TK 4094 – PERANCANGAN PABRIK KIMIA PABRIK BAHAN BAKAR MESIN DIESEL NABATI MELALUI HIDRODEOKSIGENASI MINYAK JARAK PAGAR LAPORAN II NERACA MASSA DAN ENERGI Joseph Christian Utomo (13007101) DOSEN PEMBIMBING Dr. Subagjo PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2012
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
TK 4094 – PERANCANGAN PABRIK KIMIA
PABRIK BAHAN BAKAR MESIN DIESEL NABATI MELALUI
HIDRODEOKSIGENASI MINYAK JARAK PAGAR
LAPORAN II
NERACA MASSA DAN ENERGI
Joseph Christian Utomo (13007101)
DOSEN PEMBIMBING
Dr. Subagjo
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2012
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi ii
LEMBAR PENGESAHAN
TK – 4094 Perancangan Pabrik Kimia
Semester II – 2010/2011
LAPORAN II
NERACA MASSA DAN ENERGI
PABRIK BAHAN BAKAR MESIN DIESEL MELALUI
HIDRODEOKSIGENASI MINYAK JARAK PAGAR
Bandung, 2012
Telah diperiksa dan disetujui oleh
Dosen Pembimbing,
Dr. Subagjo
Catatan/Komentar
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi iii
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................... ii
DAFTAR ISI.......................................................................................................... iii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................... v
DAFTAR TABEL...................................................................................................vi
BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................ 7
1.1 Bahan Baku .................................................................................................... 7
1.2 Produk ....................................................................................................... 8
1.3 Proses ........................................................................................................ 9
BAB II DESKRIPSI PROSES ............................................................................... 11
2.1 Perlakuan Awal (Pre-treatment) .............................................................. 11
2.2 Proses Hidrodeoksigenasi ....................................................................... 12
Gambar 2.2 Diagram Proses Rancangan untuk Degumming (Atas) dan Reaksi
serta Pemulusan Produk (Bawah) ..................................................... 13
Gambar 2.3 Diagram Alir Proses Steam Reforming .............................................. 14
Gambar 2.4 Mekanisme reaksi hidrodeoksigenasi ................................................ 15
Gambar 2.5 Diagram Alir dari Membran Multitahap – 1 ...................................... 20
Gambar 2.6 Diagram Alir Proses Membran Multitahap – 2.................................. 23
Gambar A.1 Diagram Alir Tangki Pencampur Degumming ................................. 39
Gambar A.2 Diagram Alir Sederhana Reaktor Hidrodeoksigenasi ....................... 41
Gambar A.3 Struktur Molekul Gliserol pada Trigliserida ..................................... 44
Gambar A.4 Grafik dan Persamaan Cp 3-metiltetradekana Terhadap
Temperatur ........................................................................................ 48
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi vi
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Spesifikasi Minyak Jarak Pagar ............................................................... 8
Tabel 3.1 Reaksi yang Terjadi di Reaktor ............................................................. 25
Tabel 3.2 Neraca Massa Proses Degumming Minyak Jarak Mentah ..................... 28
Tabel 3.3 Neraca Massa Proses Reaksi (1) ............................................................ 29
Tabel 3.4 Neraca Massa Proses Reaksi (2) ............................................................ 30
Tabel 3.5 Neraca Massa Proses Reaksi (3) ............................................................ 31
Tabel 3.6 Neraca Massa Proses Reaksi (4) ............................................................ 32
Tabel 3.7 Neraca Massa Proses Steam Reforming (1) ........................................... 33
Tabel 3.8 Neraca Massa Proses Steam Reforming (2) ........................................... 34
Tabel 3.9 Neraaca Massa Proses Steam Reforming (3) ......................................... 35
Tabel A.1 Aliran Neraca Massa Tangki Pencampur Degumming ......................... 39
Tabel A.2 Kapasitas Panas yang Digunakan untuk Proses Degumming ............... 40
Tabel A.3 Produk Keluar Reaktor dan Hidrogen Terkonsumsi............................. 43
Tabel A.4 Jumlah Jenis Gugus yang Terdapat pada Asam Lemak Trigliserida .... 45
Tabel A.5 Laju Alir Masuk dan Keluar Reaktor Isomerisasi ................................ 47
Tabel A.6 Laju Alir Reaksi yang Terjadi pada Reaktor Isomerisasi ..................... 48
Tabel A.7 Kondisi Aliran Masuk Membran Multitahap – 2.................................. 49
Tabel A.8 Data Permeabilitas Senyawa pada Membran Multitahap – 2 ............... 50
Tabel A.9 Fraksi Mol Aliran Permeat Membran Multitahap Kedua ..................... 51
Tabel A.10 Panas Reaksi dan Laju Alir Energi pada Reaktor Steam Reforming
dan Shift Conversion .......................................................................... 54
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 7
BAB I
PENDAHULUAN
Pertumbuhan ekonomi Indonesia juga mendorong kenaikan konsumsi BBM
(bahan bakar minyak) di dalam negeri yang pada tahun 2011 mencapai satu juta
barrel/hari. Kenaikan konsumsi solar turut menaikan beban subsidi negara karena
kurangnya kilang pengolah solar sehingga pemerintah menggantungkan sebagian
kebutuhan dalam negeri ke kilang di Singapura. Hal ini berakibat buruk dalam hal
ketahanan energi nasional dan menggerus cadangan devisa negara. Di sisi lain,
berkurangnya produksi minyak bumi di Indonesia juga membuat pemerintah
mencanangkan BBN (bahan bakar nabati) sebagai 20% dari sumber energi
Indonesia pada tahun 2025 melalui Peraturan Presiden No 1 Tahun 2006 tentang
Penyediaan dan Pemanfaatan Bahan Bakar Nabati (Biofuel) sebagai bahan bakar
lain dan Peraturan Kementrian ESDM No 32 Tahun 2008 tentang Mandat
Penggunaan Biofuel. PT Jathropa Global Green Fuel menangkap kedua peluang
tersebut dengan mengembangkan produk biofuel. Biofuel adalah solar kualitas
tinggi (angka setan 66 - 80), dari hidrodeoksigenasi minyak nabati (dalam hal ini
minyak jarak pagar). Pabrik PT Jathropa Global Green Fuel berlokasi di
Balikpapan, Kalimantan Timur dengan mempertimbangkan jarak terhadap pasar
(kilang Pertamina Balikpapan), ketersediaan bahan baku dan infrastruktur. Berikut
ini akan dijelaskan kembali secara singkat mengenai bahan baku, produk dan
proses yang digunakan.
1.1 Bahan Baku
Bahan baku utama dari biofuel adalah minyak jarak pagar dan hidrogen. Minyak
jarak pagar dihasilkan dari biji jarak pagar (Jartropha curcas). Jarak pagar cocok
untuk menjadi tanaman bahan baku BBN selain karena minyak jarak mempunyai
kandungan minyak per biji jarak yang tinggi dan tidak bisa dijadikan minyak
pangan, jarak pagar juga dapat tumbuh di lahan krisi bekas lahan pertambangan di
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 8
Kalimantan Timur. Pada Tabel 1.1 ditunjukan spesifikasi dari minyak jarak
pagar.
Tabel 1.1 Spesifikasi Minyak Jarak Pagar
Spesifikasi Nilai Angka asam 38,2
Angka saponifikasi 195,0 Angka iodin 103,62
Viskositas asam lemak pada 310C 40,4 Spesific gravity 0,9186
Flash point 110 Residu karbon 0,64 Angka setan 51,0
Titik distilasi, 0C 295 Viskositas kinematik, cs 50,73
Sulfur, % 0,13 Nilai kalor, kkal/kg 9.470
Titik tuang, 0C 8 Kandungan Asam Lemak
Asam oleat 18:1, % 44,7 Asam linoleat 18:2, % 32,8 Asam palmitat 16:0, % 14,2 Asam stearat, 18:0 % 7,0
Asam lain, % 1,3
1.2 Produk
Produk utama dari pabrik ini adalah bahan bakar mesin diesel berbentuk cairan
jernih. Keunggulan dari produk ini bahan bakar ini adalah angka setana yang
tinggi yaitu antara 66 - 80, sementara produk Pertamina Dex yang merupakan
bahan bakar mesin diesel dengan kualitas paling tinggi yang dijual di Indonesia,
memiliki angka setana 53. Sehingga, kualitas dari produk utama pabrik ini berada
jauh di atas produk bahan bakar mesin diesel yang ada di pasar Indonesia. Karena
itu, produk ini dapat digunakan sebagai pencampur bahan bakar mesin diesel
biasa (Solar), yang memiliki angka setana 48, sehingga dapat menghasilkan
bahan bakar dengan angka setana 53 (Pertamina Dex). Hal ini menguntungkan
karena selama ini untuk proses blending solar, Pertamina harus mengimpor dari
kilang di Singapura lebih dari satu juta barrel per bulan. Dengan menggunakan
produk dari PT. Jathropa Global Green Fuel, pemerintah dapat menyimpan
cadangan devisa dan menciptakan industri BBN di daerah.
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 9
1.3 Proses
Proses biodiesel yang paling banyak digunakan saat ini adalah transesterifikasi.
Hidrodeoksigenasi belum banyak digunakan selain karena merupakan teknologi
yang baru, hidrodeoksigenasi juga merupakan teknologi yang mahal karena
menggunakan hidrogen sebagai bahan baku dan kondisi operasi yang sangat
tinggi. Tetapi dalam perancangan pabrik ini, proses yang dipilih adalah
hidrodeoksigenasi karena memiliki keuntungan dibandingkan transesterifikasi.
Keuntungan-keuntungan tersebut adalah sebagai berikut:
• Menghasilkan bahan bakar yang sama seperti bahan bakar dari minyak
bumi, sehingga dapat langsung digunakan pada mesin tanpa harus
dicampur. Sementara pada biodiesel hasil transesterifikasi yang berupa
metil ester (FAME), tidak dapat langsung digunakan karena dapat merusak
mesin yang sudah ada dan harus dicampur dengan bahan bakar fosil.
• Bahan bakar yang dihasilkan bebas sulfur, aromatik, dan oksigen, yang
sering menjadi masalah dari bahan bakar fosil dan dapat merusak mesin.
• Mengurangi emisi karbon monoksida, hidrokarbon, dan nitrogen oksida.
• Stabil pada saat penyimpanan, sementara hasil transesterifikasi sangat
mudah untuk terdegradasi karena adanya oksigen.
• Angka setana yang sangat tinggi (85-99), sehingga sangat baik untuk
performa mesin diesel.
• Memiliki siklus hidup karbon dioksida yang lebih rendah dibandingkan
dengan bahan bakar fosil.
• Proses ini juga dapat dikembangkan menjadi skala kilang minyak saat ini,
bahkan dapat juga digunakan pada unit hydrotreating yang ada di kilang
minyak saat ini dengan katalis yang sama dengan katalis yang digunakan
di kilang minyak saat ini.
• Produk samping yang dihasilkan juga berupa bahan bakar, yaitu propana,
dan air serta karbon dioksida. Sementara produk samping dari
transesterifikasi adalah gliserol yang harga pasar saat ini sudah sangat
turun.
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 10
• Dapat menggunakan berbagai macam sumber minyak nabati, baik dari
hewan maupun dari tumbuhan, sehingga sangat fleksibel.
Tanaman yang dipilih sebagai bahan baku untuk proses ini adalah tanaman jarak
pagar. Tanaman ini dipilih karena jumlah kandungan minyak jarak pagar cukup
banyak dan tanaman ini tidak digunakan untuk bahan pangan sehingga tidak
berlomba dengan bahan pangan yang konsumsinya besar. Selain itu tanaman jarak
pagar juga mudah untuk dibudidayakan dan harganya terjangkau.
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 11
BAB II
DESKRIPSI PROSES
Reaksi utama dalam proses di pabrik ini adalah reaksi hidrodeoksigenasi. Reaksi
hidrodeoksigenasi merupakan salah satu reaksi dari kategori reaksi hydrotreating
di kilang minyak bumi. Tetapi sebelum reaksi hidrodeoksigenasi di reaktor, perlu
dilakukan beberapa pengondisian bahan baku dan setelah reaksi pun diperlukan
beberapa proses untuk optimasi proses secara keseluruhan. Proses-proses besar
yang terdapat dalam pabrik ini dapat dibagi menjadi tiga bagian yaitu perlakuan
awal (pre-treatment), reaksi hidrodeoksigenasi serta pemurnian produk, dan
pemanfaatan produk samping.
2.1 Perlakuan Awal (Pre-treatment)
Perlakuan awal diperlukan agar minyak jarak mentah sebagai bahan baku utama
bebas dari pengotor-pengotor yang dapat mengganggu proses selanjutnya dan
mengurangi jumlah perolehan bahan bakar diesel yang dihasilkan. Perlakuan awal
yang diperlukan tidak perlu terlalu kompleks seperti perlakuan awal untuk minyak
yang dapat dikonsumsi (edible oil seperti minyak kelapa sawit untuk minyak
goreng, minyak zaitun, minyak wijen, dan lain-lain), karena produk akhir
digunakan untuk bahan bakar mesin diesel, bukan untuk konsumsi manusia,
sehingga tingkat racun tidak terlalu ketat. Tahap perlakuan awal yang dilakukan
merupakan tahap penghilangan getah (degumming).
Tujuan dari proses ini adalah untuk menghilangkan getah yang terutama
mengandung fosfatida dan fosfolipid. Getah perlu dihilangkan karena
mengganggu proses (reaksi samping) dan menimbulkan masalah dalam
penyimpanan (Tapasvi, 2004). Fosfatida yang terdapat dalam getah terdiri dari
dua jenis yaitu yang dapat terhidrasi (larut oleh air) dan yang tidak dapat
terhidrasi (larut oleh asam). Untuk itu, dalam proses degumming ini, minyak jarak
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 12
pagar mentah dicampur dengan air (air lunak yang sudah bebas dari ion Ca dan
Mg) dan larutan asam fosfat (phosphoric acid). Proses degumming terjadi pada
temperatur 70 oC dan tekanan pada tekanan atmosfer (lebih dari 100 kPa agar
minyak dapat mengalir), sehingga sebelum memasuki tangki berpengaduk,
minyak jarak pagar mentah perlu dipanaskan. Dengan dilakukannya proses ini, di
dalam tangki berpengaduk, getah akan mengendap menjadi padatan, sehingga
padatan perlu dipisahkan dengan menggunakan sentrifuga setelah keluar dari
tangki pengaduk. Karena jumlah padatan yang sangat sedikit (126 kg per 8600
minyak), maka padatan tersebut (bersama air yang terbawa bersama padatan),
akan masuk ke dalam sistem pembuangan air limbah. Setelah minyak jarak (CJO)
dibersihkan dari getah, minyak jarak tersebut dialirkan ke tangki penyimpanan
(stock tank) untuk kemudian digunakan sebagai bahan baku proses selanjutnya.
2.2 Proses Hidrodeoksigenasi
Proses yang dipakai dalam pabrik ini tidak sama persis dengan proses
hyrdotreating yang ada (walaupun intinya sama), tetapi dirancang dengan model
utama mengacu pada paten dari Terry L. Marker, et.al, tahun 2009, dengan
beberapa modifikasi. Diagram alir yang diberikan dalam paten tersebut dapat
dilihat pada Gambar 2.1, sementara diagram alir hasil rancangan dapat dilihat
pada Gambar 2.2 dan Gambar 2.3.
Gambar 2.1 Diagram Alir Proses Produksi Bahan Bakar Diesel dari Sumber Nabati (Marker, 2009).
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 13
Gambar 2.2 Diagram Proses Rancangan untuk Degumming (Atas) dan Reaksi serta Pemulusan Produk (Bawah)
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 14
Gambar 2.3 Diagram Alir Proses Steam Reforming
Joseph - Laporan
2.2.1 Reaktor Hidrodeoksigenasi
Seperti telah disebutkan di awal, reaksi hidrodeoksigenasi merupakan salah satu
dari reaksi hydrotreating
Reaksi ini merupakan reaksi penghilangan oksigen dengan menambahkan
hidrogen. Di dalam kilang minyak bumi, reaksi hidrodeoksigenasi dilakukan
untuk menghilangkan oksigen yang merupakan pengotor dalam minyak
menjadi air. Dalam kilang minyak bumi, zat
hidrodeoksigenasi adalah senyawa seperti furan, karboksilat, dan fenol. Senyawa
senyawa tersebut bereaksi dengan hidrogen menjadi benzen
Sementara itu, di dalam proses ini, reaksi hidrodeoksigenasi berfungsi untuk
memutuskan ikatan antara gliserin, asam, dan alkil dari asam lemak bebas pada
trigliserida. Dalam reaksi hidrodeoksigenasi, terjadi dua macam reaksi yaitu
reaksi hidrogenasi dan dekarboksilasi. Perbeda
Dalam reaksi hidrogenasi, dihasilkan propana, air, dan alkana
atom karbon alkana sama dengan jumlah atom karbon pada asam lemak bebas
yang menempel pada gliserin. Sementara pada reaksi dekarboksilasi, dihasilk
propana, karbon dioksida, dan alkana dengan jumlah atom karbon alkana lebih
sedikit satu daripada jumlah atom karbon pada asam lemak bebas yang menempel
pada gliserin. Untuk reaksi tersebut, lebih lengkap dapat dilihat pada
Gambar
Laporan 2 Neraca Massa dan Energi
Reaktor Hidrodeoksigenasi
Seperti telah disebutkan di awal, reaksi hidrodeoksigenasi merupakan salah satu
hydrotreating yang banyak dilakukan dalam kilang minyak bumi.
Reaksi ini merupakan reaksi penghilangan oksigen dengan menambahkan
hidrogen. Di dalam kilang minyak bumi, reaksi hidrodeoksigenasi dilakukan
untuk menghilangkan oksigen yang merupakan pengotor dalam minyak
menjadi air. Dalam kilang minyak bumi, zat-zat yang dihilangkan oleh reaksi
hidrodeoksigenasi adalah senyawa seperti furan, karboksilat, dan fenol. Senyawa
senyawa tersebut bereaksi dengan hidrogen menjadi benzena dengan air.
m proses ini, reaksi hidrodeoksigenasi berfungsi untuk
memutuskan ikatan antara gliserin, asam, dan alkil dari asam lemak bebas pada
trigliserida. Dalam reaksi hidrodeoksigenasi, terjadi dua macam reaksi yaitu
reaksi hidrogenasi dan dekarboksilasi. Perbedaan terdapat pada hasil reaksi
reaksi hidrogenasi, dihasilkan propana, air, dan alkana, dengan jumlah
sama dengan jumlah atom karbon pada asam lemak bebas
yang menempel pada gliserin. Sementara pada reaksi dekarboksilasi, dihasilk
propana, karbon dioksida, dan alkana dengan jumlah atom karbon alkana lebih
sedikit satu daripada jumlah atom karbon pada asam lemak bebas yang menempel
pada gliserin. Untuk reaksi tersebut, lebih lengkap dapat dilihat pada
Gambar 2.4 Mekanisme reaksi hidrodeoksigenasi
15
Seperti telah disebutkan di awal, reaksi hidrodeoksigenasi merupakan salah satu
yang banyak dilakukan dalam kilang minyak bumi.
Reaksi ini merupakan reaksi penghilangan oksigen dengan menambahkan
hidrogen. Di dalam kilang minyak bumi, reaksi hidrodeoksigenasi dilakukan
untuk menghilangkan oksigen yang merupakan pengotor dalam minyak bumi,
zat yang dihilangkan oleh reaksi
hidrodeoksigenasi adalah senyawa seperti furan, karboksilat, dan fenol. Senyawa-
dengan air.
m proses ini, reaksi hidrodeoksigenasi berfungsi untuk
memutuskan ikatan antara gliserin, asam, dan alkil dari asam lemak bebas pada
trigliserida. Dalam reaksi hidrodeoksigenasi, terjadi dua macam reaksi yaitu
terdapat pada hasil reaksi.
dengan jumlah
sama dengan jumlah atom karbon pada asam lemak bebas
yang menempel pada gliserin. Sementara pada reaksi dekarboksilasi, dihasilkan
propana, karbon dioksida, dan alkana dengan jumlah atom karbon alkana lebih
sedikit satu daripada jumlah atom karbon pada asam lemak bebas yang menempel
Gambar 2.4.
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 16
Reaksi berlangsung pada tekanan 30 bar dan temperatur 370 oC (Andreoletti,
2010). Untuk mencapai hal tersebut, maka minyak jarak yang berasal dari surge
tank dipompa hingga tekanan operasi, kemudian dicampur dengan hidrogen
tekanan yang sama menjadi satu aliran. Setelah itu, aliran dipanaskan hingga 370 oC sebelum memasuki reaktor. Reaktor yang digunakan adalah reaktor unggun
tetap. Unggun yang digunakan merupakan katalis Ni-Mo. Selain minyak jarak
mentah dan gas hidrogen, zat lain yang perlu ditambahkan ke dalam reaktor
adalah dimetildisulfit (DMDS) sebanyak 1100 ppm berat (Terry L. Marker, dkk,
2009) dari minyak jarak mentah. Setelah dipakai selama beberapa lama, aktivitas
katalis akan berkurang, maka perlu DMDS ditambahkan agar katalis kembali ter-
sulfidasi. Hasil dari ditambahkannya DMDS adalah terdapat gas H2S dalam aliran
hasil reaksi. H2S berasal dari reaksi DMDS dengan hidrogen menghasilkan
metana dan H2S. Namun, karena jumlahnya kecil, maka gas H2S ini tidak menjadi
masalah besar dalam reaksi selanjutnya.
Reaksi hidrodeoksigenasi merupakan reaksi eksotermis dan berlangsung pada
temperatur dan tekanan reaksi yang tinggi, sehingga untuk mencegah temperatur
reaktor naik terlalu tinggi dan tetap berada pada rentang temperatur yang
diinginkan, ditambahkan gas hidrogen dingin diantara unggun tetap yang
digunakan. Aliran keluaran reaktor kemudian didinginkan untuk mengambil panas
yang terdapat dalam aliran, sehingga bahan pemanas yang diperlukan dapat
dikurangi.
2.2.2 Pemulusan Produk
Hasil dari reaksi hidrodeoksigenasi (konversi ≈ 100%) telah mengandung
hidrokarbon yang diinginkan yaitu dalam rentang C15-C18. Tetapi produk reaksi
tidak dapat langsung dijual kepada konsumen karena produk reaksi ini masih
belum memenuhi syarat mutu dari Pertamina untuk produk Pertadex. Produk
reaksi hidrodeoksigenasi masih mengandung air, karbon monoksida, karbon
dioksida, hidrogen sulfida, dan zat lainnya dalam jumlah yang belum memenuhi
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 17
syarat. Sifat fisik hidrokarbon dari hasil reaksi juga belum memenuhi syarat mutu
produk. Selain itu, dari hasil reaksi hidrodeoksigenasi terdapat gas propana yang
dapat digunakan untuk bahan bakar bagi kebutuhan energi keseluruhan pabrik.
Oleh karena itu, perlu dilakukan dua tahap pemulusan produk agar memenuhi
syarat mutu produk di pasar. Tahap-tahap pemulusan tersebut mencakup dua
bagian besar yaitu pemisahan air dan gas-gas lain; dan isomerisasi sebagian
hidrokarbon.
Pemisahan air dan gas-gas lain dilakukan secara bertahap. Pada pemisahan tahap
pertama, temperatur dan tekanan hasil reaksi hidrodeoksigenasi diturunkan.
Pemisahan tahap pertama dilakukan dengan menggunakan flash drum yang
memanfaatkan gas hidrogen pada tekanan dan temperatur tinggi, maka flash drum
ini disebut hot high pressure hydrogen stripper (HHPHS). Pada flash drum ini,
produk reaksi hidrodeoksigenasi yang telah diturunkan tekanan dan
temperaturnya, masuk ke dalam flash drum bersama dengan aliran lain yaitu
hidrogen dengan temperatur dan tekanan tinggi. Hidrogen digunakan sebagai gas
stripping untuk mempermudah gas-gas (CO2, H2S, metana, propana) pada produk
reaksi terpisah dari cairan bahan bakar hasil reaksi. Pada rancangan ini, HHPHS
beroperasi pada tekanan 1500 kPa dan temperatur 230oC. Produk atas (uap) dari
HHPHS, mengandung gas hidrogen dan air, tetapi hidrokarbon total yang terdapat
dalam produk uap ini masih dalam massa yang hampir sama dengan gas hidrogen
(lihat lampiran neraca massa). Sementara produk bawah (cair) didominasi oleh
hidrokarbon (C15-C18), sementara massa air, gas hidrogen, dan gas H2S sangat
sedikit (≈0,1%-b). Seperti yang telah disampaikan di atas, sifat fisik hidrokarbon
ini masih belum memenuhi standar mutu dari Pertamina untuk Pertadex, terutama
dalam hal ini adalah titik tuang. Standar mutu dari MSDS Pertadex, titik tuang
maksimal adalah 18oC, sementara titik tuang dari hidrokarbon hasil reaksi
hidrodeoksigenasi adalah sekitar 22,7oC (dengan menghitung titik tuang dari tiap
komponen sesuai jumlah komponen yaitu C15-18 dalam produk). Untuk itu, maka
diperlukan tahap isomerisasi untuk hidrokarbon tersebut. Tetapi, tidak semua
hidrokarbon perlu melewati reaksi isomerisasi, karena cukup sebagian
(berdasarkan perhitungan adalah 0,4 dari hasil reaktor) dari hidrokarbon tersebut
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 18
yang perlu melewati reaksi isomerisasi sampai titik tuang yang memadai untuk
dicampur dengan hidrokarbon tanpa isomerisasi menghasilkan hidrokarbon
campuran dengan titik tuang yang memenuhi syarat Pertadex.
Pada proses reaksi isomerisasi, hidrokarbon tidak dapat langsung memasuki
reaktor isomerisasi karena katalis reaksi isomerisasi dapat dengan mudah
terdeaktivasi dengan adanya unsur oksigen (seperti CO dan CO2) yang dapat
menghasilkan air dan merusak katalis. Maka, sebelum masuk reaktor isomerisasi,
perlu dilakukan pre-treatment yaitu adsorpsi untuk menyerap air, karbon
monoksida, karbon dioksida, dan H2S. Menurut Scott Graeme, dkk. (dalam
Annual Meeting Axens), syarat komposisi minimal air adalah 100 ppm-berat, CO
+ CO2 adalah 50 ppm-berat, dan Sulfur adalah 30 ppm-berat untuk katalis
berbahan zeolit. (Graeme, Scott, 2004). Hasil perhitungan dalam rancangan ini,
beban total massa dari air, CO, CO2, dan sulfur yang harus diserap adalah 0,986
kg. Setelah melewati adsorpsi, tekanan hidrokarbon dinaikkan dengan pompa
sampai kondisi operasi. Kemudian hidrokarbon dicampur dengan gas hidrogen
yang diperlukan dalam reaksi isomerisasi (rasio hidrogen per hidrokarbon untuk
reaksi isomerisasi adalah 400 Nm3/m3 menurut Kasza, 2010). Setelah itu,
campuran dipanaskan sampai temperatur operasi reaksi isomerisasi sebelum
masuk ke dalam reaktor isomerisasi.
Kondisi operasi reaktor isomerisasi adalah temperatur 330oC dan tekanan 3347
kPa. Reaksi isomerisasi merupakan reaksi untuk memperbaiki sifat fisik dari
produk dengan cara membentuk ulang struktur molekul hidrokarbon dari rantai
lurus, menjadi hidrokarbon dengan rumus molekul yang sama tetapi struktur
berbeda yaitu menjadi bercabang (membentuk isomer-nya). Katalis yang umum
digunakan berbahan zeolit, dengan pusat asam Cl-, sebagai katalis utama
isomerisasi, ditambah silika untuk meningkatkan pusat asam. Katalis komersial
saat ini yang digunakan adalah Pt/Al2O3, tetapi Fatma H. Jassem dari Kuwait
Institute mengusulkan katalis MoO3/TiO2 (Jassem, Fatma, 2010). Reaksi
isomerisasi menghasilkan variasi produk isomerisasi yang sangat beragam,
bahkan tidak jarang terjadi perengkahan produk alkana rantai panjang.
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 19
Produk atas dari HHPHS dan produk bawah HHPHS yang tidak masuk reaktor
isomerisasi dicampur dan didinginkan dengan pendingin udara (air cooler)
kemudian masuk ke dalam unit pemisah flash drum PS-1 untuk memisahkan
produk uap dan cair. Produk cair akan dicampur dengan hasil reaksi dari reaktor
isomerisasi kemudian diturunkan tekanannya dan didinginkan. Sementara itu
produk atas dari flash drum PS-1 mengandung banyak air dan hidrogen, tetapi
juga masih mengandung hidrokarbon yang terbawa dan bernilai ekonomis, maka
sekali lagi, produk atas ini didinginkan dan tekanan diturunkan sebelum
memasuki flash drum lain (PS-2). Produk atas dari PS-2 mengandung sedikit
hidrokarbon serta mengandung hidrogen dan uap air yang dominan. Sementara itu
produk bawah dari PS-2 yang mengandung hidrokarbon, dicampur dengan aliran
hasil reaksi isomerisasi untuk masuk kedalam tanki penyimpanan. Dalam tangki
penyimpanan disediakan vent untuk memisahkan hidrogen dan uap air yang
terdapat dalam hidrokarbon. Gas-gas hasil venting ini kemudian dicampur dengan
produk atas PS-2 kemudian didinginkan dan masuk ke dalam unit pemisah tiga
fasa untuk memisahkan gas, hidrokarbon dan air. Gas hasil unit ini masuk ke
dalam steam reforming, sementara air masuk unit pengolahan limbah. Untuk
hidrokarbon, akan dipisahkan melalui flash drum untuk memisahkan gas-gas yang
masih terbawa dengan hidrokarbon. Hidrokarbon yang sudah dipisahkan akan
masuk ke dalam tangki sementara gas-gas masuk ke unit flue gas untuk dibakar.
2.3 Proses Produksi Hidrogen
2.3.1 Absorpsi CO2
Umpan steam reforming perlu dipisahkan dari gas lain yang dapat mengganggu
kesetimbangan reaksi, yaitu gas CO dan CO2. Proses pemisahan yang dilakukan
mengunakan prinsip absorpsi menggunakan larutan MDEA-DEA yang umum
digunakan untuk proses absorbsi gas CO, CO2, maupun H2S dan dikenal memiliki
performa yang baik dalam proses pemisahan ini. Proses absorbsi terhadap gas
CO2 juga dilakukan lagi pada aliran keluaran dari LTSC. Hal ini bertujuan untuk
memurnikan gas hidrogen yang diproduksi dari proses steam reforming, karena
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 20
kandungan CO2 dapat menurunkan nilai kalor yang tekandung dalam gas
hidrogen. Simulasi proses dilakukan menggunakan software HYSYS 2006.5
dengan pemilihan fluid package Amine (Zare Aliabad, 2009). Dari hasil
perhitungan dengan menggunakan software ini diperoleh komposisi aliran yang
kaya CO2 dan yang mengandung sedikit CO2. Adapun pelarut yang digunakan
untuk mengabsorbsi gas-gas tersebut adalah campuran 54% MDEA-46% MEA
dengan tekanan operasi 350 kPa dan temperatur 58oC. Kandungan CO2 pada
aliran yang lebih sedikit CO2 adalah 1,5 %-berat.
2.3.2 Penyerapan H2 Proses penyerapan H2 dilakukan untuk mencegah terganggunya kesetimbangan
pada reaksi steam reforming serta memisahkan CO2 yang belum seluruhnya
terserap pada proses sebelumnya. Hidrogen dipisahkan memalui proses membran
yang mengutamakan prinsip perbedaan ukuran partikel. Hidrogen memiliki
ukuran partikel paling kecil, 7,2 Angstrom dibandingkan gas-gas lainnya yang
terkandung (propan, uap air, CO, dan CO2). Untuk memisahkan gas hidrogen
dibutuhkan pemisahan menggunakan membran, dengan material yang dipilih
adalah politetrafluoroetilena karena pemisahan yang cukup efektif dan data yang
didapat cukup mudah. Proses pemisahan dengan membran ini menggunakan
membran dengan beberapa tahap, ilustrasi dari tahapan-tahapan ini dapat dilihat
pada Error! Reference source not found..
Gambar 2.5 Diagram Alir dari Membran Multitahap – 1
E - 1
E-4
E-3
E-2 48
48 R
48 P
48 RP
48 PR
48 PP
48 RPP
48 RR
48 RPR
Compresor
Pump
Compresor
49
5149
51
Joseph - Laporan 2 Neraca Massa dan Energi 21
Tujuan dari membran multitahap ini adalah untuk optimasi pemisahan. Hasil dari
pemisahan dengan membran ini dihitung dengan metode pemisahan membran dari
McCabe. Permeat dari membran ini mengandung hidrogen dengan kemurnian
99,78 %-mol (sisanya CO2 dan propana), sedangkan retentat membran
mengandung hidrogen 63,3 %-mol (15 kmol hidrogen).
2.3.3 Steam Reforming
Tujuan dari steam reforming ini adalah untuk memanfaatkan propana yang
dihasilkan dari reaksi agar dapat menghasilkan gas hidrogen. Setelah melalui
proses penghilangan pengotor, aliran retentat dari membran akan dinaikkan
temperatur dan tekanannya untuk kemudian masuk ke dalam flash drum dan
memisahkan gas dengan cairan MDEA dan DEA. Aliran cair akan masuk ke
dalam tangki amina, sementara aliran gas akan dicampur dengan kukus
(memenuhi steam to carbon ratio = 3, Meyers, 2004) dan gas alam. Aliran gas ini
dinaikkan temperatur dan tekanan untuk mencapai kondisi 24 bar dan 650 oC
(Tominaga, 1997). Keluaran dari reaktor akan memiliki kondisi tekanan 21 bar
(Meyer, 2004) dan temperatur 950oC (Tominaga, 1997), hal ini terjadi karena
reaksi yang sangat endoterm, sehingga semakin tinggi temperatur kesetimbangan,
konversi akan semakin baik. Berikut reaksi yang terjadi: