Ekonomi Teknik Kimia
Process Design Development
Disusun oleh :
Ir. H. Abdullah Saleh, M.Si., M.Eng.
Jurusan Teknik KimiaFakultas Teknik
Universitas Sriwijaya2014
1
I. PROSEDUR DESAIN-PROYEK
Pengembangan proyek desain selalu dimulai dengan ide awal atau rencana. Ide
awal ini harus dinyatakan dengan jelas dan ringkas untuk menentukan ruang lingkup
proyek. Spesifikasi umum dan laboratorium yang bersangkutan atau data teknik kimia
harus disajikan bersama dengan ide awal.
I.1. Jenis Desain
Metode yang digunakan untuk melaksanakan sebuah desain proyek dapat
diklasifikasikan dalam beberapa tahap, berdasarkan akurasi dan detail data yang
dibutuhkan.
1. Desain awal atau cepat-estimasi
Jenis desain ini biasanya digunakan sebagai dasar untuk menentukan apakah
pekerjaan lebih lanjut harus dilakukan pada proses yang diusulkan. Desain didasarkan pada
metode proses perkiraan, dan perkiraan biaya kasar. Beberapa Rincian disertakan, dan
waktu yang dihabiskan untuk perhitungan disimpan dalam bentuk minimal.
2. Desain rincian perkiraan
Jika hasil dari desain awal menunjukkan bahwa pekerjaan lebih lanjut dibenarkan,
desain rincian perkiraan dapat dikembangkan. Pada tahap ini, potensi biaya dan profit dari
proses yang akan didirikan ditentukan dengan analisa mendetail dan perhitungan
matematis.
3. Desain detail proses
Ketika desain rincian proses menunjukkan bahwa proyek yang diusulkan dapat
sukses secara komersil, langkah terakhir sebelum mengembangkan konstruksi rencana
pabrik adalah persiapan desain proses secara rinci. Lengkap spesifikasi disajikan untuk
semua komponen pabrik, dan biaya yang akurat berdasarkan harga pasar diperoleh.
I.2. Kelayakan Survey
Sebelum pekerjaan rinci yang dilakukan pada desain, teknis dan ekonomi faktor
dari proses yang diusulkan harus diperiksa. Berbagai reaksi dan proses fisik yang terlibat
harus dipertimbangkan, bersama dengan ada dan kondisi pasar yang potensial untuk
2
produk tertentu. Sebuah survei awal memberikan indikasi proyek sukses dari kemungkinan
dan juga menunjukkan informasi tambahan yang diperlukan untuk membuat evaluasi yang
lengkap. Berikut ini adalah daftar item yang harus dipertimbangkan dalam membuat
kelayakan suatu survei :
1. Bahan baku (ketersediaan, kuantitas, kualitas, biaya)
2. Termodinamika dan kinetika reaksi kimia yang terlibat (ekuilibrium, hasil, harga,
kondisi optimum)
3. 3 Fasilitas dan peralatan yang tersedia saat ini
4. Fasilitas dan peralatan yang harus dibeli
5. Estimasi biaya produksi dan total investasi
6. 6 Keuntungan (kemungkinan dan optimal, per pon produk dan per tahun, pulang on
investment)
7. 7 Bahan konstruksi
8. 8 pertimbangan keselamatan
9. Pasar (supply sekarang dan masa depan dan permintaan, pemanfaatan kini,
penggunaan baru, kebiasaan membeli ini, kisaran harga untuk produk dan produk,
karakter, lokasi, dan jumlah pelanggan mungkin)
10. 10 Persaingan (statistik produksi secara keseluruhan, perbandingan berbagai proses
manufaktur, spesifikasi produk pesaing)
11. 11 Sifat produk (kimia dan sifat fisik, spesifikasi, kotoran, efek penyimpanan)
12. 12 Penjualan dan layanan purna jual (metode penjualan dan distribusi, iklan
diperlukan, layanan teknis yang diperlukan)
13. pembatasan Pengiriman dan kontainer
14. Tanaman lokasi
15. situasi Paten dan pembatasan hukum
I.3. Pengembangan Proses
Pada beberapa kasus, studi kelayakan awal menunjukan riset tambahan,
laboratorium, dan datapilot plantdiperlukan, sehingga dibentuk sebuah program untuk
melengkapi kekurangan data tersebut. Pengembangan proses berdasarkan data pilot plant
biasanya dibutuhkan untuk mendapat data desain yang akurat.
3
Informasi berharga pada bahan dan energi saldo dapat diperoleh, dan kondisi
proses dapat diperiksa untuk memasok data pada suhu dan tekanan variasi, hasil, tarif, nilai
bahan baku dan produk, bets dibandingkan operasi terus-menerus, bahan konstruksi,
karakteristik operasi, dan variabel desain terkait lainnya.
I.4 Desain
Langkah awal untuk mempersiapkan desain awal, yaitu dengan menentukan basis
desain. Spesifikasi produk dan ketersediaan bahan baku, desain dapat dikontrol melalui
berbagai variabel seperti faktor operasi tahunan, temperatur air pendingin, tekanan uap
yang tersedia, bahan bakar yang digunakan, dan lain – lain.
Langkah selanjutnya adalah menyederhanakan diagram alir proses yang terlibat dan
menentukan unit operasi yang dibutuhkan. Prinsip unit proses yang digunakan pada desain
untuk bagian tertentu peralatan. Spesifikasi peralatan secara umum disajikan dalam bentuk
tabel dan dilengkapi laporan desain final.
1. Columns (distilasi). Selain jumlah piring dan operasi kondisi itu juga diperlukan
untuk menentukan diameter kolom, bahan konstruksi, tata letak piring, dll
2. Tanki, vessel. Selain ukuran, yang sering ditentukan oleh waktu loading diinginkan,
bahan konstruksi dan kemasam.
3. Reaktor. Jenis katalis dan ukuran, diameter dan ketebalan, fasilitas panas
pertukaran, siklus dan regenerasi pengaturan, m? Terials konstruksi, dll, harus
ditentukan.
4. Heater atau furnace. Produsen biasanya disertakan dengan tugas, dikoreksi log
mean-perbedaan suhu, persen menguap, penurunan tekanan yang diinginkan, dan
bahan konstruksi.
5. Pompa dan kompresor. Tentukan jenis, kebutuhan daya, perbedaan tekanan,
gravitasi, viskositas, dan tekanan kerja.
6. Peralatan khusus. Spesifikasi untuk mekanik pemisah, mixer, pengering, dll
Desain Awal dan proses pengembangan awal memberikan hasil yang dibutuhkan
untuk desain rincian perkiraan. Faktor – faktor berikut merupakan variabel yang harus
dipersiapkan sebelum batas akhir pembuatan desain rincian perkiraan :
1. Proses Produksi
4
2. Neraca Panas dan Massa
3. Range Temperatur dan Tekanan
4. Spesifikasi Bahan Baku dan Produk
5. Konversi, laju reaksi, dan waktu siklus
6. Sistem Utilitas
7. Lokasi Pabrik
I.5. Konstruksi dan Operasi
Selama proses konstruksi pabrik berlangsung, insinyur teknik kimia diharapkan
untuk mengunjungi lokasi konstruksi dengan tujuan membantu interpretasi pabrik dan
mempelajari metode untuk pengembangan desain yang selanjutnya agar berproduksi lebih
optimum.
II. INFORMASI DESAIN DARI LITERATUR
II.1. Diagram Alir
Insinyur teknik kimia menggunakan diagram alir untuk menampilkan urutan
peralatan dan unit operasi pada keseluruhan proses, untuk menyederhanakan tampilan
proses produksi, dan untuk mengindikasikan kuantitas neraca panas serta neraca massa.
Diagram ini dapat dibagi menjadi tiga jenis umum,
1. Diagram alir kualitatif
2. Diagram alir kuantitatif
3. Diagram alir gabungan-detail
Berikut adalah contoh diagram alir kualitatif dan kuantitatif pada proses produksi Asam
Nitrat dengan proses Oksidasi Ammonia.
5
Flow diagram kualitatif menyediakan basis referensi yang menyediakan spesifikasi
peralatan, data kuantitatif, dan contoh perhitungan. Flow diagram kualitatif tentu tidak
kehilangan keefektifannya dengan adanya informasi yang berlimpah, sehingga data yang
diperlukan siap tersedia pada tabel pendukung.
6
Gambar 2. Contoh Diagram Alir Kuantitatif
Flow diagram kuantitatif menyediakan basis referensi yang menyediakan data
kuantitatif, contoh perhitungan, tanpaspesifikasi peralatan. Flow diagram kualitatif tentu
tidak kehilangan keefektifannya dengan adanya informasi yang berlimpah, sehingga data
yang diperlukan siap tersedia pada tabel pendukung.
7
II. 2. Desain Awal
Dalam rangka memperkuat pernyataan sebelumnya, pada bagian ini akan
membahas prosedur desain proyek. Pada bagian ini, lebih arif apabila kita memperhatikan
dengan seksama desain spesifik awal. Pada bagian desain awal proyek, maka dibutuhkan
dua faktor yaitu :
1. Problem Statement
2. Survey Literatur
II.3. Neraca Massa dan Neraca Panas
Berikut merupakan contoh perhitungan Neraca Massa pembuatan dodecylbenzene
sulfonatedengan basis 300 hari produksi dan konversi produk sebesar 85%.
Gambar 3. Contoh Perhitungan Neraca Massa
8
Setelah Neraca Massa dibuat maka, data kuantitas massa dapat diolah untuk
menghasilkan Neraca Panas peralatan.
Gambar 4. Diagram Alir Kuantitatif pembuatan Deterjen
II.4. Desain dan Pemilihan Peralatan
Desain peralatan pada tahap awal proses evaluasi melibatkan penentuan ukuran
peralatan dalam satuan volume, laju alir per satuan waktu, dan luas permukaan. Berikut
merupakan contoh perhitungan pada desain dan permilihan peralatan unit Alkilasi.
Contoh Perhitungan Pemilihan dan Desain Peralatan pada Unit Alkilasi
9
Diasumsikan siklus 4h dan operASI alkilator pada tekanan dan temperatur konstan secara
berturut-turut 115of
Dan 1 atm. Volume reaktan perhari(dengan faktor keamanan 10%) adalah ;
Jika reaktor penuh sebanyak 75% pada tiap siklus, volume reaktor yang dibutuhkan adalah
Penghitungan Panas Reaksi
Panas pembentukan (delta Hf) dodecylbenzene dan dodecene dievaluasi menggunakan
teknik termokimia standar yang diuraikan dalam buku termodinamika engineering, panas
pembentukan benzene tersedia dalam literatur.
sehingga,
Diasumsikan panas reaksi dilepaskan pada 3 h dari siklus 4 h (1/6 dari 1 hari operasi):
Gunakan perbedaan temperatur 10O F untuk air pendingin untuk menemukan massa air
pendingin yang dibutuhkan untuk menghilangkan panas reaksi.
10
Laju alir volumetrik adalah 42.3 gpm. Pilih pompa sentrifugal 45- gpm konstruksi baja
karbon.
Luas perpindahan panas yang dibutuhkan untuk mendinginkan reaktor
Diasumsikan air yang masuk suhu 80o F dengan peningkatan suhu 10 oF. Koefisien
perpindahan panas secara keseluruhan yang masuk akal untuk tipe perpindahan panas
dapat dihitung 45 Btu/(h)(ft2)(of)
Reaktor berpengaduk 1300 gal diperkirakan 160 ft2 luas jaket. Oleh karena itu, luas
permukaan yang tersedia cukup untuk menjaga kondisi isothermal dalam reaktor.
Ukuran storage tank
Tersedia simpanan benzene dan dodecene untuk 6 hari:
Pilih tanki baja karbon 10000 gal untuk penyimpanan benzene dan tanki baja karbon 25000 gal untuk penyimpanan dodecene.
Tersedia holding tank storage untuk 1 hari:
Vholding = 5918 gal
Pilih tanki baja karbon 6000 gal untuk holding tank.
Pengukuran pompa lainnya
Tersedia pengisian benzen dan dodecene ke dalam reaktor dalam 10 menit:
11
Pilih pompa sentrifugal 30 gpm, konstruksi baja karbon
Tabel 1. Spesifikasi Peralatan pada Unit Alkilasi
Pilih pompa sentrifugal 70 gpm, konstruksi baja karbon.pompa alkilate digunakan untuk
memindahkan alkilate dari holding tank ke fraksionator benzene harus beroperasi secara
kontinu. Sehingga,
Pilih pompa positive displacement 10 gpm, konstruksi baja karbon disimpulkan alat yang
dibutuhkan untuk unit alkilasi dalam desain proses persiapan ini tersedia dalam tabel 1.
Persiapan daftar peralatan yang serupa unuk unit proses yang lain lengkap dengan
pemilihan dan desain peralatan pada fase desain permulaan. Gmabar 2-5 menampilkan
diagram peralatan sederhana untuk proses yang diusulkan dan meliputi spesifikasi ukuran
atau kapasitas setipa bagian pralatan proses .
II.5. Ekonomi
Biaya pembelian untuk setiap bagian peralatan proses boleh diestimasikan dari data
biaya yang di publish atau buletin pabrikan yang tepat. Tanpa memperhatikan sumber data
biaya pembelian yang di publish harus slalu dikoreksi untuk indeks biaya terbaru. Prosedur
ini digambarkan secara detail pada bab 6 untuk unit alkilasi biaya pembelian peralatan
12
dapat diestimasikan menggunakan informasi spesifikasi peralatan pada tabel 1 dan data
biaya diperkenalkan pada bab 14 melalui 16 pada buku ini.. tabel 2 menampilkan biaya
terbaru untuk 1 january 1990. Investasi fixed-capital yang dibutuhkan untuk proses
pabrikasi detergen nonbiodegredable dapat diestimasikan dari biaya pembelian peralatan
total menggunakan metode rasio biaya peralatn pada tabel 17 bab 6. Biaya pembelian
peralatan total ditunjukan di tabel 3 dan dasar untuk perkiraan pengolahan biaya fixed-
capital ditunukan pada tabel 4.
Kesalahan yang mungkin terjadi dalam metode perkiraan investasi fixed-capital ini
sebanyak 30%. Evaluaasi kebutuhan utilitas dan pengoperasian laboratorium untuk proses
harus dibuat sebelum biaya produk total dapat diestimasikan. Detail untuk evaluasi biaya
dan produksi langsung ditunjukan pada bab 6 dan apendix b. Perkiraan biaya produk total
untuk pabrikasi untuk 15 juta ton pertahun detergen didasarkan pada metode yang
dijelaskan dalam bab 6 table 5.
Biaya produk total yang telah diestimasikan, grup desain di salah satu posisi untuk
mengevaluasi management proses yang ditujukan menggunakan pengukuran profitabilitas
sebagai rate of return, payout time atau present worth. Metode yang ada secara penuh
ditunjukan pada bab 10.
13
II.6. Kesimpulan
Desain permulaan dikenalakan pada subbab ini dikembangkan untuk menunjukan
pendekatan logika langkah demi langkah yangmana sering diikuti untuk setiap desain
proses yang baru. Prosedur yang tepat dapat diubah dari prusahaan ke perusahaan dan dari
insinyur desain ke lainnya. Demikian juga asumsi dan faktor rule of tumb yang digunakan
dapat diubah dari 1 perusahaan ke pengaruh selanjutnya untuk perluasan yang besar di
pengalaman desain dan kebijakan perusahaan. Namun , langkah dasar untuk desain proses
diuraikan di desain perusahaan mencakup pabrikasi peralatan rumah tangga biasa
16
Tidak ada usaha yang telah dibuat untuk menampilkan desain secara lengkap.
Faktanya, memperkecil panjang,banyak asumsi dibuat yangmana akan diverifikasi atau
dibenarkan pada desain proses normal. Tidak ada solusi alternatif yang diusulkan survei
literatur.
III. PERBANDINGAN TERHADAP BERBAGAI PROSES
Demi keberlangsungan suatu desain proyek salah satu hal yang penting adalalah
menentukan proses yang paling sesuai untuk mendapatkan produk. Beberapa tipe proses
produksi tersedia untuk membuat material produksi yang sama, dan perbandingan terhadap
beberapa proses dilakukan untuk mendapatkan kondisi optimum.
Perbandingan dapat diselesaikan melalui pengembangan desain akhir. Pada
beberapa kasus, seluruh proses dapat dieliminasi dengan menyisakan satu atau dua proses
yang paling sesuai dengan beban perbandingan terhadap variabel tambahan dan
perhitungan pada detail desain untuk setiap proses tidak diperlukan. Hal-hal di bawah ini
merupakan faktor yang harus diperhitungkan untuk perbandingan :
1. Faktor Teknis
a. Fleksibilitas Proses
b. Operasi Kontinyu
c. Keterlibatan Kontrol Spesial
d. Konversi Komersial
e. Keterlibatan Tenaga Ahli
f. Kebutuhan Energi
g. Probabilitas Pengembangan pada masa mendatang
h. HSE
2. Bahan Baku
a. Ketersediaan pada masa kini dan yang akan datang
b. Proses Pengolahan yang dibutuhkan
c. Kebutuhan Pergudangan
d. Penanganan Material Bahan Baku
3. Limbah dan Produk Samping
a. Jumlah yang dihasilkan
b. Nilai Ekonomi
17
c. Pangsa Pasar dan Kegunaan
d. Cara Pembuangan
e. Apek Lingkungan
4. Peralatan
a. Ketersediaan
b. Material Konstruksi
c. Biaya Awal
d. Biaya Instalasi dan Perawatan
5. Lokasi Pabrik
a. Luas area yang diperlukan
b. Fasilitas Transportasi
c. Jarak dengan pasar dan sumber bahan baku
d. Ketersediaan Tenaga Kerja
e. Iklim
f. Batasan Hukum dan Pajak
6. Biaya
a. Bahan Baku
b. Energi
c. Depresiasi
d. Biaya Tetap lainnya
e. Pengelolaan dan Pengeluaran
f. Kebutuhan Tenaga Kerja Khusus
g. Real Estate
h. Hak Paten
i. Pengendalian Lingkungan
7. Faktor Waktu
a. Deadlinepenyelesaian proyek
b. Pengembangan Proyek yang dibutuhkan
c. Aktualitas Pasar
d. Kurs Mata Uang
8. Pertimbangan Proses
a. Ketersediaan Teknologi
b. Bahan Baku yang dapat digunakan pada proses lain
18
c. Konsistensi Produk pada Perusahaan
d. Tujuan Umum Perusahaan
III.1 Operasi Batch versus Kontinyu
Apabila melakukan perbandingan terhadap beberapa proses, pertimbangan akan
selalu diarahkan pada keuntungan menggunakan proses kontinyu atau batch. Pada
beberapa kasus, biaya tetap dapat dikurangi dengan menggunakan operasi kontinyu
dibandingkan dengan batch. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor seperti jumlah tenaga
kerja yang lebih sedikit, dan pengendalian peralatan serta mutu produk akhir dapat terjaga.
IV. SPESIFIKASI DAN DESAIN PERALATAN
Tujuan utama merancang pabrik adalah mengembangkan dan memberikan pabrik
lengkap yang dapat beroperasi secara efektif di industri. Untuk itu insinyur teknik kimia
harus mampu dalam merancang dan menggabungkan antara unit satu dengan unit lainnya
sehingga pabrik dapat beroperasi dengan lancar sesuai dengan kebutuhan industri. Setiap
alat memiliki fungsinya masing-masing sesuai keperluan untuk itu desain alat sangat
penting dalam mendesain pabrik. Dalam pemilihan peralatan insinyur teknik kimia perlu
mengetahui spesifikasi dari alat yang akan dirancang sesuai dengan kebutuhan yang akan
digunakan dalam suatu industri tertentu. Pemilhan bahan konstruksi tersebut harus sesuai
standar dan diakui perkembangannya.
IV.1 Desain Scale-Up
Bila data yang akurat tidak dapat ditemukan pada literatur, membuat tes pilot-
plantyang mungkin diperlukan untuk membantu dalam merancang peralatan pabrik yang
lebih efektif. Namun, hasil tes tersebut harus ditingkatkan kapasitasnya. Seorang insinyur
teknik kimia harus mengetahui keterbatasan metode scale-updan mampu dalam memilih
variabel desain yang penting. Data dari pilot-planthampir diperlukan secara keseluruhan
kecuali untuk informasi yang spesifik telah tersedia untuk jenis bahan dan kondisi operasi
yang terlibat. Peralatan konvensional seperti heat axchangers, pumps, distillation columns,
dan jenis alat lainnya dapat dirancang secara memadai tanpa menggunakan data dari pilot-
plant.
19
Dalam desain peralatan diperlukan analisis faktor penting dari berbagai jenis
peralatan yang secara lengkap ditunjukkan pada Tabel 6. Dimana tabel tersebut
menunjukkan variabel utama yang mencirikan ukuran atau kapasitas scale-up maksimum.
IV.2 Faktor K3L
Beberapa contoh faktor keamanan yang direkomendasikan untuk desain peralatan
ditunjukkan pada tabel 6. Faktor-faktor tersebut menyajikan jumlah over desain yang
mungkin digunakan pada laporan perubahan kondisi operasi pada setiap waktu.
Pada desain perkerjaan secara umum, besaran faktor keamanan diatur melalui
konsiderasi ekonomi dan pasar, akurasi desain data, dan kalkulasi pada desain.
20
IV.3 Spesifikasi
Secara umum untuk desain peralatan dapat dipilih peralatan standar yang
memungkinkan. Produsen dapat memberikan ukuran yang diinginakan sesuai ketersedian.
Produsen biasanya dapat memberikan harga yang relatif murah dan berkualitas tinggi
dengan jaminan yang baik untuk peralatan standar. Insinyur teknik kimia tidak bisa
menjadi ahli pada semua peralatan di pabrik- pabrik industri. Oleh karena itu perlu
pengalaman dari orang lain. Produsen yang ahli dalam jenis peralatan tertentu dapat
memberikan informasi mengenai keahliannya dalam jenis peralatan tersebut. Sehingga
dalam merancang peralatan insinyur perlu memberikan spesifikasi awal pada produsen
dengan mengevaluasi kebutuhan desain yang diperlukan. Spesifikasi awal diperlukan
sebagai dasar dari penyusunan spesifikasi akhir. Dimana spesifikasi awal dari peralatan
harus menunjukkan hal – hal berikut ini :
1. Identifikasi
2. Fungsi
3. Operasi
4. Bahan yang ditangani
5. Data dasar desain
6. Pengendali ( kontrol penting )
7. Kebutuhan isolasi
8. Toleransi yang diizinkan
9. Informasikhusus danrincianyang berkaitan denganperalatankhusus, seperti
bahankonstruksitermasukgasket, instalasi, tanggal pengiriman yang diperlukan,
mendukung, dan rincian desain khusus atau komentar.
Selanjutnya spesifikasi akhir dapat disiapkan insinyur, namun diperlukannya saran
dari produsen dalam perubahan desain dasar sehingga dapat mengurangi biaya awal dan
tidak mengurangi keefektifan dari peralatan.
IV.5 Material Konstruksi
Hal yang harus dipertimbangkan dalam mendesignchemical plants dan
equipmentnya adalah pengaruh dari korosi dan erosi. Pengaruh dari korosi dan erosi itu
berhubungan dengan material konstruksi yang digunakan untuk mendesign chemical plants
dan equipmentnya sehingga perlu diketahui dengan tepat bagaimana chemical resistance
dan sifat fisika dari material konstruksi tersebut. Suatu material konstruksi tidak akan
22
terpengaruh oleh korosi jika kontak langsung dengan lingkungan namun akan terpengaruh
dengan erosi akibat adanya aliran fluida atau pergerakan substansi (zat) secara terus
menerus.
Ada beberapa faktor yang harus diperhatikan dalam pemilihan akhir suatu material
konstruksi:
1. Kekuatan material (strength)
2. Resistance to physical or thermal shock
3. Biaya (cost)
4. Ease of fabrication (mudah pembuatannya)
5. Necessary maintenance
6. General type of service required; including operating temperature and pressure
agar lebih menyakinkan lagi dalam pemilihan material konstruksi setelah
mempertimbangkan 6 hal diatas, dapat dilanjutkan dengan mencari literature material
konstruksi untuk mendesign peralatan proses suatu zat dan bisa dengan uji laboratorium
yang mampu mengindikasikan bagaimana ketahanan korosi suatu material serta produk
yang dihasilkan setelah selama proses terjadi berkontak langsung dengan material
konstruksi alatnya.
23