BAB I PENDAHULUAN
1.1.LATAR BELAKANG
Peristiwa pemanasan global saat ini disebabkan oleh peningkatan konsentrasi gas efek rumah kaca di atmosfer, sehingga menyebabkan masalah yang serius terhadap kondisi kehidupan di bumi. Karbon dioksida (CO2) yang dianggap sebagai penyebab utama pemanasan global. Peningkatan 13.000 juta ton karbon dioksida ditaksir dilepaskan terus setiap tahunnya ke atmosfer. Kenaikan konsentrasi karbon dioksida (CO2) mempengaruhi atmosfer, permukaan laut, dan sistem ekologis. Kenaikan permukaan laut di bumi sebesar 10 – 10 – 20 20 cm di akhir abad yang lalu diperkirakan akan mengalami peningkatan ketinggian menjadi 88 cm pada akhir abad ini. Konsentrasi karbon dioksida di atmosfer saat ini mencapai 380 ppm, 30% lebih tinggi daripada level pre-industri, dan diperkirakan meningkat hingga 800 sampai 1000 ppm pada tahun 2010 (Zahedi,dkk. 2005). Pada konferensi persatuan bangsa-bangsa untuk membahas kerangka konvensi penanganan perubahan iklim di Kyoto pada Desember 1997, dihasilkan persetujuan yang dikenal sebagai Protokol Kyoto. Protokol Kyoto menyebutkan bahwa mayoritas industrialisasi di beberapa Negara agar membatasi emisi gas pen yebab efek rumah kaca untuk periode dari tahun 2008 sampai 2012. Karena pengukuran reduksi CO2, penelitian ini mempertimbangkan konversi CO2 menjadi metanol (Zahedi,dkk. 2007). Pada tahun ini, ketertarikan pada metanol sangat besar untuk kemajuan aplikasi produksi energi. Dan dapat digunakan sebagai gas penggerak turbin. Selain itu, metanol mudah dikonversikan menjadi listrik melalui bahan bakar, mengahasilkan efisiensi yang lebih besar dan emisi yang rendah daripada pembakaran mesin secara internal. Akhirnya, metanol dapat digunakan sebagai bahan bakar motorgasoline dan mesin diesel, secara signifikan memberikan kontribusi reduksi emisi pembuangan.
SINTESIS METHANOL | 1
Secara partikuler, metanol dapat digunakan sebagai bahan aditif pada gasoline atau reagen dalam produksi biodiesel melalui proses trans esterifikasi. Meskipun tidak secara langsung berhubungan dengan produksi energi, metanol dapat digunakan untuk membuat formaldehida, asam asetat, dan produk intermediet (Larocca, dkk. 2010). Pembuatan metanol terdiri dari tiga bagian utama yaitu produksi syngas, konversi syngas menjadi metanol, dan pemurnian dari crude metanol menjadi produk sesuai spesifikasi yang diinginkan. Pada penelitian ini yang dikaji adalah proses konversi syngas (sintesis) menjadi metanol dengan menggunakan sistem recycle. Reaktor yang digunakan pada sintesis metanol ini berjenis Lurgi yang tersusun dari shell dan tube heat exchanger multi tube dan beroperasi pada tekanan rendah dengan katalis solid Cu/Zn/Al2O3 pada bagian tube-nya. Reaksi yang terjadi pada reaktor adalah hidrogenasi karbon monoksida (CO), hidrogenasi karbon dioksida (CO2) dan Reverse Water Gas Shift (RWGS). Reaktor hanya mengkonversi sejumlah kecil syngas menjadi metanol, syngas yang tidak bereaksi di-recycle kembali dan gas inert dialirkan ke purge. Meskipun prosesnya terlihat sederhana, namun kebutuhan energinya besar, yaitu untuk energi mekanik kompresi syngas, pemanasan, dan pendinginan pada berbagai stage di proses ini. Sehingga diperlukan penyelesaian inovatif untuk mengendalikan sistem sintesis metanol dengan recycle tersebut (Arthur, 2009). Simulasi yang digunakan untuk sentesis metanol ini menggunakan Aspen Hysys 7.2, sedangkan pada literatur yang diperoleh menggunakan Unisim Honeywell R380 kedua software ini memiliki banyak kesamaan, yang membedakannya adalah lisensi pembuatannya. Penelitian ini dilakukan untuk mengendalikan sistem sintesis metanol dengan menggunakan controller MPC dan PID dimana pada literatur digunakan controller PI. Tuning parameter yang dipakai menggunakan Ziegler Nichols. Pemberian controllerdimaksudkan untuk mengendalikan lokasi yang signifikan pada sistem untuk meningkatkan efisiensi energi dan meng-optimumkan produk dari sintesis metanol (Arthur, 2010).
SINTESIS METHANOL | 2
1.2.RUMUSAN MASALAH
1 Bagaimana cara mengetahui katalis yang digunakan 2 Bagaimana cara sintesis katalis 3 Bagaimana cara mekanisme sintesis methanol
1.3. TUJUAN PENULISAN
1 Mengetahui jenis katalis yang digunakan 2 Mengetahui cara sintesis dari katalis yang akan digunakan 3 Mengetahui cara sintesis methanol
SINTESIS METHANOL | 3
BAB II ISI
2.1. PENGENALAN METANOL DAN KATALIS
2.1.1. METANOL
Metanol merupakan cairan polar yang dapat bercampur dengan air, alkohol – alkohol lain seperti, ester, keton, eter, dan sebagian besar pelarut organik. Metanol sedikit larut dalam lemak dan minyak. Titik didih metanol b erada pada 64,7oC dengan panas pembentukan (cairan) – 239,03 kJ/mol pada suhu 25oC. Metanol mempunyai panas fusi 103 J/g dan panas pembakaran pada 25oC sebesar 22,662 J/g. Tegangan permukaan metanol adalah 22,1 dyne/cm sedangkan panas jenis uapnya pada 25oC sebesar 1,370 J/(gK) dan panas jenis cairannya pada suhu yang sama adalah 2,533 J/(gK) (Winarso,1998). Metanol dapat dibuat dari proses penyulingan kayu, gasifikasi batu bara muda dan sintesis gas alam. Sintesis metanol dari gas alam saat ini tekhnologinya di pakai pada pembuatan metanol skala industri di mana di Indonesia sendiri baru ada 2 pabrik yang mengolahnya yaitu kilang metanol Bunyu di Tarakan, Kaltim dengan kapasitas produksi 1000 MT/day dan kilang metanol Kaltim Metanol Industri di Bontang juga di Kaltim dengan kapasitas produksi 2000 MT/day (KMI,1997). Seperti yang kita ketahui bahwa methanol dapat dihasilkan dari bahan baku biomas, seperti : 1. Bahan-bahan yang mengandung hidrat arang dalam bentuk gula seperti tebu dan nipah 2. Bahan-bahan yang mengandung hidrat arang dalam bentuk zat tepung (starch) seperti ubi jalar, kentang, dan sagu. 3. Bahan-bahan selulosa yang mengandung arang dengan bentuk molekul yang lebih kompleks seperti kayu.
SINTESIS METHANOL | 4
Banyak limbah-limbah pertanian yang tidak memiliki nilai ekonomis memiliki potensi untuk dikembangkan menjadi bioethanol sehingga memiliki potensi ekonomis yang tinggi dan mampu berperan sebagai diversivikasi bahan bioetanol. Salah satu bahan baku biomas yang akan dibahas pada makalah ini adalah jerami (Anonim, 2005).
2.1.2. KATALIS
Katalis merupakan suatu zat yang dapat mempercepat suatu reaksi serta dapat mempertahankan suatu reaksi agar tetap berlangsung secara tetap atau konstan. Katalis dapat menurunkan energi aktivasi yaitu energi yang dibutuhkan agar partikel dapat bertumbukan, sehingga kesetimbangan reaksi cepat tercapai. Katalis yang baik dapat menginduksi transformasi molekul-molekul reaktan dengan cepat tanpa mengalami penurunan kualitas yang berarti. Katalis hanya dapat mempercepat tercapainya kesetimbangan reaksi dan tidak dapat menggesernya (Twigg,1970). Katalis yang memiliki fasa yang sama dengan reaktan disebut dengan k atalis homogen, sedangkan apabila fasanya berbeda disebut heterogen. Didalam industri katalis memiliki kemampuan kerja bergantung pada tiga karakter yaitu : 1. Aktivitas katalis. Kemampuan katalis untuk mempercepat konversi umpan menjadi produk per satuan berat atau volume katalis pada kondisi tertentu. Aktivitas katalis per satuan volume menjadi hal penting secara ekonomi karena berpengaruh terhadap ukuran da n harga reaktor. Penurunan aktivitas katalis akan menyebabkan konversi reaksi akan turun pada waktu tinggal yang tetap. Umumnya kerusakan katalis (deaktivasi katalis) dibagi menjadi: a. Pengerakan (fouling) Deaktivasi katalis akibat pengerakan, pada umumnya berlangsung cepat. Pengerakan terjadi jika ada zat-zat dalam reaktor terdeposit diatas permukaan katalis dan menutup pori-pori katalis secara fisik. Karbon merupakan bentuk kerak yang paling umum dan bentuk pengerakannya disebut coking . Misalnya pembentukan coke (C) pada reaksi pemecahan hidrokarbon. CH4
C + 2H2
SINTESIS METHANOL | 5
CnHm
nC + /2 H2
Reaksi pembentukan deposit karbon terjadi pada rentan temperatur antara 650800oC. b. Peracunan (poisoning) Deaktivasi katalis akibat peracun, umumnya berlangsung lambat, peracunan disebabkan oleh penyerapan zat kimia. Zat-zat dalam aliran proses ini kemudian menutup atau memodifikasi aktif sintesis pada katalis racun dapat menyebab kan perubahan morfologi permukaan katalis baik melalui rekonstruksi permukaan maupun relaksasi permukaan. c. Kerusakan (sintering) Deaktivasi katalis yang disebabkan oleh pertumbuhan atau aglomerasi kristal yang akan merubah struktur kimia katalis atau kemampuan kerja optimum katalis.
2. Selektivitas katalis Kemampuan katalis untuk mengarahkan reaksi spesifik untuk menghasilkan produk yang diinginkan sehingga berlangsung reaksi pembentukan produk yang lain dapat dihambat.
3. Umur katalis Periode dimana katalis dapat mempercepat reaksi pada rentang waktu yang telah ditentukan. Umur katalis berkaitan erat dengan aktivitas dan selektivitas. Apabila katalis yang telah mengalami penurunan kekuatan mekanik, aktivitas dan selektivitas yang berakibat penurunan konversi secara drastis maka dikatakan bahwa katalis telah berumur dan harus segera diregenerasi atau diganti (Twigg,1989).
SINTESIS METHANOL | 6
2.2. SINTESIS METANOL
BASF pada tahun 1923 mengenalkan proses sintesis methanol dari CO dan H2 yang merupakan aplikasi kedua terbesar mengenai katalis dan teknologi tekanan tinggi dalam industri kimia. Proses tersebut merupakan penelitian lanjut dari hidrogenasi CO, 1.
CO dan H dapat bereaksi pada tekanan 100 – 300 bar untuk menghasilkan produk yang beragam dari methanol sampai alkohol yang lebih tinggi, tergantung pada katalis yang digunakan dan kondisi operasi
2.
Komponen-komponen yang terhidrogenasi dan hidrokarbon. Penelitian ini dilakukan oleh Fischer-Tropsch pada sekitar awal 1930 an. Sintesis metanol fasa gas dengan menggunakan katalis berbasis Cu/ZnO
dikembangkan dan dikomersialkan pertama kali oleh ICI pada tahun 1960 dengan kondisi operasi tekanan 50-120 atm dan temperatur 230-300oC. Katalis yang digunakan yaitu Cu/ ZnO/ AL2O3. Katalis tersebut digunakan pada tekanan yang rendah, memiliki keaktifan yang tinggi namun ketahanan termalnya rendah dan mengalami pendeaktifan selama reaksi dan tingkat keberhasilan sintesis metanol salah satunya ditentukan oleh persiapan katalis seperti proses reduksi atau aktivasi . Variabel reduksi seperti temperatur dan waktu reduksi sangat berpengaruh terhadap aktivitas katalis pada proses sintesis metanol fasa gas. Aktivitas katalis ini tentunya berkaitan erat dengan banyaknya fraksi CuO yang tereduksi. Semakin besar fraksi CuO tereduksi, maka aktivitas katalis cenderung meningkat. Namun proses reduksi harus dikendalikan dengan baik agar ZnO tidak ikut tereduksi yang dapat mengakibatkan turunnya aktivitas katalis.
2.2.1 Jenis Katalis yang Digunakan
Jenis katalis yang digunakan pada sintesis methanol ini merupakan katalis homogen dan heterogen. 1. Katalis homogen merupakan suatu katalis yang seluruh reaktan / produknya dalam fasa yang sama.
SINTESIS METHANOL | 7
Contoh : Cu(NO3)2 (s) + 6 H2O (l) → [Cu(H2O)6] 2+ (aq) + 2(NO3) - (aq) 2. Katalis heterogen merupakan suatu katalis yang reaksinya multi fasa (memiliki fasa yang berbeda) Contoh : [Cu(H2O)6] 2+ (aq) + Na2CO3 (aq) → Cu(OH)2 ↓ (s) + 2Na+ (l) + CO3 2- (l) + 5 H2O (l)
2.2.2 Sintesis Katalis dalam Produksi Metanol
Pada sintesis katalis Cu/ ZnO/ AL 2O3, katalis tersebut berasal dari senyawa Cu(NO3)2.3H2O, Zn(NO3)2.6H2O, Al(NO3)3.9H2O. masing- masing senyawa tersebut
dilarutkan selama 5 jam dengan persamaan reaksi: Cu(NO3)2 (s) + 6 H2O (l) → [Cu(H2O)6] 2+ (aq) + 2(NO3) - (aq) Zn(NO3)2 (s) + 6 H 2O (l) → [Zn(H2O)6] 2+ (aq) + 2 (NO3) - (aq) Al(NO3)3 (s) + 6 H2O (l) → [Al(H2O)6] 3+ (aq) + 3(NO3) - (aq) Setelah proses pelarutan larutan prekursor ini diendapkan dengan cara menambahkan dengan Na2CO3 2 M yang nantinya akan membentuk endapan logam hidroksida Cu(OH)2, Zn(OH)2, Al(OH)3 dapat dilihat pada persamaan reaksi: [Cu(H2O)6]
2+
(aq) + Na 2CO3 (aq) → Cu(OH)2 ↓ (s) + 2Na+ (l) + CO3
2-
[Zn(H2O)6]
2+
(aq) + Na 2CO3 (aq) → Zn(OH)2 ↓ (s) + 2Na + (l) + CO3
2-
(l) + 5 H 2O (l) (l) + 5 H2O (l)
[Al(H2O)6] 3+ (aq) + Na 2CO3 (aq) → Al(OH)3 ↓ (s) + 2Na+ (l) + CO3 2- (l) + 5 H 2O (l)
Endapan logam-logam hidroksida yang dihasilkan dari proses kopresipitasi ini dimasukkan dalam krus alumina dan dikeringkan dalam oven selama 1 jam pada suhu 1100C Proses ini bertujuan untuk menghilangkan kadar air yang berlebihan serta sisa karbonat yang tertinggal dalam padatan. Proses penting dalam sintesis katalis adalah kalsinasi, kalsinasi bertujuan untuk mengubah campuran Cu(OH)2, Zn(OH)2, dan Al(OH)3 menjadi CuO, ZnO dan
SINTESIS METHANOL | 8
Al2O3 dengan melepaskan air, natrium dan pelarut organik lainnya seperti karbonat.
Reaksi yang terjadi pada proses kalsinasi dilihat pada persamaan reaksi:
Cu(OH)2 ↓ (s) + 2Na+ (l) + CO3 2- (l) + 5 H2O(l) → CuO (s) Zn(OH)2 ↓ (s) + 2Na+ (l) + CO3 2- (l) + 5 H2O(l) → ZnO (s) Al(OH)3 ↓ (s) + 2Na+ (l) + CO3 2- (l) + 5 H2O(l) → Al2O3 (s) Untuk menghasilkan katalis Cu/ ZnO/ AL2O3 , maka pada CuO harus direduksi menggunakan H2 yang nantinya akan menghasilkan Cu. Reduksi bertujuan untuk mengubah CuO menjadi Cu yang merupakan fasa aktif dari katalis ini. Reaksinya adalah: CuO(s) + H2(g) → Cu(s) + H2O(l) Sehingga, didapatlah katalis Cu/ ZnO/ AL2O3.
2.2.3 Sintesis Metanol
Gas sintesis umumnya dihasilkan dari metana yang merupakan komponen dari gas alam. Terdapat tiga proses yang dipraktekkan secara komersial, yaitu: 1. Pada tekanan sedang 1 hingga 2 MPa (10-20 atm) dan temperatur tinggi (sekitar 850 °C), metana bereaksi dengan uap air (steam) dengan katalis nikel untuk menghasilkan gas sintesis. menurut reaksi kimia berikut: CH4 + H2O → CO + 3 H2 Pada tahapan pertama ini terjadi pemisahan zat-zat pengotor dan racun katalis dari aliran gas hidrogen. Zat racun katalis berupa karbon monoksida, karbon dioksida, dan hidrogen sulfida (H2S). Tahapan purifikasi zat racun katalis tersebut diawali dengan konversi metana oleh steam menjadi karbon monoksida dan hidrogen yang berlangsung dalam steam methane reformer (SMR). Reaksi ini, umumnya SINTESIS METHANOL | 9
dinamakan steam-methane reforming atau SMR, merupakan reaksi endotermik dan limitasi perpindahan panasnya menjadi batasan dari ukuran reaktor katalitik yang digunakan. 2. Metana juga dapat mengalami oksidasi parsial dengan molekul oksigen untuk menghasilkan gas sintesis melalui reaksi kimia berikut: 2 CH4 + O4 → 2 CO2 + 4 H2 Reaksi ini adalah eksotermik dan panas yang dihasilkan dapat digunakan secara insitu untuk menggerakkan reaksi steam-methane reforming. 3.
Ketika dua proses tersebut dikombinasikan, proses ini disebut sebagai autothermal reforming. Rasio CO and H2 dapat diatur dengan menggunakan reaksi perpindahan air-gas (the water-gas shift reaction): CO + H2O → CO2 + H2. Pada tahapan ini proses yang terjadi yaitu Karbon monoksida hasil gasifikasi dan konversi metana dalam aliran gas kemudian diubah menjadi hidrogen dan karbon dioksida dengan menggunakan yang melibatkan steam dan katalis Cu-Zn. Karbon dioksida dan H2S dalam aliran gas kemudian diumpankan dalam absorber dengan monoetanolamine 20% sebagai absorben, dimana seluruh hidrogen sulfida (H2S) dalam aliran gas terserap. Untuk menghasilkan stoikiometri yang sesuai dalam sintesis metanol. Karbon monoksida dan hidrogen kemudian bereaksi dengan katalis kedua untuk menghasilkan metanol. Saat ini, katalis yang umum digunakan adalah campuran tembaga, seng oksida, dan alumina (Cu/ ZnO/ AL2O3) yang pertama kali digunakan oleh ICI di tahun 1966. Pada 5-10 MPa (50-100 atm) dan temperatur 250 °C, ia dapat mengkatalisis produksi metanol dari karbon monoksida dan hidrogen dengan selektifitas yang tinggi: CO + 2 H2 → CH3OH Sangat perlu diperhatikan bahwa setiap produksi gas sintesis dari metana menghasilkan 3 mol hidrogen untuk setiap mol karbon monoksida, sedangkan sintesis metanol hanya memerlukan 2 mol hidrogen untuk setiap mol karbon
SINTESIS METHANOL | 10
monoksida. Salah satu cara mengatasi kelebihan hidrogen ini adalah dengan menginjeksikan karbon dioksida ke dalam reaktor sintesis metanol, dimana ia akan bereaksi membentuk metanol sesuai dengan reaksi kimia berikut: CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O Walaupun gas alam merupakan bahan yang paling ekonomis dan umum digunakan untuk menghasilkan metanol, bahan baku lain juga dapat digunakan. Ketika tidak terdapat gas alam, produk petroleum ringan juga dapat digunakan. Di Afrika Selatan, sebuah perusahaan (Sasol) menghasilkan metanol dengan menggunakan gas sintesis dari batu bara.
SINTESIS METHANOL | 11
BAB III PENUTUP
3.1. KESIMPULAN
SINTESIS METHANOL | 12
