PEMANFAATAN CO2 untuk PEMBUATAN METANOL
Disusun oleh : 1. Jessica (1400610019) 2. Muhammad Hilmy Hakeem (1400610013) 3. Rena Nadia Permata Asry (1400610029)
Pembimbing : 1. Dr. Sholeh Ma’mun 2.Petrick 2.Petrick Gideon Effendi ST M.Sc
Department of Chemical and Green Process Engineering , Surya University Gedung 01 Scientia Business Park Jl. Boulevard Gading Serpong Blok O/1 Summarecon Serpong, Tangerang, Banten-Indonesia 15810
Lembar Pengesahan
Pemanfaatan CO2 untuk Pembuatan Metanol
Di ajukan sebagai salah satu persyaratan untuk memenuhin mini riset teknik kimia I Fakultas Clean Energy and Climate Change Department of Chemical and Green Process Engineering Surya University
Di ajukan oleh : 1. Jessica (1400610019) 2. Muhammad Hilmy Hakeem (1400610013) 3. Rena Nadia Permata Asry (1400610029) Menyetujui,
Pembimbing I
Petrick Gideon Effendi ST M.Sc
Pembimbing II
Dr. Sholeh Ma’mun
Abstrak
CO2 kini telah menjadi pusat masalah global warming yaitu emisi gas rumah kaca, banyak peneliti melakukan percobaan untuk mengurangi gas CO2 ini, dimulai dengan CO2 capture hingga pemanfaatan CO2 ini ke metanol. Untuk itu tujuan kami adalah agar dapat mengetahui pemanfaatan emisi gas ini in i serta dijadikan acuan bagi peneliti untuk melakukan mel akukan proses ini. Dalam proses konversi CO2 ke metanol ini melalui reaktor sintesis metanol memerlukan bahan baku CO2 murni dengan hidrogen (H2) atau air (H2O). CO2 dan H2 dalam hal ini, kami menggunakan proses sintesis metanol langsung, sedangkan CO2 dan H2O dalam hal ini, kami menggunakan proses fotosintesis buatan dengan bantuan sinar matahari (sinar UV). Secara singkatnya, dalam proses pemanfaatan CO2 ke metanol, dibutuhkan katalis yang tepat, khususnya nanokatalis, dengan bahan bakunya CO2 dan H2 yang lebih efisiensi dalam kebutuhan energi dan listrik serta proses pemanfaatan CO2 dan H2 yang kami gunakan adalah proses sintesis metanol metan ol secara langsung. Kata kunci: CO2 , sintesis metanol, fotosintesis buatan, H 2 , H 20
Abstract
Nowadays, CO2 have become one of the biggest source of the greenhouse effect, which further leads to the global warming. Many researchers have done the research on this subject, that is, to reduce the concentration of CO2 in the atmosphere through the carbon capture system or the production of methanol with CO2 as the raw material. Thus, this research objective is to find how the emission of CO2 can be beneficial for us and so that it may become the reference material for the other researchers to do this conversion process. The conversion process from CO2 to methanol needs pure CO2 and hydrogen (H2) or water (H2O). For the CO2 and H2 reaction, we use the direct synthesis methanol process, and for CO2 and H2O reaction, we use the artificial photosynthesis process with the help of sunlight (UV light) In short, to undergo an optimal conversion process from CO2 to methanol, we have to find the right catalyst, particularly nanocatalyst, with the raw material of CO2 and H2 because it has more efficiency in energy consumption. So, the process that we choose in the conversion of CO2 and H2 to methanol is the direct synthesis methanol process. Keywords: CO2 , methanol synthesis, artificial photosynthesis, H 2 , H 2O
Kata Pengantar
Puji Syukur kami panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa atas segala berkat dan rahmatNya yang telah dilimpahkan kepada kami sehingga mampu menyelesaikan makalah studi kajian literatur ini yang berjudul “ Pemanfaatan CO 2 untuk Pembuatan Metanol”. Makalah ini diajukan guna untuk memenuhi salah satu tugas riset dalam semester pendek. Dalam kesempatan ini, kami mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bpk. Yalun Arifin, selaku kepala dosen Chemical Engineering, yang memberikan kami ijin untuk melakukan riset ini. 2. Bpk. Sholeh Ma’mun, selaku dosen pembimbing kami, yang telah memberikan ilmunya untuk mempermudah kami menyelesaikan makalah ini. 3. Bpk. Petrick Gideon Effendi, selaku dosen pembimbing kami, yang telah membantu kami membenarkan kesalahan yang kami buat dalam makalah ini. 4. Orang tua kami yang telah memberikan dukungannya baik secara materi maupun moral. 5. Teman-teman dalam satu kelompok yang telah membantu dalam penyusunan makalah. Kami menyadari bahwa makalah yang kami buat ini masih banyak kekurangan dan belum sempurna, untuk itu kami sangat mengharapkan kritik dan saran khususnya dosen pembimbing kami yang bersifat membangun, agar makalah yang kami buat ini berguna dan memberikan wawasan yang luas bagi pembaca serta peneliti selanjutnya dimasa depan, untuk itu kami menyelesaikan makalah ini demi tercapainya Indonesia Jaya.
Tangerang, 10 Maret 2015
Penyusun
Daftar Isi
Abstrak ………………………………………………………………………………….
i
Kata Pengantar …………………………………………………………………..............
iii
Daftar Isi …………………………………………………………………………………
iv
Daftar Simbol ……………………………………………………………………………
vii
Daftar Tabel ……….. ……………………………………………………………………
ix
Daftar Gambar …………………………………………………………………………...
x
BAB I. Pendahuluan …………………………………………………………………….
1
1.1 Latar Belakang ……………………………………………………………….
1
1.2 Permasalahan ………………………………………………………………...
3
1.3 Tujuan ………………………………………………………………………..
3
BAB II. Kajian Literatur …………………………………………………………………
5
2.1 Metode Pembuatan Metanol dari karbon dioksida dan hidrogen …………….
5
2.1.1 Two Step Methanol Synthesis Process ……………………………..
5
2.1.2 Direct Methanol Synthesis Process …………………………………
6
2.1.4 Efisiensi Energi dan Ekonomi pada kedua metode …………………
6
2.1.3 Konklusi …………………………………………………………….
15
2.2 Penggunaan katalis dalam proses sintesis metanol …………………………...
15
2.2.1 Nanokatalis ………………………………………………………….
16
2.2.2 Organokatalis ………………………………………………………..
17
2.2.3 Konklusi ……………………………………………………………..
18
2.3 Metode Pembuatan Metanol dari karbon dioksida dan air ……………………
19
BAB III. Proses Pembuatan ……………………………………………………………
21
3.1 Direct Synthesis Methanol ………………………………………………….
21
3.1.1 Dekripsi Alat dan Mekanismenya ………………………………...
21
1. Flash Separator ……………………………………………….
21
2. Compressor ……………………………………………………
22
3. Reactor ………………………………………………………..
24
4. Cooling Tower ………………………………………………...
25
5. Distillation Column ……………………………………………
25
6. Power Distribution System …………………………………….
28
7. PSA (Pressure Swing Adsorption) …………………………….
29
8. Relief Valve ……………………………………………………
30
9. Heat Exchanger ………………………………………………..
31
3.1.2 Proses Produksi Metanol dengan Bahan Baku CO2 dan H2 ..………
31
3.1.3 Process Flow Diagram ……………………………………………..
35
3.2 Photocatalytic CO2 Conversion to Methanol ………………………………..
36
3.2.1 Dekripsi Alat dan Mekanismenya ………………………………....
36
1. Mixer Recycle ………………………………………………...
36
2.Heater ………………………………………………………….
36
3.Reactor …………………………………………………………
36
4.Cooler …………………………………………………………..
36
5. Separator ……………………………………………………….
37
6. Distillation Tower ……………………………………………...
37
3.2.2 Proses Produksi Metanol dengan bahan baku CO2 dan H2O ……….
37
3.2.3 Process Flow Diagram ………………………………………………
40
3.3 Perbandingan Efisiensi Energi dan Ekonomi ……………………………..…
40
BAB IV. Kesimpulan …………………………………………………………………….
44
Daftar Pustaka ……………………………………………………………………………
45
Daftar Simbol
CO2
Karbon Dioksida
H2
Hidrogen
H2 O
Air
N2
Nitrogen
CH4
Metana
CFC
CloroFluorCarbon
H2CO3
Asam Karbonat
CO
Karbon Monoksida
CH3OH
Metanol
DME
Dimetil Eter
CCS
Carbon, Capture, and Storage
RWGS
Reverse Water Gas Shift
Cu/ZnO
Katalis Tembaga/Zink Oksida
ZrO2
Zirkonium Oksida
NPV
Net Present Value
CEPCI
Chemical Engineering Plant Cost Index
LHV
Lower Heating Value
HHV
Higher Heating Value
PSA
Pressure Swing Adsorption
CuO/ZnO/Al2O3
Tembaga Oksida/Zink Oksida/Aluminium Oksida
MgH2
Magnesium Hidrida
NHC
N-heterocyclic carbenes
C6H12O6
Glukosa
TiO2
Titanium Dioksida
Sinar UV
Sinar Ultra Violet
Mn2+
Ion Mangan
Al3+
Ion Aluminium
Na+
Ion Natrium
PBR/FBR
Packed Bed Reactor/Fixed Bed Reactor
CWR
Cooling Water Return
PLN
Perusahaan Listrik Negara
CH3OCH3
Dimetil Eter
MeOH
Metanol
Daftar Tabel
Tabel 1. Perhitungan biaya modal untuk proses 2 tahap sintesis metanol ……………….
7
Tabel 2. Perhitungan biaya modal untuk proses sintesis metanol langsung ……………..
8
Tabel 3. Biaya operasi tahunan untuk kedua proses sintesis metanol ……………………
9
Tabel 4. Permintaan Hidrogen untuk kedua proses sintesis metanol …………………….
10
Tabel 5. Harga total produksi CO2 oleh kedua proses …………………………………...
11
Tabel 6. Jumlah dan harga metanol serta oksigen ………………………………………..
12
Tabel 7. Jumlah yang diperlukan untuk produksi 1 kg metanol ………………………….
13
Tabel 8. Nilai-nilai setiap komponen reaktan dan produk ………………………………..
14
Tabel 9. Reaksi yang terjadi dalam reaktor sintesis metanol pertama ……………………
32
Tabel 10. Reaksi yang terjadi dalam reaktor sintesis metanol kedua …………………….
33
Tabel 11. Kelebihan dan Kekurangan pada kedua metode ……………………………….
42
Daftar Gambar
Gambar 1. Grafik Emisi CO2 pada tahun 2004 – 2010 ………………………………….
2
Gambar 2. Diagram Flash Separator …………………………………………………….
21
Gambar 3. Kompresor Sentrifugal Single Stage …………………………………………
22
Gambar 4. Letak Diffuser pada Kompresor ……………………………………………..
23
Gambar 5. Letak Guide Vane pada Kompresor …………………………………………
23
Gambar 6. Multitubular Fixed-Bed Reactor ……………………………………………..
24
Gambar 7. Mekanisme Cooling Tower …………………………………………………..
25
Gambar 8. Diagram Kolom Distilasi ……………………………………………………..
26
Gambar 9. Mekanisme Kondensor ………………………………………………………..
27
Gambar 10. Mekanisme PSA ……………………………………………………………..
29
Gambar 11. Komposisi Alat pada Relief Valve …………………………………………..
30
Gambar 12. Lamella Heat Exchanger ……………………………………………………..
31
Gambar 13. Proses Skema Diagram Alur pada Direct Synthesis Methanol ………………
35
Gambar 14. Process Flow Diagram pada Direct Synthesis Methanol …………………….
35
Gambar 15. Mekanisme Separator ………………………………………………………...
37
Gambar 16. Mekanisme Kolom Distilasi ………………………………………………….. 37
Gambar 17. Diagram Skematik Proses Pembuatan Metanol dengan Fotosintesis Buatan ………………………………………………………….
38
Gambar 18. Process Flow Diagram pada Photocatalytic CO2 …………………………….. 40
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Udara yang terdapat pada atmosfer bumi utamanya terdiri dari Oksigen (O2) = 21% volume, Nitrogen (N2) = 78% volume dan sisanya 1% terdiri dari bermacam-macam gas diantaranya : Argon (Ar) = 0.94% volume dan karbon dioksida (CO2). Karbondioksida (CO2) adalah salah satu senyawa alami berbasis karbon terbanyak di atmosfir atau paling tidak terbanyak diantara gas rumah kaca lainnya seperti metana (CH4) dan klorofluorokarbon (CFC). CO2 ini juga merupakan suatu gas penting yang dalam kadar normal bermanfaat dalam kehidupan manusia. Kadar yang lebih dari normal akan sangat beresiko bagi kehidupan. Perlu diketahui bahwa kadar normal CO2 yang terkandung dalam udara segar (yaitu udara di permukaan laut) adalah 0,036%-0,039%, tergantung pada lokasinya. Jadi kadar di atas angka tersebut sudah harus kita waspadai. Kadar 0,1-0,5% membuat konsentrasi terganggu. Dan 0,5% adalah batas aman internasional yang telah ditetapkan. Kadar 1% membuat kita bernafas lebih cepat, tapi kita tidak menyadarinya. Kadar 2% membuat kita bernafas lebih cepat lagi, dan cepat lelah, serta pusing. Kadar 3% membuat kita bernafas 2 kali lebih cepat, pusing, sakit kepala, detak jantung meningkat, tekanan darah naik, bahkan pendengaran terganggu. Pada kadar 4% ke atas, kita sudah memasuki tahap ‘keracunan’, di mana gejalanya berkembang menjadi sesak
nafas, gangguan penglihatan dan pada akhirnya kehilangan kesadaran. Sejak revolusi industri 250 tahun yang lalu hingga sekarang, CO2 terus meningkat di dalam jumlah. Bisa dilihat di tabel berikut dari tahun 2004 hingga 2010.
Gambar 1. Grafik Emisi CO2 pada tahun 2004 - 2010
Gas rumah kaca inilah, termasuk CO2, yang menyebabkan naiknya suhu permukaan bumi atau yang dikenal secara umum sebagai Global Warming . Global Warming adalah isu yang paling sering dibicarakan dalam berbagai kalangan di dunia. Senyawa CO2 dapat dihasilkan dari berbagai macam sumber, diantaranya sistem respirasi makhluk hidup, ataupun hasil reaksi pembakaran dari senyawa hidrokarbon (terutama yang berasal dari fossil fuel seperti bensin dan gas alam) yang sebagian besar berasal dari kendaraan bermotor dan kegiatan industri. Karena itulah bertambahnya jumlah kendaraan bermotor dan pabrik berhubungan langsung dengan meningkatnya konsentrasi karbondioksida pada atmosfer. Berkurangnya luas hutan di dunia juga mempengaruhi peningkatan konsentrasi karbondioksida pada atmosfer. Hal ini dikarenakan, dengan tidak adanya pepohonan maka satusatunya jalan untuk mengurangi konsentrasi CO2 secara alami pun hilang. Meskipun CO2 dapat larut dalam air, namun reaksinya dengan air (H2O) menghasilkan senyawa yang bersifat asam yaitu H2CO3 (Asam Karbonat) yang bersifat korosif.
Namun, selain berdampak negatif pada lingkungan, ada juga beberapa manfaat CO2 yang bisa dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari ataupun dalam skala industri, diantaranya melibatkan karbondioksida dalam produksi metanol, urea, polimer ataupun penggunaan CO2 dalam Enchanced Oil Recovery dan masih banyak lagi. Dengan meningkatkan pemanfaatan CO2 dalam industri tersebut maka konsentrasi karbondioksida pada atmosfer pun dapat dikurangi dan produknya pun dapat bermanfaat kembali bagi manusia. 1.2 Permasalahan
Efek rumah kaca adalah masalah terbesar yang disebabkan oleh karbondioksida. Dengan meningkatnya konsentrasi CO2 pada atmosfir panas berupa energi yang telah masuk dan dipantulkan kembali dari permukaan bumi tidak dapat menembus lapisan atmosfer karena tertahan oleh CO2 dan gas rumah kaca lainnya. Pada akhirnya panas tersebut dikembalikan ke permukaan bumi dan meningkatkan suhu permukaan bumi (Global Warming ). Inilah yang disebut efek rumah kaca.
Sebenarnya pada level konsentrasi CO2 tertentu, efek rumah kaca dibutuhkan untuk menstabilkan suhu permukaan bumi agar perbedaan suhu antara siang dan malam tidak terlalu jauh. Namun jika konsentrasi CO2 terlalu tinggi, efek ini justru menjadi permanen dan menyebabkan suhu permukaan bumi meningkat setiap tahunnya. Hal ini berikutnya menyebabkan naiknya permukaan air laut karena kenaikan suhu yang terjadi di kutub utara dan selatan, dan juga perubahan cuaca yang semakin tidak menentu.
Karbondioksida ini memiliki banyak dampak yang buruk terhadap manusia. Hal ini karena karbon dioksida adalah gas terbanyak kedua. Konsentrasi karbondioksida yang meningkat pada air laut pun dapat menyebabkan kadar asam pada air laut meningkat, dan dapat mengganggu ekosistem di dasar laut. Hal ini juga dapat menyebabkan hujan asam yang bersifat korosif karena kadar asam yang tinggi. Pada konsentrasi tertentu, CO2 juga dapat bersifat racun (toxic) yang berbahaya bagi makhluk hidup, termasuk manusia. 1.3 Tujuan
Tujuan dari riset ini adalah untuk mengetahui pemanfaatan dari karbo ndioksida dan juga proses untuk mengubah CO2 menjadi produk tertentu. Dengan fokus penelitian yaitu mengubah CO2 menjadi CH3OH (metanol) dan juga menentukan proses produksi paling efektif yang dapat digunakan untuk memperoleh hasil yang maksimal.Semakin banyak orang menyadari akan
dampak emisi karbondioksida ini maka dengan adanya makalah ini kami jadikan sebagai acuan bagaimana pemanfaatan emisi karbondioksida ini menjadi suatu hal yang murah, efisien dan hasilnya juga ramah lingkungan.
BAB II KAJIAN LITERATUR
2.1 Metode Pembuatan Metanol dari karbon dioksida (CO 2) dan hidrogen (H 2)
Metanol merupakan salah satu komponen yang lebih sering digunakan dalam industri kimia. Dalam hal ini, sintesis methanol bisa dikatakan sebagai proses “hijau” jika reaktan
utamanya adalah CO2 dan H2, reaksi kimianya sebagai berikut: (1) CO + 2H2 CH3OH (CO2 diubah menjadi CO melalui RWGS) (2) CO2 + 3H2 CH3OH + H2O Dari reaksi kimia tersebut, dapat disimpulkan bahwa produk dari reaksi tersebu t adalah metanol dan air sehingga meminimalisir produk yang tidak diinginkan seperti DME Dimethyl ( Dimethyl Eter ) , metana, dll. CO2 bisa disediakan dengan adanya teknologi tekno logi CCS (Carbon Capture and Storage ), dan hidrogen dapat diproduksi melalui elektrolisis air. Metode pembuatan metanol di bagi menjadi dua cara yaitu : direct methanol synthesis process dan two step methanol synthesis process.
2.1.1 Two Step Methanol Synthesis Process Tahap pertama dari proses CO2 menjadi CO melalui RWGS ( Reverse Water Gas Shift ) dengan reaksi:
CO2 + H2 CO + H 2O Reaksi ini merupakan reaksi endotermik, oleh karena itu konversi CO2 meningkat pada suhu yang lebih tinggi. Lalu masuk dalam reaktor pertama yaitu water cooled reactor . Aplikasi katalis sangat penting dalam proses ini karena katalis ini harus cocok untuk memastikan konversi yang yang sangat selektif untuk dekat dengan keseimbangan, sehingga menghasilkan konversi fraksional CO2 sekitar 60%, lalu produk dari reaktor pertama yang didinginkan masuk dalam reaktor kedua, di reaktor kedua terjadi sintesis methanol, dalam reaktor kedua terdapat katalis Cu/ZnO yang diperkaya juga dengan ZrO2 untuk mencapai konversi CO2 ke methanol yang lebih tinggi. Lalu dilanjutkan dengan 3 kolom distilasi. Kolom
pertama digunakan untuk memisahkan gas-gas terlarut yang diperoleh sebagai gas distilat dan menjalani pembakaran secara bersamaan dan dibersihkan dibers ihkan dari synthesis synthesis loop. Energi yang dilepaskan selama pembakaran digunakan untuk memasok jumlah yang diperlukan energi untuk reaktor RWGS. Lalu CO2 yang dihasilkan dari pembakaran dapat dipisahkan dengan menggunakan post-combustion carbon capture . CO2 yang dipisahkan dapat digunakan lagi sebagai bahan awalnya. Dua kolom terakhir digunakan untuk memisahkan metanol dan air. Metanol yang diperoleh sangat murni. 2.1.2 Direct Methanol Synthesis Process Campuran karbon dioksida dan hidrogen dengan rasio 1:3, lalu secara langsung masuk dalam reaktor pertama untuk proses sintesis methanol, katalis yang digunakan adalah Cu/ZnO yang diolah dengan ZrO2 untuk memastikan konversi yang tepat dari reaktan, kemudian didinginkan. Mayoritas dalam fase gas yang dihasilkan didaur ulang kembali ke reaktor pertama sementara bagian ke dua disampaikan ke reaktor kedua untuk tambahan sintesis methanol, produk dari reaktor kedua juga didinginkan lalu dilanjutkan dengan tiga kolom distilasi. Sebelum memasuki 3 kolom distilasi terdapat unit PSA (Pressure Swing Adsorption) untuk memperoleh kembali H2. H2 ini dapat digunakan lagi dalam sintesis methanol karena konsumsi H2 dalam proses ini sangat tinggi. Proses yang terjadi dalam 3 kolom distilasi sama dengan proses yang terjadi dalam two step synthesis methanol . 2.1.3 Efisiensi Energi dan Ekonomi pada kedua metode 1. Efisiensi Ekonomi Biaya utama dalam proses produksi metanol ini dari kedua metode tersebut adalah produksi hidrogen, dalam kasus ini, hidrogen diproduksi melalui elektrolisis air, dan memerlukan sejumlah besar tenaga listrik yang diperlukan untuk tujuan itu. Proses produksi metanol juga dapat dikombinasikan dengan beberapa teknologi penangkap CO2, sejumlah besar oksigen yang dihasilkan dari produksi hidrogen melalui elektrolisis air. Oksigen ini bisa digunakan untuk proses pembakaran pemba karan (combustion), hanya CO2 dan air sebagai gas buangnya, air dapat dipisahkan dengan mudah dan CO2 murni dapat diperoleh untuk produksi metanol. Teknologi ini dikenal sebagai teknologi oxy-fuel .
Efisiensi perbandingan ekonomi antara kedua metode produksi metanol dari CO2 ini didasarkan pada NPV ( Net Net Present Value). Net Present Value adalah salah satu metode yang digunakan untuk menentukan efisiensi
ekonomi. Metode ini memberikan beberapa parameter yang sangat penting, pentin g, yang dapat digunakan untuk perbandingan dua proses. 1.1 Biaya Modal Biaya modal menggunakan beberapa parameter dan indeks. Persamaan yang digunakan untuk tujuan ini adalah C = nE Co (S / nS o)f Dimana C adalah biaya unit proses, n adalah jumlah unit, E adalah biaya eksponen skala untuk nomor yang berbeda tapi dari unit berukuran sama, Co adalah biaya unit referensi, S adalah kapasitas unit proses, So adalah kapasitas unit proses referensi, dan f adalah faktor biaya scaling. Biaya unit proses yang diambil dari literatur yang berbeda, oleh karena itu CEPCI (Chemical Engineering Plant Cost Index) harus diperhitungkan. Dalam hal ini nilai indeks CEPCI untuk 2013 dan 2014 belum tersedia, tersedi a, dalam arti belum belu m mencapai final. Untuk itu it u nilai indeks yang diambil sebagai nilai sekarang adalah 2012. Kedua proses produksi metanol dibagi menjadi beberapa bagian dan total biaya modal diwakili oleh jumlah biaya masing-masing bagian. Perhitungan biaya modal untuk proses sintesis sintesi s metanol langsung dan dua tahap dapat dilihat masing-masing pada tabel 1 dan 2. Tabel 1. Perhitungan biaya modal untuk 2 tahap sintesis metanol. Proses/unit
Skala parameter
S
So
Co
Referensi/ C’o
(m$)
Tahun
(m$)
259.9 220
33.00
[17]/2010 [17] /2010
35.02
2
0.67
0.9
45.93
7.00
[17]/2010 [17] /2010
7.43
3
0.67
0.9
17.29
[13]/2005 [13] /2005
102.30
1
0.67
0.9
24.93
Elektrolisis
MW berdasarkan
Air
LHV
RWGS
CO (kg/s)
4.6
2
Reaktor
MeOH (ton/hari)
607.6
5000 81.96
metanol
n
f
E
C (m$)
MeOH (ton/hari)
607.6
5292 19.20
[18]/2008
21.36
1
0.67
0.9
5.01
PSA
H2 (kg/h)
55.6
23
0.02
[19]/2001
0.03
3
0.67
0.9
0.07
Unit
MW berdasarkan
19.7
20
12.82
[20]/2010
13.61
1
0.67
0.9
13.61
pembakaran
LHV
Distilasi metanol
Harga
0.85
kompresor Total harga
84.18
kapital
Tabel 2. Perhitungan biaya modal untuk sintesis metanol langsung Proses/unit
Elektrolisis Air
Skala parameter
MW berdasarkan
S
So
309.3 220
Co
Referensi/ C’o
n
(m$)
Tahun
(m$)
33.00
[17]/2010
35.02
2
0.67
0.9
51.61
f
E
C (m$)
LHV Reaktor metanol 1
MeOH (ton/hari)
420.9 5000 81.96
[13]/2005
102.30
1
0.67
0.9
19.49
Reaktor metanol 2
MeOH (ton/hari)
318.7 5000 81.96
[13]/2005
102.30
1
0.67
0.9
16.18
Distilasi methanol
MeOH (ton/hari)
690.2 5292 19.20
[18]/2008
21.36
1
0.67
0.9
5.46
PSA
H2 (kg/h)
210.0 23
[19]/2001
0.03
9
0.67
0.9
0.19
0.02
Harga kompresor
0.45
Total harga kapital
72.94
Dari data diatas, kita dapat menghitung biaya unit proses tersebut, ambil contoh kita menghitung biaya unit proses untuk elektrolisis air pada 2 tahap sintesis metanol C = nE C’o (S / nSo)f (dalam rumus ini digunakan C’ o karena CEPCI diperhitungkan), jadi dimasukkan saja angka-angka tersebut dari data diatas: C = 2 0.9 x 35.02 x (259.9 / 2 x 220)0.67 C = 2 0.9 x 35.02 x 0.702
C = 1.87 x 35.02 x 0.702 C = 45.93 m$ Maka didapatkan biaya unit proses tersebut, dengan menghitung masingmasing biaya unit proses tersebut, kita dapat menjumlahkan total biaya unit proses tersebut menjadi total harga kapitalnya. Dari hasil perhitungan diatas, didapatkan total harga kapital untuk proses 2 tahap sintesis metanol adalah 84.18 m$, dan untuk proses sintesis metanol langsung adalah 72.94 m$, maka dapat disimpulkan bahwa biaya modal investasi untuk sintesis metanol langsung lebih hemat dibanding dengan 2 tahap sintesis metanol. 1.2 Biaya Operasional dan harga reaktan Biaya operasi biasanya dihitung selama satu tahun produksi dan terkait dengan konsumsi energi, penggunaan katalis, harga reaktan, dan bahan baku. Bagian pertama dari biaya operasi adalah konsumsi listrik untuk kompresor, dan produksi hidrogen. Biaya operasi tahunan untuk kedua proses dapat dilihat dalam tabel 3. Tabel 3. Biaya operasi tahunan untuk kedua proses sintesis metanol. Harga
Jumlah
Biaya operasi (M €)
2 tahap
Konsumsi
31.84
U/ kompresi
U/ hidrogen
sintesis
listrik
€/MWh
1.939 MW
259.9 MW
metanol
Katalis
56.8 €/m3
0.133 E06
metanol
metanol
m3
Sintesis
Konsumsi
31.84
U/ kompresi
U/ hidrogen
metanol
listrik
€/MWh
1.070 MW
309.3 MW
langsung
Katalis
56.8 €/m3
0.152 E06
metanol
metanol
m3
34.9
0.5
41.2
0.6
Bagian kedua dari biaya operasional adalah harga reaktan dan bahan baku. Dalam kedua sintesis metanol, reaktan utamanya adalah hidrogen
dan karbon dioksida, sementara dalam proses two step synthesis methanol , gas alam dianggap sebagai bahan baku.
Jumlah yang dibutuhkan hidrogen untuk kedua proses dapat dilihat di tabel 4. Tabel 4. Permintaan hidrogen untuk kedua proses Sintesis metanol
2 tahap sintesis metanol
langsung F H2 (kg/h) jmlh proses
6000
4920
189
50
5811
4870
masuk hidrogen PSA H2 (kg/h) jmlh regenerasi hidrogen dari PSA Jmlh bersih (kg/h)
Hal ini dapat dilihat bahwa sejumlah besar hidrogen diperlukan untuk sintesis metanol langsung, sebab jumlah proses yang dibutuhkan hidrogen dalam sintesis metanol langsung selain dari PSA adalah 5811 kg/h, untuk memenuhi kebutuhan tersebut diperlukan biaya yang besar untuk proses elekrolisis air. Sedangkan pada proses 2 tahap sintesis metanol hanya diperlukan 4870 kg/h. Dari sisi lain, jumlah yang dibutuhkan karbon dioksida untuk kedua proses dapat dilihat di tabel 5. Tabel 5. Harga total produksi karbon dioksida untuk kedua proses
F CO2 (kg/h) jmlh CO2 yang
Sintesis metanol
2 tahap sintesis
langsung
metanol
44,000
44,000
2989
6439
memasuki proses C CO2 (kg/h) jmlh CO2 yang mengalami pembakaran
Harga penangkapan CO2
1357
1243
Nilai pajak karbon ( €/h)
591
541
Biaya tahunan (M €)
3.2
2.9
( €/h)
Seperti disebutkan diatas, bahwa dalam proses two step synthesis methanol , gas alam digunakan untuk mendapatkan jumlah yang
dibutuhkan energi untuk reaktor RWGS. Ini berarti gas alam juga dianggap sebagai reaktan untuk proses itu. Harga yang dihitung adalah 0.149 V/kg gas alam. Jumlah yang dibutuhkan adalah sekitar 900 kg/h, sesuai dengan biaya tahunan sebesar 0.566 MV. Akhirnya,
total
biaya
operasional
dapat
dihitung,
Biaya
operasional untuk proses two step synthesis methanol adalah Ot = 38.93 M €, dan biaya operational untuk proses direct synthesis methanol adalah Ot = 45.16 M €. Nilai biaya pemeliharaan 5% dari biaya modal (Mt) untuk proses dua tahap dan secara langsung masing-masing adalah 4.617 MV dan 3.625 MV. 1.3 Harga Produk Produk utama dari kedua proses tersebut adalah metanol. Produk sampingan oksigen yang dihasilkan dari elektrolisis air sangat penting. Harga metanol terus meningkat sejak 2009, harga metanol saat 0.390 V/kg diperhitungkan untuk menghitung keuntungan total dari produksi metanol. Seperti yang telah disebutkan, proses sampingan dari proses elektrolisis air adalah oksigen. Harga oksigen dipertimbangkan untuk menghitung NPV = 0.085 V/kg oksigen. Jumlah dan harga metanol serta oksigen dapat dilihat di tabel 6. Tabel 6. Jumlah dan harga metanol serta oksigen untuk kedua proses Metanol
Oksigen
Xmet (kg/h)
Harga
XH2 (kg/h)
jlmh metanol
(M €/a)
jmlh bersih H2 jmlh
yg diproduksi
XO2 (kg/h)
bersih O2
Harga (M €/a)
Sintesis metanol
yang
yang
diproduksi
diproduksi
28,757
46.90
5790
46,320
16.44
25,320
41.29
4864
38,917
13.83
langsung 2 tahap sintesis metanol
1.4 Net Present Value Parameter terakhir yang diperlukan untuk perhitungan net present value adalah laba tahunan. Untuk menghitung net present value, laba
tahunan dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut: A p = Pm + Po – Ot – Mt A p adalah laba tahunan, Pm adalah harga dari jumlah total metanol yang dihasilkan, Po adalah harga dari jumlah total oksigen yang dihasilkan, Mt adalah biaya pemeliharaan, dan Ot adalah biaya operasi total. Dari rumus tersebut, dapat menghitung laba tahunan pada two step synthesis methanol . Dari tabel diatas (tabel 6) yang telah disebutkan
bahwa harga dari jumlah total metanol dan oksigen masing-masing adalah 41.29 M € dan 13.83 M €, selain itu telah disebutkan juga biaya pemeliharaannya 4.617 M €, dan biaya operasi totalnya adalah 38.93 M €. Maka laba tahunan pada two step synthesis methanol adalah Ap = 41.29 M € + 13.83 M € – 38.93 M € – 4.617 M € Ap = 11.57 M € Untuk menghitung laba tahunan pada direct synthesis methanol , didapatkan harga dari jumlah total metanol dan oksigen masing-masing adalah 46.90 M € dan 16.44 M €, selain itu didapatkan juga biaya pemeliharaannya 3.625 M € dan biaya operasi totalnya adalah 45.16 M €. Maka laba tahunan pada direct synthesis methanol adalah Ap = 46.90 M € + 16.44 M € - 45.16 M € - 3.625 M € Ap = 14.56 M €
Dari perhitungan diatas, dapat disimpulkan bahwa sintesis metanol langsung lebih menguntungkan. 2. Efisiensi Energi Sumber energi utama untuk proses ini adalah listrik. Kedua reaktan diperoleh dengan menggunakan listrik dan itu akan sangat berguna untuk menghitung listrik yang diperlukan per 1 kg metanol yang diproduksi. Selain itu, 0.914 kWh listrik yang diperlukan untuk menangkap 1 kg karbon dioksida selama proses post-combustion. Dengan menggunakan data ini, perhitungan dapat dilakukan untuk berapa banyak listrik yang dibutuhkan untuk memproduksi 1 kg metanol, dapat dilihat di tabel 7. Tabel 7. Tenaga listrik yang diperlukan untuk memproduksi 1 kg metanol Sintesis metanol
2 tahap sintesis
langsung
metanol
7.956
7.275
Produksi H2 (MW)
309.3
259.9
Kompresor (MW)
1.070
1.939
Total (MW)
318.326
269.114
Produksi metanol (kg/h)
28,757
25,320
Emet (kWh/kg) listrik yg
11.07
10.63
Tenaga listrik yg
Penangkapan CO2
dibutuhkan
(MW)
dibutuhkan u/ memproduksi 1 kg metanol
Aspek lain dari efisiensi energi adalah penggunaan LHV (Lower Heating Value) dan HHV ( Higher Heating Value). LHV digunakan untuk
membandingkan proses efisiensi, yang mewakili total panas yang dilepaskan selama pembakaran dikurangi dengan panas dari vaporisasi air. Rasio antara LHV dari reaktan dan produk didefinisikan sebagai efisiensi gas dingin. Efisiensi gas dingin secara keseluruhan berdasarkan lebih rendah dan tinggi nilai-nilai pemanasan untuk kedua proses, dapat dilihat di tabel 8.
Tabel 8. Nilai-nilai setiap komponen reaktan dan produk 2 tahap sintesis metanol
Sintesis metanol langsung
Reaktan HHV (MJ)
740,580
823,999
Reaktan LHV(MJ)
629,311
697,087
Produk HHV (MJ)
574,379
655,624
Produk LHV (MJ)
504,056
572,417
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, LHV digunakan untuk menentukan efisiensi gas dingin dan untuk tujuan tersebut, persamaan yang digunakan adalah Efisiensi gas dingin = (LHV)p / (LHV)r Dimana (LHV)p adalah nilai LHV pada produk dan (LHV)r adalah nilai LHV pada reaktan. Dari persamaan tersebut dapat dihitung efisiensi gas dingin pada proses two step methanol synthesis, dari tabel 8 telah disebutkan bahwa produk
LHVnya adalah 504,056 MJ dan reaktan LHVnya adalah 629,311 MJ. Maka efisiensi gas dinginnya: EGD = 504, 056 MJ / 629,311 MJ EGD = 0.801 MJ Maka rata-rata LHV pada proses two step synthesis methanol adalah 0.801 x 100% = 80.1%. Untuk menghitung efisiensi gas dingin pada proses direct synthesis methanol , didapatkan produk LHVnya adalah 572,417 MJ, dan reaktan
LHVnya adalah 697,087 MJ. Maka efisiensi gas dinginnya: EGD = 572,417 MJ / 697,087 MJ EGD = 0.82 MJ Maka rata-rata LHV pada proses direct synthesis methanol adalah 0.82 x 100% = 82%.
Dapat disimpulkan bahwa proses sintesis metanol langsung lebih hemat energi dan proses termodinamikanya juga lebih efisien. 2.1.4 Konklusi Dari kesimpulan diatas, maka sintesis methanol langsung (direct methanol synthesis) menghasilkan produk metanol yang lebih besar, memiliki efisiensi energi
yang lebih tinggi, proses termodinamikanya yang lebih efisien dan ekonomis serta menguntungkan dibandingkan dengan proses 2 tahap sintesis methanol (two step methanol synthesis), namun konsumsi hidrogen dalam proses sintesis methanol
langsung (direct methanol synthesis) lebih tinggi dibandingkan dengan proses 2 tahap sintesis metanol (two step methanol synthesis ) sehingga biaya investasi pun menjadi tinggi. Jikalau konsumsi listrik serta hidrogen ini dapat diperoleh melalui teknologi energi terbarukan, tentunya proses sintesis metanol langsung (direct methanol synthesis) akan lebih efisien. 2.2 Penggunaan katalis dalam proses sintesis methanol
Katalis adalah suatu zat yang mempercepat laju reaksi reaksi kimia pada suhu tertentu, tanpa mengalami perubahan atau terpakai oleh reaksi itu sendiri. Suatu katalis berperan dalam reaksi tapi bukan sebagai pereaksi ataupun produk. Katalis sangat penting dalam proses methanol, karena jika tidak ada penggunaan katalis dalam proses sintesis metanol maka akan dibutuhkan energi yang besar serta konsumsi listrik yang sangat tinggi dikarenakan proses sintesis methanol yang terlalu lama. Dalam proses sintesis metanol diperlukan kinerja katalis yang tinggi, aktif serta selektif. Penggunaan katalis dalam sintesis methanol dibagi dua yaitu : nanokatalis dan organokatalis.
2.2.1 Nanokatalis Nanokatalis adalah katalis yang berukuran 1-100 nm. Secara umum nanokatalis dibagi menjadi dua yaitu : top down dan bottom up. Dua jenis nanokatalis ini dibagi menjadi dua jenis karena cara yang berbeda. Untuk jenis yang pertama (top Down), untuk top down menggunakan cara mekanik lebih tepatnya dengan cara
penggerusan. Sedangkan jenis yang kedua (bottom up) menggunakan reaksi kimia, kristalisasi, atau proses presipitasi yang meliputi 3 cara yaitu simple heating , penumbuhan dalam zeolit, dan penumbuhan dalam silika. Nanokatalis dengan katalis
sebenarnya memiliki perbedaan yaitu untuk nanokatalis memiliki ukuran diameter yang lebih kecil daripada katalis. Tetapi untuk nanokatalis lebih baik daripada katalis homogen dan heterogen hal ini di sebabkan memiliki ukuran yang lebih luas. Karena ukuran nya yang lebih luas dapat mempercepat reaksi kimia lebih cepat dibandingkan dengan katalis biasa. Contoh nanokatalis misalnya, nanokatalis CuO/ZnO/Al2O3 untuk mengubah metanol menjadi gas hidrogen untuk bahan bakar kendaraan fuel cell atau nanokatalis nikel untuk memperbaiki sifat serapan material magnesium hidrida (MgH2). Tetapi dalam pembuatan nanokatalis terdapat kendala yaitu tidaklah mudah dan murah. Dikatakan tidak mudah dikarenakan melibatkan reaksi kimia yang sulit dan juga sulitnya dalam mensintesis nanokatalis. Selain itu juga pada dua jenis nanokatalis juga terlihat tidak mudah. Dikarenakan pada jenis top down menggunakan cara mekanik atau penggerusan hanya dengan material bersifat amorf bukan dengan material yang berbahan liat yang sebagian besar bahan dasar pembuatan nanokatalis. Begitu pula pada metode simple heating dan penumbuhan dalam silika yang menghasilkan produk yang sangat sedikit. Selain sedikitnya produk yang dihasilkan, pemanasan untuk memecah komponen-komponen material menjadi berskala nano juga menjadi lebih lama sehingga energi yang dibutuhkan untuk pembuatan nanokatalis pun lebih besar. Kesulitan dalam pembuatan nanokatalis terdapat pada proses pengikatan media kontinu pada material yang akan diubah menjadi nanokatalis, proses pemecahan material oleh media kontinu, serta pada proses pemisahan kembali media kontinu kepada produk nanokatalis yang telah dihasilkan. Tujuan dari suatu eksperimen di bidang katalis tentu saja terarah pada dihasilkannya suatu katalis dengan metode yang mudah, murah, dan efisien, tetapi dihasilkan produk sebanyak mungkin. Hal inilah yang menjadi kendala karena sampai saat ini belum ditemukan metode pembuatan nanokatalis yang murah, mudah, dan efisien. Hal ini tentu akan menjadi tantangan bagi para ilmuwan kimia. Nanokatalis adalah katalis yang berpotensi sangat besar dalam menghasilkan produk yang banyak. Tetapi kendalanya adalah pembuatannya yang sulit dan juga diperoleh nano katalis yang mudah murah serta efisien, sehigga harus dicari salah satu media kontinu yang dapat berikatan cepat dengan material sebagai bahan dasar nanokatalis. Selain pada sintesis yang sulit faktor lainnya yang menyebabkan para ilmuwan mengembangkan nanokatalis karena bahan nanokatalis dari bahan logam berat. Nanokatalis sangat berpotensial untuk digunakan pada reaksi apapun dan di manapun untuk menghasilkan reaksi yang lebih cepat atau reaksi pada suhu yang lebih
rendah. Termasuk pada industri minyak, cat, dan kosmetik. Terkait penggunaan nanokatalis di Indonesia, masih minim karena hal ini masih merupakan hal yang baru. Penggunaannya baru sebatas pada reaksi-reaksi pembuatan energi alternatif dan belum diupayakan pada reaksi-reaksi yang merupakan sumber energi utama. Selain itu, metode pembuatan nanokatalis yang saat ini dikembangkan di Indonesia belumlah cukup ekonomis dan efisien jika kita pandang pada aspek bahwa pencapaian produk haruslah mudah, murah, dan efisien. 2.2.2 Organokatalis Metanol didapatkan dari bahan karbondioksida yang telah di proses sehingga bisa menghasilkan metanol. Hal tersebut sudah di buktikan oleh Ilmuwan dari Institut Bioengineering dan Nanoteknologi (IBN) Singapura. Karbondioksida yang di gunakan untuk menghasilkan metanol tersebut didapat dengan sedikit memanfaatkan energi. Menurut sejumlah ilmuwan IBN mengatakan bahwa dengan menggunakan katalis organo atau disebut juga organokatalis untuk mengaktifkan karbondiosida pada sebuah proses ringan yang tidak beracun untuk menghasilkan metanol. Organokatalis adalah katalis yang terdiri dari unsur-unsur non logam yang ditemukan dalam senyawa organik. Organokatalis yang digunakan adalah NHC, NHC ( N-heterocyclic carbenes) seperti Imes adalah bentuk organokatalisis yang stabil dan mudah disimpan. NHC tidak mengandung logam berat berbahaya dan mudah untuk di produksi dengan tidak mengeluarkan biaya yang besar. Sehingga para ilmuwan menggunakan NHC untuk mengubah karbondioksida menjadi metanol. Menggunakan NHC karena NHC justru stabil, bahkan dalam kondisi adanya oksigen. Oleh karena itu, reaksi NHC dengan karbon dioksida bisa terjadi dalam suhu kamar di udara yang kering. Hidrosilane, kombinasi silika dan hidrogen, ditambahkan ke NHC sebagai bahan aktivasi karbon dioksida, dan produk dari hasil reaksi bahan tersebut diubah menjadi metanol dengan cara menambahkan air melalui hidrolisis. Menurut Yugen Zhang Ph.D. – ketua tim IBN dan Kepala Riset Ilmuwan – menjelaskan “Hidrosilane memberikan hidrogen, yang mengikat karbon dioksida dalam
reaksi reduksi. Reduksi karbon dioksida ini secara efisien dikatalisis oleh NHC bahkan pada suku kamar. Metanol bisa dengan mudah diperoleh dari produk reaksi karbon dioksida. Berdasarkan hasil riset kami sebelumnya terhadap NHC juga memperlihatkan aplikasinya yang beragam sebagai antioksidan yang kuat untuk memerangi penyakit
degeneratif, dan sama efektifnya sebagai katalis dalam mengubah gula menjadi bahan bakar alternatif. Sekarang ini kami telah memperlihatkan NHC bisa juga diterapkan dan berhasil untuk mengubah karbon dioksida menjadi metanol, yang membantu untuk mengurangi gas yang sangat melimpah di lingkungan.”
Selama ini, berbagai upaya untuk mengurangi gas karbon dioksida menjadi produk yang bermanfaat selalu membutuhkan input energi yang lebih besar serta waktu reaksi yang lebih panjang. Selain itu, mereka juga butuh transisi katalis logam, yang ternyata tidak stabil dalam kondisi adanya oksigen serta berbiaya sangat mahal. 2.2.3 Konklusi Jika dibandingkan keduanya bisa diihat bahwa keduanya membutuhkan katalis yang mudah,murah dan juga efisien. Jika dibandingkan keduanya lebih baik yang mana, tidak bisa dibuktikan karena di seluruh negara termasuk Indonesia masih meggunakan nanokatalis yang dicari apakah sudah murah, mudah dan efisien. Walaupun akhirnya pembuatannya pun masih sulit. Sedangkan untuk organokatalis yang dikategorikan masih baru bisa dikatakan lebih ramah lingkungan. Tetapi untuk lebihnya belum bisa dibuktikan karena masih baru untuk dipublikasikan. Jadi untuk membandingkan keduanya masih dikategorikan sulit karena salah satu jenis katalis nya masih baru untuk di publikasikan.
2.3 Pembuatan Metanol dengan bahan baku karbondioksida (CO 2) dan air (H20)
Tidak seperti produksi methanol yang sebelumnya sudah dibahas, yaitu dengan melakukan reaksi hidrogenisasi karbondioksida. Pembuatan methanol dari bahan baku CO2 dan air (H2O) menggunakan sinar UV (Ultraviolet) dari cahaya matahari. Reaksi kimia yang berlangsung adalah sebagai berikut: 2CO2 + 4H2O 2CH3OH + 3O2 Reaksi ini disebut reaksi artificial photosynthesis atau fotosintesis buatan, karena mirip dengan reaksi fotosintesis yang terjadi pada tumbuhan. Selain karena keduanya sama-sama menggunakan karbondioksida (CO2) dan air (H2O), reaksi-reaksi tersebut juga sama-sama menggunakan sinar UV yang telah disebutkan sebelumnya. Yang membedakan kedua reaksi ini adalah produk yang dihasilkan; fotosintesis pada daun menghasilkan glukosa (C6H12O6) sementara; artificial photosynthesis menghasilkan methanol (CH3OH). Pada dasarnya, proses pembuatan metanol dengan bahan baku karbondioksida dan air merupakan sebuah usaha untuk meniru reakssi fotosintesis alami yang terjadi pada daun. Namun keseluruhan proses fotosinstesis alami masih belum bisa dibuat tiruannya, hal ini dikarenakan reaksi tersebut membutuhkan visible light absorber (penangkap cahaya) dan katalis tertentu. Visible light absorber yang efisien seperti klorofil pada daun dibutuhkan untuk reaksi ini, begitu pula katalis untuk memecah ikatan molekul air (H2O) yang pada proses fotosintesis alami menggunakan katalis berupa protein berstruktur kompleks dengan susunan ion mangan (Mn2+) yang belum bisa dibuat di laboratorium. Oleh karena itu dibutuhkan katalis yang efektif, sustainable, dan masih tinggi ketersediaannya di bumi. Titanium dioksida (TiO2) adalah salah satu pilihan ini karena dapat berperan dalam oksidasi H2O yaitu dengan menjadi fotokatalis sekaligus berperan dalam reduksi CO2 (dilarutkan di dalam NaOHaq). Namun dalam reaksi ini persentase karbondioksida yang dikonversi ke metanol hanya sebesar 6% dan akan membutuhkan bahan baku dalam jumlah yang cukup besar untuk produksi skala industri. Katalis lain yang dapat digunakan adalah nano-structured wall catalyst , yaitu katalis berbentuk dinding yang tersusun dari kumpulan molekul TiO3 dengan ion aluminum III (Al3+) dan natrium (Na+). Katalis ini dipasang pada dinding reaktor dan akan menghasilkan metanol, air, dan molekul oksigen. Oksigen molekular (O2) tersebut kemudian dialirkan melalui gas
collector , sementara metanol dan air dipisahkan dengan proses distilasi. Air ini kemudian
dialirkan kembali untuk bahan baku reaksi berikutnya. Persentase karbondioksida yang dikonversi menjadi metanol adalah sebesar 97% dan dapat mengurangi CO2 pada atmosfer sebesar 25%.
BAB III PROSES PEMBUATAN
3.1 Direct Synthesis Methanol Process
3.1.1 Dekripsi Alat dan mekanismenya 1. Flash Separator 1.1 Dekripsi Tabung bertekanan yang digunakan
untuk
memisahkan
fluida sumur menjadi air dan gas (tiga fasa) atau cairan dan gas (dua fasa) yang menggunakan prinsip separasi flash pada tekanan dan temperatur tetap. Ada dua macam proses
dari
pembentukan
gas
(vapour ) dari hidrokarbon cair yang bertekanan. Proses tersebut adalah
Flash
Separation
Gambar 2. Diagram Flash separator.
dan
Differential Separation . Dalam hal ini produk yang diinginkan adalah
fasa cair yaitu metanol, sehingga proses yang digunakan dalam pembuatan metanol ini adalah Differential Separation. 1.2 Mekanisme Kerja Alat ini digunakan pada tahap lanjut dari proses pemisahan secara kilat ( flash) dari separator. Differential Separation terjadi bila tekanan pada sistem diturunkan dengan cairan dan gas dipisahkan dari kontaknya dan membiarkan gas keluar dari solusinya. Proses ini menghasilkan banyak cairan dan sedikit gas. (sumber : Surface Facilities Training Program, Oil Handling Facilities . Medco Energi.
Indonesia.hal. 27)
2. Compressor 2.1 Dekripsi Mesin atau alat mekanik yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan atau memampatkan fluida gas atau udara. Kompresor yang dipakai dalam proses pembuatan metanol adalah kompresor sentrifugal
(Centrifugal
Compressor ).
Pada
Centrifugal
Compressor menggunakan putaran lempengan logam dalam
sebuah tempat khusus untuk mendorong udara ke dalam saluran intake kompresor dengan meningkatkan tekanan pada udara
tersebut. Kompresor sentrifugal menggunakan mekanik
peralatan untuk
memberikan energi kepada fluida gas/udara, sehingga dapat mengalir dari suatu tempat ke tempat lain secara kontinyu.
Kompresor
Gambar 3.
sentrifugal termasuk dalam kelompok
kompresor
dinamik
dengan
prinsip
kerja
mengkonversikan energi kecepatan gas/udara yang dibangkitkan oleh aksi/gerakan impeller yang berputar dari energi mekanik unit penggerak menjadi energi potensial (tekanan) di dalam diffuser . 2.2 Mekanisme Kerja Kompresor yang bekerja dengan memberikan tambahan energi pada udara atau gas melalui gaya sentrifugal yang diberikan oleh impelernya. Gas dihisap kedalam kompresor melalui saluran hisap kemudian diteruskan kedalam Diafragma yang berfungsi sebagai pengarah aliran dan selanjutnya masuk kedalam impeller, kemudian impeller memberikan pusaran dengan kecepatan yang
sangat tinggi. Akibat dari putaran yang tinggi tersebut maka gas akan terlempar keluar dari impeller karena adanya gaya sentrifugal
yang
terjadi,
Kemudian
tekanan
dan
kecepatan dari gas akan naik setelah gas lepas dari ujung impeller.
Gas
diperlambat
Gambar 4. Letak Diffuser pada kompresor
dalam suatu saluran yang disebut diffuser , yang ternyata lebih mudah dan efisien untuk mempercepat aliran dibandingkan memperlambat. Karena dengan diperlambat aliran cenderung tersebar dengan tidak terarah. Akibat dari aliran tidak terarah akan menyebabkan
adanya
kecenderungan
timbulnya
aliran turbulen dan arus steady, yaitu merubah energi kinetik menjadi
energi
energi-energi
panas
tekanan.
dari Oleh
karena itu diperlukan Guide Vane. Guide vane ditempatkan
Gambar 5. Letak Guide Vane pada kompresor kompresor
pada bagian depan eye impeller pertama pada bagian suction (inlet channel). Fungsi utama guide vane adalah mengarahkan aliran agar gas dapat masuk impeller dengan distribusi yang merata.
3. Reactor Reaktor adalah suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi berlangsung, baik itu reaksi kimia atau nuklir dan bukan secara fisika. Reaktor dibagi menjadi dua yaitu : Reaktor kimia dan Reaktor nuklir. Perbedaan terdapat perubahan
dari pada
kedua ada
massa.
reaktor
ini
atau
tidaknya
Untuk
sintesis
metanol langsung ini di gunakan reaktor kimia. Dalam reaktor kimia dibagi menjadi 3 berdasarkan proses nya. Diantaranya adalah : Reaktor batch,
Gambar 6. Multitubular fixed-bed reactor
Reaktor kontinu, Reaktor semi-batch. Pada sintesis metanol langsung proses reaktor kimia yang digunakan adalah reaktor semi-batch. Reaktor semi-batch dibagi kembali menjadi 5 reaktor yaitu : Reaktor PBR ( Packed Bed Reactor ) / Fixed Bed Reactor , Reaktor FBR ( Fluidized Bed Reactor ), Spray Tower , Packed Column, Bubble Tank . Reaktor semi-batch yang digunakan adalah
Reaktor PBR, karena pada PBR ini beroperasi pada reaktor gas-cair dengan katalis padat, Reaktor PBR terdiri dari satu atau lebih tubes packed dengan partikel katalis dan beroperasi pada posisi vertikal serta beroperasi adiabatis. Secara umumnya, untuk metanol sintesis digunakan multitubular fixed-bed reactor.
4. Cooling Tower 4.1 Dekripsi Sistem pendingin liquid (biasanya air) yang operasinya terkadang
ditambah
refrigerant
(media
pendingin) dan kipas untuk
mempercepat
proses
perpindahan
panas,
kemudian
disalurkan
ke
alat
pendingin. 4.2 Mekanisme kerja
Gambar 7. Mekanisme Cooling Tower
Air panas yang disirkulasikan ke bagian atas Cooling Tower kemudian dijatuhkan ke bawah menyebar dengan pipa distribusi, Cooling Tower dilengkapi dengan kipas ( fan) untuk mempercepat pendinginan sehingga transfer panas terjadi. Seiring jatuhnya air ke bawah dan terkena udara dari kipas ( fan) maka terjadi perpindahan panas. Ini terjadi secara continue sehingga urutannya (air masuk ke Cooling Tower -> air digunakan ke alat -> air kembali lagi ke Cooling Tower ),
proses ini sering disebut Cooling Water Return (CWR). 5. Distillation Column 5.1 Dekripsi Pemisahan cair – uap – cair antara 2 komponen / lebih berdasarkan perbedaan titik didih.
5.2 Mekanisme kerja Rentang titik didih antara bahan tersebut harus agak jauh karena jika terlalu dekat titik didihnya akan sulit untuk dipisahkan dan didapatkan distilat (fraksi yang ingin didapatkan dari campuran, letaknya di atas pada bagian kolom distilasi). Feed masuk melewati bagian tengah biasanya, Feed masih mengandung banyak komponen dan
ingin
dipisahkan. Panas dihasilkan dari
Boiler
yang diletakkan dibawah, sehingga uap panas
mengalir
Gambar 8. Diagram kolom distilasi
dari bawah ke atas dan komponen Feed dari atas ke bawah, sehingga ditengah-tengah pada Tray (sekat antara kolom-kolom di Distillation Column) dan terjadi kontak antara kedua fase, karena
terkena panas yang mendekati titik didih dari komponen maka salah satu fraksi komponen ada yang menguap keatas dan diatas ada condensor untuk mengembunkan dari uap menjadi liquid , liquid inilah yang disebut sebagai distilat. Untuk permurnian yang
tinggi maka pada kolom distilat ditambah aliran Recycle yang dikembalikan lagi ke Distillation Column untuk dimurnikan lagi. Fraksi lain yang belum mencapai titik didih akan jatuh kebawah dan ditampung di Bottom Column (disebut sebagai residu/fraksi yang tidak diinginkan), karena fraksi yang jatuh kebawah ini kemungkinan masih mengandung fraksi yang diinginkan, maka pada Bottom Column ditambah recycle yang dihubungkan dengan Reboiler untuk ikut pemanasan lagi.
5.2.1 Condensor 5.2.1.1 Dekripsi Kondensor adalah alat untuk mengurangi gas atau uap ke cair. Dalam distilasi, kondensor mengubah uap menjadi cair. Semua kondensor bekerja dengan menghilangkan panas dari gas atau uap. 5.2.1.2 Mekanisme Kerja Kondensor atau pendingin
yang
digunakan menggunakan pendingin air dimana air
yang
berasal
dari
masuk bawah
dan keluar di atas, karena
jika
airnya
berasal (masuk) dari atas maka air dalam
Gambar 9. Mekanisme kondensor
pendingin atau kondensor tidak akan memenuhi isi pendingin sehingga tidak dapat digunakan untuk mendinginkan uap yang mengalir lewat kondensor tersebut. Oleh karena itu pendingin atau kondensor air masuknya harus dari bawah sehingga pendingin atau kondensor akan terisi dengan air maka dapat digunakan untuk mendinginkan komponen zat yang melewati kondensor tersebut dari berwujud uap menjadi berwujud cair. 5.2.2 Boiler 5.2.2.1 Dekripsi Bejana bertekanan dengan bentuk dan ukuran yang didesain untuk menghasilkan uap panas atau
steam. Steam dengan tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. 5.2.2.2 Mekanisme Kerja Untuk
boiler bisa
digunakan
drum
yang
berbahan stainless steel dengan kapasitas 200 liter. Untuk boiler dengan ukuran lebih besar membutuhkan kolom destilasi dengan ukuran yang lebih besar pula. Boiler sebaiknya diisi tidak lebih dari 4/5 bagian untuk
memberikan ruang bagi terbentuknya uap. Posisi drum sebaiknya tidur (bukan berdiri) pada tungku untuk memberikan
permukaan
yang
lebih
luas
bagi
terbentuknya uap. Pada saat perakitan sebaiknya di design pula saluran untuk memasukkan mash (hasil fermentasi) dan saluran keluarannya. Ada baiknya menempatkan safety relief valve dan pressure gauge
pada bagian atas boiler untuk keadaan darurat seperti kenaikan tekanan karena terjadi sumbatan (ada juga alat seperti ini yang otomatis membuang uap pada tekanan tertentu). Pemanas untuk boiler ; gas, kayu bakar, batu bara,electrical heater element , harus menghasilkan panas yang stabil. 6. Power Distribution System Kebutuhan tenaga listrik meliputi kebutuhan untuk penggerak motor alat-alat proses dan utilitas, menjalankan alat-alat kontrol dan penerangan pabrik. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, digunakan listrik dari PLN sebesar 2,26 MVA dan sebagai cadangan digunakan pembangkit listrik dari emergency diesel generator.
7. PSA (Pressure Swing Adsorption) 7.1 Dekripsi Salah satu teknologi yang digunakan untuk memisahkan beberapa jenis gas dari campuran gas sesuai dengan jenis karakteristik molekuler dan afinitas dari bahan adsorben. 7.2 Mekanisme Kerja Adsorber secara
beroperasi
bergantian
antara
adsorpsi dan regenerasi. Feed gas mengalir melalui adsorber
dari
bawah
ke
atas. Impurities (air, hidrokarbon CO2, CO
berat/ringan, dan
diadsorpsi
N2 )
secara
akan selektif.
Gambar 10. Mekanisme PSA
H2 dengan kemurnian tinggi akan mengalir ke line produk. Proses regenerasi meliputi empat tahap yaitu: penurunan tekanan, penurunan tekanan lanjutan dengan membuat tekanan ke arah berlawanan dengan arah feed , purge H2 murni (melepas impurities), menaikkan tekanan menuju tekanan adsorpsi. Selanjutnya produk H2 dari adsorber akan disaring ke produk filter dan padatan-padatan akan tertahan disini, kemudian gas H2
didinginkan sampai temperatur 400C oleh produk cooler sebelum disalurkan ke unit lain. H2 ini bisa disalurkan kembali ke unit reaktor sintesis metanol.
8. Relief Valve 8.1 Dekripsi Salah satu jenis valve yang berfungsi untuk mengontrol atau membatasi tekanan dengan cara mengarahkan/mengalihkan aliran kedalam jalur tambahan yang jauh dari jalur aliran utama. 8.2 Mekanisme Kerja Jika tekanan yang memasuki input relief valve yang melebihi batas tekanan yang telah disesuaikan dalam relief valve tersebut maka valve akan
membuka
paksa
jalur
alternative/pilihan/jalur buang untuk
mengalihkan tekanan tersebut. Relief valve antara jalur outlet dan jalur inlet,
mengembalikan tekanan outlet kembali ke inlet yang berbeda ruang/sekat pada sebuah pompa. Pada saat debit cairan mengisi cup dan tekanan pada discharge (outlet)
mengalami
Gambar 11. Komposisi pada Relief Valve
peningkatan
tekanan, maka akan menjadi tekanan bagi seal hingga memungkinkan cairan bergerak melalui jalur kea rah inlet pompa. Hal ini semacam menekan kekuatan pegas yang pengaturannya dengan memutar sekrup pegas sebagi pengatur tekanan relief yang dibutuhkan. Ketikarelief valve tetap terbuka dan cairan diresirkulasi dalam beberapa lama , energi gerakan cairan (fluida) dan gesekan fluida akan menyebabkan peningkatan suhu cairan.
9. Heat Exchanger 9.1 Dekripsi Suatu alat yang memungkinkan perpindahan panas dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Heat Exchanger yang digunakan dalam proses ini adalah Lamella Heat Exchanger . 9.2 Mekanisme Kerja Dua fluida yang berbeda temperature, yang satu dialirkan dalam tube dan yang lainnya dalam shell hingga bersentuhan secara
tidak langsung, sehingga panas dari fluida yang temperaturnya lebih tinggi berpindah ke fluida yang temperaturnya lebih rendah. Hasil dari proses ini adalah fluida panas yang masuk akan menjadi lebih dingin dan fluida dingin yang masuk akan menjadi lebih panas.
Gambar 12. Lamella Heat Exchanger
3.1.2 Proses produksi metanol dengan bahan baku CO2 dan H2 CO2 yang sudah dicapture masuk kedalam compressor (B1) yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan pada gas CO2, setelah itu masuk ke heat exchanger (B2) untuk meningkatkan suhu gas CO2, sementara H2 dihasilkan dari elektrolisis air, seperti pada reaksi kimia tersebut: 2H20 2H2 + O2 Dalam hal ini diperlukan listrik untuk menguraikan H20 menjadi hidrogen dan oksigen, dengan mengalirkan arus listrik, maka H20 akan terpecah menjadi dua atom H2 dan satu atom O2 seperti pada reaksi diatas. Karena hidrogen lebih ringan daripada
air, hidrogen akan bergerak menuju ke permukaan air, maka hidrogen tersebut dapat dipisahkan. CO2 yang sudah dipanaskan bersamaan dengan H2 yang sudah dipisahkan menuju ke compressor (B9), dimana disini terjadi peningkatan tekanan pada gas tersebut karena dalam reaktor dibutuhkan tekanan yang tinggi untuk memaksimalkan proses sintesis metanol tersebut. Setelah ditingkatkan tekanan dari gas-gas tersebut, masuklah menuju reaktor pertama untuk proses sintesis metanol, dalam reaktor ini terjadi sintesis CO2 menuju metanol dibantu dengan katalis. Katalis yang dipakai dalam proses ini adalah Cu/ZnO yang diolah dengan ZrO2 untuk memastikan konversi yang tepat. Katalis ini dalam bentuk padat yang berada di dalam reaktor. Dalam reaktor ini terjadi konversi CO2 ke metanol seperti pada reaksi kimia tersebut: CO2 + 3H2 CH3OH + H20 namun dalam hal ini ada kemungkinan reaksi yang terjadi selain konversi CO2 tersebut, dapat dilihat ditabel berikut: Tabel 9. Reaksi yang terjadi dalam reaktor sintesis metanol pertama. Konversi Fraksi
Reaktan
0.142800
CO2
0.000340
CH3OH
CO2 + 4H2 CH4 + 2H20
0.000085
CO2
CO2 + H2 CO + H20
0.065100
CO2
Reaksi CO2 + 3H2 CH3OH + H20 2CH3OH CH3OCH3 + H20
Dari tabel diatas maka produk dari reaktor sintesis pertama terdapat metanol mentah yang masih mengandung berbagai gas yang tidak diinginkan (CO, CH4, CH3OCH3). Karena produk yang dihasilkan dari reaktor tersebut sangat panas (mencapai 2000C) maka didinginkan melalui cooling tower (B19), dalam cooling tower
ini menggunakan medium air untuk mendinginkan fase cair (metanol) hingga suhu normal (berkisar 30-40oC), lalu selanjutnya aliran dari cooling tower (B19) menuju ke heat exchanger (B22), dalam hal ini temperatur metanol mentah dan gas yang tidak
diinginkan tersebut didinginkan hingga 5-10oC, setelah itu masuk kedalam flash separator (B14). Dalam flash separator terjadi pemisahan fase gas dan cair, fase gas
yang telah dipisahkan ini dialirkan menuju ke compressor (B20) sebelum memasuki ke unit PSA ( Pressure Swing Adsorption) untuk memperoleh kembali H2. Dalam compressor (B20) yang berisikan produk sampingan ini memasuki kembali ke cooling tower (B19) untuk mendinginkan fase tersebut, aliran gas buangan dari cooling tower ini menuju ke kompresor (B10) untuk diturunkan tekanannya agar dapat diproses daur ulang. Kemudian terdapat 3 feed yang akan masuk kedalam reaktor, 3 feed tersebut adalah : karbondioksida, hidrogen, dan gas buang ( CH4, CO, CH3OCH3). Sehingga proses ini terjadi secara continuous, dan didalam reaktor sintesis metanol ini juga terjadi konversi metana, karbon monoksida, serta eter menuju metanol. Selain itu aliran dari compressor (B20) juga memasuki tambahan sintesis metanol, yaitu reaktor kedua yang sebelumnya telah didinginkan oleh Cooling Tower (B13), dalam reaktor kedua, ada kemungkinan reaksi yang bisa terjadi selain konversi CO2 ke metanol, kemungkinan reaksi ini dapat dilihat di tabel berikut Tabel 10. Reaksi yang terjadi dalam reaktor sintesis metanol kedua. Konversi Fraksi
Reaktan
0.142800
CO2
0.000340
CH3OH
CO2 + 4H2 CH4 + 2H20
0.000085
CO2
CO2 + H2 CO + H20
0.065100
CO2
CO + 2H2 CH3OH
-
CO
CH4 + ½O2 CH3OH
-
CH4
Reaksi CO2 + 3H2 CH3OH + H20 2CH3OH CH3OCH3 + H20
lalu hasil produk dari reaktor tersebut kembali didinginkan, lalu memasuki ke heat exchanger (B15) untuk membuat suhunya diturunkan, setelah suhu diturunkan, aliran
yang beragam fase gas dan cair ini memasuki flash separator untuk memisahkan metanol dengan produk sampingan sehingga menghasilkan metanol mentah. Lalu metanol mentah yang telah dipisahkan ini terlebih dahulu diturunkan tekanannya melalui relief valve (B21) yang berfungsi untuk menurunkan tekanan, karena tekanan yang dihasilkan dari flash separator cukup tinggi sehingga perlu diturunkan sampai tekanan normal, setelah itu dilanjutkan dengan 3 kolom distilasi. Kolom pertama digunakan untuk memisahkan gas-gas terlarut yang diperoleh sebagai gas distilat dan menjalani pembakaran secara bersamaan dan dibersihkan dari synthesis loop. Lalu CO2 yang dihasilkan dari pembakaran dapat dipisahkan dengan
menggunakan post-combustion carbon capture . CO2 yang dipisahkan dapat digunakan lagi sebagai bahan awalnya. Dua kolom terakhir digunakan untuk memisahkan metanol dan air. Pada dua kolom distilasi ini mengandalkan perbedaan titik didih. Titik didih air adalah 100oC sedangkan titik didih metanol adalah 64,7oC. Perbedaan titik didih ini cukup besar, sehingga mudah dipisahkan. Panas dihasilkan dari boiler yang diletakkan dibawah sehingga uap panas mengalir dari bawah ke atas, dan terjadi kontak antara air dan metanol, karena terkena panas hingga 64,7oC (diusahakan untuk stabil suhunya), metanol pun menguap sedangkan air tetap didalam kolom distilasi karena pada temperatur tersebut air belum menguap. Akibatnya air akan tetap berada dalam fasa cair dan tidak ikut menguap bersama metanol. Hal ini karena tekanan uap air belum mencapai tekanan atmosfer. Uap metanol akan bergerak ke atas dan melalui kondensor. Pada kondensor dialirkan air secara terus menerus yang berfungsi sebagai pendingin, sehingga pada kondensor ini terjadi peristiwa kondensasi atau pengembunan dimana uap metanol yang didinginkan sehingga mengembun dan menjadi cairan kembali. Untuk pemurnian metanol yang tinggi, maka produk pada kolom distilasi kedua kembali dipisahkan dalam kolom distilasi ketiga. Proses dalam kolom distilasi ketiga sama dengan yang kedua, mengandalkan perbedaan titik didih, dimana metanol terlebih dahulu menguap dan masuk kedalam kondesor yang berada diatas kolom distilasi, lalu dalam kondensor ini terjadi pengembunan, uap metanol kini kembali menjadi cair, dan menghasilkan kemurnian mencapai 99,8%.
3.1.3 Process Flow Diagram
Gambar 13. Proses Skema Diagram Alur pada Direct Synthesis Methanol
Gambar 14. Process Flow Diagram pada Direct Synthesis Methanol
3.2 Photocatalytic CO2 to methanol (with CO2 and H20) 3.2.1 Dekripsi Alat dan mekanismenya 1. Mixer Recycle 1.1 Deskripsi Mixer adalah unit operasi untuk mencampur dua bahan atau lebih yang bersifat heterogen satu sama lain agar bersifat lebih homogen untuk memudahkan proses selanjutnya dalam sebuah rangkaian proses produksi. 1.2 Mekanisme Mixer recycle menerima feed yaitu H2O dan CO2. H2O yang didapat tidak hanya dari aliran dari luar system tapi juga air yang didapat dari proses recycle dari air yang telah digunakan. Gambar 14. Process Flow Diagram pada Direct Synthesis Methanol
2. Heater
2.1 Deskripsi Heater adalah unit operasi untuk memanaskan suhu campuran pada suhu tertentu dan juga mengubah wujud campuran dari cair ke gas agar reaksi dapat berlangsung lebih optimal. 2.2 Mekanisme
Heater menerima feed dari luar dan kemudian dipanaskan. Energi yang digunakan diperoleh dari uap dari steam turbine. 3. Reaktor Reaktor adalah tempat berlangsungnya reaksi utama yaitu reaksi kimia dalam sebuah proses produksi. Pada proses produksi metanol dari H2O dan CO2 reaktor yang digunakan adalah reactor khusus yang dinding bagian dalamnya tersusun dari katalis untuk reaksi artificial photosynthesis ini. Katalis ini termasuk nanokatalis yaitu kumpulan molekul TiO3 dengan ion aluminum III (Al3+) dan natrium (Na+). 4. Cooler 4.1 Deskripsi Cooler adalah unit operasi untuk mendinginkan campuran pada suhu tertentu dan juga mengubah wujud campuran dari gas ke cair agar dapat menyesuaikan dengan proses selanjutnya. 4.2 Mekanisme Cooler menerima feed dari luar dan kemudian didinginkan dengan metode water-cooler yaitu dengan mengalirkan feed melalui chilled water atau air yang sudah didinginkan. 5. Separator 5.1 Deskripsi Separator yang digunakan adalah vapor-liquid separator yang digunakan untuk memisahkan uap
(vapor ) dan cairan (liquid ) 5.2 Mekanisme Vapor-liquid separator menerima feed yang
masuk melalui feed inlet kemudian inlet diffuser memisahkan kedua campuran, cairan akan langsung mengalir kebawah, sementara uap akan melalui de-
Gambar 15. Mekanisme Separator
entrainment mesh pad untuk menangkap cairan dan menurunkannya lagi ke
dasar separator. 6. Distillation Tower
Distillation
tower
digunakan
untuk
memisahkan produk dari feed dengan menggunakan metode distilasi sehingga masing- masing produk akan tertinggal pada masing-masing kolom fraksi sesuai dengan titik didihnya. Produk berupa gas yang
terdapat
pada
puncak
menara
distilasi
(overhead product ) dialirkan menuju condenser agar dapat dialirkan kembali menuju menara distilasi (reflux) ataupun dialirkan sebagai produk akhir menuju storage. Sementara cairan yang ada pada dasar menara kemudian dialirkan menuju reboiler dan kembali menjadi uap dan melakukan proses
Gambar 16. Mekanisme Kolom Distilasi
distilasi atau dialirkan sebagai produk akhir menuju storage. 3.2.2 Proses produksi metanol dengan bahan baku CO2 dan H2O Artificial photosynsthesis atau proses produksi MeOH (Metanol) dengan bahan
dasar karbondioksida (CO2) dan air (H2O) dapat dikatakan ramah lingkungan karena produk yang dihasilkan hampir berguna seluruhnya, seperti oksigen molekular (O2) dan air (H2O). Air yang digunakan membentuk siklus yang terus berputar dalam proses produksi melalui proses recycle yaitu dengan mengembalikan air yang merupakan hasil akhir proses menuju mixer bersama CO2.
Gambar 17. Diagram Skematik Proses Pembuatan Metanol dengan Fotosintesis Buatan. Dengan persetujuan: Ekobenz Ltd
Seperti yang terlihat pada gambar diatas, feed (air (H2O) dan karbondioksida (CO2)) dialirkan kedalam mixer , pada proses ini selain air yang dialirkan dari luar sistem, ada juga yang didapat dari proses recycle yang juga masuk ke dalam mixer yang sama. Mixer tersebut berguna untuk mencampur semua bahan baku menjadi campuran yang
kemudian dialirkan menuju reaktor. Sebelum masuk ke dalam reaktor, campuran tersebut dialirkan melalui heater . Hal ini dilakukan untuk menyesuaikan suhu campuran dengan suhu optimal agar reaksi pada reaktor dapat berlangsung dengan optimal. Campuran yang telah dipanaskan sebelumnya kemudian dialirkan kedalam reaktor, katalis yang digunakan tersusun dari kumpulan molekul TiO3 dengan ion aluminum III (Al3+) dan natrium (Na+). Katalis ini merupakan nanokatalis yang terletak pada dinding bagian dalam reaktor. Pada reaktor inilah terjadi reaksi yang mengubah H2O dan CO2 dengan bantuan katalis dan sinar UV menjadi MeOH (Metanol) dan
oksigen (O2). Oksigen yang didapat dari reaksi ini dialirkan ke penangkap gas untuk digunakan dalam proses lainnya. Metanol yang didapat dari reaksi dalam reaktor tadi kemudian dialirkan melalui cooler . Cooler ini berguna untuk menurunkan suhu agar air dalam campuran tersebut
mengalami kondensasi dari wujud gas ke cair. Campuran metanol dan air ini kemudian dialirkan menuju separator yang akan memisahkan kedua campuran tersebut. Air (H2O) yang telah dipisahkan dari metanol kemudian dialirkan menuju purge splitter dan recyle compressor. Keduanya merupakan unit untuk mendaur ulang air agar
dapat digunakan kembali. Air yang telah didaur ulang kemudian dialirkan kembali menuju mixer bersama feed yang telah disebutkan pada awal pembahasan proses. Sementara metanol yang didapat dari separator dialirkan menuju distillation column yang dilengkapi dengan methanol condenser dan reboiler . Distillation column
menerima feed yaitu metanol yang masih tercampur air dan senyawa lainnya yang kemudian melalui proses distilasi didapat metanol dengan tingkat kemurnian yang lebih tinggi. Metanol yang dihasilkan kemudian dialirkan melalui methanol condenser yang berfungsi untuk mengubah wujud metanol dari gas ke cair. Dari sini didapat cairan sisa yang dialirkan kembali ke dalam kolom distilasi dan terus mengalir turun ke dasar kolom. Campuran di dasar kolom kemudian dialirkan ke dalam reboiler agar berubah lagi ke wujud gas berupa uap (vapor ) dan dikembalikan ke kolom distilasi dan terus naik ke puncak kolom distilasi hingga melalui methanol condenser . Proses ini berulang terus hingga didapat metanol dengan tingkat kemurnian tinggi. Metanol yang didapat dari distillation tower tadi merupakan final product yang kemudian dialirkan untuk disimpan dalam methanol storage .
3.2.3 Process Flow Diagram
Gambar 18. Process Flow Diagram pada Photocatalytic CO2
3.3 Perbandingan Efisiensi Energi dan Ekonomi Dalam pemanfaatan CO2 untuk pembuatan metanol ada 2 bahan baku yang bisa dipakai, yaitu karbon dioksida (CO2) dengan air (H2O) dan karbon dioksida (CO2) dengan hidrogen (H2). Perbedaan dari proses pemanfaatan kedua bahan baku ini adalah penggunaan reaktornya. Pada CO2 dan H2O menggunakan sinar UV dimana mengikuti proses fotosintesis pada tumbuhan yang dibantu dengan katalis didalam reaktor khusus fotosintesis buatan, sehingga pemanfaatan CO2 dan H2O ini dinamakan artificial photosynthesis. Sedangkan pada CO2 dan H2 menggunakan katalis berbasis logam dan padat yang telah di sediakan didalam reaktor, sehingga dapat mengkonversi satu molekul CO2 dengan tiga molekul hidrogen untuk menghasilkan 1 molekul metanol. Dari kedua metode tersebut telah dibuat perbandingan efisiensi ekonomi dan energi, walaupun masih kekurangan data, namun masih dapat dibuat perbandingan untuk menentukan metode yang lebih efisien dan efektif dalam skala besar. Yang pertama, produksi metanol yang dihasilkan dari direct synthesis methanol adalah 28,757 kg/h sedangkan produksi metanol yang dihasilkan dari photocatalytic CO2 adalah 1.528 kg CO2 yang menghasilkan 32,727 kg/h metanol. Berarti 1 kg CO2 pada photocatalytic CO2 menghasilkan 21,418 kg/h metanol. Dilihat dari perbedaan kedua bahan baku ini, dapat disimpulkan bahwa produksi metanol pada direct synthesis methanol lebih tinggi dibandingkan dengan photocatalytic CO2, namun yang menjadi
kendala dalam photocatalytic CO2 adalah penggunaan sinar UV yang lebih efektif, karena
hanya panjang gelombang pada sinar UV yang sesuai dengan energi tersebut, dan untuk memaksimalisasikan sinar UV adalah dengan memanfaatkan visible light yaitu sinar matahari. Namun memanfaatkan sinar matahari masih sulit, karena diperlukan visible light absorber (penyerapan cahaya tampak) untuk proses ini. Jika bisa menggunakan teknologi penangkapan sinar matahari yang masih pada range visible light (khususnya sinar UV yang panjang gelombangnya berkisar 1nm – 400nm) tentunya akan lebih efektif untuk produksi metanol, dan bisa menghasilkan produksi metanol yang lebih besar daripada metode direct synthesis methanol .
Yang kedua adalah konsumsi listrik, dalam proses direct synthesis methanol ini total tenaga listrik yang dibutuhkan untuk memproduksi metanol adalah 318.326 mWh, dan metanol yang dihasilkan seperti yang telah disebutkan diatas adalah 28,757 kg/h. Maka listrik yang dibutuhkan untuk memproduksi 1 kg metanol adalah 318.326 mWh = 318,326 kWh dibagi dengan total produksi metanol yaitu 28,757 kg/h, maka dihasilkan 11.07 kWh/kg metanol. Untuk photocatalytic CO2 , total tenaga listrik yang dibutuhkan untuk memproduksi metanol adalah 150 mWh, dan metanol yang dihasilkan adalah 21,418 kg/h. maka listrik yang dibutuhkan untuk memproduksi 1 kg metanol adalah 150 mWh = 150,000 kWh dibagi dengan total produksi metanol yaitu 21,418 kg/h, maka dihasilkan 7 kWh/kg metanol. Namun seperti yang telah dibicarakan diatas bahwa kendalanya adalah pemanfaatan sinar UV yang memerlukan kerja yang lebih optimum. Dengan pemanfaatan sinar UV yang maksimal tentunya memerlukan energi yang lebih besar. Yang ketiga adalah energi panas yang dikeluarkan, namun karena kekurangan data, kami tidak bisa membuat perbandingan LHV dan HHV pada metanol untuk kedua metode ini. namun CO2 yang mengalami pembakaran pada direct synthesis methanol adalah 2989 kg/h sedangkan pada photocatalytic CO2 adalah 1375 kg/h. hal ini dapat disimpulkan bahwa konsumsi CO2 yang masuk dalam pembakaran pada direct synthesis methanol lebih tinggi, namun memberikan dampak yang besar dengan me-recycle CO2 ini sebagai feed. Secara ringkasnya, kami belum bisa membandingkan kedua metode ini karena kekurangan data, dan masih memerlukan data lebih untuk melihat kefektifan pada kedua metode ini. untuk itu kami hanya bisa membuat kelebihan dan kekurangan pada masing-masig metode. Dapat dilihat di tabel 11. Tabel 11. Kelebihan dan Kekurangan pada kedua metode
Metode
Kelebihan
CO2 dan H2
CO2 dan H2O
( Direct Synthesis Methanol )
( Photocatalytic CO2)
Jika
tenaga
memenuhi
listrik tenaga
dibutuhkan
dapat Proses
ini
lebih
atraktif
yang karena memanfaatkan energi
khususnya surya.
mendapatkan tenaga listrik dari
energi
terbarukan
tentunya lebih efektif dan efisisen. Katalis dalam reaktor sintesis Jika sistem fotokatalitik ini metanol
ini
memiliki dapat dikembangkan dengan
keaktifan yang sangat tinggi menggunakan untuk mengkonversi CO2 dan (doping) H2
ini
pengantar
pada
sehingga tentunya
akan
katalis menarik
menghasilkan metanol yang karena dapat beroperasi pada tinggi pula.
suhu
kamar
dan
akan
menjadi lebih ekonomis. Proses ini juga bisa sangat efisien
dan
reaktan
menggunakan
yang
didapatkan
serta
mudah dapat
mentoleransi bahaya racun bagi katalis kimia. Kekurangan
Membutuhkan daya listrik Membutuhkan yang besar khususnya pada semikonduktor yang tepat elektrolisis memperoleh
air H2
untuk untuk
dan yang tinggi.
keperluan listrik pada unitunit tertentu.
mencapai
efisiensi
Membutuhkan energi yang Penggunaan
katalis
yang
besar untuk proses ini, karena tepat dengan memanfaatkan semakin besar energi yang sinar UV dari sinar matahari dibutuhkan semakin besar masih perlu improvement, biaya investasinya, untuk itu karena katalis TiO3 hanya perlu mencari solusi untuk bisa diektrasi oleh sinar UV menghemat energi agar dapat dengan panjang gelombang mengurangi biaya investasi berkisar yang besar tersebut.
1nm – 400nm.
Sedangkan sinar UV hanya 9%
dari
spektrum
sinar
matahari. Perlu dikembangkan pada penangkapan
sinar
UV
dengan menggunakan visible light absorber (penangkapan
cahaya tampak). Tantangan dalam proses ini adalah sumber energi kimia untuk
mengkonversi
photocatalytic
metanol
untuk
CO2
ke
mencapai
keefektifan yang tinggi.
Bab IV Kesimpulan
Pemanfaatan CO2 untuk pembuatan metanol, memiiki 3 aspek yaitu : 1. Metode pembuatan metanol dari karbondioksida dan hidrogen, 2. Penggunaan katalis dalam proses sintesis metanol, dan 3. Metode pembuatan metanol dari karbondioksida dan air. Untuk metode pembuatan metanol dari karbondioksida dan hidrogen dibagi menjadi 2 cara yaitu : direct methanol synthesis process dan two step methanol synthesis process. Dari semua aspek itu
terlihat bahwa cara direct synthesis methanol process lebih efisien dibandingkan two step methanol synthesis process. Karena, dilihat dari efisiensi energi dan efisiensi ekonomi.
Kemudian masuk kedalam aspek yang kedua yaitu penggunaan katalis. Katalis dibagi menjadi 2 yaitu nano katalis dan organo katalis. Dalam nano katalis pun dibagi menjadi 2, dan perbedaannya pun terdapat pada penggunaan cara nya. Arti Nanokatalis adalah katalis yang berpotensi sangat besar dalam menghasilkan produk yang banyak. Kendalanya pun sedikit yaitu pada pembuatannya bisa dikatakan sulit dan juga diperoleh nano katalis yang mudah murah serta efisien. Sedangkan organokatalis adalah katalis yang terdiri dari unsur-unsur non logam yang ditemukan dalam senyawa organik. Organokatalis yang digunakan adalah NHC, NHC N( heterocyclic carbenes) seperti Imes adalah bentuk organokatalisis yang stabil dan mudah
disimpan. Tapi perbedaannya adalah cukup signifikan sebenarnya lebih baik menggunakan organokatalis karena lebih ramah lingkungan tetapi karena organokatalis ini belum terlalu fanatik jadi belum bisa di bandingkan. Pada aspek ketiga yaitu metode pembuatan metanol dengan bahan baku yang berbeda. Dengan melihat perbandingan efisiensi ekonomi dan energi membuktikan bahwa proses dengan direct synthesis methanol process lebih efisien dan lebih hemat energi dibandingkan dengan proses phtocatalytic CO2, selain itu karena minimnya informasi dan data pada photocatalytic CO2 maka belum bisa dibandingkan dengan sintesis metanol langsung. Hal ini disebabkan karena hanya ditemukan pada efisiensi ekonomi saja tidak untuk efisiensi energi.
Daftar Pustaka
Adebajo, Moses O. Frost, Ray. L. Recent Advances in Catalytic/Biocatalytic Conversion of Greenhouse Methane and Carbon Dioxide to Methanol and Other Oxygenates . Brisbane: Chemistry Discipline, Faculty of Science and Technology, Queensland University of Technology. Amrullah, Muhamad Wandy. Pramana, Wiliardy. Pratama, Ahmad Andriansyah. Cooling Tower . An, Xiaoqiang. Khraisheh, Majeda. Li, Kimfung. Park, Kyeong hyeon. Tang, Junwang. 2013. A Critical Review of CO2 Photoconversion: Catalysts and Reactors . London: Department of Chemical Engineering, University College London. Angelini, Antonella. Aresta, Michele. Baran, Tomasz. Dibenedetto, Angela. Labuz, Przemyslaw. Macyk, Wojciech. 2014. An Integrated Photocatalytic or Enzymatic System for The Reduction of CO 2 to Methanol in Bioglycerol-water . Frankfurt: Beilstein Journal of Organic Chemistry. Anicic, B. Goricanec, D. Trop, P. 2014. Comparison Between Two Method of Methanol Production From Carbon Dioxide . Maribor: University of Maribor, Faculty of Chemistry Engineering. Aoki, K. Asahi, R. Morikawa, T. Ohwaki, T. Taga,Y. 2001. Visible-Light Photocatalysis in Nitrogen-Doped Titanium Oxides. Aoki, K. Asahi, R. Morikawa, T. Ohwaki, T. Suzuki, K. Taga,Y. Visible-Light Photocatalysis in Nitrogen-Doped Titanium Dioxides . Arab, Sofiane. Commenge, Jean-Marc. Falk, Laurent. Portha, Jean-Francois. 2014. Methanol Synthesis from CO2 and H 2 in Multi-tubular Fixed-bed Reactor and Multi-tubular Reactor Filled with Monoliths. Nancy: Laboratoire Reactions et Genie Des Procedes. Araujo, Ofelia F.Q. Machado, Camila F.R. Medeiros, Jose Luiz de. A Comparative Analysis of Methanol Production Routes: Synthesis Gas Versus CO 2 Hydrogenation. Rio De Janeiro: Department of Chemical Engineering, Polytechnic School, University of Sao Paulo. Arnold III, Ernest W. Sundaresan, Sankaran. Dynamic of Packed-Bed Reactor Loaded with Oxide Catalysts. Princeton: Department of Chemical Engineering, Princeton University. Bansode, Atul. Koppold, Clemens. Rohr, Phillip Rudolf von. Tidona, Bruno. Urakawa, Atsuhsi. 2013. CO2 Hydrogenation to Methanol at Pressures Up to 950 Bar . Zurich: Institute of Process Engineering, ETH Zurich. Benneker, Anne. Berg, Henk Van Den. Ham, Louis G.J. Van Der. Simmelink, Gideon . Timmer, Jeremy. Weerden, Sander Van. 2012. Hydrogenation of Carbon Dioxide for Methanol Production. Enschede: The Italian Association of Chemical Engineering Online. Biedermann, Peter. Grube, Thomas. Hohlein, Bernd. Methanol as An Energy Carrier . Verlag: Forschungszentrum Julich GmbH Zentralbibliothek. Bill, Alain. 1998. Carbon Dioxide Hydrogenation to Methanol at Low Pressure and Temperature. Lausanne: Ecole Polytechnique Federale De Lausanne. Bonin, Julien. Robert, Marc. Routier, Mathilde. Selective and Efficient Photocatalytic CO2 Reduction to CO Using Visible Light and An Iron-Based Homogenous Catalysts . Paris: Journal of The American Chemical Society.
Bozzano, Giulia. Leon-Garzon, Andres R. Manenti, Flavio. 2013. Energy-Process Integration of the Gas-Cooled/Water-Cooled Fixed-Bed Reactor Network for Methanol Synthesis . Milano: Politecnico di Milano, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica. Capek, L. Hospodkova, A. Lacny, Z. Koci, K. Krejcikova, S. Obalova, L. Solcova, O. Zatloukalova, K. 2011. Wavelength Effect of Photocatalytic Reduction of CO 2 by Ag/TiO 2 Catalyst . Ostrava: Faculty of Metallurgy and Material Engineering, VSB-Technical University of Ostrava. Chen, Szu-Ying. Lin, Chin-Jung. Liou, Ya-Hsuan. Tsai, Meng-Che. 2012. Visible-light Photocatalytic Conversion of CO2 to Methanol Using Dye-sensitized Mesoporous Photocatalytic. Ilan: Department of Enviromental Engineering, National Ilan University. Cieri, Silvia. Lima, Nadson Murilo Nascimento. Linan, Lamia Zuniga. Manenti, Flavio. Restelli, Marco. Dynamic Simulation of the Lurgi-type Reactor for Methanol Synthesis . Milano: Politechno di Milano. Czech, Bozena. Nazimek, Dobieslaw. 2011. Artificial Photosynthesis – CO2 Towards Methanol . Department of Enviromental Chemistry, Faculty of Chemistry, Maria Curie-Sklodowska University. De, Bhudev Ranjan. Kumari, Valluri Durga. Lalitha, Kannekanti. Reddy, Police Anil Kumar. Shubhamangala, Ballamoole. Srinivas, Basavaraju. Subrahmanyam, Machiraju. 2011. Photocatalytic Reduction of CO2 Over Cu-TiO2 /Molecular Sieve 5A Composite. Hyderabad: Inorganic and Physical Chemistry Division, Indian Institute of Chemical Technology. Dedrick, Daniel E. Henao, Johnson, Terry A. Carlos A. Kim, Jiyong. Maravelias, Christos T. Miller, James. E. Stechel, Ellen. B. 2011. Methanol Production from CO 2 Using Solarthermal Energy: Process Development and Techno-economic Analysis . Demirel, B. Ferdous, D. Processes to Produce Value Added Products From CO 2. Dwiasi, Dian Windy. Riyani, Kapti. Setyaningtyas, Tien. 2014. Fotoreduksi CO2 Hasil Degradasi Limbah Cair Organik Menggunakan Fotokatalis TiO 2-Zn. Purwokerto: Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Jenderal Soedirman. Eigenberger, Gerhart. Fixed-Bed Reactors. Stuttgart: Institut fur Chemische Verfahrenstechnik, Universitat Stuttgart Elkadri, N.E. Miloua, F. Miloua R. Nawdali M. Saito, M. Toufik H. To yir, J. 2009. Sustainable Process For The Production of Methanol from CO 2 and H 2 Using Cu/ZnO-based Multicomponent Catalyst . Taza: Equipe de Chimie Appliquee, Faculte Polydisciplinaire de Taza. Elkamel, Ali. Lohi, Ali. Marton, Chris. Zahedi, Gholam Reza. 2009. Optimal Fixed Bed Reactor Network Configuration For The Efficient Recycling of CO2 Into Methanol . Waterloo: Department of Chemical Engineering, University of Waterloo. Fujishima, Akira. Rao, Tata N. Tryk, Donald A. 2000. Titanium Dioxide Photocatalyst . Tokyo: Department of Applied Chemistry, School of Engineering, The University of Tokyo. Fujitani, Tadahiro. Kanai,Yuki. Luo, Shengcheng. Saito, Masahiro. Takeuchi, Masami. Toyir, Jamil. Watanabe, Taiki. Wu, Jingang. Methanol Synthesis from CO2 and H 2 Over Cu/ZnO Based Multicomponent Catalyst. Ibaraki: RITE. Ganesh, Ibram. 2011. Conversion of Carbon Dioxide to Methanol Using Solar Energy — A Brief Review. Hyderabad: Centre for Photoelectrochemical Cells and Advanced Ceramics, ARCI. Garcia, Hermenegildo. Macia-Agulo, Juan Antonio. Neatu, Stefan. 2014. Solar Light Photocatalytic CO2 Reduction: General Considerations and Selected Bench-Mark Photocatalysts. Valencia: International Journal of Molecular Sciences.
