EFEK KATALITIK Natrium-AlO
2
PADA PROSES PENCAIRAN BATUBARA
TANPA PELARUT HIDROGEN DONOR
Yuli Artanto dan Yusnitati
Laboratorium Pencairan Batubara,Puspiptek,serpong Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi
Abstract
Indonesian brown coal, South Banko coal, was liquefied into oil in the presence of carbon monoxide and water using alkali base catalyst, NaAlO2. Liquefaction test was carried out using microautoclave in the absence of donor solvent. Experiment was conducted at 365oC and 400oC in order to examine the effect of temperature on coal conversions.
Kata kunci: south banko, brown coal, liquefaction, catalyst, donor solvent
1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Penelitian pencairan batubara dengan
menggunakan gas karbon monoksida dan air
sebagai reaktan untuk menggantikan gas
hidrogen diharapkan dapat mengurangi biaya konstruksi pabrik pencairan batubara.
Detail pengkajian tersebut memprediksikan bahwa pembangunan pabrik skala demonstrasi yang berkapasitas 6.000 ton batubara bkta (berat kering tanpa abu)/hari direncanakan dibangun pada tahun 2006 dan mulai beroperasi pada tahun 2011 (skala komersial adalah 2x6.000 ton batubara bkta/hari) (Mr. Tamura, ….). Harga jual minyak sintetis pada tahun tersebut diperkirakan sekitar US $20-25/barrel, dimana harga tersebut akan kompetitif jika bersaing dengan harga minyak mentah pada saat itu.
Saat ini, studi telah memasuki ke tahap studi kelayakan fase pertama (Feasibility Study,
Phase) yang akan selesai pada tahun anggaran
2001. Aspek data dan analisis data pada studi ini lebih detail dan menyeluruh dibandingkan studi pertama (Applicability Study), yang meliputi data dan informasi perancangan desain peralatan dan proses (engineering process design), unit utilitas dan pengolahan limbah, analisa sensitifitas, bahan baku termasuk katalis, aspek sosial-budaya, aspek indikator perekonomian dan lain-lain.
Salah satu hasil pemikiran yang dihasilkan dari studi kelayakan tersebut di atas adalah tentang ketersediaan suplai pelarut/solvent yang diperlukan pada saat pabrik mulai dioperasikan atau berproduksi, dimana sejumlah pelarut tambahan diperlukan untuk awal operasi sampai kondisi proses berjalan stabil. Jika pabrik sudah
stabil maka penambahan pelarut dari luar bisa dikurangi karena adanya recycle (pemakaian balik) pelarut di dalam proses tersebut.
Mengingat pada tahun 2010-2011
dipastikan belum ada pabrik sejenis di Indonesia, maka posisi dan peranan pelarut secara teknis dan ekonomis perlu dikaji. Meskipun RRC
mempunyai rencana dalam program
pembangunan jangka panjangnya untuk
mengoperasikan pabrik pencairan batubara pada tahun 2005, namun secara ekonomi hal tersebut sangat mahal biayanya jika import pelarut dari RRC dilakukan. Akibat langsung dari import tersebut akan menambah harga jual minyak sintetis, sehingga penjualan menjadi kurang kompetitif di pasar.
Untuk mengatasi hal tersebut, maka dipikirkan alternatif memakai pelarut dari hasil derivatif minyak bumi yang banyak tersedia di dalam negeri. Produk minyak mentah yang menjadi sasaran untuk dimanfaatkan adalah minyak berat vakum, karena jumlahnya yang melimpah. Disamping itu, minyak tersebut tidak ekonomis untuk dijual langsung atau diolah menjadi hasil produk yang bernilai jual.
Secara umum, minyak berat vakum dapat diperoleh sekitar 15% dari minyak mentah. Diperkirakan pada tahun 2011, produksi minyak mentah yang dipergunakan oleh kilang minyak
terdekat (Pertamina Plaju, Cilacap dan
Balikpapan) dengan lokasi pabrik batubara, masih cukup mengahasilkan minyak berat vakum sebanyak kurang lebih 80.000 barel/hari. Seperti diketahui, kebutuhan pelarut untuk pabrik skala komersial adalah 12.000 ton/hari atau 72.000 barel/hari. Dalam hal ini suplai minyak berat vakum diperkirakan dapat di atas 80.000
memproduksi produk tersebut pada saat sebelum pabrik dioperasikan. Hal ini diharapkan tidak menjadi hambatan bagi pengoperasian pabrik skala komersial tersebut.
Alternatif tersebut di atas pada awalnya sudah pernah dieksperimen oleh peneliti-peneliti di dunia, seperti menggunakan minyak bekas kendaraan (Shi, Y., Orr, E.C., Shao, L. and Erying, E.M., 1999) dan minyak berat vakum (Shinn, J.H., 1984,; Yamada, Y., 1976,; Audeh, C.A. , 1984,; Curtis, C.W., 1984). Akan tetapi, kedua topik ekperimen tersebut menggunakan batubara bituminus dan sub bituminus serta autoclave yang berukuran kecil (micro autoclave 27cm3 untuk reaksi dengan pelarut minyak bekas kendaraan, dan 60 cm3 dan 1100 cm3 untuk reaksi dengan minyak berat vakum). Kondisi tekanan awal hidrogen yang dipergunakan relatif tinggi yaitu 120 kg/cm2G (University of Wyoming, 1985) dan di atas 90 kg/cm2G (Shinn, J.H., 1984,; Yamada, Y., 1976,; Audeh, C.A. , 1984,; Curtis, C.W., 1984). Secara ringkas, hasil eksperimen menunjukkan bahwa penggunaan pelarut, bukan berasal dari hasil pencairan batubara, minyak berat vakum atau minyak bekas kendaraan dapat meningkatkan Yield distilat dan mempunyai efek sinergistas dengan batubara sehingga Yield distilat yang terbentuk lebih besar. Hal ini dimungkinkan karena minyak berat vakum atau minyak bekas kendaraan mempunyai sifat sebagai hidrogen donor, dimana minyak berat vakum mampu menjaga kestabilan radikal bebas molekul-molekul batubara selama reaksi, sehingga dapat mencegah terjadinya reaksi balik (repolimerisasi).
1.2. Permasalahan
Mengingat hasil riset selama ini masih banyak menggunakan batubara bituminus dan sub bituminus, maka keandalan dan efektifitas minyak berat vakum untuk dipergunakan sebagai pelarut dalam pencairan batubara lignit, seperti Banko Selatan, mempunyai potensi untuk diselidiki.
Dari studi-studi yang dilakukan oleh tim pencairan batubara muda BPPT telah diketahui bahwa batubara lignit lebih reaktif dibandingkan dengan batubara sub bituminus jika direaksikan dengan pelarut standard pencairan batubara, yaitu creosote oil. Pada kondisi operasi yang sama, perlu dicoba pelarut minyak berat vakum untuk pencairan batubara lignit, dimana pengaruh sinergistas yang ditemukan pada sistim pencairan batubara bituminus/sub bituminus-minyak berat vakum, dapat juga terjadi atau tidak di dalam pencairan batubara lignit.
1.3. Tujuan Riset
Dalam hal ini, investigasi terhadap pengaruh jumlah pelarut yang optimum untuk mendapatkan
Yield distilat yang maksimum dilakukan untuk
mengetahui reaktifitas batubara lignit dalam proses pencairan dengan menggunakan pelarut yang bukan berasal dari proses pencairan batubara.
Pengaruh jumlah pelarut di dalam pabrik skala komersial juga akan mempengaruhi besarnya ukuran pipa, pompa slurry, ukuran reaktor dan unit pemisah gas-cair. Diharapkan jumlah rasio pelarut terhadap batubara yang relatif kecil akan mengurangi ukuran-ukuran dimensi di atas, sehingga dapat mengurangi biaya konstruksi.
1. BAHAN DAN METODE
1.1. Batubara Dan Minyak Berat Vakum
Batubara lignit yang dipergunakan berasal dari daerah Banko Selatan (BS), Tanjung Enim-Sumatera Selatan. Sedangkan minyak berat
vakum diperoleh dari Pertamina Plaju,
Palembang-Sumatera Selatan.
Batubara BS yang diterima dari
penambangan disampling dengan metode yang sudah dibakukan di Laboratorium Pencairan
Batubara Muda-BPPT untuk memperoleh
sampel-sampel yang mewakili.
Setelah itu, sampel tersebut digerus menggunakan ball mill. Batubara BS yang dipergunakan dalam eksperimen ini sudah digerus sampai lolos ukuran 200 mesh (75m). Setelah itu, batubara hasil gerusan disimpan di dalam botol dan ditempatkan di dalam desicator untuk mencegah oksidasi dan kontak dengan uap air dari udara.
Beberapa gram (sekitar 50 gram)
diperlukan untuk analisa ultimat dan proksimat. Dalam hal ini batubara yang dipakai tidak memerlukan pengeringan. Kadar air batubara
diukur setiap akan memulai eksperimen.
Sedangkan batubara sisa yang tidak digerus disimpan di dalam drum yang diisi gas nitrogen.
Pelarut MBV yang diterima dari Pertamina Plaju masih disimpan di dalam drum dan tidak memerlukan perlakukan khusus. Spesifikasi pelarut MBV mempunyai rentang titik didih (TBP) >+520oC dan pour point sekitar 58oC. Pelarut MBV tidak perlu digerus karena sifatnya yang sangat lengket dan padat (very viscous), sehingga hanya dihancurkan saja hingga ukuran kecil (Pengaruh ukuran diameter pelarut MBV terhadap unjuk kerja reaksi pencairan tidak signifikan, karena pada suhu di atas pour point MBV sudah mencair). Sisa pelarut yang tidak dihancurkan disimpan kembali ke dalam drum.
Analisa elemen batubara Banko Selatan (BS) dan minyak berat vakum (MBV) adalah sebagai berikut:
Tabel 1. Analisa Proksimat BS Dan MBV
Jenis material % bkta C H S N O BS 71,2 5,2 0,5 1,1 22,1 MBV 86,6 11,3 0,1 0,1 1,9
%bkta : % berat kering tanpa abu
Kandungan abu BS dan MBV adalah 2,3% berat kering dan 0,06% berat kering.
Adapun sebelum dipergunakan dalam reaksi pencairan, MBV harus didistilasi terlebih dulu untuk mengetahui kompoposi fraksi distilat
di dalam MBV. Metode distilasi yang
dipergunakan adalah ASTM-D1160. Komposisi dari fraksi-fraksi hasil distilasi MBV ditulis pada tabel 2 di bawah ini:
Tabel 2 Komposisi fraksi hasil distilasi MBV (% berat)
Fraksi dist. H2O LO RS BTM
komposisi 0,21 0,40 1,98 97,4
1.2. Umpan gas
Gas yang dipergunakan untuk reaksi pencairan adalah gas hidrogen dan gas nitrogen. Gas hidrogen dipakai sebagai gas reaktan untuk
reaksi. Gas nitrogen diperlukan untuk
membersihkan ruangan udara di dalam autoclave dan menurunkan konsentrasi oksigen di dalam udara, agar konsentrasi oksigen di dalam
autoclave tidak menyebabkan ledakan jika
kontak dengan gas hidrogen.
Seluruh gas dialirkan langsung dari gas silinder yang bertekanan 150kg/cm2G. Aliran gas dikontrol dengan kran/valve.
1.3. Katalis
Katalis yang dipergunakan di dalam studi ini adalah katalis sintetis -FeOOH. Katalis tersebut dibuat dalam bentuk larutan (slurry), dimana pelarutnya memakai pelarut creosote-oil yang didapat dari unit pencairan batubara skala BSU (Bench Scale Unit) yang terdapat di TCLC (Takasago Coal Liquefaction Centre), Jepang. Spesifikasi katalis adalah sebagai berikut:
Tabel 3 Spesifikasi katalis -FeOOH
,m A,m2/g %berat %Fe
-FeOOH 0,5 63 20 58,9
Katalis dianalisa dengan AAS (Atomic
Adsorbtion Spectroscopy) untuk mengukur konsentrasi Fe di dalam padatan. Metode BET
dengan adsorpsi nitrogen untuk mengukur luar permukaan (A). Diameter atau ukuran partikel katalis () diperoleh melalui alat laser difraction.
Konsentrasi pelarut di dalam slurry katalis adalah 80% berat. Adapun komposisi fraksi-fraksi hasil distilasinya adalah sebagai berikut:
Tabel 4 Komposisi fraksi hasil distilasi (% berat)
Fraksi dist. H2O LO RS BTM
Komposisi 0,2 3,4 94,6 1,8
1.4. Eksperimen reaksi pencairan
Skema diagram reaksi pencairan batubara dapat dilihat pada gambar 1 di lampiran. Seluruh reaksi pencairan batubara BS dengan pelarut MBV dilakukan dengan memakai autoclave batch berpengaduk yang bervolume 5 liter. Autoclave didesain pada tekanan maksimum 300 kg/cm2G dan suhu maksimum 500oC.
Gambar 1. Skema eksperimen pencairan
batubara-minyak berat vakum
Sebanyak 250g batubara (basis basah) dimasukkan ke dalam autoclave bersama-sama dengan pelarut MBV (dengan rasio MBV/BS sesuai variabel proses), katalis larutan -FeOOH dan sulfur. Desain eksperimen adalah sebagai berikut:
Batubara (tetap untuk tiap variabel): 250 gram Rasio MBV/BS-bkta : 2,0; 2,5; 3,0
Katalis (% BS-bkta) : 1 sebagai Fe Sulfur/Fe (berat/berat) : 3,0
Temperatur : 450oC
Tekanan H2 awal : 80 kg/cm
2 G
Waktu reaksi : 1 jam
Kecepatan pengaduk : 500 rpm
Variabel proses adalah jumlah pelarut yang ditambahkan (rasio MBV/BS-bkta). Pengujian blanko terhadap MBV (tanpa batubara) dengan kondisi operasi yang sama juga dilakukan untuk
Batubar a -FeOOH Sulfur catalyst and sulphur Minyak Berat Vakum Hidro gen Gas CO+CO2 Gas hidrokarbon (C1 ~ C4) H2O (air)
Distilat: Light Oil (LO) Recycle
Solvent (RS)
Coal Liquid Bottom (CLB)
mengetahui efek MBV pada proses pencairan MBV dengan batubara BS serta diperlukan untuk menjelaskan efek sinergis batubara dan MBV.
Setelah umpan dimasukkan dan autoclave ditutup rapat, kemudian gas nitrogen dialirkan ke dalamnya sampai pada tekanan 30 kg/cm2G, ditahan dan selanjutnya dibuang. Pekerjaan ini dilakukan sebanyak 3 (tiga) kali dengan tujuan untuk mengurangi konsentrasi oksigen di dalam
autoclave.
Setelah itu, gas hidrogen dialirkan ke dalam autoclave dan dilakukan seperti di atas sebanyak 3 kali untuk mengurangi konsentrasi gas nitrogen dan oksigen. Kemudian dilakukan tes kebocoran (leak test) dengan menyimpan gas hidrogen pada tekanan sekitar 150 kg/cm2G. Kondisi ini dibiarkan selama semalam dan besok pagi harinya dilihat apakah ada penurunan tekanan dan suhu. Kebocoran tidak terjadi, jika
rasio tekanan terhadap suhu pada hari
pengecekan adalah sama dengan rasio pada hari sebelumnya (hari waktu pengisian hidrogen). Jika tidak ada kebocoran, maka tekanan hidrogen diturunkan sampai 80 kg/cm2G (sebagai standard tekanan awal).
Sebelum memulai pemanasan, aliran air ke pengaduk dijalankan, sabuk pengaduk dan tachometer (alat ukur kecepatan pengaduk), kontrol panel dan semua valve dalam keadaan tertutup. Kemudian setelah dipastikan semua sudah terpasang dan siap, maka pemanasan autoclave dimulai dengan menekan tombol start pada kontrol panel.
Kecepatan pemanasan autoclave di
Laboratorium Pencairan Batubara Muda-BPPT adalah 123o/jam. Setelah tercapai suhu 450oC, waktu reaksi mulai dihitung. Setelah reaksi selesai, pengaduk dibiarkan berputar dan segera alirkan udara melalui blower udara ke pemanas autoclave dan pada saat yang sama pemanas autoclave pada kontrol panel dimatikan. Kecepatan pendinginan adalah 150o/jam. Setelah suhu cairan mencapai 100oC, pengaduk dan blower udara dimatikan.
1.5. Analisa gas
Sebelum sampling gas dilakukan, terlebih dahulu pengaduk dijalankan dengan tujuan supaya konsentrasi gas di dalam autoclave homogen. Pengambilan gas dapat dilakukan setelah suhu mencapai kira-kira 40-50oC.
Aliran gas dilewatkan gas meter untuk mengukur volume gas di dalam autoclave. Selama itu dilakukan juga pengambilan gas pada tiga tekanan yang berbeda, yaitu biasanya pada tekanan 50, 30 dan 10 kg/cm2G. Ketigas sampel gas pada tekanan yang berbeda tersebut
dianalisa dengan menggunakan kromatografi gas.
Gas hidrokarbon (C1-C4) dideteksi dengan menggunakan GC-FID (gas
chromatography-Flame Ionized Detector). Sedangankan gas CO,
CO2, H2 dan CH4 dianalisa memakai GC-TCD
(gas chromatography-Thermal Conductivity
Detector). Gas H2S diukur dengan menggunakan alat dragger (tabung kecil yang berisi zeolit penyerap gas H2S).
1.6. Distilasi
Setelah selesai melakukan sampling gas, pada saat yang sama dapat dikerjakan persiapan alat-alat untuk distilasi. Distilasi dilakukan untuk memisahkan produk campuran cairan dan
padatan hasil reaksi pencairan dengan
berdasarkan perbedaan titik didih. Metode distilasi dalam eksperimen ini menggunakan ASTM-D1160.
Produk distilasi dibagi dalam tiga bagian titik didih. Titik didih dari suhu kamar sampai 180oC adalah minyak ringan (light oil, LO). Fraksi titik didih 180-420oC dinamakan minyak recycle (recycle solvent, RS) dan fraksi titik didih >420oC dinamakan residu (coal liquid bottom, CLB).
2.6. Hasil Perhitungan
Mengingat pada reaksi pencairan batubara dan
minyak berat vakum sangat sulit untuk
menentukan manakah yang berperan sebagai reaktan, maka Yield ditentukan dengan basis b-bkta+MBV-bkta (batubara-berat kering tanpa abu+MBV-berat kering tanpa abu).
Hasil distribusi produk seperi LO, RS (distilat) dan CLB dinyatakan berbeda satu dengan yang lainnya jika perbedaannya di atas 2% b-bkta+MBV-bkta. Untuk gas CO+CO2 jika perbedaanya di atas 0,3% b-bkta+MBV-bkta dapat dikatakan signifikan. Sedangkan untuk H2O dan gas hidrokarbon, perbedaan yang signifikan bila di atas 0,5% dan 2% b-bkta+MBV-bkta. Konsumsi hidrogen dinyatakan berbeda secara signifikan satu terhadap yang lainnya jika
perbedaannya lebih besar dari 0,2%
b-bkta+MBV-bkta.
2. HASIL DAN PEMBAHASAN
2.1. Perbandingan antara pencairan batubara-creosote oil (B-CO) dan pencairan batubara-MBV (B-MBV)
Pertama-tama sebelum melakukan investigasi pengaruh jumlah pelarut MBV atau rasio MBV/BS, terlebih dahulu dilaksanakan riset awal untuk mengetahui karakteristik pencairan batubara-MBV, dengan membandingkan yield distilat (LO+RS), yield CLB, konsumsi hidrogen,
yield gas CO+CO2 dan yield gas hidrokarbon terhadap hasil pencairan batubara-cresote oil. Seperti diketahui, proses pencairan
batubara-creosote oil adalah standard proses pencairan
batubara, karena menggunakan pelarut (creosote
oil) yang diperoleh dari hasil reaksi pencairan
batubara.
Pada studi ini, kedua sistem tersebut dilakukan pada kondisi operasi yang sama (suhu, waktu reaksi, tekanan awal dan rasio pelarut terhadap batubara). Adapun katalis (basis Fe) yang ditambahkan berbeda (1%bkta untuk
B-MBV dan 3%bkta untuk B-CO). Rasio
(berat/berat) sulfur terhadap Fe juga berbeda, yaitu 3 untuk B-MBV dan 2 untuk B-CO. Berdasarkan studi pencairan batubara di laboratorium pencairan batubara-BBPT selama ini, perbedaan tersebut di atas tidak memberikan perbedaan yang signifikan.
Pada kondisi reaksi yang dicoba,
pencairan batubara dengan MBV memberikan
Yield distilat lebih banyak dibandingkan dengan
standard pencairan batubara (B-CO). Hasil reaksi
juga menunjukkan bahwa proses B-MBV
menghasilkan Yield CLB dan memerlukan konsumsi hidrogen (H2) yang lebih rendah dibandingkan proses B-CO. Fenomena ini
mengartikan bahwa produk distilat yang
dihasilkan (untuk proses B-MBV) adalah
sebagian besar berasal dari degradasi minyak berat vakum atau membuktikan adanya proses degradasi terhadap MBV yang cenderung mengasilkan distilat (diindikasikan juga jumlah CLB sisa reaksi mengalami penurunan secara signifikan). Hasil yang sama juga dibuktikan oleh peneliti terdahulu (University of Wyoming, 1985). Tabel 5 Perbandingan Yield distilat, CLB dan
konsumsi hidrogen Sistim Proses Yield Distilat CLB H2 B-CO a 35,20 41,42 4,74 B-MBV b 63,64 24,22 1.94 Distilat = LO + RS a
Yield sebagai % batubara bkta (b-bkta) b
Yield sebagai % (b-bkta+MBV-bkta)
Untuk menyelidiki lebih jauh alasan di atas, maka dilakukan pengujian dengan mencairkan pelarut MBV tanpa memakai batubara (disebut selanjutnya dengan proses PMBV). Semua kondisi operasi dan variabel proses diatur sama dengan proses B-MBV. Seperti ditunjukkan pada tabel 6, hampir semua komponen atau fraksi CLB dari MBV membentuk distilat selama proses reaksi pencairan MBV. Nilai yield distilat dan CLB
dari pencairan MBV menunjukkan perubahan yang signifikan jika dibandingkan dengan kondisi awal sebelum pencairan (lihat juga Tabel 2). Hasil dari studi ini berbeda dibandingkan dengan hasil yang didapat oleh tim pencairan batubara-MBV di Universitas Wyoming (University of
Wyoming, 1985), dimana mereka tidak
menemukan adanya perubahan MBV yang signifikan menjadi distilat. Hal tersebut diduga karena reaktor/autoclave yang dipergunakan oleh mereka lebih kecil (60 cm3 dan 1100 cm3 dibandingkan dengan 5 liter), sehingga produk distilat relatif sedikit dan akibatknya sangat sulit diukur atau dianalisa. Hambatan serupa tidak dijumpai jika menggunakan autoclave yang relatif lebih besar seperti autoclave 5 liter, yang dipergunakan pada studi ini.
Tabel 6.Perbandingan Yield distilat, CLB dan konsumsi hidrogen Sistim Proses Yield Distilat CLB H2 PMBV a 62.51 24.33 1,21 B-MBV b 63,64 24,22 1.94 Distilat = LO + RS
a Yield sebagai % (MBV-bkta) b
Yield sebagai % (b-bkta+MBV-bkta)
Konsumsi hidrogen yang diperlukan di dalam reaksi pencairan MBV juga lebih kecil dibandingkan pencairan B-MBV. Sehinga hasil tersebut mengkonfirmasikan dua hal yaitu:
Proses pencairan menggunakan pelarut MBV
dapat menghemat pemakaian hidrogen, dimana juga akan menghemat biaya produksi gas hidrogen.
Gas hidrogen di dalam proses pencairan B-MBV sebagian besar dikonsumsi untuk
meng-cracking minyak berat vakum
membentuk distilat.
Secara ringkas reaktifitas MBV membentuk
distilat pada proses pencairan B-MBV
disebabkan oleh adanya batubara atau produk dari hasil pemutusan struktur ikatan secara panas dan katalitik (thermal dan catalytic
cracking) yang dihasilkan selama reaksi berlangsung. Peneliti-peneliti lain menyebutnya sebagai adanya interaksi antara batubara dan MBV (Shinn, J.H., Dahlberg, A.J., Kuehler, C.W. and Rosenthal, J.W., 1984). Satu hepotesa yang mungkin dapat menerangkan fenomena tersebut adalah fragmen-fragmen struktur batubara yang reaktif, yang terbentuk selama reaksi (reaksi
depolimerisasi batubara), memutus atau
melemahkan ikatan-ikatan di dalam struktur komplek minyak berat vakum, sehingga akan meningkatkan reaktifitas minyak berat vakum tersebut untuk membentuk distilat. Jadi kondisi
tersebut yang menyebabkan yield distilat B-MBV lebih besar dibandingkan yield distilat PMBV. Satu hal lagi adalah dengan meningkatknya Yield distilat tersebut, juga akan menambah konsumsi hidrogen untuk memfasilitasi reaksi pemutusan ikatan secara panas dan katalitik, seperti diuraikan di atas.
Adapun bukti adanya kenaikkan konsumsi gas hidrogen dapat dilihat pada Yield gas hidrokarbon dan Yield CO+CO2 (seperti terlihat pada tabel 7) yang dihasilkan.
Hasil pada tabel 7 menerangkan bahwa gas CO+CO2 yang dihasilkan pada reaksi PMBV relatif tidak ada karena kandungan oksigen di dalam MBV relatif sangat kecil dan kemungkinan lain adalah atom oksigen terikat bukan sebagai gugus karboksil atau karbonil, tapi sebagai heteroatom atau fenolik sehingga atom oksigen akan cenderung lebih banyak terdapat di dalam fase cair (distilat). Untuk proses B-MBV, gas CO+CO2 yang terbentuk karena adanya batubara di dalam reaksi. Gas CO+CO2 lebih banyak dikontribusi oleh oksigen yang terikat sebagai gugus karboksil dan karbonil, yang banyak dijumpai pada batubara lignit (Redlich, P.J., Jackson, W.R. and Larkins, F.P., 1985).
Tabel 7. Perbandingan Yield gas hidrokarbon (C1~C4)
dan Yield gas CO+CO2
Sistim Proses Yield C1~C4 CO+CO2 H2 PMBV a 10,86 0,00 1,21 B-MBV b 12,58 1,35 1.94
a Yield sebagai % (MBV-bkta) b Yield sebagai % (b-bkta+MBV-bkta)
Gas hidrokarbon (C1~C4) relatif banyak dihasil kan oleh B-MBV karena batubara dan MBV mempunyai kontribusi untuk menghasilkan gas hidrokarbon. Namun yang jelas, MBV banyak menghasilkan gas hidrokarbon dibandingkan dengan batubara. Apakah konsentrasi batubara
Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi perbedaan di atas masih perlu diselidiki. Untuk
menerangkan apakah kondisi tersebut
dipengaruhi oleh konsentrasi batubara (jumlah MBV yang ditambahkan), maka eksperimen dilanjutkan untuk mengetahui sejauh mana pengaruh penambahan jumlah pelarut terhadap interaksi batubara dan MBV, agar yield distilat yang tinggi dan yield CLB yang rendah dapat dicapai dengan konsumsi hidrogen yang relatif rendah dibandingkan dengan standard proses
pencairan batubara. Pengaruh pengujian
tersebut terhadap yield gas hidrokarbon dan gas CO+CO2 juga dikaji di dalam studi ini. Hasil-hasil eksperimen tersebut disajikan pada sub bab di bawah ini.
2.2. Pengaruh Jumlah Pelarut MBV (Rasio MBV Terhadap Batubara) Terhadap Distribusi Produk Minyak Pencairan
Pengujian sebanyak 2 run dilakukan untuk mengetahui pengaruh penambahan pelarut MBV (ditunjukkan dengan rasio MBV/BS) di dalam unjuk kerja pencairan batubara-MBV terhadap
yield distilat, yaitu LO dan RS, dan CLB.
Hasil eksperimen menunjukkan bahwa semakin berkurang konsentrasi batubara di
dalam umpan (semakin meningkat rasio
MBV/BS) menghasilkan semakin sedikit distilat. Distilat untuk rasio 2,5 sampai 3,0 relatif hampir sama (perbedaan kurang dari 2% dianggap relatif sama) dan relatif lebih kecil dibandingkan dengan
Yield distilat yang dihasilkan dari rasio 2,0. Hal ini
menunjukkan bahwa semakin bertambah
konsentrasi batubara akan meningkatkan efek sinergistas dengan MBV, dimana struktur batubara yang terpecah-pecah dapat membantu melemahkan struktur MBV untuk membentuk distilat. Hasil yang sama juga dijumpai pada hasil eksperimen oleh tim dari universitas wyoming (University of Wyoming, 1985).
Tabel 8. Perbandingan Yield Distilat (LO dan RS) Variabel rasio MBV/BS Yield Distilat LO RS CLB 2,0/1,0 63,64 6,74 56,90 24,22 2,5/1,0 58,49 13,87 44,62 29,81 3,0/1,0 59,84 14,12 45,72 30,51 Distilat = LO + RS R = Rasio MBV/BS (berat/berat)
Yield sebagai % (b-bkta+MBV-bkta)
Jika dibandingkan dengan hasil pengujian blangko (pencairan tanpa batubara, kode PMBV), distilat hasil dari R=2,5 dan R=3,0 justru lebih kecil. Kemungkinan terjadinya hal tersebut adalah jumlah batubara yang relatif kecil akan sedikit menghasilkan fragmen radikal bebas yang sedikit, sehingga efek sinergis yang dihasilkan cenderung kurang mendegradasi MBV dimana membentuk CLB yang relatif banyak. Disamping itu, MBV sudah mempunyai karakteristik sebagai pelarut yang reaktif, dimana kandungan logam-logam berat di dalam fraksi abu kemungkinan mempunyai efek katalitik (analisa abu tidak dilakukan, namun umumnya minyak berat vakum mengandung logam seperti Ni, V yang dapat bersifat sebagai katalis). Fenomena hasil PMBV (Rasio tak terhingga, karena berat batubara = 0) yang menghasilkan Yield distilat lebih banyak dibanding R=2,5 dan R=3,0 tidak dijumpai pada hasil penelitian sebelumnya (University of Wyoming, 1985).
Namun demikian, besarnya Yield distilat tidak mewakili terhadap besarnya Yield LO dan
RS. Yield LO dari R=2,0 lebih kecil sebesar 5% dan 4% (b-bkta+MBV-bkta) dibandingkan dengan
Yield LO dari R=2,5 dan R=3,0. Hasil ini
kemungkinan disebabkan oleh semakin banyak jumlah MBV (rasio MBV/BS semakin besar), maka degradasi struktur molekul MBV oleh adanya fragmen radikal bebas batubara akan lebih cenderung banyak membentuk fraksi LO dibanding RS. Sedangankan Yield RS dari R=2,0 lebih besar sekitar 11-12% (b-bkta+MBV-bkta) dibandingkan dengan Yield yang didapat dari R=2,5 dan R=3,0. Kondisi ini disebabkan oleh kebalikan dari penjelasan sebelumnya, dimana struktur batubara yang membentuk fragmen-fragmen radikal bebas cenderung memacu
dekomposisi struktur molekul induk
(macromolecule structure) MBV menjadi RS yang mempunyai berat molekul besar dan sedikit membentuk LO. Fenomena tersebut, secara kemungkinan dapat dijelaskan dengan semakin kecilnya Yield CLB yang terbentuk pada rasio R=2,0 dibandingkan dengan rasio R=2,5 dan R=3,0.
Akan tetapi, pada reaksi tanpa batubara justru menghasilkan RS dan LO yang relatif sama dengan reaksi pencairan dengan rasio 2,0. Aktifitas sebenarnya untuk fenomena sampai saat ini masih belum ada penjelasan yang konkret dan jelas.
Jadi semakin besar konsentrasi batubara di dalam umpan (semakin kecil rasio MBV terhadap batubara), pada hasil studi ini mengindikasikan adanya sinergistas yang signifikan untuk mendapatkan Yield distilat yang maksimum.
Secara ringkas, hasil pengujian ini sangat bermanfaat untuk merekomendasikan tentang
penggunaan teknologi pencairan batubara
dengan memakai pelarut minyak berat vakum, dimana ada beberap hal yang dapat diusulkan sebagai berikut:
Jika proses diinginkan untuk
memaksimumkan Yield distilat, maka kondisi rasio MBV/BS sekitar 2,0 harus ditetapkan. Adapun, di dalam studi ini rasio di bawah 2,0 tidak dilakukan pengujian, mengingat Yield distilat dengan rasio (reaksi tanpa batubara) menghasilkan distribusi LO dan RS yang relatif sama (7,2% dan 55,4% b-bkta+MBV-bkta). Jadi, diasumsikan bahwa rasio di bawah 2,0 akan memberikan hasil yang relatif sama.
Namun, jika Yield distilat bukan merupakan prioritas, maka rasio di atas 2,0 layak untuk dicoba lebih lanjut untuk meningkatkan kualitas dan nilai jual minyak berat vakum (MBV) dimana Yield LO (light oil) yang dihasilkan terus meningkat seiring dengan
meningkatnya rasio MBV/BS (konsentrasi BS semakin menurun).
2.3. Pengaruh Jumlah Pelarut MBV (Rasio MBV Terhadap Batubara) Terhadap Distribusi Produk Gas Dan H20 Pencairan
Hasil distribusi produk gas dan H2O dari berbagai variasi rasio dapat dilihat pada tabel 9 di bawah ini.
Untuk Yield gas hidrokarbon dari hasil ketiga pengujian di atas tidak jauh berbeda
(perbedaannya tidak besar/signifikan)
dibandingkan dengan Yield yang diperoleh dari
pengujian blangko (PMBV). Hal ini
mengindikasikan bahwa penambahan jumlah pelarut MBV pada pencairan batubara BS dan MBV tidak berpengaruh terhadap Yield gas
hidrokarbon. Namun demikian, Yield gas
hidrokarbon dari reaksi pencairan batubara-MBV lebih besar dibandingkan dengan Yield gas hidrokarbon yang dihasilkan dari reaksi pencairan batubara standard. Hasil ini juga dapat menunjukkan bahwa MBV banyak mengandung gugus alkana/alifatik rantai pendek. Disamping itu, kontribusi gas hidrokarbon dari batubara juga terlihat dari hasil tersebut.
Tabel 9. Perbandingan Yield H2O, Gas Hidrokarbon
(C1~C4) Dan Yield Gas CO+CO2
Variabel rasio MBV/BS Yield C1~C4 CO+CO2 H2O 2,0/1,0 12,58 1,35 0,15 2,5/1,0 11,63 1,32 0,27 3,0/1,0 9,53 1,00 0,79
Yield gas CO+CO2 yang dihasilkan pada pengujian batubara dengan MBV menunjukkan lebih besar dibandingkan pengujian blanko. Efek interaksi batubara dan MBV telah cenderung memacu disintegrasi ikatan gugus karboksil dan karbonil di dalam batubara, sehingga terbentuk gas CO2 dan CO. Seperti penjelasan pada sub bab 3.1 bahwa MBV sedikit mengandung atom oksigen dan kemungkinan oksigen tidak terikat sebagai gugus karboksil dan karbonil, maka akan menghasilkan CO+CO2 yang sangat rendah sehingga tidak terdeteksi oleh alat analisa. Karena jumlah batubara yang dimasukkan relatif sama untuk masing-masing rasio, maka gas CO dan CO2 yang dihasilkan pun relatif sama (di bawah batas perbedaan yang signifikan).
Yield H2O untuk ketiga variabel tersebut menunjukkan hasil yang berbeda-beda, dimana untuk variabel rasio 3,0/1,0 memberikan Yield terbesar (perbedaannya sekitar 0,5%-0,6%
terhadap terbentuknya H2O masih sulit dijelaskan, karena Yield H2O untuk tes pencairan tanpa batubara PMBV (rasio 1,0/0,0) adalah sebesar 3,5% b-bkta+MBV-bkta.
Dalam hal ini, semakin kecil konsentrasi batubara atau semakin besar konsentrasi pelarut akan menghasilkan banyak H2O. Kemungkinan penjelasan yang dapat dilakukan adalah sebagai berikut:
Reaksi PMBV tidak terjadi water-gas shift
reaction (WGS), yaitu reaksi CO2 + H2O membentuk CO + H2, dimana CO2 dan CO yang dihasilkan selama reaksi relatif kecil dan suplai H2 yang relatif besar maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke kiri yang akan memperbanyak terbentuknya H2O.
Kondisi nomor 1 akan berbeda, jika CO2 dan CO yang dihasilkan selama reaksi pencairan batubara-MBV bertambah besar sehingga
kesetimbangan untuk membentuk H2O
menjadi semakin lambat, dimana H2 yang ada lebih selektif untuk keperluan memfraktur struktur ikatan batubara dan MBV, dan akibatnya H2O yang dihasilkan semakin sedikit. Jadi, semakin banyak konsentrasi batubaranya maka H2O yang terbentuk akan cenderung semakin berkurang dan demikian pula sebaliknya.
Penjelasan nomor 2 di atas juga
membuktikan bahwa Yield CLB yang terbentuk cenderung berkurang pada rasio MBV/BS yang semakin kecil atau konsentrasi batubara semakin betambah.
Pertanyaan akan timbul, apakah
mekanisme terbentuknya H2O mempunyai
kesamaan korelasi atau pengaruh dengan konsumsi hidrogen akan dijelaskan pada sub bab di bawah ini.
2.4. Pengaruh Jumlah Pelarut MBV (Rasio MBV Terhadap Batubara) Terhadap Konsumsi Gas Hidrogen
Konsumsi gas hidrogen termasuk parameter yang krusial di dalam mengkaji suatu proses pencairan batubara, baik proses standard pencairan maupun proses pencairan alternatif, sebagai suatu proses yang ekonomis atau tidak. Hal ini akan berdampak terhadap ekonomi proses, mengingat biaya memproduksi gas hidrogen (jika memakai gasifikasi batubara) merupakan 20% dari total biaya konstruksi.
Tabel 10. Perbandingan Konsumsi Hidrogen Dengan Variabel Rasio MBV/BS
Rasio MBV/BS
1,0/0,0* 2,0/1,0 2,5/1,0 3,0/1,0 H2 1,21 1,94 1,52 1,68
Hasil pada tabel 10 menunjukkan bahwa reaksi pencairan batubara dan minyak berat vakum mengkonsumsi gas hidrogen lebih banyak dibandingkan dengan reaksi pencairan minyak berat vakum saja. Hal ini mengartikan bahwa reaksi batubara-MBV menghasilkan interaksi yang sinergis dan mengkonsumsi gas hidrogen untuk memfraksi struktur-struktur ikatan kedua
komponen tersebut (batubara dan MBV)
membentuk produk-produk distilat, CLB, H2O, gas CO+CO2 dan gas hidrokarbon. Disamping itu, kemungkinan gas hidrogen yang disuplai pada reaksi pencairan MBV sebagian dipakai untuk reaksi WGS (penjelasan no.1 pada sub bab 3.3) dan untuk memecah struktur ikatan molekul. Hasil tersebut juga menunjukkan bahawa pelarut MBV merupakan donor hidrogen yang baik.
Konsumsi gas hidrogen untuk reaksi dengan rasio 2,5/1,0 relatif sama dengan rasio 3,0/1,0. Namun demikian, rasio MBV/BS 2,0/1,0
mengkonsumsi hidrogen lebih banyak
dibandingkan dengan rasio MBV/BS yang lain. Hal ini sangat berhubungan juga dengan penjelasan nomor 2 sub bab 3.3. Alasan lain adalah hidrogen diperlukan juga untuk meng-cracking struktur ikatan batubara dan minyak
berat vakum, dimana mengahasilkan gas
hidrokarbon relatif banyak, Yield distilat yang relatif besar dan Yield CLB yang relatif kecil, dengan mekanisme reaksi yang berbeda.
3. KESIMPULAN
Hasil studi menunjukkan bahwa pelarut minyak berat vakum (MBV) sangat potensi untuk dipergunakan sebagai pelarut dalam proses pencairan batubara.
Hasil pencairan MBV tanpa batubara mengartikan juga bahwa MBV di dalam kondisi reaksi pencairan (suhu 450oC, tekanan awal 80kg/cm2G dan waktu reaksi 60 menit) cenderung membentuk fraksi distilat sebesar 62,51% b-bkta+MBV-bkta dan relatif kecil Yield CLB sebesar 24,33% b-bkta+MBV-bkta. Yield tersebut ternyata lebih bagus dibandingkan dengan Yield dari reaksi pencairan batubara yang standard, yaitu menggunakan creosote oil. Hasil reaksi antara batubara-MBV, dengan
berbagai variasi rasio MBV/BS, pun
menghasilkan Yield yang relatif lebih bagus dibandingkan dengan reaksi pencairan batubara yang standard. Kondisi ini mengindikasikan bahwa adanya interaksi aktif anatara fragmen-fragmen radikal bebas molekul batubara selama reaksi berlangsung telah melemahkan dan/atau memutuska ikatan-ikatan struktur molekul minyak berat vakum sehingga memicu terbentuknya
fraksi distilat (LO dan RS) dan gas hidrokarbon serta gas CO+CO2. Pada studi in, interaksi batubara dan minyak berat vakum semakin efektif jika rasio MBV dan batubara BS semakin besar (atau konsentrasi batubara semakin meningkat di dalam umpan).
Yield gas CO+CO2 yang dihasilkan dari proses pencairan batubara-MBV juga relatif lebih rendah dibandingkan dengan reaksi pencairan batubara standard. Variasi penambahan pelarut (variasi rasio MBV/BS) di dalam reaksi pencairan tidak berpengaruh terhadap Yield CO+CO2. Hasil studi ini sangat menguntungkan dari segi lingkungan, dimana emisi gas CO dan CO2 yang diemisikan ke udara menjadi semakin kecil dan biaya konstruksi menjadi menurun, mengingat ukuran unit pereduksi CO2 menjadi relatif lebih kecil.
Interaksi antara batubara dan MBV
memberikan Yield gas hidrokarbon yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan Yield yang dihasilkan dari reaksi pencairan batubara standard. Hal ini disebabkan MBV relatif lebih banyak mengandung gugus alifatik/alkana yang terikat dengan molekul induk (macromolecule) MBV. Ditemukan juga bahwa variasi rasio MBV/BS tidak secara signifikan mempengaruhi pembentukan gas hidrokarbon.
Sifat donor hidrogen minyak berat vakum dibuktikan melalui reaksi pencairan tanpa batubara, dimana konsumsi hidrogen rendah dengan Yield distilat yang relatif sama dengan reaksi batubara-MBV pada rasio 2,0/1,0. Secara umum, reaksi pencairan batubara dengan pelarut
minyak berat vakum mengkonsumsi gas
hidrogen relatif lebih rendah dibandingkan dengan reaksi pencairan batubara standard. Jadi hasil studi ini dapat dijadikan sebagai suatu rekomendasi untuk dilakukannya pengembangan riset ke depan, dimana beberapa variabel proses perlu dikaji seperti suhu reaksi, tekanan awal gas hidrogen, reaktan gas (bisa dipergunakan gas CO+H2O, sintetis gas CO/H2), jenis reaktor, jenis katalis (dicari jenis katalis yang mudah didapat di dalam negeri dan murah), jenis dan asal pelarut minyak berat vakum dan rasio pelarut terhadap batubara.
Faktor-faktor lain seperti distribusi katalis
terhadap campuran batubara-minyak berat
vakum, analisa kimia (chemical analysis and
characterisation) produk reaksi dan proses
kimiawi di dalam reaksi pencairan batubara dengan minyak berat vakum juga perlu diselidiki untuk mengetahui mekanisme sinergistas antara batubara dan minyak berat vakum baik tanpa katalis maupun dengan katalis. Jika mekanisme di dalam reaksi tersebut dapat diduga, maka
pengembangan teknologi tersebut menjadi
semakin mudah untuk diterapkan ke skala yang lebih besar seperti skala pilot plant, skala demonstrasi dan komersial.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim,"Applicability Study on Direct Liquefaction of Banko Coal in Indonesia", Application of Improved BCL Process and Coal Gasification Technology, 2nd edition, March 1999.
Audeh, C.A. and Yan, T.Y.,”Coprocessing of Petroleum Residues and Coal”, CANMET
Coal Conversion Contractors’ Review
Meeting, Calgary, Alberta, Canada,
November 14-16, 1984.
Curtis, C.W., Guin, J.A., Tsai, K.J. and Pass, M.,”Coprocessing of Coal and Heavy Petroleum Crudes and Residue: A Solvent Evaluation and a Parametric Study”, CANMET Coal Conversion Contractors’ Review Meeting, Calgary, Alberta, Canada, November 14-16, 1984.
Hasil pembicaraan dengan Mr. Tamura, Kobelco. Redlich, P.J., Jackson, W.R. and Larkins, F.P.,”Hydrogenation of Brown Coal:9. Physical Characterization and Liquefaction Potential of Australian Coals”, 64, 1985, 1383-1390.
Shinn, J.H., Dahlberg, A.J., Kuehler, C.W. and Rosenthal, J.W.,”The Chevron Co-Refining Process”, Proceedings of the Ninth Annual EPRI Contractors’ Conference on Coal Liquefaction, Palo Alto, California, May 1984. Shi, Y., Orr, E.C., Shao, L. and Erying, E.M.,”Pyrite Removal from Illinois #6 Coal by CrCl2 Reduction and Effect of Pyrite on the Coprocessing of Illinois #6 Coal with Waste Automotive Oil”, 59, 1999, 79-94.
University of Wyoming,”Non-Coal-Derived Heavy Solvents in Direct Coal Liquefaction”, Research Project 2383-1, AP-4345, 1985, 1-1 – 4-36.
Yamada, Y., Honda, H. and Kakiyama,
H.,”Liquefaction of Coal with Petroleum System Heavy Oil Solvent”, Japanese Patent 53502, 1976.
