Bab 1 Pengantar Industri Kimia 535w5j

Materi Matakuliah : D03E112 – Industri Kimia I Bobot

: 2 SKS

Isi Pokok Matakuliah, terdiri dari 7 materi pokok: 1.Pengantar: Industri (Proses) Kimia 2.Satuan Operasi dan Satuan Proses dalam Industri Kimia 3.Kimia bahan bakar 4.Penyediaan energi dan bahan bakar untuk industri kimia 5.Katalis dan Peranannya dalam Industri Kimia 6.Penyediaan air dan pengolahan air buangan untuk industri kimia, dan 7.Pengolahan Gas Emisi Pencemaran Udara

Jenis evaluasi: 1.Kuis: diberikan pada awal atau akhir tiap perkuliahan (maksimal) 2.Tugas: 5 kali (diberikan pada akhir setiap materi pokok) 3.Ujian Tengah Semester (UTS): sesuai jadwal di Unpad 4.Ujian Akhir Semester (UAS): sesuai jadwal di Unpad Bobot/distribusi pada perhitungan nilai akhir: 1.Kuis : 10% 2.Tugas : 20% 3.UTS : 35% 4.UAS : 35%

Pustaka: 1.Bernasconi, dkk. , 1995, Teknologi Kimia (terjemahan), Jilid I dan II, Penerbit Pradya Paramita, Jakarta. 2.Brown, G.G., 1950, Unit Operations, John Wiley & Sons, Inc., New York 3.Levenspiel, O., 1972, Chemical Reaction Engineering, 2nd edition, John Wiley & Sons, New York, USA 4.Fardiaz, S., 1992, Polusi Air dan Udara, Penerbit Kanisius, Yogyakarta 5.Tchobanoglous, G., Burton, F.L., Stensel, H.D., 2003, Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4th edition, McGraw-Hill Books Co., New York, USA 6.Turns, S.R., 1996, An Introduction to Combustion: Concepts and Applications, McGraw-Hill Books Co., New York, USA 7.Pustaka lain yang menunjang

Materi 1 PENGANTAR: INDUSTRI PROSES KIMIA  Pendahuluan  Tinjauan Umum Pemrosesan Kimia  Mode Operasi Pabrik Proses Kimia  Alur Proses di Industri Proses Kimia  Satuan Proses

Pendahuluan  Industri proses kimia: merupakan industri fabrikasi yang mewujudkan produk dengan cara menggarap dan mengolah bahan-bahan mentah di dalam sarana yang berwujud fisik pabrik. Industri proses kimia bekerja dengan melibatkan proses-proses kimia sebagai tahap-tahap inti untuk mengubah bahan mentah menjadi produk akhir pabrik. Proses kimia: meliputi reaksi kimia dan atau peristiwa kimia-fisik, seperti pencampuran molekuler, pengubahan fasa, dan pemisahan larutan/campuran homogen. Industri kimia: sub-sektor industri proses kimia dengan produk akhir berupa bahan kimia

 Kelompok-kelompok industri proses kimia: a. Industri kimia anorganik (asam sulfat, asam nitrat, kaustik, amonia, urea, dsb.) b. Industri kimia organik (etanol, metanol, asam formiat, heksan, dsb.) c. Industri pengilangan minyak dan gas bumi serta bahanbahan kimia yang dibuat dari kedua bahan tersebut (industri petrokimia) d. Industri kimia berbasis batubara e. Industri serat dan selulosa (pulp dan kertas, serat sintetik) f. Industri pupuk dan bahan kimia budidaya pertanian (bahan agrokimia) g. Industri bahan makanan dan minuman h. Industri gelas dan bahan keramik i. Industri gas (gas khlor, gas nitrogen, gas oksigen, dsb.) j. Industri polimer (polipropilen, polietilen, PVC, dsb.)

1.1 Bahan Mentah dan Produk-Produk Industri Proses Kimia  Bahan mentah dasar, berupa sumber daya alam (SDA) yang ditambang (berupa bijih logam dan non-logam, batubara, minyak dan gas bumi), maupun yang dibudidayakan (berupa bahanbahan hasil pertanian, perkebunan, peternakan, kehutanan, dan perikanan)  SDA hasil penambangan merupakan SDA takterbarukan, sedangkan SDA hasil pembudidayaan merupakan SDA terbarukan  Produk industri proses kimia berupa: zat kimia dasar, zat kimia antara, dan bahan kimia fungsional

Diagram Alir Transformasi SDA menjadi Produk Kebutuhan Manusia

1.2 Penggolongan Produk-Produk Kimia Industrial (persyaratan penjualan dan volume produksi)  Berdasarkan persyaratan penjualan dan volume produksi, terdapat 2 golongan utama produk industri proses kimia, yaitu: 1. Produk tak-terdiferensiasi, terdiri dari: 1a. Bahan kimia komoditas sejati 1b. Bahan kimia adi 2. Produk terdiferensiasi, terdiri dari: 2a. Bahan kimia komoditas semu 2b. Bahan kimia khusus

 Produk tak-terdiferensiasi, undifferentiated product: bahan berumus kimia tertentu yang diproduksi dalam wujud hampir selalu sama, walaupun produsen/pemasoknya banyak, dan persyaratan mutunya adalah komposisi zat kimia yang dikandung produk kimia tersebut.  Bahan kimia komoditas sejati, true commodity: produk tak-terdiferensiasi yang bervolume produksi besar, dibuat dari bahan mentah yang sumbernya dikuasai sendiri oleh produsen, dan dijual atas dasar komposisi kimia menurut baku mutu yang ditetapkan oleh industri dan masyarakat konsumen. Contoh: soda api, amoniak, pupuk kimia, dsb.

 Bahan kimia adi, fine chemical: produk takterdiferensiasi yang bervolume produksi kecil dan umumnya dijual atas dasar komposisi kimia menurut standar-standar tertentu, seperti “Farmakopea Indonesia”, “US Pharmacopeia”, “Food Chemicals Codex”, dsb. Contoh: zat-zat kimia bahan obat, zat-zat kimia pemberi aroma, zat kimia pemberi warna atau bahan pencelup, dan xat kimia bubuhan pangan  Produk terdiferensiasi, differentiated product: bahan kimia yang diproduksi untuk diperjual-belikan tidak atas dasar komposisi kimianya, tetapi berdasar spesifikasi dan kenyataan unjuk-kerjanya ketika dipakai konsumen.

 Bahan kimia komoditas semu, pseudocommodity: produk terdiferensiasi bervolume produksi besar. Sumber bahan mentahnya sering dikuasai sendiri oleh produsen dan porsi utama dari volume produk yang diniagakan umumnya diserap oleh satu atau dua konsumen besar. Contoh: plastik dan resin, serat sintetik, carbon black, pigmen dan zat aktif permukaan.  Bahan kimia khusus, specialty product: produk terdiferensiasi bervolume produksi kecil, dan biasanya didistribusikan ke banyak konsumen. Bahan mentahnya lazim dibeli di pasar bebas. Contoh: perekat epoksi, anti-korosi, enzim untuk industri, katalis-katalis khusus, dsb.

Tinjauan Umum Pemrosesan Kimia  Di industri proses kimia, bahan baku (bahan mentah atau bahan kimia dasar) mengalami serangkaian tahap pengolahan tertentu untuk dihasilkan produk yang diinginkan (jenis, keadaan, bentuk, dan spesifikasi mutu tertentu), yang disebut sebagai kegiatan pemrosesan.  Tujuan dari kegiatan pemrosesan tersebut adalah untuk mengubah sifat kimia, fisik dan atau kimia-fisik bahan olahan dalam kondisi yang terkendalikan, sehingga bahan baku dapat ditransformasikan menjadi produk tertentu.

 Dalam melakukan pemrosesan material, untuk mewujudkan produk dari bahan baku, suatu industri proses kimia menerapkan teknologi-teknologi tertentu.  Teknologi pemrosesan dapat diklasifikasikan menjadi 2 golongan berikut: a. teknologi sintesis produk b. teknologi formulasi/peramuan produk  Teknologi sintesis seringkali berintikan pelaksanaan reaksi kimia yang menghasilkan produk dari reaktan (bahan mentah) dan hampir selalu melibatkan operasi-operasi penyiapan bahan mentah

 Teknologi formulasi pada hakekatnya hanya berupa pembauran bahan-bahan kimia mengikuti proporsi/resep tertentu, dengan cara pencampuran, emulsifikasi, pelarutan, dan perlakuan fisik lain, untuk mendapatkan produk (ramuan) yang unjukkerjanya dikehendaki.  Hubungan antar kedua teknologi proses tersebut: Teknologi sintesis merupakan tulang punggung proses-proses pembuatan zat-zat kimia dasar, zat-zat kimia antara, dan dan produk/bahan kimia fungsional. Sedangkan teknologi formulasi terutama diterapkan untuk mengolah lebih lanjut bahan/produk

 Berdasarkan variasi produk yang dihasilkan, pabrik dengan teknologi sintesis, dikenal ada 2 jenis pabrik kimia: a. Pabrik sintesis eka-guna: pabrik yang dirancang untuk memproduksi satu atau dua jenis bahan kimia komoditas b. Pabrik sintesis serba-guna: dirancang untuk memproduksi aneka ragam bahan kimia bervolume produksi kecil.  Secara keseluruhan dikenal 3 jenis pabrik proses kimia: pabrik sintesis eka-guna, pabrik sintesis serba-guna, dan pabrik peramuan/formulasi.  Pada pabrik peramuan/formulasi

 Pabrik sintesis produk umumnya melibatkan jenis-jenis pengolahan yang beraneka ragam, dan biasanya melibatkan penyelenggaraan reaksi kimia.  Sejumlah pabrik proses kimia tipe sintesis dalam mengahasilkan produk dari bahan mentah tanpa secara konseptual memerlukan reaksi kimia. Atau dengan pernyataan lain, kegiatan penyelenggaraan reaksi kimia tidak mutlak selalu dilibatkan di dalam pemrosesan di pabrik proses kimia. Bergantung pada karakteristik bahan baku dan produk yang ingin dihasilkan.

Mode Operasi Pabrik Proses Kimia  Terdapat 2 mode operasi pemrosesan: partaian (batch) dan sinambung (continuous).  Pada proses partaian, di tiap bejana pemroses, kegiatan pemasukan umpan, pelaksanaan proses/pengolahan, pengeluaran produk dan pembersihan berlangsung secara ber-urutan (perkegiatan, berselang-seling). Satu partaian terdiri atas urutan kegiatan: isi – olah – bongkar – pembersihan, kemudian diikuti partaian berikutnya dengan rentetan kegiatan yang sama (diulangi kembali).

 Namun pabrik-pabrik proses modern dan berskala besar umumnya berproduksi dengan mode operasi sinambung.  Pada mode operasi sinambung, bahanbahan mentah dialirkan masuk bejanabejana pemroses secara sinambung (terusmenerus) dan produk juga dialirkan keluar secara sinambung, 24 jam sehari tanpa interupsi.  Pada kapasitas produksi tidak besar, biayabiaya permodalan pabrik bermode operasi partaian umumnya lebih kecil daripada pabrik bermode operasi sinambung.  Uji coba proses-proses baru umumnya mulamula dilaksanakan secara partaian,

 Alasan utama penerapan mode operasi sinambung di hampir semua pabrik kimia berskala besar: a.Biaya buruh menjadi lebih lebih rendah, karena adanya pengurangan jumlah kegiatan pemrosesan b. Pengendalian otomatik dapat diterapkan secara relatif lebih mudah, sehingga menekan biaya untuk buruh, walaupun biasanya modal awal lebih besar c.Kondisi-kondisi proses umumnya lebih konstan, sehingga kualitas produk juga lebih konstan.  Di dalam praktek industri, juga banyak proses kimia dilaksanakan dengan mode

 Pabrik sintesis eka-guna umumnya bermode operasi sinambung atau semi-sinambung (modal awal pendiriannya besar, tapi nonpadat karya)  Pabrik sintesis serba-guna lazim bermode operasi partaian atau semi-partaian (modal awal lebih kecil daripada pabrik eka-guna, tapi ongkos buruh tinggi)  Pabrik formulasi biasanya bermode operasi partaian (modal awal pendiriannya paling kecil di antara ketiga macam pabrik proses kimia, tapi ongkos buruhnya relatif tinggi)

Pengumpanan bahan

Pengolahan bahan

Pengeluaran produk

Mode operasi partaian/batch

Umpan

Pengumpanan, pengolahan, dan pengeluaran produk berlangsung bersamaan

Produk

Mode operasi sinambung/continuous

Alur Proses di Industri Proses Kimia  Pabrik sintesis produk melibatkan rentetan pengolahan-pengolahan yang dapat dikelompokkan dalam 4 seksi/bagian, yaitu: a. penyiapan kondisi bahan mentah, misalnya penggilingan, pengayakan, pemanasan, pendinginan, pemampatan, penghilangan pengotor, dsb. b.penyelenggaraan rekasi kimia yang menghasilkan produk yang dikehendaki c.pemisahan produk (utama) dari produk samping dan reaktan-reaktan sisa yang pada umumnya kemudian didaur-ulang ke tahap penyelenggaraan reaksi d.penyempurnaan produk, misalnya

 Dalam penyelenggaraan pemrosesan, keempat seksi pengolahan tersebut didukung kelancarannya oleh unit utilitas (unit penyedia dan pemasok komponenkomponen utilitas: air proses, medium pemanas dan atau pendingin, dan energi, terutama listrik dan bahan bakar).  Ada yang menyederhanakan seksi-seksi pengolahan menjadi 3 jenis pengolahan, yaitu: pengolahan awal, proses inti, dan pengolahan akhir.  Pengolahan awal: kegiatan mengolah bahan dengan tujuan agar bahan memiliki spesifikasi atau syarat-syarat teknis yang

 Proses inti: tranformasi atau pengubahan bahan keluaran dari pengolahan awal menjadi produk yang dikehendaki. Kegiatan proses inti inti umunya dilakukan melalui salah satu atau lebih jenis teknik reaksi kimia (misal: oksidasi, hidrogenasi, hidrolisis, reformasi kukus, dll). Aspek-aspek yang harus diperhatikan pada proses inti yang melibatkan reaksi kimia, antara lain: yield, selektivitas, konversi, reaksi samping, jenis katalis, aspek panas, jenis reaksi, fasa reaksi, laju reaksi, jenis reaktor, dll.  Pengolahan akhir: rangkaian pengolahan terhadap bahan luaran/produk dari proses

Rangkaian Pengolahan dengan 4 seksi/kelompok:

Rangkaian Pengolahan dengan 3 seksi/kelompok: Recycle Purging Produk Samping

Bahan Baku/ Raw Matrerials

Pengolahan awal/ pretreatment

Proses Inti

Utilitas: - Air - Udara tekan - Uap air - Pengolahan limbah - Energi (listrik, bahan bakar)

Pengolahan akhir

Produk Utama

 Keseluruhan rangkaian pengolahan dan utilitas dari tiap pabrik proses kimia harus dapat dioperasikan secara terpadu dan terkendali, sehingga mewujudkan suatu sistem produksi yang: aman, efisien, dan ekonomis.  Rangkaian pengolahan di pabrik proses kimia secara sistemik memujud menjadi suatu alur proses.  Pada pabrik kimia sintesis produk, secara organis, alur proses tersusun atas rangkaian alat-alat proses dimana di dalam setiap alat proses tersebut dilangsungkan satu atau beberapa jenis operasi satuan (unit

 Alur proses dirancang sedemikian rupa sehingga selama proses produksi, bahan olahan (dengan bantuan energi) akan tunduk pada teknologi kimia yang telah diterapkan/dipilih, sehingga bahan olahan mengalami perubahan-perubahan sifat (fisik/mekanik, kimia, dan atau kimia-fisik) sesuai yang dikehendaki untuk memujudkan produk dari bahan baku.  Alur proses di suatu pabrik proses kimia dapat digambaran dalam 3 bentuk diagaram alir proses, yaitu: a. diagram blok (block diagram) b. lembar-alir proses (process flowsheet)

 Block diagram, merupakan bentuk penggambaran alur proses paling sederhana, berupa kotak-kotak yang melambangkan jenis alat/operasi yang dihubungkan dengan garis-garis alir proses. Garis-garis alir proses tersebut melambangkan “aliran bahan/material”.  Process Flowsheet, visualisasi proses secara lebih kompleks dan lengkap, berupa rangkaian alat-alat proses yang digambarkan dalam bentuk standar, dan biasanya pada tiap alat/garis alir proses dilengkapi dengan kondisi operasi/kondisi material.  Engineering Flowsheet (= PEFD/Process

Contoh Process Flowsheet pada Pembuatan Methanol dari Gas Sintesis

Satuan Proses: Konversi-Konversi Kimia  Tiap seksi pengolahan dari suatu pabrik proses kimia biasanya merupakan rangkaian dari beberapa satuan pemroses, yaitu: sarana fisik atau peralatan yang menjadi bagian dari pabrik dan mewujudkan peristiwa kimia, fisik, atau kimia-fisik, yang menyebabkan bahan-bahan yang diolah di dalamnya mengalami perubahan wujud, bentuk, kandungan energi, komposisi, atau struktur molekul. Peristiwa kimia, fisik, atau kimia-fisik sendiri disebut satuan proses.  Satuan-satuan proses yang diterapkan di dalam industri proses kimia dapat digolongkan menjadi 2 kategori besar:

 ....2 kategori satuan-stuan proses di dalam industri proses kimia: 2. operasi-operasi teknik kimia: meliputi pengangkutan (pemindahan) bahan, pengangkutan (pemindahan) bahan, pengubahan bentuk/ukuran bahan, pengubahan keadaan (wujud, sifat, temperatur) bahan, dan pengubahan komposisi zat kimia bahan dengan cara pemisahan atau pemurnian.  Konversi-konversi kimia berupa reaksi-reaksi kimia diselenggarakan di dalam berbagai tipe reaktor (bejana reaksi).  Terdapat 2 tipe dasar reaktor yang populer

 Pada pengkonversian kimia, di dalam praktek, terdapat efisiensi operasional proses konversi kimia dengan nilai tertentu. Efisiensi tersebut diungkapkan dengan menggunakan beberapa tolak ukur, yaitu: a. Derajat konversi (dinyatakan dalam %) atau fraksi konversi (dinyatakan sebagai pecahan antara 0 dan 1). Tolak ukur ini cukup untuk menggambarkan efisiensi proses i) jika di reaks banyak reaktan (utama) ygterkonvers i (dikonsums olehsemua Fraksi konversi  reaktor (campuran reaksi) hanya dalam banyak reaktan (utama) semula (yang diumpankan ) terjadi satu reaksi. Rumusan dasarnya: Derajat konversi  (fraksi konversi)  100%

 ...tolak ukur efisiensi proses konversi kimia: Jika di dalam reaktor terjadi beberapa reaksi, efisiensi proses konversi tidak cukup hanya dinyatakan dengan tolak ukur berupa derajat atau fraksi konversi. Di dalam praktek, untuk keperluan ini dikenal 2 tolak banyak reaktan (utama) yang terkonvers i menjadi produk P ukur pelengkap, yaitu: b. Perolehan (yield), Yieldproduk P  100% banyak reaktan (utama) semula (yang diumpankan ) dirumuskan: c. Selektivitas, banyak reaktan (utama) yangterkonvers i menjadi produk P Selektivit asproduk P  100% dirumuskan: banyak reaktan (utama) yangterkonvers i (dikonsums i)olehsemua reak si Yieldatauperolehan  (fraksi konversi) x (selektifi tas)

Atau :

Satuan Proses: Operasi-Operasi Teknik Kimia  Operasi-operasi teknik kimia merupakan bentuk pengolahan terkecil dalam kegiatan pemrosesan kimia, meliputi: pengangkutan (pemindahan) bahan, pengubahan bentuk/ukuran bahan, pengubahan keadaan (wujud, sifat, temperatur) bahan, dan pengubahan komposisi zat kimia bahan (dengan cara pemisahan atau pemurnian).  Sedangkan bahan sebagai bagian yang diolah terdapat dalam 3 wujud: padat, cair, dan gas. Cair dan gas secara kolektif disebut fluida. Padat dan cair karena volum

 Pengangkutan (pemindahan) fluida dilakukan dengan operasi pemompaan melalui sistem saluran berupa sistem perpipaan. Alat pemasok energi: pompa, kompresor, blower, atau fan.  Pengangkutan bahan padat dengan operasi pengangkutan (conveying). Alat berupa konveyor dengan berbagai jenis.  Pengubahan bentuk/ukuran bahan dilakukan dengan operasi-operasi seperti penggilingan, penggerusan, pelumatan, aglomerasi, dan peletisasi.  Pengubahan keadaan (fasa dan

 Pengubahan komposisi zat kimia bahan (dengan pemisahan dan pemurnian) dilakukan melalui 2 bentuk pemisahan, yaitu: pemisahan mekanik dan pemisahan difusional.  Operasi-operasi pemisahan mekanik dilakukan terhadap campuran heterogen dengan memanfaatkan perbedaan sifat fisik (contoh: densitas) atau sifat mekanik (contoh: ukuran atau kekerasan). Mekanisme terjadinya pemisahan adalah peristiwa makroskopik, yaitu perbedaan arah, kecepatan, atau kemerdekaan gerak berbagai agregat bahan (yang memiliki sifat

 Operasi-operasi pemisahan difusional dilakukan terhadap campuran hemogen bahanbahan (larutan) dan meng- eksploitasi perbedaan sifat-sifat kimia-fisik zat-zat kimia komponen larutan yang hendak dipisahkan. Sifat-sifat tersebut adalah salah satu atau lebih dari yang berikut: a. Struktur dan atau ukuran molekul zat kimia b. Daya larut zat-zat kimia di dalam cairan pelarut c. Kemudahan menguap (volatilitas) atau titik didih zat-zat kimia d. Kohesifitas (daya lekat) molekul zat-zat kimia yang berada di fasa fluida ke permukaan benda padat

 Contoh operasi-operasi pemisahan difusional adalah: a. Distilasi f. Desorpsi/pelucutan b. Absorpsi g. Ekstraksi c. Adsorpsi h. Penyeduhan/leaching d. Evaporasi i. Kristalisasi e. Pengeringan  Selain itu terdapat operasi pemisahan yang memanfaatkan perbedaan sifat elektromagnetik bahan-bahan (contoh: penyisihan debu yang terseret aliran gas di dalam sebuah pengendap/presipitator elektrostatik, dan pemisahan partikel-

Simbolsimbol pelambang berbagai operasi teknik kimia