BAB II TINJAUAN PUSTAKA
II.5 Sintesis Fischer Tropsch
Reaksi pertumbuhan rantai Fischer Tropsch dapat menghasilkan produk yang berada pada rentang: hidrokarbon ringan (C1 dan C2), LPG (C3-C4), nafta (C5 -C12), diesel (C13-C19), dan wax (C20+). Saat ini sintesis FT dioperasikan secara komersial oleh Sasol Afrika Selatan (berbasis batubara) dan Shell Malaysia (berbasis gas alam). Mekanisme utama dalam reaksi FT adalah sebagai berikut:
CO + 2 H2 -CH2- + H2O, H0FT = -165 kJ/mol
Komponen –CH2- merupakan komponen dasar rantai hidrokarbon yang lebih panjang, Karakteristik utama terkait dengan kinerja sintesis FT adalah selektivitas. Selektivitas proses FT ditentukan oleh probabilitas pertumbuhan rantai yang menyatakan kemungkinan pertumbuhan rantai –CH2- dengan grup –CH2- lainnya.
Produk yang terbentuk dari reaksi FT merupakan hidrokarbon yang memiliki panjang yang berbeda. Selektivitas rantai panjang (SC5+) diperlukan untuk
mencapai jumlah maksimum hidrokarbon rantai panjang. Perolehan C1-C4
berkurang apabila SC5+ bertambah, C1-C4 yang terdapat di dalam gas buang dapat dimanfaatkan untuk pembangkitan listrik di dalam gas buang.
Hubungan antara perolehan hidrokarbon dengan probabilitas pertumbuhan rantai digambarkan melalui persamaan distribusi rantai karbon sebagai berikut:
wn = nn-1
(1-)2 (1)
Dengan: = probabilitas pertumbuhan rantai, bergantung pada jenis katalis yang digunakan
n = jumlah atom C dalam rantai hidrokarbon
wn = fraksi massa hidrokarbon yang memiliki n buah atom C
Persamaan (1) menunjukkan fraksi massa rantai karbon yang dinyatakan oleh wn dan (1-) menunjukkan kemungkinan terminasi rantai –CH2-. Distribusi produk Fischer Tropsch berdasarkan persamaan (1) diberikan pada Gambar II.11.
Gambar II.11. Distribusi Produk sintesis Fischer Tropsch berdasarkan persamaan ASF
Untuk katalis besi, nilai adalah 0,67 s.d. 0,71. Sedangkan untuk katalis Co, nilai adalah 0,76 s.d. 0.83. Untuk katalis Co, tekanan yang lebih tinggi akan menghasilkan rantai yang lebih panjang. Saat ini berbagai penelitian tengah
dilakukan untuk mendapatkan katalis yang bisa memberikan nilai = 0,9. Selain jenis katalis, faktor lain yang mempengaruhi distribusi produk FT adalah temperatur. Temperatur operasi yang lebih rendah akan menghasilkan rantai karbon yang lebih panjang, rantai tidak bercabang, dan senyawa oksigenates yang tebentuk lebih sedikit.
Selektivitas sangat dipengaruhi oleh faktor katalis (logam Co atau Fe, penyangga, penyiapan, pengondisian awal, dan umur katalis) dan faktor non katalis (rasio H2/CO di dalam umpan, temperatur, tekanan, dan jenis reaktor). Pengelompokkan berdasarkan katalis Fe dan Co relevan karena reaksi pergeseran air hanya terjadi secara signifikan apabila katalis yang digunakan adalah katalis besi. Sintesis FT menggunakan rasio H2/CO yang mendekati angka 2,1:1, bergantung pada selektivitas. Karena gasifikasi biomassa pada kebanyakan kasus menghasilkan gas sintesis yang memiliki rasio H2/CO rendah maka reaksi pergeseran perlu dilakukan. Tekanan parsial H2 dan CO yang lebih tinggi dapat menghasilkan selektivitas SC5+ yang lebih tinggi pula. Semakin banyak kandungan inert di dalam gas sintesis dapat mengurangi tekanan parsial H2 dan CO yang berakibat pada penurunan selektivitas SC5+.
Dari segi kondisi operasi, reaktor FT dapat dibedakan menjadi 2 (dua) jenis yaitu HTFT (high temperature FT) dan LTFT (low temperature FT). Perbedaan kedua jenis reaktor tersebut disampaikan dalam Tabel II.13.
Tabel II.13. Kondisi Pengoperasian Reaktor Fischer Tropsch HTFT (High Temperature FT) LTFT (Low Temperature FT) Temperatur 300-350 oC 200-240 oC Katalis Fe Fe atau Co Produk
Bensin dan olefin yang memiliki massa molekul rendah
Parafin Oksigenat dalam jumlah
besar
Selektivitas terhadap produk wax tinggi Produksi Diesel
Produksi diesel dapat dilakukan melalui oligomerisasi olefin
Produksi diesel dilakukan menggunakan proses
hydrocracking wax
Tekanan 20-45 bar 20-45 bar
Sumber: Development of Fischer Tropsch Catalyst for Gasified Biomass, Sara Logdberg
Terdapat 3 (tiga) jenis reaktor FT yaitu: fluidized bed reactor, fixed bed reactor, dan slurry reactor. Menurut beberapa peneliti, reaktor fixed bed dan slurry merupakan reaktor FT yang paling menjanjikan. Kelebihan masing-masing reaktor sangat spesifik terhadap jenis biomassa yang digunakan, namun dari segi sensitivitas terhadap inert (relevan untuk biomassa yang diharapkan menghasilkan karakteristik gas dengan yang diperoleh dari gas alam) reaktor slurry lebih menguntungkan. Kekurangan utama pada reaktor slurry adalah perlunya penambahan unit pemisahan wax dan katalis, namun tidak terdapat informasi lengkap mengenai unit pemisahan tersebut. Tabel II.14 menunjukkan perbedaan utama antara reaktor fixed bed dengan reaktor slurry.
Tabel II.14. Perbedaan antara proses sintesis FT dalam reaktor fixed bed dan slurry
II.7. Hydrocracking
Apabila produk akhir yang diinginkan adalah diesel, diperlukan proses hydrocracking terhadap produk FT. Hidrogen ditambahkan untuk memutuskan ikatan rangkap, sehingga cairan-FT dapat direngkahkan secara katalitis dengan bantuan hidrogen. Bergantung pada kondisi perengkahan wax, produk yang dihasilkan akan memiliki komponen utama kerosin dan diesel. Efisiensi karbon keseluruhan dalam tahap hydrocracking mendekati 100 %.
Produk FT bebas dari sulfur, nitrogen, nikel, vanadium, senyawa aspal, dan aromatic yang umumnya terdapat di dalam produk minyak mineral. Diesel FT dengan bilangan setan yang tinggi dapat digunakan sebagai bahan campuran untuk meningkatkan kualitas diesel biasa. Nafta yang diperoleh dari proses FT memiliki bilangan oktan yang lebih rendah dibandingkan nafta biasa. Sedangkan kerosin untuk keperluan aviasi yang diperoleh melalui sintesis FT masih belum memenuhi spesifikasi produk yang diperlukan. Oleh karena itu, berdasarkan lebutuhan spesifikasi produk saat ini, produk sintesis FT masih memiliki nilai yang lebih rendah dibandingkan produk nafta dan kerosein komersil. Namun seperti halnya diesel FT, kedua jenis bahan bakar tersebut juga tidak mengandung sulfur maupun kontaminan lainnya. Sehingga selain dapat mengurangi emisi ke udara, bahan bakar yang dihasilkan dari sintesis FT juga diharapkan dapat digunakan dalam kendaraan berbasis fuel cell (FCV – Fuel Cell Vehicle) yang membutuhkan bahan bakar yang benar-benar bersih untuk mencegah kerusakan katalis fuel cell. Karakteristik tersebut sangat penting untuk jangka yang lebih panjang ketika FCV mulai beredar di pasaran. Pasar diesel dapat dikatakan merupakan pasar pertama yang paling cocok untuk sintesis FT.
Proses hydrocracking selektif dilakukan untuk merengkahkan wax (C20+) menjadi rantai diesel (C10-C19) sangat bergantung pada kondisi operasi seperti temperatur, tekanan, dan kecepatan ruang (weight hourly space velocity/WHSV). Pengaruh masing-masing kondisi operasi tersebut telah diteliti oleh Leckel dan Ehumbu (2006). Hasil penelitian mereka menunjukkan bahwa temperatur merupakan komponen yang paling berpengaruh terhadap konversi C20+, konversi akan
meningkat seiring dengan peningkatan temperatur. Selektivitas produk dan perolehan yang dihasilkan dari proses hydrocracking menggunakan hidrogen bertekanan 3,5 MPa dan rasio hidrogen/wax 1200:1 Nm3/m3 pada kecepatan ruang 0,5/jam diberikan pada Tabel II.15.
Tabel II.15. Selektivitas dan Perolehan Produk pada berbagai Temperatur menggunakan Hidrogen bertekanan 3,5 MPa, WHSV 0,1/jam, dan H2/wax = 1200:1
Nm3/m3 Temperatur (oC) Konversi C20+ Selektivitas (%b/b) Perolehan (%b/b) C1-C4 C5-C9 C10-C19 C1-C4 C5-C9 C10-C19 350 17 2,1 9,9 88 0,3 1,6 15 360 69 1,1 22 77 0,8 15 53 365 86 2,1 25 73 1,8 21 63
Sumber: Leckel dan Ehumbu (2006)
Tabel II.15. menunjukkan bahwa peningkatan temperatur operasi dengan menjaga parameter lain konstan menghasilkan peningkatan konversi C20+ hingga 86%. Temperatur operasi yang tinggi dapat menghasilkan konversi yang tinggi serta perolehan diesel yang lebih tinggi pula.