 1% berat 2,5 mm/yr) b.



Sifat kimia asam sulfat (Vogel, 1985) : Reaksi pembentukan asam sulfat : SO3(g) + H2SO4(aq) → H2S2O7(aq) H2S2O7(aq) + H2O (l) → 2H2SO4(aq) Merupakan asam polibasa (asam berbasa banyak), yaitu menghasilkan lebih dari satu ion hidrogen per molekul. Asam sulfat merupakan berbasa dua : H2SO4↔ H+ + HSO4HSO4-↔H+ + SO42Mudah menguap Sering digunakan sebagai katalis Akan membentuk endapan PbSO4 bila bereaksi dengan Pb2+ : Pb2+ + SO42- ↔PbSO4



3.2



Produk



a.



Sifat fisik ammonium sulfate ((NH4)2SO4) Rumus molekul



: (NH4)2SO4



Wujud



: padat (kristal)



Kemurnian (NH4)2 SO4 : 99,9% min Impuritis



: H2O max 0,1% dan H2SO4 bebas max 0,01%



Berat molekul



: 132,134 g/mol



Densitas



: 1777,3 kg/m3 (padat, 20 oC)



Titik leleh



: 235 – 280 oC



47



Spesific heat capacity : 1,423 kJ/kg.K (pada 0oC – 55oC) Vapor pressure



: 2,573 kPa (25oC) pada saturated solution



Panas pembentukan



: -1173,1 kJ/kmol (aquous) dan -1179,3 (crystal)



Panas kristalisasi



: 11,6 kcal/kg



Solubilitas dalam air



: 70,06 gram (NH4)2SO4 /100 gram air (0oC) 75,4 gram (NH4)2SO4 /100 gram air (20oC) 103,3 gram (NH4)2SO4/100 gram air 100oC)



b.



pH



: 5,5 (0,1 M aquous slution)



Sifat fisik



: tidak berwarna dan tidak berbau



Sifat kimia ammonium sulfate ((NH4)2SO4) Larut dalam air Pereaksi untuk ion natrium



BAB IV NERACA MASSA DAN ENERGI



4.1



Neraca Massa Perhitungan neraca massa dengan kapasitas produksi ammonium sulfate



sebanyak 200.000 ton/tahun, dengan waktu operasi 330 hari, dan dengan proses kontinyu. Kapasitas produksi



=



200.000 ton 1000 kg 1 tahun 1 hari    1 tahun 1 ton 330 hari 24 jam



= 25.252,53 kg/jam = 191,3070 kmol/jam Bahan baku pembuatan ammonium sulfate adalah asam sulfat (H2SO4) dan amonia (NH3). Berdasarkan perhitungan untuk menghasilkan ammonium sulfate sebanyak 25.252,53 kg/jam dengan konversi 78% dan dibutuhkan bahan baku asam sulfat (H2SO4) sebanyak 19.111,66 kg/jam dan gas amonia (NH3) sebanyak 6.510,99 kg/jam. Secara umum persamaan neraca massa adalah sebagai berikut: Massa masuk - massa keluar + massa tergenerasi - massa terkonsumsi = massa terakumulasi (Himmelblau & Riggs, 1996).



49



Proses pembuatan ammonium sulfate dianggap berlangsung pada keadaan steady state (tidak terjadi perubahan massa terhadap waktu), sehingga tidak ada massa yang terakumulasi atau akumulasi = 0 (Sinnott, 2005). Tabel 4.1 Komposisi Bahan Baku Asam Sulfat (H2SO4) Komposisi



%(w/w)



H2SO4 H2O



98 2



Fraksi Massa (xf) 0,98 0,02



Tabel 4.2 Komposisi Bahan Baku Amonia (NH3) Komposisi NH3 H2O



%(w/w) 99,8 0,2



Fraksi Massa (xf) 0,998 0,002



Tabel 4.3 Komposisi Produk Ammonium sulfate ((NH4)2SO4) Komposisi (NH4)2SO4 H2O



%(w/w) 99,9 0,1



Fraksi Massa (xf) 0,99 0,01



Tabel 4.4 Berat Molekul Komponen Komponen H2SO4 NH3 H2O (NH4)2SO4



BM 98 17 18 132



Berikut hasil perhitungan neraca massa pada masing-masing alat unit operasi dengan: Basis



: 1 jam operasi



Satuan



: kg/jam



Konversi



: 78% terhadap H2SO4



50



To barometric Condenser



F18



C-201



H2SO4 (l)



Udara out



Clean air



Scrubber



F17



F4



Udara in



F22



F21



F9



F1 F5 F2



Condensate



SATURATOR (STR-201)



Mother Liquor



F8 Centrifuge (CF-301)



Rotary Dryer (RD-301)



F7



Screening



F10



F16



F20



EV-101



Udara in



(NH4)2SO4 (s)



F14



Mother Liquor



F6



V-101



Rotary Cooler (RC-301)



F11 F19 Make up water



F12



NH3(l)



F3



Mother Liquor Tank



F15



Dissolving Tank



F13



Accumulator



50



Gambar 4.1 Diagram Alir Neraca Massa



51



1. Saturator (STR-201) Tabel 4.5 Neraca Massa Saturator (STR-201)



Komponen



F1(setelah



Massa Masuk (kg/jam) F2 (setelah



recycle)



recycle)



(NH4)2SO4 (aq) 0 (NH4)2SO4 (s) 0 H2O (l) 382,23 H2O (g) 0 H2SO4 (l) 18.729,42 NH3 (g) 0 19.111,66 Total



Massa Keluar (kg/jam) F3 (recycle)



0 46.207,50 0 1.401,52 13,02 70.114,34 0 0 0 5.282,66 6.497,96 0 6.510,99 123.006,01 148.628,66



F4



F5



0 44.794,61 0 28.041,80 0 43.363,61 27.145,98 0 0 5.282,66 0 44.794,61 27.145,98 121.482,7 148.628,66



2. Centrifuge (CF-301) Tabel 4.6 Neraca Massa Centrifuge (CF-301) Massa Masuk (kg/jam) F5 44.794,61 28.041,80 43.363,61 5.282,66 0 121.482,7



Komponen (NH4)2SO4(aq) (NH4)2SO4 (s) H2O(l) H2SO4 (l) NH3 (g) Total



Massa Keluar (kg/jam) F6 44.794,61 0 42.496,34 5.282,66 0



F7 0 28.041,80 867,272 0 0 121.482,7



3. Accumulator (T-202) Tabel 4.7 Neraca Massa Accumulator (T-202) Massa Masuk (kg/jam)



Komponen F18 (NH4)2SO4(aq) (NH4)2SO4 (s)



F12 0 0



0 0



Massa Keluar (kg/jam) F11 0 0



52



Massa Masuk (kg/jam)



Komponen



Massa Keluar (kg/jam) F11 27860,85 0 0 27.860,85



F18 F12 21.145,98 714,87 0 0 0 0 27.860,85



H2O(l) H2SO4 (l) NH3 (g) Total



4. Mother Liquor Tank (T-201) Tabel 4.8 Neraca Massa Mother Liquor Tank (T-201) Komponen (NH4)2SO4 (aql) (NH4)2SO4 (s) H2O (l) H2SO4 (l) NH3 (g) Total



Massa Masuk (kg/jam) F6 F15 44.794,61 1.412,9 0,0 0 42.496,34 27.616,60 5.282,66 0 0 0 92.573,6 30.432,41 123.006,01



F19 0 1.401,52 1,40 0 0 1.402,92



Massa Keluar (kg/jam) F3 46.207,50 1.401,52 70.114,34 5.282,66 0 123.006,01 123.006,01



5. Rotary Dryer (RD-301) Tabel 4.9 Neraca Massa Rotay Dryer (RD-301) Komponen (NH4)2SO4(aq) (NH4)2SO4 (s) H2O (l) H2SO4 (l) NH3 (g) Total



Massa Masuk (kg/jam) F7 0 28.041,8 867,27 0 0 28.909,07



Massa Keluar (kg/jam) F8 0 28.030,3 28,06 0 0



F9 0 11,50 839,214 0 0 28.909,07



53



6. Screen (S-301) Tabel 4.10 Neraca Massa Screen (S-301) Komponen (NH4)2SO4 (aq) (NH4)2SO4 (s) H2O (l) H2SO4 (l) NH3 (g) Total



Massa Masuk (kg/jam) F8 0 28.030,30 28,06 0 0 28.058,36 28.058,36



Massa Keluar (kg/jam) F19 F10 F13 0 0 0 1.401,52 25.227,27 1.401,52 1,40 25,25 1,403 0 0 0 0 0 0 1.402,918 25.252,53 1.402,918 28.058,36



7. Rotary Cooler (RC-301) Tabel 4.11 Neraca Massa Rotay Cooler (RC-301) Komponen (NH4)2SO4(aq) (NH4)2SO4 (s) H2O (l) H2SO4 (l) NH3 (g) Total



Massa Masuk (kg/jam) F10 0 25.227,27 25,25 0 0 25252,525



Massa Keluar (kg/jam) F13 0 25.227,27 25,25 0 0 25252,525



8. Ventury Scrubber (VS-301) Tabel 4.12 Neraca Massa Ventury Scrubber (VS-301) Komponen (NH4)2SO4(aq) (NH4)2SO4 (s) H2O (l) H2SO4 (l) NH3 (g) Total



Massa Masuk (kg/jm) F9 F11 0 0 11,50 0 839,21 27.860,9 0 0 0 0 28.711,56



Massa Keluar (kg/jm) F14 F17 0 0 11,38 0,115 27.615,19 1.084,87 0 0 0 0 28.711,56



54



9. Dissolving Tank (T-203) Tabel 4.13 Neraca Massa Dissolving Tank (T-203) Massa Masuk (kg/jm)



Komponen



F13 F14 0 11,38 1.401,52 0 1,40 27.615,19 0 0 0 0 1.402,92 27.626,58 29.029,49



(NH4)2SO4(aq) (NH4)2SO4 (s) H2O (l) H2SO4 (l) NH3 (g) Total



10.



Massa Keluar (kg/jm) F15 1.412,90 0 27.616,60 0 0 29.029,49 29.029,49



Condenser (C-201) Tabel 4.14 Neraca Massa Condenser (C-201)



Komponen (NH4)2SO4(aq) (NH4)2SO4 (s) H2O (l) H2O (g) H2SO4 (l) NH3 (g) Total



Massa Masuk (kg/jm) F4 0 0 0 27.145,98 0 0 27.145,98



Massa Keluar (kg/jm) F18 0 0 27.145,98 0 0 0 27.145,98



4.2 Neraca Energi Dari hasil perhitungan neraca massa selanjutnya dilakukan perhitungan neraca energi. Perhitungan neraca energi didasarkan pada basis waktu 1 jam dengan satuan kJ/jam dan temperatur referensi 25oC. Persamaan neraca energi adalah: {(Energi masuk ) – (Energi keluar) + (Generasi energi) – (Konsumsi energi)} = {Akumulasi energi}



(Himmelblau & Riggs, 1996).



Skema aliran neraca energi setiap alat adalah sebagai berikut:



55



To barometric Condenser



H2SO4



Q18



Condensate



C-201 Udara out



Clean air



Q4



Scrubber



Q17



Q21



Q9



Q1 Q5 Q2c



Q22



Udara in



SATURATOR (STR-201)



Mother Liquor



Q8 Centrifuge (CF-301)



Q7



Rotary Dryer (RD-301)



Screening



Q10



Rotary Cooler (RC-301)



Q16



Q20



EV-101



Udara in



Mother Liquor



Q2b



Q6



V-101



(NH4)2SO4



Q14



Q11



Q19 Make up water



Q12



Q2a NH3



Q3



Mother Liquor Tank



Q15



Dissolving Tank



Q13 Accumulator



55



Gambar 4.2 Diagram Alir Neraca Panas



56



Heat balance setiap alat untuk pabrik ammonium sulfate dari amonia dan asam sulfat dengan kapasitas 200.000 ton/tahun akan ditampilkan pada tabel-tabel berikut ini: 1. Vaporizer (V-101) Tabel 4.15 Neraca Energi di Vaporizer (V-101)



Q2a



Q Input (kJ/jam) 165.991,88



Q Generation (kJ/jam) -



Q Consumption (kJ/jam) -



Q Output (kJ/jam) -



Q2b



-



-



-



646.883,25



Qhot water in



-



-



7.084.061,82



-



Qhot water out



20.175.015,74



-



-



-



-



-



12.610.062,54



20.341.007,61



7.084.061,82



13.256.945,79



Aliran



Qpenguapan Total



20.341.007,61



20.341.007,61



2. Expander Valve (EV-101) Tabel 4.16 Neraca Energi di Expander Valve (EV-101)



Q2b



Q Input (kJ/jam) 646.883,25



Q Output (kJ/jam) -



Q2c



-



69.121,47



-172.013,69



-



-



405.748,09



474.869,57



474.869,57



Aliran



-Weks ∆Ek Total



57



3.



Saturator (STR-201) Tabel 4.17 Neraca Energi di Expander Valve (EV-101)



Aliran Q1 Q2c Q3 Qreaksi Qvaporisasi Qkristalisasi Q4 Q5 Qcons H2O Qcons ML Sub total Total



Q Input kJ/jam



Q Generation kJ/jam



Q Consumption kJ/jam



Q Output kJ/jam



142.093,18 69.121,47 24.923.056,29 51.786.867,02 45.083.896,75 1.292.970,2 3.829.278,13 23.115.333,64 115.623,93 3.484.035,26 25.134.270,9 51.786.867,0 49.976.526,2 26.944.611,8 76.921.137,96 76.921.137,96



4. Centrifuge (CF-301) Tabel 4.18 Neraca Energi di Centrifuge (CF-301) Q Input (kJ/jam) 23.115.333,64 23.115.333,64



Aliran Q5 Q6 Q7 Qloss Total



5.



Q Output (kJ/jam) 17.462.403,89 3.341.396,38 2.311.533,36 23.115.333,64



Rotary Dryer (RD-301) Tabel 4.19 Neraca Energi di Rotary Dryer (RD-301) Aliran H solid, HS1 H udara, HG2 H solid, HS2 H udara, HG1 Total



Q input (kJ/jam) 4.717.932,11 5.584.167,69 10.302.099,80



Q output (kJ/jam) 4.641.116,44 5.660.983,36 10.302.099,80



58



6.



Screen (S-301) Tabel 4.20 Neraca Energi di Screen (S-301) Q Input (kJ/jam) 3.355.357,89 3.355.357,89



Aliran Q8 Q10 Q13 Q19 Total



7.



Q Output (kJ/jam) 3.019.822,10 167.767,89 167.767,89 3.355.357,89



Heater (H-301) Tabel 4.21 Neraca Energi di Heater (H-301) Q Input (kJ/jam) 2.820.892,95 3.589.525,65 6.410.418,59



Aliran Qudara in Qudara out Qsteam in Qstea out Total



8.



Q Output (kJ/jam) 5.584.167,69 826.250,91 6.410.418,59



Rotary Cooler (RC-301) Tabel 4.22 Neraca Energi di Rotary Cooler (RC-301) Aliran Q10 Q16 Qudara in Qudara out Total



Q Input (kJ/jam) 1.560.402,63 225.713,2 1.786.115,85



Q Output (kJ/jam) 431.357,03 1.354.758,8 1.786.115,85



59



9. Mother Liquor Tank (T-201) Tabel 4.23 Neraca Energi di Mother Liquor Tank (T-201) Aliran Q6 Q15 Q19 Q3 Total



Q Input (kJ/jam)    24.923.056,29



Q Output (kJ/jam)  24.923.056,29



10. Dissolving Tank (T-203) Tabel 4.24 Neraca Energi di Dissolving Tank (T-203) Aliran Q13 Q14 Q15 Qdilution Total



QInput Qgen (kJ/jam) (kJ/jam) 167.767,89 7.162.352,62 7.330.120,51



Qcons QOutput (kJ/jam) (kJ/jam) 7.292.884,50 37.236,02 7.330.120,51



11. Ventury Scrubber (VS-301) Tabel 4.25 Neraca Energi di Ventury Scrubber (VS-301) Aliran Q9 Q11 Q14 Q17 Total



Q Input (kJ/jam) 842.007,41 7.240.389,04 8.082.396,44



Q Output (kJ/jam) 7.162.352,62 920.043,82 8.082.396,44



60



12. Accumulator (T-202) Tabel 4.26 Neraca Energi di Accumulator (T-202) Q Input (kJ/jam) 14.992,51 7.225.396,53 7.240.389,04



Aliran Q11 Q12 Q18 Total



Q Output (kJ/jam) 7.240.389,04 7.240.389,04



13. Condenser (C-201) Tabel 4.27 Neraca Energi di Condenser (C-201) Aliran Q4 Q18 Qcw in Qcw out Total



QInput (kJ/jam) 72.211.028,68 37.370.894,77 109.581.923,45



QOutput (kJ/jam) 10.083.661,52 99.498.261,93 109.581.923,45



BAB V SPESIFIKASI ALAT



5.1 Spesifikasi Alat Proses Peralatan proses pabrik ammonium sulfate dengan kapasitas rancangan 200.000 ton/tahun terdiri dari : 5.1.1 Tangki Asam Sulfat (ST-101) Spesifikasi tangki asam sulfat (ST-101) adalah sebagai berikut : Nama alat



: Tangki penyimpanan asam sulfat



Kode



: ST-102



Fungsi



: Menyimpan etanol dengan kapasitas 8.194,271 kg



Bentuk



: Silinder tegak (vertikal) dengan dasar datar (flat bottom) dan atap (head) berbentuk torispherical.



Kapasitas



: 17,76 m3



Dimensi



: Diameter shell (D) = 10 ft Tinggi shell (Hs)



= 10 ft



Tebal shell (ts)



= 0,2 in



Tinggi atap



= 1,970 ft



Tebal head



= 0,375 in



Tinggi total



= 10,85 ft



62



Tekanan desain



: 19,536 psi



Bahan



: Stainless steel AISI 316



Jumlah



: lima buah



5.1.2



Tangki Amonia (ST-102)



Spesifikasi tangki amonia (ST-102) adalah sebagai berikut : Nama alat



: Tangki penyimpanan amonia 99,8 %



Kode



: ST – 102



Fungsi



: Menyimpan amonia selama 7 hari



Bentuk



: Spherical shell



Tipe



: Soccer ball



Kapasitas



: 2.267,77 m3



Dimensi



: Diameter shell (D) = 16,30 m Tebal shell (ts)



= 1 in



Tekanan desain



: 21,4 atm



Temperatur desain



: 40 oC



Bahan



: Stainless steel AISI 316



5.1.3 Vaporizer (V-101) Spesifikasi vaporizer (V-101) adalah sebagai berikut : Nama alat



: Vaporizer (V-101)



Fungsi



: untuk menguapkan amonia cair dari storage untuk diumpankan ke STR-101



Jenis



: Shell and tube vaporizer



Penguapan



: % penguapan amonia = 100 %



63



Dimensi Shell



Dimensi Tube



: Diameter dalam (ID)



= 17 ¼ in



Baffle space (B)



= 13 in



Shell passes



= 1 in



: Diameter luar (OD)



= 1 in



Diameter dalam (ID)



= 0,87 in



Susunan tube



= triangular pitch



Pitch (pt)



= 1 ¼ in



Cleareance (C)



= ¼ in



Panjang tube (L)



= 20 ft



Jumlah tube



= 118



Number of tube-passes



=2



Luas perpindahan panas (A)



= 617,85 ft2



Rd kalkulasi (Rd terhitung harus > 0,001)



= 0,0006



ΔP



: ΔP shell