NASKAH PUBLIKASI

Prarancangan Pabrik Mononitrotoluena

dari Toluena dan Asam Campuran dengan Proses Kontinyu

Kapasitas 40.000 Ton/Tahun

Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh

Gelar Kesarjanaan Strata 1 Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Oleh:

Kiswari Diah Puspita

D500 090 033

Dosen Pembimbing:

Emi Erawati, S.T., M.Eng.

Ir. H. Haryanto A.R., M.S.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2014

INTISARI

Prarancangan pabrik mononitrotoluena (MNT) dengan bahan baku toluena

dan asam campuran dengan menggunakan asam sulfat sebagai katalisnya ini

direncanakan beroperasi selama 330 hari/tahun dengan jumlah karyawan 104

orang. Pabrik dengan luas area sebesar 40.000 m2 ini direncanakan dibangun pada

tahun 2020 di lokasi industri Cilacap, Provinsi Jawa Tengah yang berdekatan

dengan Pertamina UP. IV dan PT Multi Nitrotama Kimia di Cikampek sebagai

penyedia bahan baku. Pabrik ini beroperasi dengan kapasitas 40.000

ton/tahun, dengan pertimbangan dapat memenuhi kebutuhan dalam negeri dan

mengurangi ketergantungan impor. Proses pembuatan MNT berlangsung pada

fase cair dengan menggunakan reaktor CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor)

dengan kondisi tekanan pada 1 atm dan suhu 500C. Reaksi berlangsung secara

eksotermis, searah, dan non adiabatis.

Kebutuhan bahan baku pada pembuatan mononitrotoluena (MNT) ini

komponennya yaitu toluena sebesar 3.482,31 kg/jam, asam nitrat sebesar 2.379,87

kg/jam, asam sulfat sebesar 4.365,22 kg/jam. Untuk menunjang proses produksi,

maka didirikan unit pendukung yaitu unit penyediaan air sebesar 24.000

kg/jam,unit penyediaan steam dengan kebutuhan steam sebesar 5.380,44 kg/jam,

kebutuhan listrik sebesar 449,66 kW diperoleh dari PLN dan dua buah generator

set sebesar 1000 kW sebagai cadangan, kebutuhan bahan bakar sebanyak 110,27

m3/jam, penyedian udara tekan sebesar 50 m

3/jam.

Dari analisa ekonomi yang dilakukan terhadap pabrik ini dengan modal

tetap Rp. 358.101.411.906,94 dan modal kerja Rp. 96.004.651.301,96. Dari

analisis ekonomi terhadap pabrik ini menunjukkan keuntungan sebelum pajak

Rp. 96.447.692.446,86 pertahun, setelah dipotong pajak 30%, keuntungan

mencapai Rp. 67.534.384.712,81 pertahun. Return On Investment (ROI) sebelum

pajak 26,94% dan setelah pajak 18,85%. Pay Out Time (POT) sebelum pajak

adalah 2,70 tahun dan setelah pajak 3,36 tahun. Break Even Point (BEP)

sebesar 48,83% dan Shut Down Point (SDP) sebesar 24,28%. Dari data analisis

kelayakan diatas disimpulkan, Pabrik ini menguntungkan dan layak didirikan.

Kata kunci : mononitrotoluena, toluena, asam nitrat, asam sulfat, CSTR

A. PENDAHULUAN

Salah satu bahan kimia yang masih mengimpor dari negara lain

adalah produk aromatic compound seperti mononitrotoluena (MNT). MNT

merupakan salah satu bahan yang sangat penting dalam industri saat ini dan

dirasa mempunyai prospek cerah. Selama ini untuk memenuhi MNT di

Indonesia dilakukan dengan mengimpor dari Amerika Serikat, Inggris, dan

Jerman. Hal tersebut tidak hanya menuntut pemerintah untuk

mengembangkan industri hanya pada migas tetapi juga sebagai

pertimbangan untuk mengembangkan industri-industri tersebut.

Pendirian pabrik MNT di Indonesia dapat diwujudkan karena

didukung oleh beberapa hal, yaitu:

Dapat memberikan lapangan pekerjaan karena banyak menyerap tenaga

kerja.

Memacu tumbuhnya industri baru terutama industri yang menggunakan

bahan baku MNT.

Pabrik-pabrik industri kimia seperti industri pembuatan zat warna

sintetik, dan busa polyurethane semakin berkembang memungkinkan

kebutuhan akan mononitrotoluena semakin meningkat.

B. PERANCANGAN KAPASITAS

Penentuan kapasitas produksi MNT didasarkan pada beberapa

pertimbangan antara lain:

Ketersediaan bahan baku

Bahan baku toluena, asam nitrat, dan asam sulfat telah banyak

diproduksi di Indonesia, sehingga kelangsungan bahan baku dan

tingkat permintaan MNT yang cukup besar, maka sangat prospektif

bila didirikan pabrik MNT di Indonesia.

Kebutuhan MNT dalam negeri

Direncanakan pabrik MNT didirikan pada tahun 2020. Dalam

pemilihan kapasitas pabrik MNT ada beberapa pertimbangan yaitu:

Kebutuhan MNT dalam negeri.

Kapasitas pabrik MNT yang sudah berdiri di seluruh dunia.

Prediksi kebutuhan dalam negeri

Tabel 1. Data Impor MNT

(BPS, 2009)

Dari data impor MNT di Indonesia pada setiap

tahun di atas maka didapatkan kebutuhan impor rata-rata

tiap tahunnya adalah 940.248 kg/tahun.

Kapasitas pabrik MNT di luar negeri

Dengan memperhatikan pertimbangan kapasitas

perancangan minimum dan kebutuhan impor MNT di

Indonesia maka dapat ditentukan kapasitas pabrik MNT

yang akan berdiri tahun 2020 sebesar 40.000 ton/tahun.

Kapasitas yang direncanakan ini diharapkan dapat

Tahun Kebutuhan Impor (kg)

2001 81.075

2002 95.761

2003 3.212.344

2004 207.208

2005 173.987

2006 892.322

2007 899.355

2008 986.643

2009 1.913.544

memenuhi kebutuhan dalam negeri serta meninjau

kapasitas pabrik MNT diluar negeri yang cukup besar,

maka selebihnya produk dapat diekspor ke luar negeri.

C. PROSES PEMBUATAN

Reaksi pembuatan MNT dari bahan toluena dan HNO3 termasuk

dalam reaksi nitrasi yaitu masuknya gugus (-NO2) ke dalam molekul

yang direaksikan menggantikan atom H.

Reaksi yang terjadi (Kirk Othmer, 1996) :

42SOH

(l)356 CHHC + 3(l)HNO

C.1atm50o 2(l)346 NOCHHC + (l)2OH

D. TINJAUAN KINETIKA

Dari segi kinetika, kecepatan reaksi akan bertambah dengan

adanya kenaikan temperatur. Hal ini ditunjukkan oleh hubungan

persamaan Arhenius:

k= Ae E/RT

..............................................................................(2)

Dimana:

k : Konstanta kecepatan reaksi

A : Faktor tumbukan tingkat pencampuran zat-zat yang bereaksi

E : Energi aktivasi

R : Tetapan gas umum

T : Suhu mutlak

Harga k akan mempengaruhi kecepatan reaksi yang ditunjukkan dengan

persamaan umum (toxnet) :

Reaksi :a A + b B c C + d D......................................(3)

Sehingga : r = k CACB.........................................................................................................(4)

Dengan harga k yang besar akan diperoleh harga r yang besar pula,

sehingga reaksi berjalan cepat, begitu pula sebaliknya.

Diperoleh harga konstanta kecepatan reaksi ke arah produk:

k = 2.231,33 3m /kmol.jam

E. DESKRIPSI PROSES

Secara keseluruhan proses pembuatan MNT dari toluena dan asam

campuran dengan

proses kontinyu dapat dilaksanakan melalui tiga tahap:

1. Proses Penyiapan Bahan Baku

Bahan baku dipanaskan dengan tujuan menyesuaikan

kondisi operasi dalam reaktor karena reaktor beroperasi secara

isotermis. Mula-mula bahan baku toluena yang berasal dari

tangki penyimpan (T-03) pada suhu lingkungan sebesar 30 oC

dinaikkan suhunya dengan heat exchanger (E-02) menjadi suhu

50oC dipompakan menuju Reaktor (R-01). Di dalam mixer

(M-01), asam nitrat dari tangki penyimpan (T-01) dicampur

dengan asam sulfat yang dipompa dari tangki penyimpan (T-02)

dan hasil rekonsentrasi asam sulfat di mana bahan-bahan tersebut

bersuhu 30oC. Rekonsentrasi asam sulfat dilakukan dengan

menggunakan evaporator (V-01). Dimana Komposisi asam

campuran adalah 30% HNO3, 56% H2SO4, 12% H2O.

Perbandingan mol asam nitrat dan toluena di dalam reaktor

adalah 1 : 1 Dialirkan secara kontinyu dengan suhu 50oC.

2. Proses Reaksi Nitrasi

Bahan baku yang masuk ke reaktor melalui puncak reaktor

pada kondisi 30oC dan tekanan 1 atm. Reaksi nitrasi antara

toluena dan asam nitrat bersifat eksotermis dan berlangsung pada

reaktor alir tangki berpengaduk (RATB). Untuk menjaga suhu

reaktor agar tidak lebih dari 50oC maka diperlukan pendingin.

Pendingin reaktor menggunakan air yang masuk pada suhu 30oC

dan keluar pada suhu 40oC. Produk yang diperoleh dari reaktor

adalah MNT, produk samping berupa air dan sisa reaktan berupa

toluena dan asam campuran. Produk reaktor selanjutnya

diumpankan keunit pemurnian.

3. Proses Pemurnian Hasil

Pada proses pemurnian ada tiga tahapan yaitu:

a. Pemisahan fase organik dan anorganik

Produk reaktor dimasukkan di dalam dekanter (X-01)

untuk memisahkan fase organik dan anorganik pada tahap

pertama. Dekantasi dapat dilakukan karena kedua fase cair

tidak saling melarutkan.

b. Netralisasi

Fase organik dari dekanter (X-01) dipompakan ke

netralizer (A-01) untuk menetralkan asam nitrat dan asam

sulfat yang terikut dalam fase organik. Natrium hidroksida

yang digunakan sebagai penetral mempunyai kadar 40%

dipompakan dari tangki penyimpan (T-04). Hasil netralisasi

dimasukkan ke dalam Dekanter (X-02) untuk memisahkan

garam Na2SO4 dan NaNO3 yang terbentuk dengan produk.

c. Pemurnian dengan distilasi

Larutan dari Dekanter (X-02) dinaikkan suhunya dengan

HE-02 dari suhu 50oC menjadi 160,89

oC dan diumpankan ke

menara distilasi (MD-01). Menara distilasi berfungsi untuk

memisahkan produk MNT dari impuritasnya. Hasil bawah menara

distilasi dengan suhu 198,42oC dilewatkan pendingin untuk

diturunkan suhunya menjadi 40oC dan selanjutnya disimpan dalam

tangki penyimpan.

F. SPESIFIKASI ALAT UTAMA PROSES

Alat-alat yang digunakan dalam proses produksi mononitrotoluena

harus disesuaikan dengan kapasitas perancangan internacional yang

umumnya digunakan. Dari hasil perhitngan data spesifikasi alat proses

pabrik mononitrotoluena dengan kapasitas 40.000 ton/tahun adalah

sebagai berikut:

1. Dekanter

a. Dekanter-01

Kode : D-01

Fungsi : Memisahkan produk Reaktor-01 sebanyak

5.574,2006 kg/jam menjadi fase organik sebanyak

11.453,95 kg/jam dan fase anorganik sebanyak

5.879,7514 kg/jam

Jenis : Continuous Gravity Decanter Silinder Vertical

Spesifikasi :

a. Tekanan : 1 atm

b. Suhu : 50 oC (122

oF)

c. Volume : 1,2003 m3

d. Tinggi : 2,6736 m

e. Diameter : 0,7701 m

f. Tebal shell : 3/16 in (0,003185 m)

g. Tebal head : 3/16 in (0,00322834 m)

h. Tinggi head : 0,12605766 m

Jumlah : 1

Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167)

Harga : US $ 26.180,89

b. Dekanter -02

Kode : D-02

Fungsi : Memisahkan produk N-01 sebanyak 5.664,82465

kg/jam menjadi fase organik sebanyak 5.165,2236

kg/jam dan fase anorganik sebanyak 499,6010

kg/jam

Jenis : Continuous Gravity Decanter Silinder Vertical

Spesifikasi :

a. Tekanan : 1 atm

b. Suhu : 50 oC (122

oF)

c. Volume : 1,1078m3

d. Tinggi : 2,2486 m

e. Diameter : 0,7495 m

f. Tebal shell : 3/16 in (0,00318516 m)

g. Tebal head : 3/16 in (0,00322326 m)

h. Tinggi head : 0,11741658 m

Jumlah : 1

Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167)

Harga : US $ 22.078,81

2. Evaporator

Kode : E-01

Fungsi : memekatkan asam sulfat dengan

menguapkan kandungan air hasil keluaran

bawah D-01 sebanyak 4.409,7716 kg/jam.

Jenis : Single effect evaporator

Kondisi operasi

Temperature : 110,670C (231,206

0F)

Tekanan : 1 atm

Spesifikasi :

- Diameter : 2,1353 m

- Tinggi : 6,425 m

- Tebal shell : 3/16 in (0,00435102 m)

- Tebal head : 1/4 in (0,0055372 m)

Spesifikasi tube

- OD : 1,5 in (0,038 m)

- ID : 1,37 in (0,0348 m)

- Passes : 4

- BWG : 16

- Panjang : 12 ft (3,658 m)

- Jumlah tube : 45 buah

Bahan : Stainless steel type 304 (SA 167)

Jumlah : 1 buah

Harga : US$ 45.726,07

3. Mixer -01

Kode : M-01

Fungsi : Mencampur larutan asam nitrat sebanyak

2.379,8767 kg/jam dengan asam sulfat sebanyak

4.365,2284 kg/jam

Jenis : Tangki silinder tegak berpengaduk

Bentuk head : Torisperical head

Spesifikasi :

a.Tekanan : 1 atm

b. Suhu : 30 oC (86

oF)

c. Volume : 3,9609 m3

d. Tinggi : 2,2547 m

e. Diameter : 1,5797 m

f. Tebal shell : 3/16 in (0,00414202 m)

g. Tebal head : 3/16 in (0,00362458 m)

h. Tinggi head : 0,3375 m

Pengaduk :

Jenis : Turbin dengan 6 blade disk standar

Diameter : 0,5266 m

Kecepatan : 157,4574 rpm

Daya : 10 Hp

Jumlah pengaduk : 1 buah

Jumlah : 1

Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167)

Harga : US $ 82.282,79

4. Menara Distilasi

Kode : MD-01

Fungsi : Memisahkan keluaran atas dari Dekanter-

02 sebanyak 165,1345 kg/jam agar sesuai

dengan spesifikasi produk

Jenis : Menara bahan isian (Packed Tower)

Bentuk head : Plat Sieve Tray Column

Spesifikasi :

Tekanan : 1 atm

Suhu umpan : 160,89oC (321,02

oF)

Suhu distilat : 118,39oC (245,102

oF)

Suhu bottom : 198,42oC (389,156

oF)

Diameter

Enriching : 1,305 m

Stripping : 1,7153 m

Tinggi : 13,029 m

Tebal head : 3/16 in (0,0047625 m)

Tebal shell : 3/16 in (0,00457708 m)

Jumlah plate

Plate Ideal : 10 buah

Plate Aktual : 27 buah

Plate Seksi Enriching: 13 buah

Plate Seksi Stripping: 14 buah

Jumlah : 1

Bahan : Carbon steel (SA-283 C)

Harga : US $ 84.333,83

5. Netralizer -01

Kode : N-01

Fungsi : Menetralkan HNO3 dan H2SO4 sebanyak

5.664,820 kg/kjam denga menggunakan NaOH

40% sebanyak 36,248 kg/jam

Jenis : Tangki silinder tegak berpengaduk

Bentuk head : Torisperical head

Spesifikasi :

a. Tekanan : 1 atm

b. Suhu : 50 oC (122

oF)

c. Volume : 3,8876 m3

d. Tinggi : 2,1927 m

e. Diameter : 1,5697 m

f. Tebal shell : 3/16 in (0,00396748 m)

g. Tebal head : 3/16 in (0,00329946 m)

h. Tinggi head : 0,3115 m

Pengaduk :

Jenis : Turbin dengan 6 blade disk standar

Diameter : 0,5232 m

Kecepatan : 134,1308 rpm

Daya : 5 Hp

Jumlah pengaduk : 1 buah

Jumlah : 1

Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA 167)

Harga : US $ 34.143,74

6. Reaktor

Kode : R-01

Fungsi : Sebagai tempat berlangsungnya reaksi toluena

sebanyak 3,482,3196 kg/kjam dengan asam

campuransebanyak 7.954,1334 kg/jam

Jenis : Reaktor Alir Tangki Berpengaduk

Spesifikasi :

a. Tekanan : 1 atm

b. Suhu : 50 oC (122

oF)

c. Volume : 4,101362201 m3

d. Tinggi : 2,6890 m

e. Diameter : 2,0139 m

f. Tebal shell : 3/16 in (0,00476 m)

g. Tebal head : 3/16 in (0,00476 m)

h. Tinggi head : 0,3375 m

Pengaduk :

Jenis : Turbin dengan 6 blade disk standar

Diameter : 0,671304279 m

Kecepatan : 284 rpm

Daya : 157 Hp

Jumlah pengaduk : 1 buah

Pendingin :

Jenis : koil pendingin

Jumlah koil : 1

Jumlah lilitan : 46

Tinggi koil total : 1,7368 m

Jarak dari dasar : 0,20139 m

Jumlah reaktor : 2

Bahan konstruksi : Stainless steel type 304 (SA-167)

Harga / unit : US $ 56.101,90

G. ANALISIS EKONOMI

Analisa ekonomi dimaksudkan untuk mengetahui apakah pabrik yang akan

didirikan dapat menguntungkan atau tidak dan layak atau tidak jika didirikan.

Berdasarkan evaluasi ekonomi yang telah dilakukan pabrik direncanakan

beroprasi selama 330 hari pertahun dengan jumlah karyawan 104 orang, moal

tetap sebesar Rp. 358.101.411.906,94 pertahun. Modal kerja sebesar Rp.

96.004.651.301,96 pertahun. Setelah dipotong pajak keuntungan mencapai Rp

67.534.384.712,81 pertahun. Percent return on investment (ROI) sebelum

pajak sebesar 26,94 % dan sesudah pajak sebesar 18,85 %. Pay out tome

(POT) sebelum pajak sebesar 2,707 tahun dan setelah pajak 3,365 tahun.

Break event point (BEP) sebesar 48,83 %, shut down point (SDP) sebesar

24,28%, Discounted cash flow (DCF) sebesar 25,30%.

H. KESIMPULAN

Pabrik Mononitrotoluena digolongkan sebagai pabrik beresiko rendah.

Karena kondisi operasi pada tekanan 1 atm dan temperatur 50oC, serta bahan

bakunya didatangkan dari dalam negeri.

Dari data hasil perhitungan analisa ekonomi di atas dapat disimpulkan bahwa

pabrik mononitrotoluena layak untuk dikaji lebih lanjut.

I. DAFTAR PUSTAKA

Aries, R.S., and Newton, R.D., 1955, Chemical Engineering Cost Estimation,

Mc. Graw Hill Book Company, New York.

Badan Pusat statistik, 2003, Statistik Perdagangan Luar Negeri.

Brown, G.G., 1950, “Unit Operations”, John Wiley and Sons, Inc., New York.

Brownell, L.E. and Young, E.H., 1979, “Process Equipment Design”, John

Wiley and Sons, Inc., New York.

Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1983, “Chemical Engineering”, Vol. 6,

Pergamon Press, Oxford

Faith, W.L., Keyes, D.B., and Clark, R.L., 1957, “Industrial Chemistry”, John

Wiley and Sons, London

Fessenden, R. and J.S. Fessenden, 1986, “Organic Chemistry”, 3rd

.ed.,

Wadsworth Inc., Belmont, California

Geankoplis, C.J. and J.F. Richardson, “Design Transport Process and Unit

Operation”, 1989, Pegamon Press, Singapore

Holman, J. P., 1988, ”Perpindahan Kalor”, alih bahasa Jasifi E., edisi ke-6,

Erlangga, Jakarta

Kern, D.Q., 1950, “Process Heat Transfer”, McGraw-Hill International Book

Company Inc., New York

Kirk R.E., and Othmer, D.F., 1996, “ Encyclopedia of Chemical Technology ”,

vol.17, 4nd

edition, John Wiley & Sons Inc.,New York

Kirk R.E., and Othmer, D.F., 1997, “ Encyclopedia of Chemical Technology ”,

vol.23, 4nd

edition, John Wiley & Sons Inc.,New York

Levenspiel, O., 1972, “Chemical Reaction Engineering”, 2nd

ed., John Wiley

and Sons, inc., Toronto

Perry, R.H. and Green, D.W., 1997, “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”,

7th

ed., McGraw-Hill Book Company, New York

Peters, M.S. and Timmerhaus, K.D., 2003, Plant Design and Economic for

Chemical Engineering, 5thed., McGraw-Hill International Book

CompanyInc., New York

Rase, H.F., and Holmes, J. R., 1977, “Chemical Reactor Design for Process

Plant, Volume One : Principles and Techniques”, John Wiley and

Sons, Inc., New York

Smith, J.M., 1985, “Chemical Engineering Kinetics”, 5th

ed., McGraw-Hill

Book Company,singapore

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

Thermodynamics”, 4th

ed., McGraw-Hill Book Co., New York

Treybal, R.E., 1981, “Mass Transfer Operation”, 3rd

ed., McGraw-Hill Book

Company, Singapore

Ulrich, G.D., 1984, “A Guide to Chemical Engineering Process Design and

Economics”, John Wiley and Sons, Inc., New York

Wallas, Stanley M., 1988, “Chemical Process Equipment”, Butterworths,

Boston.

Yaws, 1979, “Thermodynamic and Physical Properties Data”, Mc Graw Hill

Book Co., Singapore.

http://www.chemicalland21.com/industrialchem/organic/nitrotoluen.htm

http://www.petrokimia-gresik.com/chemical_product.asp

http://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-

bin/sis/search/a?dbs+hsdb:@term+@DOCNO+6301

http://www.chemsystems.com/reports/search/docs/abstracts/0708S9_a

bs.pdf

http://ecb.jrc.ec.europa.eu/DOCUMENTS/Existing-

Chemicals/RISK_ASSESSMENT/REPORT/2nitrotoluenereport403.p

df

http://209.85.175.104/search?q=cache:yRPhIbEMlyoJ:www.infid.be/

bombterror.doc+PT.+Multi+Nitro+Kimia&hl=id&ct=clnk&cd=14&g

l=id

http://lumada-group.blogspot.com/2010/09/material-safety-data-

sheet-msds-caustic.html