STUDI DISTILASI REAKTIF UNTUK PRODUKSI GISEROL TERT BUTYL ETHER DENGAN MENGGUNAKAN ASPEN PLUS
Laporan Penelitian
Disusun untuk memenuhi tugas akhir guna mencapai gelar Sarjana di bidang Ilmu Teknik Kimia
oleh: Ignasius Irvin (6213028) Harry Julyanto(6214080) Julyanto(6214080)
Dosen Pembimbing: Dr. Budi H. Bisowarno
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS KATOLIK PARAHYANGAN BANDUNG 2017
i
LEMBAR PENGESAHAN STUDI DISTILASI REAKTIF UNTUK PRODUKSI GLISEROL TERT BUTYL ETHER DENGAN ASPEN PLUS
CATATAN
Telah diperiksa dan disetujui,
Bandung,26 Mei 2017 Pembimbing,
Dr.Budi H. Bisowarno
i
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS KATOLIK PARAHYANGAN
SURAT PERNYATAAN
Kami, yang bertanda tangan di bawah ini: Nama : Ignasius Irvin
Nama:Harry Nama:Harry Julyanto
NRP
NRP:6214080
: 6213028
Dengan ini menyatakan bahwa laporan penelitian dengan judul: STUDI DISTILASI REAKTIF
UNTUK PRODUKSI GLISEROL TERT BUTYL ETHER DENGAN MENGGUNAKAN ASPEN PLUS Adalah hasil pekerjaan kami, dan seluruh ide, pendapat, dan materi dari sumber lain, telah dikutip dengan cara penulisan referensi yang sesuai. Pernyataan ini kami buat dengan sebenar-benarnya dan jika pernyataan ini tidak sesuai dengan kenyataan, maka kami bersedia menanggung sanksi sesuai peraturan yang berlaku.
Bandung,26 Mei 2017
Ignasius Irvin
Harry Julyanto
(2013620028)
(2014620080)
ii
KATA PENGANTAR Segala puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena anugerah-Nya telah mengijinkan penulis menyelesaikan proposal penelitian ini tepat waktu. Penelitian berjudul “Studi Distilasi Reaktif untuk Sintesis Gliserol Gliserol Tert Butyl Ether Menggunakan Aspen Plus” ini disusun sebagai salah satu bentuk prasyarat kelulusan Jurusan Proses Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik Parahyangan. Penulis menyadari tanpa kehadiran orang-orang di samping penulis, proposal penelitian ini tidak dapat dis elesaikan dengan baik. Oleh karena itu, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Dr.Ir. Budi H. Bisowarno, M.Eng. selaku dosen pembimbing utama yang telah membantu penulis dalam proses penyusunan proposal proposal penelitian. 2. Orang tua yang penulis banggakan dan sayangi, yang telah mendukung penulis untuk menyelesaikan proposal penelitian. 4. Teman-teman penulis yang telah memberikan semangat, dukungan dan bantuan kepada penulis. 5. Serta semua pihak yang ikut membantu penulis dalam proses penyusunan proposal penelitian. Penulis menyadari bahwa proposalpenelitian ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi kesempurnaan proposal penelitian ini. Akhir kata, penulis mengharapkan melalui proposal penelitian ini dapat membantu memperluasan pengetahuan para pembaca.
Bandung, 26 Mei 2017 Penulis
iii
DAFTAR ISI ................................................................................................. .... i LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................................. ................................................................................................... ... ii SURAT PERNYATAAN ................................................................................................ ........................................................................................................ .............................................iii KATA PENGANTAR ...........................................................
DAFTAR TABEL ...................................................... ............................................................................................................. .......................................................vi DAFTAR GAMBAR . .......................................................................................................vii BAB I PENDAHULUAN .................................................................................................. ................................................................................................. 1 1.1
Latar Belakang........................................................ ..................................................................................................... ............................................. 1
1.2
Tema Sentral Masalah ..................................................... ........................................................................................ ................................... 2
1.3
Identifikasi Masalah ......................................................... ............................................................................................ ................................... 2
1.4
Premis-premis Premis-premis ........................................................ ..................................................................................................... ............................................. 3
1.5
Hipotesis Penelitian ......................................................... ............................................................................................ ................................... 4
1.6
Tujuan Penelitian ............................................................. ................................................................................................ ................................... 4
1.7
Ruang Lingkup Penelitian ........................................................... .................................................................................... ......................... 5
1.8
Manfaat Penelitian........................................................... .............................................................................................. ................................... 5
....................................................................................................... ... 5 Bagi Industri .....................................................................................................
................................................................................................. 5 Bagi Pemerintah ..................................................................................................
................................................................................................. ................................... 5 Bagi Masyarakat ..............................................................
....................................................................................................... 5 Bagi Peneliti ........................................................................................................
BAB II ................................................................................................................................ ............................................................................................................................... 6 TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................................... ................................................................................................... 6 2.1
Gliserol Gliserol ................................................................................................................ ............................................................................................................... 6
2.2
Konstanta kesetimbangan dan kinetika reaksi ............................................... reaksi ............................................... 10
2.3
GTBE GTBE .................................................................................................................. ................................................................................................................. 16
2.4
Reaksi Gliserol dengan tert butyl alkohol ...................................................... ........................................................ 17
2.5
Katalis Amberlyst 15 15........................................................ ......................................................................................... ................................. 19
2.6
Metode –metode esterifikasi gliserol dengan TBA untuk memproduksi GTBE 22
2.7.1
Traditional design and control produksi GTBE dengan TBA ................... TBA ................... 23
2.7.2
Arco Process ............................................................ ............................................................................................. ................................. 25
2.7.3
Reactive Distilation ........................................................... .................................................................................. ....................... 26
2.7.4
Behr and obendorf process process ...................................................................... ..................................................................... 27
iv
2.7.5
Proses baru berdasarkan Ekstraksi dari GTBE dengan menggunakan
biodiesel 28 2.7
Oxygenates ....................................................................................................... 29
2.8
GTBE sebagai oxygenate .................................................................................. 30
2.9
Pengaruh GTBE oxygenate pada bahan bakar ................................................ 31
2.10
Esterifikasi gliserol dengan Tert butyl alcohol secara eksperimen ................. 31
2.11
Fenomena-fenomena pada kolom distilasi....................................................... 33
2.12
Model Termodinamika ..................................................................................... 34
2.13
Simulator Aspen Plus ....................................................................................... 35
12.3.1
Kolom pemisah Pada Aspen Plus ............................................................. 36
12.3.2
Model DSTWU .......................................................................................... 36
12.3.3
Model DISTL .............................................................................................. 38
12.3.4
Model Radfrac .......................................................................................... 39
BAB III ............................................................................................................................. 42 METODOLOGI PENELITIAN .................................................................................... 42 3.1
Studi literatur ................................................................................................... 42
3.2
Variasi Simulasi ................................................................................................. 45
3.3
Jangka Waktu Penelitian .................................................................................. 46
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................. 47
v
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1Sifat fisik dan kimia gliserol ............................................................................. 6 Tabel 2. 2Perkiraan produksi gliserol sebagai produk samping(Satuan ribu kiloliter) ............................................................................................................................................ 8
Tabel 2. 3Konstanta laju kinetika reaksi model PL-A,PL-X,LH-A ............................ 14 Tabel 2. 4Spesifikasi m-GTBE ,d-GTBE dan t-GTBE ................................................. 16 Tabel 2. 5Spesifikasi katalis amberlyst 15 ..................................................................... 20 Tabel 2. 6Karakteristik resin penukar ion .................................................................... 22 Tabel 2. 7Perbandingan 2 katalis A-15 dan A-35 pada temperatur 60 oC .................. 22 Tabel 2. 8Titik didih produk esterifikasi gliserol ......................................................... 23 Tabel 2. 9Kondisi untuk proses Behr and Obendorf .................................................... 28 Tabel 2. 10Komposisi laju alir pada gambar 2.25 ........................................................ 29 Tabel 2. 11Sifat fisik oxygenates yang umum digunakan ............................................ 30
Tabel 3. 1 Data validasi masukan dan keluaran kolom reactive distillation .............. 44 Tabel 3. 2Spesifikasi Kolom reactive distilation ........................................................... 44 Tabel 3. 3Rencana Kerja Penelitian ............................................................................... 46
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1Struktur molekul gliserol ............................................................................. 6 Gambar 2. 2Beberapa kemungkinan penggunaan gliserol ............................................. 7 Gambar 2. 3Nilai rata-rata RMSD dari model PL dan LH pada variasi temperature .......................................................................................................................................... 13
Gambar 2. 4Efek temperatur reaksi pada reaktor ........................................................ 15 Gambar 2. 5 Pengaruh space time pada reaktor ........................................................... 15 Gambar 2. 6Spektrum produk dari GTBE .................................................................... 16 Gambar 2. 7Produk yang dapat terbentuk dari reaksi gliserol dengan tert butyl alcohol .............................................................................................................................. 17 Gambar 2. 8Pembentukan Tert butyl carbocation ....................................................... 18 Gambar 2. 9Serangan Nucleophilic gliserol pada carbocation .................................... 18 Gambar 2. 10Pembentukan m-GTBE dari intermediary ............................................. 18 Gambar 2. 11pembentukan d-GTBE keluar dari 1 -ethers .......................................... 19 Gambar 2. 12Pembentukan d-GTBE dan t-GTBE keluar dari 2-ether ...................... 19 Gambar 2. 13Produk yang mungkin untuk reaksi gliserol dengan isobutene .......Error! Bookmark not defined.
Gambar 2. 14Reaksi m-GTBE dengan IB untuk memebentuk d-GTBE ...............Error! Bookmark not defined.
Gambar 2. 15Reaksi di-GTBE dengan IB untuk memebentuk t-GTBE ................Error! Bookmark not defined.
Gambar 2. 16Reaksi samping yang mungkin terjadi mulai dari isobutene ...........Error! Bookmark not defined.
Gambar 2. 17Oglimerisasi isobutene ..................................Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 18 Pengaruh konversi gliserol pada waktu untuk katalis yang berbeda T=90oC,TBA/Gly molar ratio=4:1, katalis 5%Wt/Gly(▲amberlyst, , ■zeolit H-Y,♦ -zeolit H-BEA) ............................................................................................................................. 21 Gambar 2. 19 Distribusi MTBG dan DTBG terhadap waktu untuk perbedaan katalis , T=90oC,TBA/Gly molar ratio=4:1, katalis 5%Wt/Gly (◊-MTBGambrlyst ,□ -MTBGH-Y ∆MTBGH-BEA ,▲ -DTBGambrlyst , ■ -DTBGH-Y,♦ -DTBGH-BEA) ....................................... 21 Gambar 2. 20Reaktor-separation-recycle proses untuk estherifikasi gliserol ............ 23 Gambar 2. 21Kurva residu gliserol- m-GTBE – d-GTBE ............................................. 24 Gambar 2. 22Kurva residu TBA-air, campuran butanediol ........................................ 25 Gambar 2. 23Konsep reactive distilation ....................................................................... 27 Gambar 2. 24Desain behr dan obendorf untuk proses estherifikasi ........................... 27 Gambar 2. 25Proses ektraksi dengan biodiesel ............................................................. 28 Gambar 2. 26Reaktor autoclave untuk esterifikasi gliserol dengan TBA ................... 32 Gambar 2. 27Proses esterifikasi gliserol ......................................................................... 33 Gambar 2. 28Diagram performa kolom distilasi ........................................................... 34 Gambar 2. 29Bagan pemilihan model termodinamika ................................................. 35 Gambar 2. 30Macam-macam kolom pada simulator ASPEN plus .............................. 36 Gambar 2. 31Input Model DSTWU ................................................................................ 37
vii
Gambar 2. 32Input block model DSTWU ...................................................................... 37 Gambar 2. 33Hasil model DSTWU ................................................................................. 37 Gambar 2. 34Reflux ratio vs jumlah tahap .................................................................... 37 Gambar 2. 35Jumlahtahap .............................................................................................. 38 Gambar 2. 36Hasil DSTWU→Input DISTL .................................................................. 38 Gambar 2. 37Hasil model DISTL ................................................................................... 39 Gambar 2. 38Result DSTWU→Input RADFRAC ........................................................ 40 Gambar 2. 39Input tahap umpan model RADFRAC ................................................... 40 Gambar 2. 40Pressure drop model RADFRAC............................................................. 40 Gambar 2. 41Hasil model RADFRAC ............................................................................ 41 Gambar 2. 42Profil Kolom model RADFAC ................................................................. 41
Gambar 3. 1Desain Kolom reactive distillation (Vlad & Bildea, 2012) ........................ 42 Gambar 3. 2Profil komposisi setiap tahap ..................................................................... 45 Gambar 3. 3Profil temperature setiap tahap ................................................................. 45
viii
INTISARI
Salah satu energi alternatif yang telah berkembang adalah biodiesel. Semakin besarnya produksi biodiesel menyebabkan gliserol yang merupakan produk samping biodiesel semakin besar jumlahnya dan semakin turun harganya. Oleh karena itu gliserol menjadi bahan yang berpotensi untuk dikembangkan salah satunya dengan eterifikasi menjadi GTBE sehingga harga jualnya dapat ditingkatkan. Untuk mensintesis GTBE diperlukan reaktan berupa gliserol dan isobutilen/TBA. Reactive distillation merupakan proses yang dapat diperhitungkan sebagai pilihan untuk mensintesis GTBE. Prinsip alat reactive distillation adalah menggabungkan reaktor dengan alat pemisahan sehingga produk yang diperoleh terpisah dari produk sampingnya yang tidak diharapkan. Namun aplikasi reactive distillation untuk sintetis GTBE termasuk hal yang baru sehingga perlu diteliti lebih lanjut. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh dari perubahan perubahan berbagai variabel proses terhadap konversi, fraksi keluaran, dan laju keluaran pada proses sintesis GTBE. Untuk itu Aspen Plus dipilih sebagai simulator sintesis GTBE menggunakan reactive distillation. Variabel-variabel tersebut dapat dikelompokan menjadi tiga, yaitu kondisi proses, kondisi umpan, dan konfigurasi alatreactive distillation. Penelitian ini bermanfaat untuk memberikan informasi mengenai pengaruh variabel-variabel pada sintesis GTBE. Dengan demikian informasi tersebut dapat digunakan untuk mengembangkan industri sintesis GTBE. Untuk mencapai tujuan tersebut maka dilakukan simulasi menggunakan Aspen Plus. Simulasi penting dilakukan karena sintes is GTBE menggunakan kolom reactive distillation termasuk proses yang cukup baru. Sebelum melakukan simulasi, dilakukan validasi dahulu model yang dibuat sehingga dapat dikatakan vaild untuk penelitian. Simulasi dilakukan untuk melihat pengaruh variabelvariabel terhadap konversi reaktan, fraksi, dan banyaknya GTBE yang dihasilkan.
ix
Pertama dilakukan simulasi untuk mengetahui pengaruh kondisi umpan, yaitu temperatur umpan, rasio umpan, dan banyaknya umpan. Setelah itu simulasi dilakukan untuk mengetahui pengaruh perubahan kondisi proses, yaitu temperatur operasi, tekanan operasi, rasio reflux, dan beban reboiler. Kemudian dilakukan perubahan pada konfigurasi alat. Jika keluaran GTBE tidak sesuai dengan standar maka diperlukan klarifikasi. Klarifikasi dilakukan untuk menentukan perubahan yang perlu dilakukan terhadap kondisi umpan dan atau kondisi proses. Klarifikasi didasarkan pada hasil simulasi perubahan kondisi umpan dan kondisi proses yang telah dilakukan sebelumnya. Kata kunci:GTBE, reactive distillation, kondisi umpan, kondisi proses, konfigurasi alat
x
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Berkembangnya teknologi mendorong kebutuhan energi terus meningkat. Energi dari bahan bakar fosil terus dikonsumsi dan sewaktu-waktu dapat habis. Keadaan tersebut menyebabkan energi alternatif yang dapat diperbaharui semakin diminati banyak kalangan. Peningkatan minat secara langsung meningkatkan permintaan pasar sehingga produksi bahan bakar alternatif terus meningkat. Salah satu energi alternatif yang sudah cukup populer dan diminati adalah biodiesel. Biodiesel dibuat dengan cara transesterifikasi trigliserida sehingga dihasilkan gliserol dan biodiesel. Trigliserida yang dipakai dapat berasal dari berbagai tanaman atau hewan sehingga biodiesel dapat dikatakan bahan bakar terbaharui. Biodiesel juga menawarkan keunggulan yaitu kadar sulfur rendah dan emisi gas buang yang jauh lebih rendah dari bahan bakar fosil. Dengan demikian maka pemakaian biodiesel lebih ramah lingkungan. Namun bila dibandingkan dengan bahan bakar fosil, biodiesel memiliki kandungan energi yang lebih rendah. Selain itu penyimpanan yang terlalu lama di tempat yang tidak terlindungi dapat menyebabkan biodiesel mengental.Walaupun demikian, minat terhadap biodiesel terus meningkat setiap tahunnya. Hal ini dapat dilihat dari produksi biodiesel yang terus meningkat. Meningkatnya produksi biodiesel secara langsung meningkatkan produksi gliserol yang merupakan produk sampingnya. Gliserol memiliki harga jual cukup baik karena kegunaannya. Gliserol dapat digunakan sebagai pelembap dan biasanya ditambahkan ke produk kosmetik atau sabun. Namun jika gliserol semakin banyak dan melimpah maka harga jualnya akan semakin menurun dan lama kelamaan gliserol menjadi kurang bernilai. Hal ini sesuai dengan hukum ekonomi yang menyatakan semakin banyaknya ketersediaan barang namun tidak diimbangi dengan meningkatnya permintaan pasar yang seimbang, maka harga suatu barang menjadi semakin murah. Oleh karena itu diperlukan cara untuk meningkatkan nilai jual dari gliserol. Saat ini usaha-usaha peningkatan nilai jual gliserol telah mulai banyak dikembangkan. Salah satunya adalah dengan mengubah gliserol menjadi turunannya yang memiliki kegunaan lain contohnya triacetin, 1,3 – propandiol, dan glycerol tertiary butyl ether(GTBE). GTBE adalah zat yang ditambahkan ke dalam bahan bakar untuk meningkatkan nilai oktannya. Produk tersebut dapat digunakan untuk menggantikan methyl tertiary butyl 1
ether(MTBE) dan ethyl tertiary butyl ether(ETBE). Selain itu GTBE lebih ramah lingkungan dibandingkan MTBE dan ETBE. GTBE dapat dibuat dengan eterifikasi gliserol menggunakan isobutilen atau tersier butil alcohol(TBA). Produksi GBTE menggunakan TBA akan lebih banyak menghasilkan air dibanding dengan isobutilen. Hasil dari reaksi pembentukan GTBE berupa campuran berbagai jenis GTBE dan produk-produk sampingnya. Untuk dapat dijual, diperlukan GTBE yang memiliki komposisi hanya m-GTBE, d-GTBE, dan t-GTBE saja. Reactive distillation menawarkan alat yang memiliki dua fungsi sekaligus yaitu sebagai reaktor dan alat pemisah. Prinsip kerja alat reactive distillation seperti alat distilasi pada umumnya namun pada tengah kolom ditambahkan katalis. Bagian tahap yang terdapat katalis di dalamnya disebut tahap reaktif karena pada bagian tersebut reaksi terjadi. 1.2 Tema Sentral Masalah
Untuk memahami pengaruh perubahan berbagai variabel yang berhubungan dengan produksi GTBE dari gliserol dan TBA menggunakan kolom reactive distillation tehadap hasil GTBE maka diperlukan simulasi untuk tiap perubahan variabel-variabelnya. 1.3 Identifikasi Masalah
a. Bagaimana pengaruh perubahan temperatur operasi terhadap konversi reaktan dan fraksi keluaran GTBE yang dihasilkan? b. Bagaimana pengaruh perubahan tekanan operasi terhadap konversi reaktan dan fraksi keluaran GTBE yang dihasilkan? c. Bagaimana pengaruh perubahan beban reflux ratio terhadap konversi reaktan dan fraksi keluaran GTBE yang dihasilkan? d. Bagaimana pengaruh perubahan beban reboiler terhadap output GTBE yang dihasilkan? e. Bagaimana pengaruh perubahan jumlah umpan reaktan terhadap konversi reaktan, laju keluaran dan fraksi keluaran GTBE yang dihasilkan? f.
Bagaimana pengaruh perubahan rasio umpan reaktan terhadap konversi reak tan dan fraksi keluaran GTBE yang dihasilkan?
g. Bagaimana pengaruh perubahan temperatur umpan reaktan terhadap konversi reaktan dan fraksi keluaran GTBE yang dihasilkan? h. Bagaimana pengaruh perubahan konfigurasi alat terhadap konversi reaktan dan fraksi keluaran GTBE yang dihasilkan? 2
1.4 Premis-premis
Eterifikasi gliserol menggunakan TBA menghasilkan GTBE (Zimmermann, 2015) (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherificat ion with tert butyl alcohol in reactive distillation, 2011) (Intaracharoen, 2009) (Vlad & Bildea, 2012)
Eterifikasi gliserol menggunakan TBA menghasilkan air lebih banyak dibanding menggunakan isobutilen
Adanya
TBA
berlebih
mencegah
reaksi
samping
(Zimmermann,
2015)
(Intaracharoen, 2009) (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011)
Sintesis GTBE menggunakan kolom reactive distillation (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011) (Intaracharoen, 2009) (Vlad & Bildea, 2012) (Vlad, Bildea, & Bozga, 2013)
Permodelan kolom reactive distillation dilakukan dengan metode Radfrac (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert butyl alcohol in reactive distillation, 2011) (Intaracharoen, 2009)
Sistem reactive distillation untuk eterifikasi gliserol dengan TBA dapat dimodelkan terjadi kesetimbangan uap cair (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011) (Intaracharoen, 2009) (Vlad, Bildea, & Bozga, 2013) (Vlad & Bildea, 2012) (Zimmermann, 2015)
(Reaksi kesetimbangan terjadi antara glycerol, TBA, m-GTBE, d-GTBE, dan t-GTBE (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert butyl alcohol in reactive distillation, 2011) (Intaracharoen, 2009) (Vlad, Bildea, & Bozga, 2013) (Vlad & Bildea, 2012)
Katalis yang dapat digunakan untuk eterifikasi gliserol dengan TBA adalah Amberlyst15 (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011) (Vlad, Bildea, & Bozga, 2013) (Intaracharoen, 2009)
3
Metode Gani cocok untuk memodelkan konstanta kinetika kesetimbangan (Intaracharoen, 2009) (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011)
Model kinetika paling baik menggunakan model LH-A (Intaracharoen, 2009) (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert butyl alcohol in reactive distillation, 2011)
Konstanta kesetimbangan berdasarkan aktifitas diestimasi menggunakan metode UNIFAC
Optimum design untuk reactive distillation terdiri dari 6 tahap atas dan 6 tahap reaktif (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert butyl alcohol in reactive distillation, 2011)
Produk bawah yang dihasilkan sebesar 99.2 %wt d-GTBE, 0.7%wt t-GTBE, dan 0.03%wt Gliserol (Vlad & Bildea, 2012)
1.5 Hipotesis Penelitian
Temperatur operasi berpengaruh terhadap konversi dan kemurnian produk
Tekanan operasi berpengaruh terhadap konversi dan kemurnian produk
Semakin besar reflux ratio maka semakin murni produk GTBE yang dihasilkan
Semakin besar beban reboiler maka semakin murni produk GTBE yang dihasilkan
Semakin banyak jumlah reaktan masuk maka produk hasil akan semakin banyak hingga alat mencapai kapasitas maksimumnya.
Rasio reaktan berpengaruh terhadap konversi dan kemurnian produk GTBE yang dihasilkan
Temperatur umpan reaktan berpengaruh terhadap konversi dan kemurnian produk GTBE yang dihasilkan
Semakin besar alat yang digunakan, kapasitas produksi semakin besar
Semakin banyak tahap pada kolom reactive distillation, produk GTBE yang dihasilkan semakin murni.
1.6 Tujuan Penelitian
Mengetahui pengaruh perubahan kondisi proses pada kolom reactive distillation terhadap konversi reaktan, fraksi GTBE dan jumlah GTBE keluaran
4
Mengetahui pengaruh perubahan kondisi umpan pada kolom reactive distillation terhadap konversi reaktan, fraksi GTBE dan jumlah GTBE keluaran
Mengetahui pengaruh perubahan konfigurasi alat kolom reactive distillation terhadap konversi reaktan, fraksi GTBE dan jumlah GTBE keluaran
Menentukan konfigurasi alat, kondisi umpan, dan kondisi proses yang dapat menghasilkan keluaran GTBE yang diinginkan
1.7 Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini dilakukan hingga memeroleh pengaruh perubahan kondisi proses, kondisi umpan, dan konfigurasi alat reactive distillation untuk sintesis GTBE dari gliserol dan TBA terhadap kemurnian dan jumlah keluaran GTBE 1.8 Manfaat Penelitian
Bagi Industri Manfaat bagi industri petrokimia adalah mengetahui pengaruh perubahan berbagai
variabel sehingga dapat menentukan kolom reactive distillation yang optimum untuk mensintesis GTBE.
Bagi Pemerintah Manfaat bagi pemerintah adalah untuk dapat mengetahui sistem kolom reactive
distillation sehingga dapat melakukan pengecekan pada pabrik sintesis GTBE yang menggunakan kolom reactive distillation.
Bagi Masyarakat Manfaat bagi masyarakat adalah dapat mengetahui informasi mengenai pengaruh
berbagai variabel pada industri GTBE menggunakan kolom reactive distillation.
Bagi Peneliti Manfaat bagi peneliti adalah wawasan mengenai software simulasi serta memahami
cara mensimulasikan suatu proses baik secara steady.
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Gliserol
Gliserol adalah polyol sederhana yang memiliki IUPAC 1,2,3-propanetriol.Biasa juga dikenal dengan gliserin atau 1,2,3-trihydroxypropane.Struktur molekul nya adalah: (Zimmermann, 2015)
Gambar 2. 1 Struktur molekul gliserol Tabel 2. 1 Sifat fisik dan kimia gliserol
6
Gliserol murni dapat diperoleh dengan hidrolisis tekanan tinggi atau dengan transesterifikasi.Gliserol sintetik diproduksi dari propene atau dari acrolein.Selain itu dapat diperoleh dengan oksidasi dari ally alkohol dengan proses upjohn. Untuk mempercepat peningkatan dari gliserol
dengan cara meningkatkan produksi dari biodiesel.Untuk
memanfaatkan sisa gliserol yang terbentuk pada industri biodiesel,dilakukan metode yang inovatif yang dapat menggunakan gliserol sebagai bulding block(komponen penyusun) untuk memberikan nilai tambah pada produksi bahan kimia.Crude gliserol sebagai produksi dari biodiesel perlu disaring dan dimurnikan sebelum digunakan untuk proses lainya. skema dibawah menunjukan beberapa kemungkinan. (JOBACK & REID, 2007)
Gambar 2. 2 Beberapa kemungkinan penggunaan gli serol Sumber utama untuk produksi bahan kimia yang telah dijelaskan diatas adalah propylene,dimana propylen adalah bahan bakar fossil.Propylene dapat digantikan dengan gliserol karena gliserol memungkinkan untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan
7
bakar fossil.Hal ini dapat terjadi jika harga dari gliserol lebih murah dibandingkan petroleum (Constantinou & Gani, 1994) Gliserol dalam jumlah besar dapat diperoleh sebagai produk samping dari produksi utama biodiesel.Sehubungan dengan peningkatan ketersedian,harga gliserol di pasaran turun dengan cepat.Oleh karena cukup penting untuk mengubah glycerol menjadi komponen yang lebih bernilai untuk efisiensi ekonomi dalam produksi biodiesel.Produksi biodiesel akan dihasilkan produk samping berupa gliserol 10% dari produksi dan rata-rata konversi biodiesel 90% .Produksi gliserol yang meningkat menyebabkan produksi biodiesel meningkat karena gliserol produk samping dari biodiesel.Sehingga akan dihasilkan gliserol yang akan terus bertambah setiap tahunnya. (Prasetyo, Widhi, & Widayat, 2012) Tabel 2. 2Perkiraan produksi gliserol sebagai produk samping(Satuan ribu ki loliter)
Jadi pertambahan gliserol akan berkali-kali lipat mulai target produksi tahun 2015 dihasilkan gliserol 150 ribu kilo liter kemudian target tahun 2025 akan dihasilkan gliserol sebanyak tiga kali lipat dari tahun 2010 yaitu 470 ribu kilo liter. Gliserol berpotensi sebagai bahan baku dan dikonversi menjadi produk yang berpotensi lebih.Pembuatan turunan gliserol dimaksudkan agar produk mempunyai nilai ekonomi yang lebih tinggi ,serta turunan gliserol akan banyak diaplikasikan pada berbagai produk yang sangat beragam,seperti bidang kosmetik,makanan,kertas tisue,tinta, bahan tambahan pada bahan bakar serta masih banyak lagi. (Prasetyo, Widhi, & Widayat, 2012) Di- dan Tri- ethers dari gliserol merupakan alternatif yang cukup menarik untuk oxygenate fuel additives yang komersial,karena dapat mengecilkan emisi dan mengurangi cloud point.Gliserol kaya akan kandungan oksigen ,akan tetapi gliserol tidak dapat langsung ditambahkan ke dalam bahan bakar.Gliserol bersifat hidrofilik dan dihasilkan dari polimerisasi pada temperatur tinggi,menyebabkan mesin tersumbat dan mengurangi kecepatan pada mesin.Dari alasan-alasan diatas ,gliserol menyebabkan masalah pada mesin pada temperatur tinggi.olehkarena itu dikembangkanya proses konversi gliserol ke oxygenates.Proses yang umum dari konversi gliserol ke bahan-bahan additives melibatkan proses deprotonasi gugus
8
hidroksil dari gliserol dengan katalis dan dipanaskan.Secara teori, katalis asam menyebabkan protonasi pada gugus hidroksil dari gliserol dan membentuk gugus hidroksil pada gliserol putus ,memisahkan diri dan berpindah(leaving group).Diikuti dengan substitusi nukleofilik dari gugus hidroksil pada molekul gliserol atau substrat gliserol yang lain. ethers dari gliserol dapat diperoleh dari etherifikasi dengan alkohol dan olefins seperti iso-butene and tert butyl alkohol atau dengan trans-esterifikasi dengan ester lain seperti methyl-t-butyl ether Reaksi dari iso-butene dengan gliserol dengan ada nya katalis asam yang homogen atau heterogen terdapat campuran dari gliserol ether.Proses konseptual biasanya digunakan untuk melakukan transformasi ini ,proses tersebut dapat dijelaskan dengan metode behr and obendorf, versteeg,gupta dan noureddini.Semua proses ini memerlukan sumber isobutene yang sangat murni,untuk menghindari harga transportasi yang besar.Reaksi terjadi pada tekanan tinggi 14 bar ,dibutuhkan untuk menjaga iso-butene tetap pada fasa cair.Bahkan pada tahap separation,iso-butene diperoleh sebagai aliran uap dan harus di mampatkan kembali sebelum di daur ulang. Sebagai pengganti , reaksi eterifikasi dapat dilakukan pada tekanan rendah dengan menggunakan tert butyl alkohol sebagai reaktan dan resin penukar ion dengan amberlyst 15 sebagai katalis. (Vlad & Bildea, 2012) Reaksi kesetimbangan mengarah pada campuran dari mono,di dan tri tert butyl gliserol ethers(ME,DE,TE).Isobutene dalam jumlah sedikit dapat diperoleh dari reaksi ke 4: (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011)
DTBG dan TTBG penting untuk efisiensi mesin diesel.DTBG dan TTBG juga merupakan bahan yang bernilai untuk anti detonant dan meningkatkan nilai oktan.Bahkan 9
untuk mengurangi cloud point dari bahan bakar dan dapat mengurangi partikulat,asap,CO,Nox dan senyawa carbonyl pada gas pembuangan mesin. (Vlad, Bildea, & Bozga, 2013) Reaktor autoclave biasanya digunakan untuk menghasilkan beberapa model kinetika dari eterifikasi gliserol-TBA,dan disimulasikan untuk terlaksananya reaksi kolom reactive distillation.Walaupun
tersebut pada
keluaran distilat mengandung campuran air dan
TBA,sementara produk bawah mengandung TBA,glycerol dan mono,di,tri ether.Oleh karena itu pemisahan reaktan dan produk dari keluaran kolom masih diperlukan. (Vlad & Bildea, 2012)
2.2 Konstanta kesetimbangan dan kinetika reaksi
Hasil eksperimen digunakan untuk regresi dengan 2 kinetika model yaitu Langmuir Hinshelwood(LH) dan Power Law(PL) berdasarkan aktivitas (a i) dan fraksi mol(x i).Laju reaksi dari 3 persamaan reaksi diatas dengan model PL berdasarkan aktivitas sebagai berikut (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011)
Dimana Konstanta Kesetimbangan untuk model PL adalah sebagai berikut
Untuk model LH, asumsi yang digunakan bahwa semua komponen teradsorp pada bagian aktif(S).Reaksi pada permukaan merupakan laju penentu tahap sedangkan tahap yang lain berada pada kesetimbangan.Mekanisme reaksi sebagai berikut
10
Dengan mekanisme yang serupa untuk produksi DTBG dan TTBG ,Persamaan Laju reaksi untuk model LH sebagai berikut
Konsentrai permukan spesies i(Øi) ditunjukan dalam Langmuir isotherm,sebagai berikut
Dimana Ki adalah konstanta kesetimbangan adsorpsi dan ai adalah aktivitas spesies i
, =
, −, 2 2 1 + 2 2 + + + + + 2
2, =
, −2, 2 2 2 (1 + 2 2 + + + + + )
3, =
, −3, 2 2 1 + 2 2 + + + + + 2
Untuk mengurangi parameter optimasi , hanya komponen adsorpsi terkuat yang diperhitungkan.Air sebagai komponen yang paling polar karena adsorpsi yang lebih kuat terhadap katalis amberlyst 15 dibandingkan ethers lainya dan gliserol .Karena itu (1+K H2OaH2O) mendominasi di dalam denominator 3 persamaan laju reaksi diatas.Oleh akrena itu model LH dimodifikasi dan ketiga persamaan laju reaksi diatas disederhanakan menjadi sebagai berikut
11
Dimana,
Pada kesetimbangan,laju reaksi pembentukan produk dan laju pembentukan reaktan sama , sehingga konstanta kesetimbangan dituliskan sebagai berikut
Dengan menghubungkan kesetimbangan massa untuk reaktor batch ,diperoleh persamaaan sebagai berikut
12
Parameter kinetika yang paling cocok ditentukan dengan nilai RMSD i yang kecil,dengan persamaan sebagai berikut
Dari hasil didapatkan bahwa model LH-A memiliki nilai RMSDi yang paling kecil dibandingkan kedua metode lainya,hal ini menunjukan bahwa model LH-A paling cocok digunakan digunakaan dibandingkan metode lainya. (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011)
Gambar 2. 3 Nilai rata-rata RMSD dari model PL dan L H pada variasi temperature
13
Pada percobaan eksperimen ozbay et 2010 (Ozbay, Oktar, Gulsen , & Dogu, 2010) pada esterifikasi gliserol dengan TBA menggunakan fixed bed reactor.Hasil eksperimen dilakukan pada variasi temperature operasi menggunakan amberlyst 15 sebagai katalis ,bertujuan untuk dibandingkan dengan hasil simulasi.Model matematika untuk reactor fixed bed sebagai berikut (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011)
Pada penelitian ini simulasi esterifikasi gliserol dengan TBA menggunakan katalis amberlyst 15 dilakukan pada reactive distilation dengan menggunakan model simulasi RADFAC pada aspen plus dengan konstanta laju reaksi yang digunakan dengan beberapa model yaitu Powerlaw model berdasarkan aktivitas nya(PL-A), powerlaw model berdasarkan konversi(PL-X) dan langmuir hinshelwood model berdasarkan aktivitas nya(LH-A). (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011) Tabel 2. 3Konstanta laju kinetika reaksi model PL-A,PL-X,LH -A
14
Berdasarkan penelitian yang dilakukan kiatkittipong (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011)pada grafik di sebelah kiri LH-A model memberikan kurva yang lebih fit dengan hasil eksperimen yang dilakukan ozbay2010 (Ozbay, Oktar, Gulsen , & Dogu, 2010) .Dan pada grafik sebelah kanan LH-A model memberikan selektivitas terhadap DTBG lebih baik sebagai produk yang diinginkan ,sedangkan selektivitas MTBG mirip antara LH-A model dan PL-A model.
Gambar 2. 4 E fek temperatur reaksi pada reaktor (Ozbay, Oktar, Gulsen , & Dogu, 2010)
Gambar 2. 5 Pengaruh space time pada reaktor Hal ini menunjukan bahwa model LH-A merupakan model kinetika yang paling cocok digunakan pada reactive distilation karena paling sesuai dengan hasil eksperimen dibandingkan model kinetika lainya. (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011) 15
2.3 GTBE
Diantara beberapa oxygenated aditif yang disarankan untuk campuran dengan bahan bakar,ether dari gliserol dapat memberikan peranan penting (Riazi, Alqattan, & Albahri , 2002).GTBE merupakan campuran dari 5 struktur yang berbeda,yaitu 2mono-ethers,2 diethers,2 di-ethers dan 1 tri-ether.Struktur kimia dari ethers dan namanya sebagai berikut:
Gambar 2. 6 Spektrum produk dari G TB E
Tabel 2. 4 Spesifikasi m-GTB E ,d-GTB E dan t-GTB E
Dari tabel ini cukup jelas bahwa m-GTBE memiliki titik didih paling tinggi, temperatur kritik dan tekanan kritik.Dikarenakan dengan kadar oksigen yang tinggi,dan dengan tingginya nilai oktannya,m-,d-,dan t-GTBE berpotensi untuk meningkatkan nilai oktan (M, A, & W, 2006).Senyawa yang memiliki kadar oksigen tinggi ini dapat mengurangi karbon monoksida dan partikel-partikel keluaran yang disebabkan dari pembakaran yang tidak sempurna. Tert buthyl ethers dengan kandungan di- dan tri- ethers yang tinggi dapat dipertimbangkan untuk digunakan sebagai oxyegenated aditif untuk bahan bakar diesel.Mono-
16
tert butyl ether lebih polar,memiliki kelarutan yang rendah pada diesel dan oleh karena itu tidak dapat digunakan pada bahan bakar diesel.Mono-tert butyl ether dapat tercampur dengan baik dalam air ,dengan itu dapat menyebabkan masalah pada mesin. Oleh karena itu,selama proses esterifikasi gliserol,pembentukan dari ethers tinggi,didan tri- ethers ditujukan ketika bertujuan untuk menyintesis GTBE sebagai bahan aditif diesel.Berdasarkan adanya ethers yang lebih tinggi, ketika dicampur dengan bahan bakar diesel atau biodiesel dapat meningkatkan performa mesin.Ethers pada gliserol yang semakin tinggi dapat meningkatkan temperatur yang rendah dari bahan bakar diesel dan mengurangi viskositas dari bahan bakar biodiesel. (C, 2009) 2.4 Reaksi Gliserol dengan tert butyl alkohol
Untuk memperoleh Tert butyl ethers dengan reaksi katalitik dari gliserol dengan tert butyl alkohol.Proses ini merupakan proses padat-cair,menggunakan TBA sebagai reaktan dan pelarut.TBA yang berlebih digunakan sebagai pelarut,jadi etherifikasi dilakukan dalam fasa homogen. (Constantinou & Gani, 1994) Reaksi produk adalah campuran dari m-,di- dan t-GTBE.Reaksi yang umum dan produk yang mungkin dari reaksi gliserol dengan TBA sebagai berikut:
Gambar 2. 7 P roduk yang dapat terbentuk dari reaksi gliserol dengan tert butyl alcohol Karena adanya TBA yang berlebih, katalis asam bereaksi dengan TBA untuk membentuk Tertiary carbocation yang stabil,dan pada saat yang sama kehilangan air .Pembentukan dari carbocation merupakan reaksi yang reversible.Pada saat kehilangan air,carbocation kehilangan proton untuk membentuk isobutene.Reaksi ini berlangsung reversible,sebagai berikut:
17
Gambar 2. 8 Pembentukan Tert butyl carbocation Karena
adanya
gliserol
,
tert
butyl
carbocation
berperan
sebagai
electrophile.carbocation dapat bereaksi dengan alkohol,yang mengarah pada pembentukan 2 intermediaries yang baru yang terlihat sebagai berikut:
Gambar 2. 9 Serangan Nucleophilic gliserol pada carbocation Intermediary kiri lebih diinginkan karena kelompok hydroxyl yang utama sangat disukai secara statistik (ada 2 kelompok hydroxyl yang utama dan hanya satu yang sekunder)dan lebih sedikit terhalang.oleh karena itu lebih mungkin untuk membentuk 1- dan 1,3-ethers daripada 2- dan 1,2-ethers Intermediary selanjutnya akan bereaksi untuk membentuk m-,d- dan t-GTBE, yang digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2. 10 Pembentukan m-G TBE dari intermediary
18
Gambar 2. 11 pembentukan d-GTB E keluar dari 1 -ethers
Gambar 2. 12 Pembentukan d-G TB E dan t-GTB E keluar dari 2-ether Yang menentukan laju stepnya adalah pembentukan dari kation TBA.Oleh karena itu laju reaksi meningkat dengan meningkatnya konsentrasi asam.Hal ini menjelaskan bahwa excess TBA yang besar cukup diperlukan untuk mengimbangi isobutene yang terlepas Seiring berkurangnya air pada TBA ,isobutene dapat terb (M, A, & W, 2006) (C, 2009)entuk.Isobutene ini dapat bereaksi dengan gliserol untuk membentuk GTBE.Air yang lepas pada TBA dapat menghidrolisis ethers yang menghasilkan lagi dalam pembentukan gliserol Ketika menggunakan TBA sebagai reaktan lebih banyak air yang diproduksi dibandingkan
menggunakan
isobutene,dimana
dapat
mempengaruhi
kesetimbangan
thermodinamik dan batas maksimal konversi.Air yang terkandung meningkat seiring TBA dan gliserol yang terkandung berkurang.Dengan berkurangnya TBA dan Meningkatnya temperatur, peningkatan isobutene dapat diamati. (Constantinou & Gani, 1994) 2.5 Katalis Amberlyst 15
Katalis yang digunakan pada penelitian ini adalah amberlyst 15,yang memiliki spesifikasi sebagai berikut (Huang & Sundmacher, 2007) (E.A, 2009)
19
Tabel 2. 5 Spesifikasi katalis amberlyst 15
Laju reaksi yang cepat dapat diperoleh dengan menggunakan katalis asam yang homogen,seperti H2SO4 atau p toluene asam sulfonat,kekuranganya dapat menyebabkan polusi yang cukup berbahaya, korosi dan memerlukan biaya yang cukup besar untuk memisahkanya. Penggunaan katalis asam yang heterogen dapat menghilangkan kekurangan ini,katalis asam yang heterogen dapat dengan mudah dipisahkan dari produk dan dapat digunakan kembali dalam jumlah tertentu tanpa harus di netralisasi atau dimurnikan. (R & A, 2006) (M, M, J, & E, 2007) Resin penukar ion asam kuat seperti amberlyst 15 ,memiliki konsentrasi tinggi pada daerah asam kuat dan keterikatan pada pori-pori yang besar.Hal tersebut efektif dan dapat memberikan konversi yang baik dan selektivitas yang baik untuk gliserol untuk membentuk d- dan t-GTBE.Kekuranganya mudah rusak pada temperatur tertentu dan tidak dapat diregenerasi Untuk esterifikasi gliserol ,katalis yang paling banyak digunakan adalah amberlyst dan zeolite. Katalis zeolite memiliki kestablian yang tinggi terhadap perubahan temperatur.H-beta zeolite mengandung area permukaan luar yang besar dan lebih aktif dibandingkan zeolite lainya pada esterifikasi gliserol.Reaksi dengna H-beta zeolite lebih cepat dengan selektifitas yang tinggi terhadap di-ethers .meskipun memiliki pori-pori yang besar ,meskipun pembentukan t-GTBE masih terhalang. (Zimmermann, 2015) Pada grafik di bawah menunjukan perbandingan dengan katalis asam heterogen yaitu amberlys 15 dan 2 katalis yang memliki poros yang luas yaitu zeolites H-Y dan H-BEA. (Klepacova K. , Mravec, Hajekova, & Bajus, 2003)
20
Gambar 2. 13Pengaruh konversi gliserol pada waktu untuk katalis yang berbeda T=90 C,TBA/Gly molar ratio=4:1, katalis 5%Wt/Gly( ▲amberlyst, , ■ zeolit H-Y,♦ -zeolit H BEA) o
Konversi gliserol yang paling tinggi adalah amberlyst 15 96% dan H-BEA hampir sama waktu dan konversi nya.sedangkan zeolite H-Y tidak te rlalu aktif dibandingkan 2 katalis lainya. (Klepacova K. , Mravec, Hajekova, & Bajus, 2003)
Gambar 2. 14Distribusi MTBG dan DTBG terhadap waktu untuk perbedaan katalis , T=90oC,TBA/Gly molar ratio=4:1, katalis 5%Wt/Gly(◊-MTBGambrlyst ,□ -MTBG H-Y ∆ MTBG H ,♦ -DTBG H-BEA ) BEA ,▲ -DTBGambrlyst ,■ -DTBG H-Y
Pada grafik diatas amberlyst 15 memliki daerah yang paling aktif dalam pembentukan di-tert butyl ethers sebesar 45%, sedangkan H-Y zeolite dibandingkan amberlyst hanya mendekati 25%.Pada pembentukan MTBG H-BEA zeolite paling tinggi dibandingkan dua katalis lainya. (Klepacova K. , Mravec, Hajekova, & Bajus, 2003)
21
Pada percobaan lainya: (Klepacova, Mravec, & Bajus, 2005) Tabel 2. 6 K arakteristik resin penukar ion
Tabel 2. 7 P erbandingan 2 katalis A-15 dan A-35 pada temperatur 60 oC
Pada suhu 60 oC amberlyst 15 memiliki konversi gliserol lebih rendah dibandingkan amberlyst 35 , akan tetapi produksi DTBG lebih tinggi daripada amberlyst 35 pada suhu 90 oC amberlyst 35 memiliki konversi gliserol dan produksi DTBG lebih tinggi daripada amberlyst 15.Selektifitas amberlyst 15 lebih besar daripada amberlyst 35.Hal ini menunjukan amberlyst 15 lebih tepat digunakan pada suhu yang lebih rendah. (Klepacova, Mravec, & Bajus, 2005) 2.6 Metode – metode esterifikasi gliserol dengan TBA untuk memproduksi GTBE
Metode-Metode selain reactive distilation yang dapat digunakan adalah: (Zimmermann, 2015)
22
2.7.1
Traditional design and control produksi GTBE dengan TBA
Dalam produksi GTBE secara konvensional,digunakan tipe reaktor-separation-recycle modelBiasanya,Pada proses kondisi yang seharusnya reaktan kontak dengan katalis padat.tahap
ini
dapat
dilakukan
dengan
beberapa
tahap.tahap
selanjutnya
adalah
separation:reaktan yang tidak terkonversi akan dipisahkan dari produk nya, biasanya dilakukan dengan bebarapa tahap distilasi.Dalam beberapa kasus reaktan yang tidak terkonversi dapat di recycle kembali menuju ke daerah terjadinya reaksi Contoh produksi d- dan t-GTBE sebagai berikut:
Gambar 2. 15 Reaktor-separation-recycle proses untuk estherifi kasi gliserol Setelah reaksi yang terjadi di reaktor plug flow,limbah pembuangan memasuki daerah separasi.Pada daerah ini d-,t-GTBE dan air dihilangkan dari proses.Gliser ol dan m-GTBE di recycle ke reaktor,setelah dicampur dengan reaktan yang baru. Tabel 2. 8 Ti tik didih produk esterifikasi gliserol
23
Isobutene dalam jumlah sedikit yang terbentuk pada saat reaksi dapat dengan mudah dihilangkan dikarenakan isobutene memiliki titik didih yang rendah.TBA dan air membentuk azeotrop dan dihilangkan dari campuran gliserol ether dengan menggunakan distilasi.Dalam tahap distilasi selanjutnya,gliserol dan m-GTBE didapat sebagai produk bawah dan nantinya akan di recycle atau di daur ulang. Untuk mendapatkan d-GTBE dengan tingkat kemurnian yang tinggi cukup sulit, karena titik didih yang rendah pada glycerol/d-GTBE azeotrope.menggunakan bagan residu dapat menyelesaikan masalah ini. Bagan residu untuk d-GTBE/m-GTBE/gliserol ditunjukan sebagai berikut:
Gambar 2. 16 K urva residu gliserol- m-GTB E – d -GTBE
Gambar diatas menunjukan adanya satu daerah distilasi dimana m-GTBE bertindak sebagai pelarut untuk gliserol.ini memungkinkan diperolehnya d-GTBE dengan kemurnian tinggi.Untuk memutuskan Air/TBA azeotrope, pelarut yang cocok ditambahkan.misalkan 1,4 butanediol.Pertama-tama laju aliran dipisahkan dalam TBA dan azeotrop.Setelah itu azeotrop dipindahkan menuju kolom distilasi ekstraktif,dimana pelarut diumpankan dari atas dan azeotrope memasuki pada bagian bawah.Distilat mengandung air,sementara pada bagian bawah aliran terdiri dari pelarut dan TBA yang nantinya akan dipisahkan.Bagan Residu dari campuran ditunjukan sebagai berikut:
24
Gambar 2. 17 K urva residu TBA-air , campuran butanediol
2.7.2
Arco Process
Pada ARCO-proses,reaksi gliserol dengan isobutene dilakukan dalam fasa cair dalam sistem 2 fase reaksi menggunakan katalis asam.fase pertama polar,fase kaya akan gliserol yang mengandung katalis dan di daur ulang secara baik. Fasa lainya adalah kaya akan olefin, Fasa hidrokarbon apolar(isobutene). Reaksinya sebagian besar terjadi pada fasa polar.dijaga dengan cara transfer masa isobutene dari fasa apolar ke fasa gliserol.sebagian besar m-GTBE berada pada fasa gliserol sementara itu d-GTBE akan ditransfer ke fasa isobutene.Ini menghindari d-GTBE bereaksi terhadap t-GTBE Karena akan menimbulkan produk yang tidak diinginkan. Dekantasi mempertahankan pemisahahan terjadi dua layer.Fasa gliserol di daur ulang kembali ke zona reaksi.Bersama-sama dengan gliserol baru dan katalis. Fasa isobutene akan menuju kolom stripping,dimana isobutene yang tidak bereaksi akan di proses pada stripping .Isobutene yang telah diproses pada stripping akan melewati kembali ke reaktor,juga dengan umpan isobutene yang baru. Aliran bawah stripper mengandung katalis dalam jumlah sedikit,gliserol dan m-GTBE bersams-sama dengan d-GTBE dan t-GTBE dalam jumlah besar,akan dicuci/dibersihkan untuk mengekstrak gliserol,katalis dan m-GTBE.Aliran ini dapat di recover setelah penghilangan air. Keuntungan dari proses ini untuk menghindari pemisahan gliserol dan gliserol ethers yang perlu dilakukan.karena pemisahan tersebut sulit dilakukan.m-GTBE yang tidak diinginkan
25
dalam proses akan dikembalikan ke reaktor sehingga dapat direaksikan untuk membentuk diGTBE dan tri-GTBE. (Zimmermann, 2015)
2.7.3
Reactive Distilation
Reactive Distillation adalah salah satu proses pembentukan Glycerol tertiary butyl ether . Proses ini mengombinasikan reaksi pembentukan GTBE dan pemisahan GTBE. Pada proses tradisional, reaksi dan pemisahan ada dalam proses yang berbeda. Pemisahan perlu dilakukan karena pada hasil reaksi terdapat sisa reaktan yang tidak terkonversi. Pada dasarnya alat untuk melakukan reactive distillation berupa kolom yang dibagi ke dalam tiga bagian seperti pada gambar. Zona reaksi berada di tengah kolom antara zona stripping dan zona rectifiying . Fungsi dari zona reaksi sama dengan fungsi reaktor yaitu berfungsi sebagai zona terjadinya reaksi. Zona ini diisi dengan katalis untuk mendukung reaksi. Katalis yang dimasukkan harus juga memerhatikan penurunan tekanan dan liquid hold upada pada rentang yang diperbolehkan. Penambahan tahap reaktif memungkinkan bertambahnya konversi reaktan karena dengan bertambahnya tahap reaktif maka tempat yang sesuai untuk terjadinya reaksi semakin banyak. Namun, konversi suatu saat akan mencapai optimum sehingga tidak dapat bertambah lagi. Selain zona reaksi, terdapat zona separasi yang dapat dibagi dua yaitu zona rectifiying dan zona stripping. Zona separasi prinsipnya sama dengan distillasi konvensional yaitu memisahkan produk yang lebih berat dan lebih ringan. Hasil separasi akan menghasilkan dua keluaran yaitu distilat dan produk bawah. Produk GTBE yang diinginkan merupakan hasil dari produk bawah. GTBE yang diinginkan dan komponen lain yang tidak diinginkan akan keluar sebagai distilat.
26
Gambar 2. 18 Konsep reactive distilation Prinsip dari alat reactive distillation yaitu menggabungkan dua alat menjadi satu yaitu menggabungkan reaktor dengan alat pemisahan berupa kolom distilasi. Penggabungan ini tentu saja akan menghemat biaya seperti biaya pompa, perpipaan, instrumentasi, dan tempat. Reactive distillation merupakan proses yang dapat menghasilkan konversi besar karena adanya proses recycle. (A & L, 2003) 2.7.4
Behr and obendorf process
Proses lainya dikembangkan oleh behr and obendorf pada tahun 2002,dengan menggunakan reaktor, kolom ekstraksi dan kolom flash.
Gambar 2. 19 Desain behr dan obendorf untuk proses estherifikasi 27
Tabel 2. 9 Kondisi untuk proses B ehr and Obendorf
Dalam proses ini, isobutene diumpankan ke reaktor sementara gliserol diumpankan secara langsung ke kolom ekstraksi. Gliserol yang ditambahkan mengekstrak m-GTBE dan katalis dari produk reaksi dan dikembalikan ke reaktor. Rafinat dari ekstraksi akan menuju kolom flash,untuk memulihkan isobutene yang tidak bereaksi.Tahap terakhir dalam proses adalah kolom vakum rectification,untuk memisahkan ethers tinggi yang murni.Vakum ini perlu dilakukan untuk menghindari temperatur tinggi yang dapat menyebabkan pemisahan pada ethers, yang disebabkan oleh katalis pada jumlah sedikit (Zimmermann, 2015) 2.7.5
Proses baru berdasarkan Ekstraksi dari GTBE dengan menggunakan
biodiesel
Proses baru diusulkan dengan gliserol dan isobutene untuk memproduksi GTBE.Untuk memisahkan GTBE dari campuran reaksi, dilakukan ekstraksi dengan biodiesel.
Gambar 2. 20 Proses ektraksi dengan biodiesel
28
Tabel 2. 10Komposisi laju alir pada gambar 2.25
Sebelum ektraksi, hidrokarbon dihilangkan dengan menggunakan unit flash, yang beroperasi pada 73oC dan 0,1bar.Hanya jumlah ethers yang larut yang diekstraksi dengan biodiesel, yang tidak termasuk mono-ethers. Rafinat di daur ulang kembali menuju reaktor. Setelah ektraksi, campuran GTBE-biodiesel dicuci dengan air,untuk mengurangi kandungan gliserol.Campuran ini selanjutnya dapat digunakan secara langsung sebagai bahan tambahan pada diesel (Zimmermann, 2015)
2.7 Oxygenates
Bahan bakar oxygenates adalah kandungan oksigen dalam jumlah besar(kebanyakan pada alkohol,ethers) ditambahkan ke dalam bahan bakar untuk meningkatkan pembakaran dan berbagai aspek pada bahan bakar.Sebuah Tes menunjukan bahwa 2% oksigen dapat mengurangi 9% dari pembuangan CO (Zimmermann, 2015).Sebagai tambahan ,bahan bakar oxygenates pada umumnya memiliki kadar energi volumetrik yang lebih rendah dibandingkan bensin, dan dengan demikian dapat mengurangi kadar energi dari campuran,ketika dicampurkan dengan bensin.Pengurangan ini menguntungkan untuk ekonomi bahan bakar mobil sebesar 1-3% (E.A, 2009).Untuk saat ini TBA dan bio-ethanol adalah oxygenates yang paling banyak digunakan.MTBE adalah oxygenate yang biasa digunakan,digunakan untuk menggantikan tetra-ethyl .Namun Sejak awal tahun 2000 dideteksi pada air tanah di amerika dan menyebabkan pencemaran dan dilarang.Sejak itu , kelompok methanol dalam MTBE digantikan dengan kelompok ethanol yang lain.Survey
29
oxygenates yang umum digunakan dengan data fisik nya sebagai berikut: Tabel 2. 11 Sifat fisik oxygenates yang umum digunakan
Oxygenates lebih disukai karena memliki kadar oksigen yang tinggi dan pencampuran nilai oktan yang tinggi.Ketika melihat pada titik didih , bahan aditif dapat digunakan untuk kilang minyak untuk memenuhi persyaratan temperatur distilasi. Ox ygenates pada bahan bakar diesel ditambahkan untuk mengurangi partikulat-partikulat pada pembuangan dari knalpot sedangkan oxygenates pada bensin ditambahkan untuk meningkatkan nilai oktan. Untuk memberikan sebuah gambaran terhadap presentase bahan aditif dalam bahan bakar,ETBE secara luas dipakai sebagai bahan tambahan pada bensin untuk mengurangi pengeluaran CO dan hidrokarbon yang tidak terbakar. (Zimmermann, 2015) 2.8 GTBE sebagai oxygenate
Gliserol tert butyl ethers mengandung oksigen,dimana membuatnya bisa digunakan sebagai oxygenate.Karena GTBE adalah pencampuran dari 5 ethers yang berbeda,dengan perbedaan karateristik,salah satu harus mendukung pembentukan produk yang diinginkan agar campuranya dapat digunakan sebagai oxygenate. m-GTBE menunjukan karakteristik yang berbeda dibandingkan di- dan tri-ethers.ether yang lebih tinggi kurang polar dibandingkan mono-ethers dan menunjukan kelarutan yang baik dalam bahan bakar diesel dan bensin.Terlebih lagi, densitas dari di- dan tri-ethers lebih
30
besar.aspek-aspek ini menyebabkan ethers yang lebih tinggi pengganti yang tepat untuk menggantikan oxygenates yang digunakan sekarang. Jika tujuannya adalah menggunakan GTBE sebagai oxygenate untuk bahan bakar diesel,Jumlah m-GTBE harus diminimalisir.Efek utama dari penambahan kedalam bahan bakar diesel adalah untuk mereduksi senyawa-senyawa yang tidak terbakar sempurna (Zimmermann, 2015) Mono-ethers lebih polar dan oleh karena itu ,Mono-ethers menunjukan kelarutan yang rendah pada air,dimana menyebabkan mono-ehters tidak diinginkan sebagai bahan tambahan pada bahan bakar diesel.Namun,Dikarenakan mono-ethers memiliki densitas yang rendah, mono-ethers dapat dicampur dengan bensin.Nilai oktan untuk m-GTBE lebih besar dari nilai oktan pada ethers tinggi.Sehingga dapat memungkinkan untuk menjadi oxygenate yang lebih efisien.Mono-thers menunjukan sifat-sifat yang mirip dengan MTBE,yang telah dilarang di Amerika,Untuk bahaya yang mungkin terjadi pada air tanah. (H, W.R, & B.A, 1998) 2.9 Pengaruh GTBE oxygenate pada bahan bakar
Pengaruh GTBE pada bahan bakar diteliti,Dampak utama yang dapat terjadi sebagai berikut:
Pengurangan pada cloud pint dan viskositas dapat diamati (Intaracharoen, 2009) (F, C, & G, 2013)
Pengurangan tekanan uap dapat dicapai (F, C, & G, 2013)
Efisiensi Konversi bahan bakar dapat ditingkatkan disebabkan oleh manfaat efek intramolecular oksigen. (Zimmermann, 2015)
Oxygenates menurunkan partikulat-partikulat yang terkandung pada pengeluaran hasil pembakaran dan gas-gas keluaran yang tidak terbakar dengan sempurna, tanpa menyebabkan dampak yang besar pada proses pembakaran. (Zimmermann, 2015)
2.10 Esterifikasi gliserol dengan Tert butyl alcohol secara eksperimen
Reaksi
Eterifikasi
secara
eksperimen
dilakukan
dengan
(kapasitas:500ml).Peralatanya berupa Pengaduk tipe electric anchor
31
reaktor
autoclave
Gambar 2. 21 Reaktor autoclave untuk esterifi kasi gliserol dengan TBA Temperatur reaktor dan laju pengadukan dikontrol dengan PARR kontroler tipe 4843.Tekanan dijaga pada 10 atm ,dengan menggunakan gas N2. 20ml Gliserol digunakan.Jumlah tert butyl alkohol ditentukan dengan perbandingan molar Gliserol/TBA:1/4 .Ketika TBA dimasukan kedalam gliserol,pengaduk magnetik digunakan untuk memperoleh campuran homogen selama 15 menit.setelah itu 1 ml sampel diambil dan dianalisis menggunakan GC-MS. Untuk menentukan kondisi optimal,eksperimen 2 3 disusun dengan menggunakan metode Design ekperimen.Design parameter yang dipilih adalah temperatur, waktu reaksi dan Pemberian atau penggunaan katalis terhadap massa gliserol. Respon nya adalah yield, konversi dan selektivitas.Parameter level dipilih secara tepat berdasarkan literatur. Untuk memulai reaksi, katalis ditempatkan di dalam reaktor,diikuti dengan campuran gliserol dan TBA.Reaktor autoclave di segel,dan diberi tekanan dan dipanaskan pada kondisi tertentu Setelah reaksi ,Autoclave didinginkan dengan air sampai suhu 25oC dan Reaktor secara perlahan dikurangi tekananya.katalis dan produk dipisahkan dengan sentrifugasi(Rotina 15) selama 15 menit pada 1500rpm. Selama setrifugasi tutup di segel untuk mencegah penguapan tert butyl alkohol
32
Gambar 2. 22 Proses esterifi kasi gliserol
Setelah setrifugasi ,Campuran difiltrasi untuk menghilangkan katalis.Produk akhir disimpan dalam Botol kaca yang gelap sedangkan katalis diperbaharui. Produk akhir dari reaksi ini dikumpulkan dan digunakan untuk memisahkan monoGTBE.1 ml sampel dari setiap produk reaksi diambil dan dianalisis menggunakan GC-MS untuk menentukan konversi,selektivitas dan komposisi dari produk akhir. (Zimmermann, 2015) 2.11Fenomena-fenomena pada kolom distilasi
Pada proses pengoperasian Reactive distilation ada berba gai fenomena-fenomena yang dapat terjadi yang menyebabkan kolom RD tidak stabil atau menyimpang dari yang seharusnya.Fenomena-fenomena yang dapat terjadi dalam reactive distilation adalah: (R.E, 1981)
Flooding adalah Disebabbkan karena zat cair yang terdapat pada kolom melebihi kapasitas normalnya sehingga zat cair terus bertambah hingga berlebih.Hal ini disebabkan adanya pressure drop.Akibat dari adanya flooding menyebabkan efisiensi tray berkurang dan dapat menyebabkan zat cair keluar dari bagian atas kolom distilasi...Beberapa jenis flooding diantaranya adalah spray entrainment flooding, froth entrainment flooding, downcomer backup flooding, dan downcomer choke flooding
Weeping disebabkan zat cair turun melewati lubang tray dan kontak dengan cairan sehingga menyebabkan gas yang dihasilkan tidak sempurna. 33
Dumping disebabkan adanya weeping yang terlalu besar yang mengakibatkan cairan akan turun dari setiap tray dan menekan/mendorong cairan dibawahnya.
Entrainment disebabkan cairan dari satu kolom distilasi ke kolom distilasi diatasnya
priming ,disebabkan oleh gas atau cairan yang dapat membentuk foam , sehinnga karena adanya laju uap keatas, cairan dapat te rbawa oleh uap dan membetuk foam yang terakumulasi di dalam kolo.Hal ini dapat menyebabkan flooding dan Presure drop menjadi sangat besar
Coning
disebabkan
laju
cairan
yang
terlalu
rendah
yangbergerakkeatasdapatmenghalangicairanyangdatangsehingga
sehingga
uap
kontakantaracairan
dan gas tidak sempurna.
Gambar 2. 23 Diagr am performa kolom distilasi
2.12Model Termodinamika
Pada saat pengoperasian aspen plus perlu ditentukan model termodinamika yang tepat untuk penelitian yang akan dilakukan.Terdapat banyak model termodinamika ,oleh karena itu untuk mengetahui model termodinamika yang tepat perlu ditinjau dari sifat-sifat komponen yang terlibat selama proses.Bagan penentuan model termodinamika yang tepat sebagai berikut, (Aspen Technology, 1997)
34
Gambar 2. 24 Bagan pemilihan model termodinamika
Menurut bagan diatas, pada penelitian ini kita menggunakan komponen-komponen antara lain :gliserol,TBA dan GTBE .Berdasarkan komponen-komponen tersebut semuanya merupakan senyawa polar dan non elektrolit .Kondisi operasi yang digunakan P<10bar tepatnya yaitu pada 1bar,dan terjadi kesetimbangan cair-cair pada decanter.Apabila interaksi antarparameter diketahui,sehingga model termodinamika yang tepat digunakan adalah NRTL,UNIQUAC.Apabila interaksi antarparameter tidak diketahui
digunakanUNIF-
LL.Akan tetapi pada percobaan parinya intarchanoen (Intaracharoen, 2009)dan kiatkittipong (Kiatkittipong, et al., Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation, 2011)model termodinamika yang digunakan adalah UNIFAC.Dikarenakan pada percobaan elena vlad (Vlad & Bildea, 2012)tidak dijelaskan model termodinamika yang digunakan ,oleh karena itu pada saat simulas i steady state akan digunakan beberapa model termodinamika untuk mengetahui model termodinamika mana yang cocok dengan percobaan ini. 2.13Simulator Aspen Plus
ASPEN yang merupakan software simulasi yang berfungsi untuk simulasi skenario rekayasa reaksi, seperti merancang ukuran reaktor, memprediksi konversi reaksi dan memahami perilaku reaksi kesetimbangan.ASPEN dapat menangani proses yang sangat kompleks, termasuk sistem pemisahan multi komponen, reaktor kimia, distilasi senyawa kimia 35
reaktif, dan bahkan larutan elektrolit seperti asam mineral dan solusi natrium hidroksida.Pada percobaan ini simulator yang digunakan adalah ASPEN plus yang berfungsi untuk melakukan simulasi steady state. (Aspen team 22nd Generation, pp. 1-2) 12.3.1
Kolom pemisah Pada Aspen Plus
Aspen Plus menyediakan berbagai macam kolom pemisah berbagai model kolom pemisah diantaranya adalah DSTWU, Distl, RadFrac, Extract (untuk ekstraksi), MultiFrac, SCFrac, dan Petrofac (untuk fraksinasi), dan BatchSep ( untuk distilasi batch).Model kolom yang digunakan pada percobaan ini adalah Radfrac (Aspen team 22nd Generation, pp. 3-32)
Gambar 2. 25 Macam-macam kolom pada simulator ASPE N plus
12.3.2
Model DSTWU
Simple Column
Perhitungan sangat Short-Cut
Terdiri dari 1 arus masuk & 2 arus keluar (top +bottom)
Asumsi yg digunakan :Arus mol tetap,Relative volatility tetap
Digunakan untuk kalkulasi R-min dan N(jumlahstage)-min
Metode yg dipakai : Winn-Underwood-Gilliland
36
Gambar 2. 26 I nput Model DSTWU
Gambar 2. 27 I nput block model DSTWU
Gambar 2. 28 H asil model DSTWU
Gambar 2. 29 Reflux ratio vs jumlah tahap
37
Gambar 2. 30 J umlahtahap
12.3.3
Model DISTL
Shortcut simulasi distilasi multi komponenuntuk mengetahui beban kondenser dan reboiler
Terdiri dari : 1 arus umpan dan 2 produk
Spesifikasi yang dibutuhkan :Stage teoritis refluks rasio,feed stage,tekanan reboiler ,tekanan kondenser,Distilate to feed mole ratio
Memakai pendekatan Edmister sebagaiApproximate Group Method
Gambar 2. 31 Hasil DSTWU→Input DISTL
38
Gambar 2. 32 H asil model DI STL 12.3.4
Model Radfrac
Rigorous model untuk simulasi multistage vaporliquid fractionation Aplikasinya dapat digunakan untuk merancang
Distilasi Absorpsi Reboiled Absorption Stripping Reboiled Stripping Extractive Distillation Azeotropic Distillation Reactive Distillation Mampu menangani :Tiga fase,Dua fase,Sistem dengan daerah didih sempit dan
luas,Sistem dengan cairan sangat non ideal
Dapat mendeteksi adanya free-water phase
Menghandle padatan dalam stage
Memakai pump-around keluar dari suatustage dan mengembalikan ke stage yang sama atau lainnya
Menghandle reaksi kimia :Konversi tetap,Kesetimbangan,Rate-controlled,Electrolitik
Menghandle presipitasi garam (pengendapangaram)
Kesetimbangan pada tiap plate(Murphree efisiensi,Vaporisasi efisiensi)
Memakai tray atau packing (structured danrandom packing)
Jumlah arus masuk dapat bervariasi
Jumlah arus output dapat bervariasi (bisa terdapatside stream)
Feed Stage : • Above stage • On stage • On stage-liquid • On stage-vapor 39
Gambar 2. 33 Result DSTWU→Input RADFRAC
Gambar 2. 34 I nput tahap umpan model RADF RAC
Gambar 2. 35 Pr essure drop model R ADF RAC
40
Gambar 2. 36 H asil model R AD F RAC
Gambar 2. 37 Profil Kolom model RADF AC
41
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Studi literatur
Pada penelitian ini melakukan simulasi steady state dengan menggunakan aspen simulation yaitu software aspen plus V8.8 .Dilakukan pencarian literatur mengenai reaksi esterifikasi yang terjadi dalam kolom RD.Literatur yang dipilih harus memiliki data kinetika, desain kolom distilasi dan model termodinamika yang lengkap guna validasi lebih lanjut.Rangkaian alat untuk simulasi sebagai berikut:
Gambar 3. 1 Desain K olom reactive distillation (Vlad & Bildea, 2012)
Langkah-langkah melakukan simulasi steady state adalah sebagai berikut: Studi literatur RD dengan data yang lengkap
Studi simulator yang digunakan pada penelitian ini
Program Aspen Plus V.8.8 dijalankan
42
Template blank simulation dipilih
Pada folder components , komponen yang terlibat dalam proses diinput
Pada folder methods metode yang diinginkan dipilih
Alat seperti pada gambar dirangkai dengan memilih alat utama pada bagian columns dan laju alir pada materialstream
Data Spesifikasi kolom reactive distilation diinput sesuai dengan data validasi literatur,yaitu jumlah tahap,jumlah tahap reaktif ,tekanan kolom RD,temperatur kolom RD,total liquid hold-up pada daerah reaktif dan spesifikasi operasi.
6 Kinetika reaksi maju-mundur pada blok kolom reaksi Diset
Densitas katalis disesuaikan dengan kinetika reaksi maju-mundur
Umpan sesuai dengan Temperatur, tekanan ,laju alir dan komponen data validasi diset
Setelah semua data diset sesuai data validasi,simulasi dijalankan
Hasil simulasi yang didapat diamati apakah sudah sesuai dengan data validasi literatur
Jika hasil simulasi yang dilakukan sesuai dengan data validasi yang diperoleh dari literatur,dilakukan simulasi untuk variasi parameter-parameter variabel yang lain yang ingin diamati .
Jika hasil simulasi tidak sesuai dengan data validasi literatur ,parameter variabel-variabel yang diketahui diubah
43
Data spesifikasi kolom RD yang digunakan adalah sebagai berikut: Tabel 3. 1 D ata validasi masukan dan keluaran kolom reactive distillation Masukkan Kategori
Umpan 1 (GLiserol)
Umpan 2 (TBA)
Recycle(Air+DTBG) Air(47,3%Wt) DTBG(52%Wt)
Variabel
Nilai
Laju alir(kmol h- )
2,25
Temperatur (oC)
150
Laju alir(kmol h- )
4,511
Temperatur (oC)
95
Laju alir(kmol h-1)
0,1
Keluaran Kategori
Variabel
Laju alir(Kmol/h)
Air(97,5%Wt) _
Keluaran distilat (atas)
DTBG(2,26%Wt) DTBG(99,2%Wt)
Keluaran bottom (bawah)
2,25
TTBG(0,7%Wt) GLISEROL(0,03%Wt)
Keluaran liquid-liquid separator
4,511
AIR(99,8%Wt)
Tabel 3. 2 Spesifikasi Kolom reactive distilation Kondisi operasi kolom RD
Tekanan(atm)
1
Jumlah tahap
30
Tahap reaktif
10(tray 10-20)
Jumlah katalis (kg)
400
Total liquid hold-up pada tahap reaktif(L)
400
44
Beban reboiler(kW)
93,4
Beban kondensor(kW)
78,9
D kolom(m)
0,3
Rasio refluks
0,5
Gambar 3. 2 Profil komposisi setiap tahap
Gambar 3. 3 Profil temperature setiap tahap
3.2 Variasi Simulasi
Simulasi dilakukan setelah proses validasi selesai dan model yang dibuat dinyatakan valid. Simulasi dilakukan pertama untuk mengetahui pengaruh kondisi umpan terhadap konversi reaktan, perolehan dan fraksi GTBE. Simulasi ini memvariasikan temperatur 45
masukan umpan, rasio umpan, dan laju alir umpan. Setelah diketahui pengaruhnya kemudian dilakukan variasi kondisi proses. Kondisi proses yang dapat divariasikan adalah temperatur operasi, tekanan operasi, rasio reflux, dan beban reboiler. Kedua variasi tersebut kemudian menjadi dasar untuk melakukan perubahan konfigurasi alat.Perubahan konfigurasi alat yang dapat dilakukan adalah mengubah jumlah tahap,jumlah tahap reaktif,panjang kolom RD,lebar kolom RD.Dalam melakukan perubahan pada konfigurasi alat perlu diperhatikan dan dipertimbangkan untuk mengubah kondisi umpan dan kondisi proses agar perolehan produk yang diinginkan lebih baik dari sebelumnya, atau setidaknya sama dengan perolehan produk awal.
3.3 Jangka Waktu Penelitian
Rencana jangka waktu Penelitian Estherifikasi gliserol dengan TBA pada reactive distilation ,menggunakan Aspen Plus V8.8 akan dilaksanakan berdasarkan
Tabel 3. 3 Rencana Kerja Penelitian
No
Kegiatan
1
Studi Simulator dan Pembuatan model
2
Validasi Simulasi steady state
3
Variasi parameter simulasi
4
Pengolahan data hasil simulasi
5 6
Pembahasan Hasil simulasi Penyusunan Laporan akhir
Agustus September Oktober November Desember 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
46
DAFTAR PUSTAKA
A, B., & L, O. (2003). Development of a Process for the Acid-Catal yzed Etherification of Glycerine and Isobutene forming Glycerine Tertiary Butyl Ethers. Eng Life Science 2, 185-189. Aspen team 22nd Generation. (t.thn.). Diambil kembali dari Chemical Engineering and Material Science: https://www.chems.msu.edu/resources/tutorials/ASPEN Aspen Technology. (1997). Dalam Aspen Plus Database V8.8. C, Engineering. (2009). Methods to Determine Diesel Cetane Number. Dalam Carmagen Engineering. Constantinou, L., & Gani, R. (1994, October). New Group Contribution Method for Estimating Properties of Pure Compounds. AlChe JOURNAL, 40, 1697-1710. E.A, Bildea. (2009). Analysis of chemical routes and processes for the production of glycerol ethers. F, Frusteri., C, Canilla., & G, Bonura. (2013). Glycerol Ethers Production and Engine Performance with diesel/ether Blend. H, Nouredini., W.R, Dailey., & B.A, Hunt. (1998). Production of ethers of glycerol from crude glycerol-the by-product of biodiesel production. Biomaterials. Huang, Y. S., & Sundmacher, K. (2007, May). Kinetics study of propyl acetate synthesis reaction catalyzed by Amberlyst 15. International journal of CHEMICAL KINETICS, 39(5), 245-253. Intaracharoen, P. (2009). PRODUCTION OF ETHERS FROM GLYCEROL AND TERTIARY BUTYL ALCOHOL USING REACTIVE DISTILLATION. JOBACK, K., & REID, R. (2007, May 21). ESTIMATION OF PURE-COMPONENT PROPERTIES FROM GROUP-CONTRIBUTIONS. Chemical engineering communications2, 57 , 233-243. Kiatkittipong, W., Intaracharoen, P., Laosiripojana, N., Chaisuk, C., Praserthdam, P., & Assabumrungrat, S. (2011, January 18). Glycerol ethers synthesis from glycerol etherification with tert-butyl alcohol in reactive distillation. Computer and Chemical engineering, 35, 2034-2043.
47
