i
PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN
PELUMAS DASAR SINTETIS DARI MINYAK JARAK
PAGAR (Jatropha curcas L.) MELALUI MODIFIKASI
KIMIAWI
Ratri Ariatmi Nugrahani
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
ii
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar Sintetis dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Juni 2008
Ratri Ariatmi Nugrahani
iii
ABSTRACT
RATRI ARIATMI NUGRAHANI. Process Design for the Production of Synthetic
Lubricant Base Fluid from Chemically Modified Jatropha curcas L. Oil. Under
direction of DJUMALI MANGUNWIDJAJA, ANI SURYANI, MACHFUD, and R. SUDRADJAT.
At present, the demand of the mineral oil has increased, but the supply has decreased. This condition has pushed the production of synthetic lubricant from vegetable oil as base fluid. Although the price of vegetable oil – lubricant base fluid are more expensive than mineral oil but vegetable oil are renewable raw materials that possess certain excellent frictional properties e.g. good lubricity, low volatility, high viscosity index, solvency for lubricant additives, and easy miscibility with other fluids, etc. Some uses of vegetable oil in the lubricant application are as synthetic additive, transmission fluid, two-stroke engine oil, hydraulic fluid and grease. The consumption of vegetable oil for lubricant are 8 million kilograms per year. The large markets are engine oil, gear oil, hydraulic fluid and industrial fluid.
Synthetic lubricant base fluid was prepared by chemical modification of Jatropha curcas oil. The result of the research were parameters for process design of modification Jatropha curcas oil as base fluid, so it could be used for selected equipment in the commercial scale, modeling, simulation, and financial analysis. The objective of this research gained design process, reaction kinetic parameters and thermodynamic parameters, product with characteristics that were desired, product with good oxidation stability, the good performance of synthetic lubricant for automotive machine, so proved that the process to be technically feasible and gained the optimum production capacity for minimum total cost and analyze the financial of production base fluid at optimum capacity, so proved that the process to be financially feasible.
The result of physical-chemical properties analysis described that Jatropha curcas oil was compatible for lubricant base fluid, but it must be modified to increase their performances. Lubricant base fluid from Jatropha curcas oil would be applied for automotive.
The selection of process route by heuristic rule was based on some consideration. In this research, the route of process was carried out by in situ epoxydation, hydroxylation of epoxidized curcas oil with alcohol (methyl alcohol) and heterogenous catalyst, acetylation of polyol used acetic acid anhydride and heterogenous catalyst.
The result of canonical analysis used Response Surface Method showed that the optimum oxyrane number (maximum) was 5.1%, at temperature of 70° C, sulfuric acid catalyst concentration 1%(w/w), and mol ratio of reactants of 1:5.9. The rate constant and reaction rate model for epoxydation of curcas oil was found i.e.k =4.32.107e(−23.45/RT)l/mol.second and 4.32.107 ( 23.45/ )( 0 )
E B RT C C e rE = − − .
Activation energy (E) for epoxydation was found i.e 23.44 kcal/mol. Thermodynamic parameters such as entalphy (ΔHR) for epoxydation was 23.44 kcal / mol.
iv
The result of canonic analysis used Response Surface Method showed that the optimum oxyrane number (minimum) was 0.77%, at temperature of 60° C, bentonite (catalyst) concentration of 1.5% (w/w), dan mol ratio of reactants of 1:13. The rate constant and reaction rate model for hydroxylation of epoxidised curcas oil was found i.e
) / 10.69 ( 0.93 ' e RT
k = − l/mol second and E
RT
C e
rE =0.93 (−10.69/ ) , respectively. Activation energy (E) for hydroxylation of epoxy was found i.e 10.69 kcal/gmol. Thermodynamic parameters such as entalphy (ΔHR) for hydroxylation was found i.e 10.01 kcal / mol
The acetylation to polyol curcas oil used acetic acid anhydride was carried out with ratio of reactants of 10 : 1 (v/v), bentonite (catalyst) concentration of 2 % (w/w), and temperature of 90° C. Activation energy (E) for acetylation of polyol was found i.e -1.4122 kcal/mol. The rate constant and reaction rate model for esterification of polyol curcas oil was found i.e k'= 0.54e(1412.20/RT)l/molsecond and rP =0.54e(1412.203/RT)CP, respectively. Thermodynamic parameters such as entalphy (ΔHR) was found i.e 0.6909
kcal/gmol.
The result of physical-chemical characterization to acetylated polyol showed that modified jatropha curcas oil, improved physical and chemical properties as lubricant base fluid, so subtituted mineral base fluid. Performance test to the oxydation stability of based fluid showed that the change of viscosity and acid number acetylated polyol was less than curcas oil, epoxy, and polyol. The result of modified jatropha curcas oil lubricant based fluid and commersial lubricant formula show that the change of metal content at ratio acetylated polyol : commersial lubricant = 1 : 4 and used time 100 hour was at least.
The optimization of production capacity to minimum production cost was carried out by numerical method, and the result of optimimum production was 167.281 ton/year. The result of financial analysis for the production of lubricant based fluid at optimum capacity was NPV of Rp 1 518 271 684.81,-, IRR of 25.09%, PBP of 3.62 year, and Net B/C of 1.36. On the basis of financial calculation, sensitivity analysis was carried out. Prices of product and material were found to be the most significant factors affecting the financial viability.
Process design for the production of synthetic lubricant base fluid through chemically modified Jatropha curcas L. Oil i.e. epoxydation, hydroxylation, and esterification and used the suitable equipment at optimum capacity proved to be technically feasible and had financial feasibility.
Keywords: design process, lubricant base fluid, jatropha curcas oil, epoxy, polyol, and
v
RINGKASAN
RATRI ARIATMI NUGRAHANI. Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar
Sintetis dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha Curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi. Dibimbing oleh DJUMALI MANGUNWIDJAJA, ANI SURYANI, MACHFUD, dan R. SUDRADJAT.
Saat ini kebutuhan minyak bumi meningkat, sedangkan persediaannya makin menipis. Keadaan ini memacu produksi pelumas sintetis dari minyak nabati sebagai bahan dasar alternatif dalam pembuatan pelumas. Meskipun harga pelumas dasar nabati ini lebih mahal daripada minyak mineral, namun minyak ini merupakan bahan terbarukan yang mempunyai sifat friksi yang unggul, sebagai contoh, pelumasan baik, volatilitas rendah, indek viskositas tinggi, kelarutan untuk aditif pelumas tinggi, dan mudah larut dalam fluida lain. Beberapa kegunaan minyak nabati di dalam aplikasi pelumas yaitu sebagai aditif minyak sintetis, fluida transmisi, minyak motor 2 tak, minyak hidraulik, dan gemuk. Konsumsi minyak nabati untuk pelumas adalah sebesar 8 juta kilogram per tahun. Pasar terbesar adalah pelumas mesin, pelumas roda otomotif, mesin hidraulik dan mesin industri.
Pelumas dasar sintetis dibuat dengan memodifikasi minyak jarak pagar secara kimiawi. Hasil dari penelitian ini adalah parameter-parameter untuk perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar, sehingga dapat digunakan untuk memilih peralatan pada skala komersial, pemodelan dan simulasi, serta analisis finansial. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan rancangan proses, parameter kinetika reaksi dan termodinamika pada proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar, produk dengan karakterisasi yang diinginkan dan evaluasi kinerja ketahanan terhadap oksidasi pelumas dasar & formula pelumassintetis pada mesin otomotif, sehingga didapatkan kelayakan rancangan proses secara teknis, selanjutnya dilakukan optimasi kapasitas produksi untuk mendapatkan total biaya minimum, dan analisis kelayakan finansial produksi pelumas dasar pada skala optimum tersebut untuk mendapatkan kelayakan rancangan proses secara finansial.
Hasil analisis sifat fisik dan kimia menyatakan bahwa minyak jarak pagar memenuhi persyaratan sebagai pelumas dasar, tetapi masih perlu modifikasi untuk memperbaiki kemampuannya. Pelumas dasar minyak jarak pagar ini akan diaplikasikan pada kendaraan bermotor.
Pemilihan jalur proses dengan aturan heuristik didasarkan pada beberapa pertimbangan. Pada penelitian ini dilakukan sintesis dengan jalur prosespembuatan epoksi secara in situ, hidroksilasi terhadap epoksi menggunakan alkohol (metanol) dengan katalis padat,asetilasi terhadap poliol, menggunakan asam asetat anhidrat dengan katalis padat.
Hasil analisis dengan menggunakan metoda respon permukaan menunjukkan nilai oksiran optimum (maksimum) adalah 5.1 % yang terjadi pada suhu reaksi 70° C, konsentrasi katalis asam sulfat pekat 1% w/w, dan nisbah mol pereaksi 1 : 5.9. Tetapan dan model laju reaksi epoksidasi adalah: k = 4.32.107e(−23.45/RT) l/mol detik dan
) ( 10 . 32 . 4 0 ) / 45 . 23 ( 7 E B RT C C e
vi
adalah sebesar 23.45 kkal/mol. Parameter termodinamika seperti entalpi reaksi (ΔHR)
adalah sebesar 23.44 kkal / gmol.
Hasil analisis kanonik dengan metoda respon permukaaan menunjukkan nilai bilangan oksiran optimum (minimum) adalah 0.77% yang terjadi pada suhu reaksi 60°C, konsentrasi katalis bentonit 1.5% (w/w), dan nisbah mol pereaksi 1:13. Tetapan dan model laju reaksi hidroksilasi terhadap epoksi adalah k'= 0.93 e(−10.69/RT) l/mol detik;
E RT
C e
rE =0.93 (−10.69/ ) ; Energi aktivasi hidroksilasi adalah 10.69 kkal/gmol. Parameter termodinamika yaitu entalpi reaksi (ΔHR) adalah sebesar 10.01kkal / mol
Proses asetilasi poliol minyak jarak pagar dengan menggunakan asam asetat anhidrat, dilakukan pada nisbah volume poliol : asam asetat anhidrat = 10 : 1, konsentrasi katalis bentonit 2 % (w/w), waktu reaksi total 40 menit dengan suhu 90° C. Hasil perhitungan energi aktivasi (E) adalah sebesar 1.41 kkal / gmol. Persamaan tetapan dan model laju reaksi asetilasi terhadap poliol minyak jarak pagar adalah
) / 41220 . 1 ( 54 . 0 ' e RT
k = l/mol detik, rP =0.54e(1.412.20/RT)CP. Harga entalpi reaksi (ΔHR)
adalah 0.69 kkal/gmol.
Hasil karakterisasi sifat fisik dan kimia terhadap hasil asetilasi poliol, menunjukkan bahwa modifikasi minyak jarak pagar memperbaiki sifat fisik dan kimia sebagai pelumas dasar, sehingga dapat digunakan untuk mensubstitusi pelumas dasar mineral. Hasil pengujian kinerja pelumas dasar terhadap kestabilan oksidasi menunjukkan bahwa perubahan viskositas dan bilangan asam poliolester terendah dibandingkan dengan yang lainnya (minyak jarak pagar, epoksi, dan poliol). Hasil pengujian kinerja formulasi pelumas dasar dengan pelumas komersial, menunjukkan bahwa besarnya perubahan kandungan logam pada komposisi campuran poliol terasetilasi : pelumas komersial = 1 : 4 dengan waktu pemakaian 100 jam rendah.
Optimasi kapasitas produksi untuk mendapatkan biaya produksi minimum dilakukan dengan metoda numeris, dan hasil optimasi menunjukkan kapasitas produksi optimum adalah sebesar 167.281 ton/tahun. Hasil analisis finansial NPV produksi pelumas dasar pada kapasitas optimum adalah Rp Rp 1 518 271 684.81,-, IRR 25.09%, PBP 3.62 tahun, dan Net B/C 1.36. Berdasarkan pada perhitungan finansial, dilakukan analisis sensitivitas sehingga dihasilkan bahwa harga bahan pembantu dan harga jual produk merupakan faktor yang sangat berpengaruh terhadap kelayakan finansial.
Perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar menjadi pelumas dasar sintetis melalui jalur proses epoksidasi, hidroksilasi, dan esterifikasi dengan menggunakan rangkaian alat yang sesuai pada kapasitas optimum, dinyatakan layak secara teknis dan finansial.
Kata kunci : perancangan proses, pelumas dasar, minyak jarak pagar, epoksi, poliol, asetilasi.
vii
© Hak cipta milik IPB, tahun 2008
Hak cipta dilindungi
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumber
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian,
penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah
b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB
2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau
viii
PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN
PELUMAS DASAR SINTETIS DARI MINYAK JARAK
PAGAR (Jatropha curcas L.) MELALUI MODIFIKASI
KIMIAWI
Ratri Ariatmi Nugrahani
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor
Pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
ix
Judul Disertasi : Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar Sintetis dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi
Nama : Ratri Ariatmi Nugrahani
NIM : F361040161
Program Studi : Teknologi Industri Pertanian
Disetujui, Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Djumali Mangunwidjaja, DEA Dr. Ir. Ani Suryani, DEA
Ketua Anggota
Dr. Ir. Machfud, MS. Prof. Riset. Dr. R. Sudradjat MSc
Anggota Anggota
Diketahui,
Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana
Teknologi Industri Pertanian
Dr. Ir. Irawadi Jamaran Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS Tanggal Ujian : 16- Juli-2008 Tanggal Lulus :
x
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga Disertasi yang berjudul Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar Sintetis dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi ini berhasil diselesaikan. Selama menyelesaikan penelitian dan penulisan disertasi ini penulis mendapatkan bantuan dari berbagai pihak, sehingga dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Dr. Djumali Mangunwidjaja, DEA., selaku Ketua Komisi Pembimbing, Prof. Riset. Dr. R. Sudradjat, Dr. Ir. Ani Suryani, DEA. dan Dr. Ir. Machfud, MS. selaku anggota Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran dan kritik. Pak Nandang dan Pak Katmono, laboran dan teknisi laboratorium Kimia Universitas Jayabaya, yang telah membantu penelitian di laboratorium. Rekan-rekan di TIP yang membantu penyelesaian penelitian ini. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada suami, anak-anakku tercinta, ibu, bapak, kakak dan adik atas semua bantuan material maupun spiritual, pengorbanan, doa, dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi perkembangan industri hilir jarak pagar di Indonesia.
Bogor, Juli 2008
xi
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Yogyakarta pada tanggal 30-April-1969, sebagai anak kedua dari tiga bersaudara pasangan Mayjen TNI (Purn). Ir. Suratman, MBA dan dr. Ridarasmi Suratman. Menikah dengan Drs. Prastyo Wasis Prabowo, Akt, MM., penulis dikaruniai dua orang putri yakni Nurin Amalia Pramudani (13) dan Nadira Riska Maulina (11).
Penulis menempuh pendidikan dasar hingga sarjana di Yogyakarta. Setelah lulus dari SMAN I Yogyakarta pada tahun 1987, penulis melanjutkan pendidikan di Teknik Kimia UGM, Yogyakarta. Penulis lulus dari Teknik Kimia tahun 1992, 1993 penulis bekerja di Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Jayabaya, Jakarta. Pada tahun 1998 penulis melanjutkan sekolah S2 pada jurusan Teknik Kimia,
Universitas Indonesia, Jakarta, dengan beasiswa BPPS. Selanjutnya pada tahun 2004 penulis memperoleh kesempatan untuk melanjutkan pendidikan dengan beasiswa BPPS (On going) pada Program Doktor Teknologi Industri Pertanian, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor.
Pada tahun 1994-2006 penulis diberi amanah untuk menjadi Kepala Laboratorium Kimia Fisika dan bulan November 2006 sampai dengan April 2007, penulis diberi kesempatan untuk menjadi Pembantu Dekan II, di Fakultas Teknologi Industri, Universitas Jayabaya, Jakarta.
xii
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ……… xv
DAFTAR GAMBAR ……… xviii
DAFTAR LAMPIRAN ... xxii
PENDAHULUAN…………...……….. 1
Latar Belakang………... 1
Tujuan Penelitian………... 4
Ruang Lingkup………... 4
TINJAUAN PUSTAKA………... 6
Tanaman Jarak Pagar………... 6
Minyak Jarak Pagar…....………... 9
Pelumas ...………... 11
Beberapa penelitian proses pembuatan oleokimia sebagai pelumas dasar... 15
Standar Pelumas... 22
Dampak Minyak Pelumas Nabati terhadap lingkungan ………... 24
Epoksidasi... 25
Perancangan Proses... 29
Sintesis... 32
Analisis dan Pemodelan... 33
Optimasi Proses……….. ... 40
Reaksi Katalitik... 42
Analisis Kelayakan Finansial....………... 52
METODOLOGI PENELITIAN... 53
Kerangka Pemikiran ... 53
Tempat dan Waktu Penelitian..………... ... .... 56
Bahan dan Alat………... 56
Metoda Penelitian………... 56
HASIL DAN PEMBAHASAN ... 84
xiii
Pemilihan Bahan Baku.………... 84
Pemilihan Produk... 95
Pemilihan Proses... 96
Proses Modifikasi Minyak Jarak Pagar... 107
Proses Epoksidasi... 107
Penelitian Pendahuluan untuk menentukan kisaran kondisi operasi Epoksidasi... 107
Perpindahan massa katalis H2SO4 dalam pereaksi H2O2...109
Model kinetika reaksi epoksidasi... 109
Perhitungan Waktu curah ideal pada proses epoksidasi minyak jarak pagar... 113
Proses Hidroksilasi... 114
Pemilihan jenis dan jumlah katalis padat... 114
Penelitian Pendahuluan penentuan kisaran kondisi operasi hidroksilasi…... 117
Perpindahan massa metanol dalam katalis bentonit... 119
Model kinetika reaksi hidroksilasi ... 119
Perhitungan waktu curah ideal pada proses hidroksilasi pembukaan cincin oksiran dengan metanol... 124
Proses Asetilasi... 125
Penelitian Pendahuluan ... 125
Model kinetika reaksi asetilasi... 127
Perhitungan waktu curah ideal pada proses asetilasi terhadap poliol... 130
Karakteristik Minyak Jarak Pagar dan Modifikasinya sebagai Pelumas dasar... 131
Pengaruh modifikasi minyak jarak pagar terhadap sifat fisik dan kimia... 131
Hasil pengujian gugus fungsi menggunakan FTIR dan pengujian struktur kimia menggunakan NMR... 134
xiv
Pengujian Kinerja... 138
Kestabilan Oksidasi ... 138
Analisis Penggunaan Pelumas Dasar... 142
Pencampuran Pelumas Dasar dan Aditif... 143
Pengujian kinerja pada mesin otomotif... 143
Diagram blok Proses... 145
Neraca Massa di setiap alat... 148
Neraca Massa Proses Epoksidasi... 148
Neraca Massa Proses Hidroksilasi... 149
Neraca Massa Proses Asetilasi... 150
Neraca energi di setiap alat... 152
Neraca energi Proses Epoksidasi... 152
Neraca energi Proses Hidroksilasi... 153
Neraca energi Proses Asetilasi... 154
Integrasi Proses ... 155
Optimasi Kapasitas Produksi Pelumas Dasar... 159
Analisis Kelayakan finansial hasil perancangan proses pada kapasitas optimum...161
Hasil Analisis sensitifitas……… 165
Kelayakan jalur proses modifikasi minyak jarak pagar menjadi pelumas dasar...165
KESIMPULAN DAN SARAN... 166
Kesimpulan... 166
Saran...……...………... ... 169
DAFTAR PUSTAKA...……… 170
xv
DAFTAR
TABEL
Halaman
1 Tabel 1 Komposisi kimia inti, kulit, dan daging biji jarak pagar... 9
2 Jenis Asam Lemak dan Sifat Fisik - Kimiawi Minyak Jarak Pagar……….….………... 10
3 Pelumas Poliolester Icematic SW 68 NU-CALGON……..………... 21
4 Klasifikasi Viskositas SAE untuk pelumasan roda gigi otomotif... 22
5 Klasifikasi pelumas berdasarkan standar API... 23
6 Hasil uji biodegradabilitas pelumas dasar... 24
7 Perbandingan identifikasi mineral oil (PAO), HVI, Minyak Nabati (Minyak Jarak Castor)... 29
8 Jenis-jenis bahan katalis... 45
9 Keasaman katalis heterogen... 46
10 Rancangan percobaan proses produksi poliol dari epoksi minyak jarak pagar... 62
11 Rancangan percobaan proses produksi poliol dari epoksi minyak jarak pagar, dengan respon bilangan oksiran dan bilangan hidroksil... 68
12 Data rendemen minyak jarak pagar... 84
13 Perbandingan sifat fisik beberapa minyak nabati dan mineral... 85
14 Kandungan asam lemak tidak jenuh yang ada dalam beberapa minyak nabati... 90
15 Sifat Fisik dan Kimia Minyak Jarak Pagar sebagai pelumas dasar... 94
16 Pereaksi yang digunakan dalam proses modifikasi minyak jarak pagar... 98
17 Perpindahan Massa katalis H2SO4 dalam H2O2... 109
18 Data Konversi (%) minyak jarak pagar menjadi epoksi... 110
19 Hasil perhitungan nilai k (tetapan laju reaksi) epoksidasi... 111
20 Pengaruh penambahan katalis terhadap penurunan bilangan oksiran, Waktu reaksi 2 jam, suhu 50°C, nisbah mol pereaksi 1: 1 v/v, oksiran awal = 4.7%... 114
xvi
21 Data penurunan bilangan oksiran pada proses hidroksilasi.Bahan epoksi dari minyak jarak pagar: BA =11, Oksiran =5.043. nisbah mol
epoksi : metanol =1 : 13... 120
22 Data perubahan konsentrasi Oksiran pada suhu proses 50°C... 120
23 Data perubahan konsentrasi Oksiran pada suhu proses 60°C ... 121
24 Data perubahan konsentrasi Oksiran pada suhu proses 65°C... 122
25 Hasil perhitungan nilai k (tetapan laju reaksi) hidroksilasi dengan metanol menggunakan regresi linier... 123
26 Data perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol...127
27 Tetapan laju reaksi asetilasi dengan menggunakan asam asetat anhidrat...128
28 Sifat Fisik dan kimia Minyak Jarak, Epoksi, Poliol, dan Asetilasi Poliol... 131
29 Sifat Fisik Pelumas Mesin (Minyak Baru) dengan standar SAE... 133
30 Indeks viskositas pada suhu 100°C...142
31 Pengujian kinerja berbagai % campuran pelumas dasar dan pelumas komersial pada mesin otomotif (motor 2 tak) selama 100 jam……….. 144
32 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pengeringan (OV-1)... 148
33 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pengepresan (PR-01)... 148
34 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Epoksidasi... 148
35 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Netralisasi...149
36 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi... 149
37 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Hidroksilasi... 149
38 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi Poliol...150
39 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pemisahan Sisa Butanol...150
40 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Asetilasi... 150
41 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pemisahan Katalis...151
42 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Netralisasi...151
xvii
44 Neraca Energi di Pemanas bahan sebelum Proses Epoksidasi (HE-01)... 152
45 Neraca Energi di Pemanas bahan sebelum Proses Epoksidasi (HE-02)...152
46 Neraca Energi pada saat Proses Epoksidasi………... 152
47 Neraca Energi pada saat Netraliser………... 153
48 Neraca Energi di Pemanas sebelum Proses Hidroksilasi (HE-03)... 153
49 Neraca Energi pada saat Proses Hidroksilasi...……… 153
50 Neraca Energi pada saat Pemisahan Alkohol………...154
51 Neraca Energi pada saat Pendinginan Produk Poliol……….…………154
52 Neraca Energi di Pemanas sebelum Proses Asetilasi....……...………154
53 Neraca Energi pada saat Proses Asetilasi…...……… 154
54 Neraca Energi pada saat Netralisasi………155
xviii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Bagian-bagian tanaman Jatropha curcas ………... 7
2 Pemanfaatan tanaman jarak pagar………... ... 8
3 Tanaman jarak pagar... 10
4 Biji jarak pagar... 10
5 Tiga komponen penyusun pelumas mesin………... 12
6 Sintesis monoester dari trigliserida dengan rantai pendek ……... 16
7 Skema umum di-ester... 16
8 Reaksi pembentukan Asam Perasetat………... 17
9 Reaksi Epoksidasi terhadap ikatan rangkap aromatik membentuk oksiran ………... 17
10 Reaksi Transesterifikasi metil ester minyak sawit dengan menggunakan TMP... 18
11 Skema reaksi pembukaan cincin diikuti dengan transesterifikasi epoksi minyak dengan Guerbet alkohol... 20
12 Sintesis dihidroksilasi minyak kedelai dari ESBO dan HClO4... 20
13 Reaksi dihidroksilasi minyak kedelai dengan asetat anhidrat, butirat anhidrat, dan heksanoat anhidrat... 20
14 Klasifikasi pelumas berdasarkan standar API... 23
15 Reaksi pembentukan gugus Oksiran ... 26
16 Reaksi pembentukan perasida... 26
17 Reaksi pembukaan cincin oksiran... ... 27
18 Pembukaan cincin oksiran... ... 28
19 Model proses perancangan ... ... 30
xix
21 Perancangan proses melalui tahapan analisis sistem proses... 32
22 Sintesis Proses Kimia... 33
23 Skema aliran pemodelan matematik... ... 35
24 Prinsip kesetimbangan dalam suatu formulasi umum... 35
25 Sistem reaktor curah...………... 38
26 Jalur reaksi katalitis... 43
27 Struktur silika alumina... 47
28 Langkah-langkah pada reaksi katalitis padat... 48
29 Kerangka Pemikiran perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar ... ... 55
30 Tahapan penelitian ... 57
31 Tahapan penelitian perancangan proses... 58
32 Diagram Alir Kegiatan Penelitian Perancangan proses... 60
33 Viskositas dan indeks viskositas pelumas dasar……….. ... 87
34 Titik nyala dan Titik Tuang pelumas dasar... 88
35 Densitas beberapa pelumas dasar... ... 89
36 Bilangan asam beberapa pelumas dasar... ... 91
37 Hasil uji gugus fungsi menggunakan FTIR minyak jarak pagar... 92
38 Hasil Uji GC Minyak Jarak Pagar... 93
39 Modifikasi Minyak Jarak Pagar dengan jalur Epoksidasi – Pembukaan cincin oksiran (hidroksilasi) – Esterifikasi... 100
40 Modifikasi Minyak Jarak Pagar dengan jalur epoksidasi-pembukaan cincin oksiran (Alkohol Guerbet)-Transesterifikasi / Asetilasi... 102
41 Reaksi esterifikasi terhadap asam oleat... ... 103
42 Reaksi epoksidasi terhadap metil ester... 103
43 Reaksi hidrolisis terhadap epoksi metil ester ... 103
44 Reaksi esterifikasi / asetilasi ... 104 45 Reaksi transesterifikasi metil ester minyak nabati dengan
xx
menggunakan TMP... 104
46 Respon Permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari nisbah mol pereaksi (x1) dan konsentrasi katalis (%)(x2)...107
47 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari nisbah mol pereaksi (x1) dan dan suhu (x3) ...108
48 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari konsentrasi katalis, % (x2) dan suhu (x3)... 108
49 Hubungan –ln (1-XA) vs t ... 111
50 Pengaruh katalis terhadap penurunan bilangan oksiran proses Hidroksilasi... 115
51 Pengaruh bentonit pada penurunan bilangan oksiran proses Hidroksilasi... 116
52 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi suhu (x1) dan konsentrasi katalis (x2) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi... 117
53 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi suhu (x1) dan nisbah mol pereaksi (x3) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi... 118
54 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi konsentrasi katalis (x2) dan nisbah mol pereaksi (x3) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi... 118
55 Perpindahan massa katalis bentonit... 119
56 Perubahan konsentrasi Hidroksil dan Oksiran pada hidroksilasi 50°C... 121
57 Perubahan konsentrasi Hidroksil dan Oksiran pada hidroksilasi 60°C... 121
58 Perubahan konsentrasi Hidroksil dan Oksiran pada hidroksilasi 70°C... 122
59 Perubahan Bilangan Hidroksil pada proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi ... 125
60 Penambahan Volume poliol pada asam asetat anhidrat terhadap bilangan asam... 126
61 Penambahan poliol terhadap rendemen asetilasi poliol... 127
xxi
63 Perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol 80°C... 128
64 Hasil pengujian gugus fungsi pada minyak jarak pagar menggunakan FTIR... 134
65 Hasil pengujian struktur kimia pada minyak jarak pagar menggunakan NMR... 134
66 Hasil pengujian gugus fungsi pada epoksi minyak jarak pagar menggunakan FTIR... 135
67 Hasil pengujian struktur kimia epoksi jarak pagar menggunakan NMR ...136
68 Hasil pengujian gugus fungsi pada poliol jarak pagar menggunakan FTIR136 69 Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR... 137
70 Hasil pengujian gugus fungsi pada poliol jarak pagar menggunakan FTIR137 71 Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR ... 138
72 Rangkaian alat pengujian stabilitas oksidasi... 139
73 Hasil pengujian kestabilan oksidasi terhadap viskositas pelumas dasar... 139
74 Hasil pengujian kestabilan oksidasi terhadap bilangan asam pelumas dasar.141 75 Komponen Pelumas : pelumas dasar dan aditif... 143
76 Komponen Pelumas : pelumas dasar (petroleum & sintetis) dan aditif... 143
77 Diagram Blok Unit Proses Epoksidasi... 145
78 Diagram Blok Unit Proses Hidroksilasi... 146
79 Diagram Blok Unit Proses Asetilasi... 147
80 PEFD Modifikasi Minyak Jarak Pagar... 156
81 Hasil simulasi proses menggunakan program Hysis pada jalur proses epoksidasi-hidroksilasi-asetilasi... 157
82 Hasil simulasi proses menggunakan program Hysis pada jalur proses esterifikasi-epoksidasi-hidroksilasi... 158
83 Biaya Variabel Fungsi Kapasitas Produksi... 160
xxii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Prosedur analisa asam lemak, epoksi minyak, poliol,
poliolester dan uji pelumas... 176
2 Kebutuhan Pelumas di tiap propinsi di Indonesia tahun 2003... 183
3 Indeks viskositas minimum beberapa pelumas dengan angka viskositas SAE... 184
4 Tingkat viskositas pelumas motor (SAE J 300 March 1982)... 184
5 Klasifikasi pelumas industri menurut ISO (ASTM 2422)... 185
6 Pemakaian serta Nilai pelumas menurut kode industri, 2003... 186
7 Hasil percobaan proses epoksidasi minyak jarak pagar waktu proses 1 jam, volum minyak jarak pagar 10 ml... 187
8 Penelitian Pendahuluan Epoksidasi... 187
8.1 Nilai Estimasi, Standar Deviasi dan Nilai t Analisis Bilangan Oksiran Epoksi Minyak Jarak Pagar... 187
8.2 Optimasi kondisi operasi epoksidasi ... 188
9 Proses Epoksidasi………...………... 188
9.1 Perhitungan Transfer Massa katalis H2SO4 dalam H2O2... 188
9.2 Hasil analisis statistika persamaan transfer massa katalis H2SO4 dalam H2O2... 189
9.3 Perhitungan laju reaksi Epoksidasi... 189
9.4 Perhitungan Konversi reaksi Epoksidasi... 190
9.4.1 Data bilangan oksiran pada percobaan kinetika reaksi epoksidasi... 191
9.4.2 Konversi reaksi pada 65°C, 70°C, dan 75°C... 191
9.5 Perhitungan data kinetika dan termodinamika reaksi Epoksidasi... 192
9.5.1 Hasil perhitungan ln (CB0/(CB0-CE))... 192
9.5.2 Hasil regresi linier... 192
xxiii
10 Perhitungan Waktu curah ideal epoksidasi... 195
11 Pemilihan Jenis katalis dan konsentrasi katalis pada reaksi hidroksilasi 195 11.1 Penurunan oksiran pada hidroksilasi dengan katalis padat dan cair... 195
11.2. Hasil analisis statistika terhadap persamaan yang menghubungkan antara perubahan bilangan oksiran pada reaksi hidroksilasi epoksi jarak pagar dengan katalis padat (bentonit). 196 12 Hasil percobaan proses hidroksilasi epoksi jarak pagar waktu 2 jam... 197
13 Penelitian Pendahuluan Hidroksilasi... 197
13.1 Nilai Estimasi, Standar Deviasi dan Nilai t Analisis Bilangan Oksiran Epoksi Minyak Jarak Pagar... 197
13.2 Optimasi kondisi Operasi hidroksilasi... 198
14 Proses Hidroksilasi..………... 198
14.1 Perhitungan Perpindahan Massa Metanol dalam Bentonit... 198
14.2 Tabel [H+]1-[H+]2... 198
14.3 Perhitungan persamaan laju reaksi hidroksilasi... 199
14.4 Hidroksilasi dengan Metanol... 200
14.4.1 Perhitungan konversi reaksi hidroksilasi... 200
14.4.2 Perhitungan data kinetika dan termodinamika reaksi hidroksilasi... 201
14.4.3 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t pada 50°C ... 202
14.4.4 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t pada 60°C…... 202
14.4.5 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t pada 70°C ... 203
14.4.6 Nilai tetapan laju reaksi 50°C, 60°C, dan 70°C... 203
14.4.7. Pengujian model t curah hidroksilasi... 204
15 Penelitian Pendahuluan Asetilasi Poliol... 205
15.1 Perubahan Bilangan Hidroksil pada proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi ... 205
xxiv
15.2 Perbandingan Volume Poliol dan Asam asetat anhidrat
pada asetilasi poliol... 205
15.3Rendemen dihitung setelah netralisasi... 205
16 Proses Asetilasi………... 206
16.1 Perhitungan perubahan konsentrasi dan konversi poliol pada asetilasi poliol... 206
16.2 Perhitungan persamaan laju reaksi asetilasi... 206
16.3 Perhitungan data kinetika dan termodinamika reaksi asetilasi... 207
16.4 Hasil regresi linier kurva ln (CP0/CP) vs t pada 80°C ... 208
16.5 Hasil regresi linier kurva ln (CP0/CP) vs t pada 90°C ... 208
16.6 Nilai tetapan laju reaksi 90°C, dan 80°C... 209
16.7 Pengujian model t curah asetilasi... 210
17 Perhitungan pemurnian produk……… 210
18 Gambar Foto Rangkaian Alat Pengujian Stabilitas... 211
19 Hasil Pengujian Kestabilan Oksidasi... 211
19.1 Pengaruh Waktu Oksidasi terhadap Viskositas Pelumas Dasar (cP) pada 100°C... 211
19.2 Pengaruh Waktu Oksidasi terhadap Bilangan Asam Pelumas Dasar pada 100 °C... 211
19.3 Analisis Keragaman pengaruh kestabilan oksidasi pada viskositas... 212
19.4 Analisis Keragaman pengaruh kestabilan oksidasi pada bilangan asam……… 214
19.5 Hasil Regresi data perubahan bilangan asam MJP pada Uji kestabilan oksidasi………... 216
19.6 Hasil Regresi data perubahan bilangan asam APJP pada Uji kestabilan oksidasi………....……….. 217
20 Neraca Massa....……… 217
21 Neraca Energi……… 220
22 Optimasi Kapasitas Produksi... 223
xxv
23.1 Proyeksi Laba Rugi……… 224
23.2 Arus Kas Penerimaan dan Pengeluaran (Cash Flow)……… 225
23.3 Analisis Kelayakan Finansial……… 226
