1 BAB I
PENGANTAR
1.1. Latar Belakang
Metanol merupakan senyawa yang sangat esensial sekarang ini. Metanol merupakan senyawa intermediate yang menjadi bahan baku untuk berbagai industri antara lain industri asam asetat, formaldehid, MTBE, polyvinyl, polyester, rubber, resin sintetis, farmasi, DME, dan lain sebagainya. Untuk Indonesia sendiri, 80% pembeli metanol adalah industri formaldehid.
Metil alkohol atau yang lebih dikenal dengan sebutan metanol merupakan produk industri hulu petrokimia yang mempunyai rumus molekul CH3OH. Metanol mempunyai berat molekul 32,043 g/mol dan berwujud cair pada suhu lingkungan dan tekanan atmosferis. Titik didih metanol sebesar 64,7°C dan titik leburnya sebesar -98,68°C. Metanol mempunyai sifat mudah menguap, tidak berwarna, mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas.
Bahan baku yang digunakan untuk memproduksi metanol adalah gas sintesis yang dapat dihasilkan dari reforming gas alam maupun dari gasifikasi batubara. Pemerintah Indonesia sendiri melakukan langkah penghematan dalam pemanfaatan gas alam karena diperkirakan cadangan gas alam Indonesia akan habis dalam waktu 59 tahun (www.datacon.co.id, 2010).
Penggunaan metanol terbanyak adalah sebagai bahan dasar pembuat bahan kimia lainnya. Sebagian besar metanol yang ada diubah menjadi formaldehid, dan dari sana akan dihasilkan berbagai macam produk seperti plastik, plywood, cat, peledak, dan tekstil. Metanol juga bisa dimanfaatkan untuk pembuatan Methyl
Tertiary Buthyl Ether (MTBE) yang berguna untuk meningkatkan bilangan oktan
pada BBM. Senyawa kimia lainnya yang merupakan turunan dari metanol adalah dimetil eter (DME) dan asam asetat. Dimetil eter bisa digunakan sebagai bahan bakar pengganti diesel. Asam asetat bisa dimanfaatkan untuk industri Vinyl Acetate Monomer (VAM) atau sebagai cuka.
2
(Sumber : Tecnon OrbiChem)
Gambar 1.1. Permintaan Metanol Berdasarkan Sektor Industrinya
Dari gambar diatas dapat dilihat permintaan metanol pada tahun 2014 di seluruh dunia mencapai 65 juta ton. Industri formaldehid menjadi industri yang paling banyak membutuhkan metanol yaitu sekitar 30% dari total permintaan metanol. Selain formaldehid, industri lainnya yang membutuhkan metanol antara lain industri MTBE (13%), fuel blending (13%), asam asetat (10%), DME (7%), MTO (7%), biodiesel (3%) dan 16% sisanya adalah industri lainnya. Asia menjadi pasar terbesar metanol dengan permintaan sebesar 72%, disusul dengan Eropa (10%), Amerika Utara (10%), Timur Tengah (4%), Amerika Selatan (2%) dan 2% sisanya adalah regional lainnya.
(Sumber : http://www.methanolmsa.com/methanol/)
3
Dengan harga metanol $0,55 per liter, dan harga bahan baku syngas $0,2 per kg (www.methanex.com) menjadikan pendirian pabrik metanol merupakan hal yang sangat menjanjikan mengingat kebutuhan metanol yang sangat besar. Atas pertimbangan tersebut, pembuatan pabrik metanol dengan bahan baku sintesis gas yang berasal dari gasifikasi batubara merupakan langkah yang strategis dan menarik untuk dilakukan.
1.2. Tinjauan Pustaka
Pada umumnya metanol dapat diproduksi dengan hidrogenasi karbonmonoksida ataupun karbondioksida dengan bantuan katalis. Gas CO dan H2 dapat dihasilkan dari proses reforming gas alam maupun dari gasifikasi batubara, sementara gas CO2 dapat dihasilkan dari reaksi water-gas shift. Proses produksi metanol dari syngas dilakukan dalam tiga tahap, yaitu persiapan syngas sebagai umpan, reaksi sintesis metanol, dan pemurnian metanol sebagai produk. Reaksi sintesis metanol merupakan reaksi katalitik. Secara umum, reaksi sintesis metanol pada fase gas dengan katalis berbasis Cu adalah sebagai berikut :
CO + 2H2 ↔ CH3OH ∆H300 K= −90,77 kJ/mol (1.1)
CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O ∆H300 K= −49.16 kJ/mol (1.2) Kedua reaksi diatas merupakan reaksi eksotermis dan terjadi penurunan jumlah mol atau volum sehingga agar tercapai konversi kesetimbangan yang tinggi, secara termodinamika, diinginkan proses yang memiliki tekanan tinggi dan suhu yang rendah. Selain kedua reaksi diatas, terdapat reaksi lain yang dapat terjadi, yaitu reaksi water-gas shift berikut.
CO + H2O ↔ CO2+ H2 ∆𝐻300 𝐾 = +41,21 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 (1.3) Pada sintesis metanol, jenis katalis yang digunakan mempengaruhi kondisi operasi sintesis methanol, karena masing-masing katalis memiliki aktivitas katalitik pada kondisi tertentu.
Berdasarkan penelitian terbaru, metanol dapat diproduksi dari hidrogenasi karbon monoksida (CO), hidrogenasi karbondioksida (CO2), dan oksidasi parsial
4
metana (CH4). Hingga saat ini, produksi metanol secara komersial didominasi dari proses hidrogenasi CO. Sedangkan proses yang lain dalam tahap pengembangan.
Produksi metanol dari hidrogenasi CO secara komersial pertama kali dilakukan oleh Badische Anilin and Soda Fabrik (B.A.S.F.) di Jerman pada tahun 1923. Pada prosesnya digunakan tekanan tinggi dengan katalis berbasis Zn yang mengandung ZnO/Cr2O3 (Lee, 1990). Kondisi operasi pada teknologi proses BASF ini memiliki tekanan 250 – 350 bar dan suhu 320 – 450 oC (Galluci, 2007). Perkembangan selanjutnya, dikembangkan teknologi sintesis metanol pada tekanan rendah yang menggantikan proses sebelumnya. Pada tahun 1966, Imperial
Chemical Industries, Ltd. (I.C.I.) mengembangkan proses sintesis metanol tekanan
rendah dengan menggunakan katalis berbasis Cu yang mengandung Cu/ZnO/ Al2O3 (www.baiker.ethz.ch). Pada saat ini, proses sintesis metanol dari hidrogenasi CO dikembangkan lebih lanjut oleh beberapa perusahaan.
Berikut beberapa teknologi proses yang dibuat oleh beberapa perusahaan :
a. Proses Sintesis Metanol Tekanan Rendah – ICI
Proses ini mulai dikembangkan pada tahun 1960 – an oleh perusahaan pengembangan proses Imperial Industries, Ltd. Proses sintesis ini menggunakan tekanan rendah dengan katalis berbasis Cu. Penggunaan katalis Cu sudah dikembangkan pada tahun 1920 – an, tetapi penggunaan katalis tersebut belum digunakan dalam proses sintesis metanol pada saat itu. Hal tersebut dikarenakan katalis berbasis Cu dapat teracuni jika terdapat senyawa sulfur pada umpan reactor sehingga proses sintesis metanol tekanan rendah dengan katalis berbasis Cu dapat dikembangkan saat tersedia teknologi pemisahan sulfur dari syngas.
Proses ini menggunakan umpan syngas yang mengandung karbon monoksida, karbon dioksida, hidrogen, dan metana. Untuk mengatur rasio CO/H2 digunakan shift-converter. Umpan kemudian dinaikkan tekanannya hingga 50 atm pada kompresor jenis sentrifugal, kemudian diumpankan ke dalam reaktor jenis
quench pada suhu operasi 270oC. Quench converter berupa single bed yang mengandung katalis pendukung yang bersifat inert. Hasil reaksi berupa crude
5 methanol yang mengandung air, dimetil eter, ester, besi karbonil, dan alkohol lain.
Hasil reaksi tersebut kemudian didinginkan dan crude methanol dipurifikasi dengan cara distilasi. Dalam pengembangannya, karena dianggap kurang menguntungkan, ICI mengganti jenis reaktor yang digunakan dari quench reactor menjadi tube berpendingin yang pada prinsipnya sama dengan yang digunakan oleh Lurgi (Lee, 1990).
(Sumber : Ullman, 2005)
Gambar 1.3. Diagram Proses Sintesis Metanol Tekanan Rendah – ICI
b. Proses Sintesis Metanol Tekanan Rendah – Lurgi
Pada proses sintesis metanol dengan teknologi Lurgi, digunakan reaktor yang beroperasi pada kisaran suhu 220–260 oC dan kisaran tekanan 40 – 100 bar. Desain reaktor berbeda dari pendahulunya, teknologi ICI. Pada teknologi Lurgi digunakan reaktor quasi isothermal shell and tube, reaksi metanol terjadi di tube
side yang berisi katalis dan pada shell side dialirkan air pendingin. Selain itu, pada
teknologi ini, peranan reaktor juga sebagai pembangkit steam bertekanan 40-50 bar (Lee,1990).
6
(Sumber : Ullman, 2005)
Gambar 1.4. Diagram Proses Sintesis Metanol Tekanan Rendah – Lurgi
c. Proses Sintesis Metanol Tekanan Rendah dan Sedang – Mitsubishi Gas Chemical (MGC)
Pada proses sintesis metanol dengan teknologi MGC, sintesis metanol masih menggunakan katalis berbasis tembaga (Cu) dengan kondisi operasi reaktor pada kisaran suhu 200–280 oC dan kisaran tekanan 50 – 150 atm. Pada awalnya perusahaan Jepang ini menggunakan tekanan 150 atm, namun kemudian dikembangkan untuk tekanan kurang dari 100 atm. Proses MGC menggunakan reaktor dengan double-walled tubes dimana pada bagian anulus diisi dengan katalis.
Syngas mengalir melalui pipa bagian dalam sedangkan pipa bagian luar dialiri oleh
air pendingin (Ullmann,2005). Proses MGC menggunakan hidrokarbon sebagai umpan. Umpan dihilangkan kandungan sulfurnya sebelum masuk ke steam
reformer yang beroperasi pada 500 oC. Arus keluar dari steam reformer bersuhu 800 – 850 oC dan mengandung karbon monoksida, karbon dioksida, dan hidrogen. Selanjutnya syngas yang dihasilkan dinaikkan tekanannya dengan kompresor sentrifugal dan dicampur dengan arus recycle sebelum diumpankan ke dalam reaktor (Lee,1990).
7
(Sumber : Lee, 1990)
Gambar 1.5. Diagram Proses Sintesis Metanol Tekanan Rendah/Sedang – MGC
d. Proses Sintesis Metanol Tekanan Sedang – Kellog
M.W. Kellog Co. memperkenalkan reaksi sintesis yang sangat berbeda, tetapi pada dasarnya merupakan reaktor tipe adiabatik. Reaktor berbentuk bulat dan didalamnya berisi tumpukan katalis. Gas sintesis mengalir melalui beberapa bed reaktor yang tersusun aksial berseri. Kebalikan dari proses ICI, panas reaksi yang dihasilkan dikontrol dengan intermediate coolers. Proses ini menggunakan katalis tembaga dan beroperasi pada rentang suhu 200-280 oC serta tekanan 100-150 atm (Ullmann,2005).
8
(Sumber : Lee,1990)
Gambar 1.6. Diagram Proses Sintesis Metanol Tekanan Sedang - Kellog
e. Proses Sintesis Metanol Tekanan Sedang –Nissui Topsoe
Skema reaktor dari proses Nissui Topsoe dari Denmark didesain oleh Nihin Suiso Kogyo of Japan. Reaktor yang digunakan bertipe adiabatis dengan aliran radial berjumlah tiga yang masing-masing memiliki satu tumpukan katalis dan penukar panas internal. Sintesis gas mengalir secara radial melalui katalis bed. Tekanan operasi dari proses ini diatas 150 bar dan suhu operasi 200-310 oC. Produk pertama perlu didinginkan sebelum reaktor kedua,. Hasil pendinginan berupa uap (steam) bertekanan rendah. Katalis yang digunakan berupa Cu-Zn-Cr yang aktif pada 230-280 oC dan 100-200 atm (Lee,1990).
9
(Sumber : Lee,1990)
Gambar 1.7. Diagram Proses Sintesis Metanol Tekanan Sedang–Nissui Topsoe
Tabel 1.1. Perbandingan Proses Sintesis Metanol Berbagai Licensor
No Spesifikasi ICI Lurgi MGC Kellog Nissui
Topsoe 1 Kondisi operasi : -Tekanan (bar) -Suhu (oC) 50-100 220-280 40-100 220-260 50-150 200-280 100-150 200-280 100-200 200-310 2 Reaktor : -Karakteristik -Jumlah reaktor -Pendinginan Quench 1 Cold quench
Shell & tube
1 Air pendingin (on shell) Annular 1 Air pendingin (outertube) Adiabatis (aksial) 3-4 Intermediete coolers Adiabatis (radial) 3-4 Intermediete coolers 3 Kelebihan Sudah terbukti dan paling banyak digunakan Efisiensi termal dan selektivitas yang tinggi, suhu lebih stabil Profil suhu ideal, katalis yang dibutuhkan sedikit Kecepatan dan kapasitas produksi tinggi Kecepatan dan kapasitas produksi tinggi 4 Kekurangan Efisiensi termal rendah, kerusakan katalis Kapasitas produksi tidak terlalu besar Rumit, biaya reaktor mahal Tingginya kondisi operasi, menurunkan selektivitas Tingginya kondisi operasi, menurunkan selektivitas
10
Dari berbagai proses di atas, dipilih proses sintesis metanol menggunakan reaktor Lurgi (reaktor fixed bed multitube) dengan pertimbangan sebagai berikut :
1. Perpindahan Panas Baik
Dengan reaktor multitube, adanya tube akan memperluas bidang kontak antara reaktan dan media pendinginnya. Semakin luas bidang perpindahan panas, semakin cepat kecepatan perpindahan panasnya. Reaksi sintesis metanol merupakan reaksi eksotermis. Sehingga. perpindahan panas yang cepat diperlukan untuk mengontrol suhu reaksi sintesis metanol dengan baik.
2. Selektivitas Produk Tinggi
Pada proses ini digunakan katalis berbasis tembaga dengan pendukung berupa senyawa aluminium dan seng (Cu/Al2O3/ZnO). Penggunaan katalis berbasis tembaga telah terbukti memiliki selektivitas tinggi terhadap produk metanol, sehingga mayoritas pabrik metanol saat ini menggunakan katalis tersebut.
3. Fabrikasi Reaktor Relatif Sederhana
Reaktor yang digunakan ini mirip dengan heat exchanger (HE) jenis
multitube, yang merupakan alat yang umum digunakan di pabrik kimia.
Dengan perkembangan teknologi pembuatan HE yang semakin maju, pembuatan reaktor dengan jenis ini relatif mudah dilakukan.
4. Kondisi Operasi Termasuk Kategori Medium
Penggunaan jenis reaktor dan katalis pada proses Lurgi ini, kondisi operasi yang diperlukan tidak terlalu ekstrim (P < 100 atm, T < 300 oC). Sebagai pembanding, proses sintesis metanol skala industri yang pertama kali didirikan (Proses BASF), memiliki tekanan operasi 300 atm dan dengan suhu yang ekstrim. Dengan kondisi operasi proses Lurgi, tebal alat yang dipakai cukup wajar, sehingga harga material reaktor relatif murah. Selain itu, kondisi operasi yang semakin rendah, berdampak pada hazard bawaan dari proses yang akan semakin rendah.
