Esis Witanto dkk 499 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
HIDRORENGKAH FRAKSI ASPALTEN DARI ASPAL BUTON
MENJADI FRAKSI BENSIN DAN DIESEL MENGGUNAKAN
KATALIS NI-MO/ZEOLIT ALAM AKTIF
Esis Witanto, Wega Trisunaryanti, Triyono
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir, BATAN-Yogyakarta. Jurusan Kimia Fakultas MIPA Universitas Gajah Mada, Yogyakarta
ABSTRAK
Hidrorengkah Fraksi Aspalten Dari Aspal Buton Menjadi Fraksi Bensin Dan Diesel Menggunakan Katalis Ni-Mo/Zeolit Alam
Aktif
. Telah dilakukan uji aktivitas dari katalis Ni-Mo/Zeolit Alam Aktif pada proses hidrorengkah fraksi aspalten dari Aspal Buton menjadi fraksi bensin dan diesel. Aspal Buton diperoleh dari daerah Lawele dan Kabungka, Buton, Sulawesi Tenggara. Proses hidrorengkah dilakukan dalam reator stainless steel (panjang : 30 cm, diameter dalam 5 cm, diameter luar 7 cm) dengan sistem semi alir pada temperatur 400 oC dengan laju alir gas H2 10 mL/min dengan variasi rasio umpan/katalis 3 , 4 , dan 5. Produk yang dihasilkan dari hidrorengkah dipisahkan menjadi fraksi cairan, kokas dan gas. Produk cairan yang dihasilkan dianalisis dengan GC. Konversi total dihitung sebagai (100 – residu) % b/b. Hasil penelitian menunjukkan bahwa produk cair yang dihasilkan terdiri dari fraksi bensin (C5-C12 ) dan fraksi diesel (C > 12). Konversi total tertinggi aspalten Lawele 75,67% b/b dengan selektivitas fraksi bensin 60,06 % dan fraksi diesel 39,31 % pada rasio umpan/katalis 4. Konversi total tertinggi aspalten Kabungka 97,73 % b/b dengan selektivitas fraksi bensin 72,40 % dan fraksi diesel 27,09 % pada rasio umpan/katalis 3. Kata kunci : Aspal Buton, aspalten, hidrorengkah, Ni-Mo/zeolit alam aktif, bensin, diesel.ABSTRACT
Hydrocracking of asphaltene fraction from Butonion asphalt to Gasoline and Diesel Fractions Using Ni-Mo/Activated Natural Zeolite Catalyst
.
Activity test of Ni-Mo/activated natural zeolite catalyst for hydrocracking of asphaltene fraction from Butonion asphalt to gasoline and diesel fractions had been conducted. The Butonian asphalt was produced in Lawele and Kabungka area, Buton, Southeast Sulawesi. The hydrocracking was performed in stainless steel reactor (length : 30 cm, i.d : 5 cm, o.d : 7 cm) of semi flow system at temperature of 400 oC with flow rate of H2 gas 10 mL/min. The catalyst into feed ratio was varied at 3, 4, and 5. The product of hydrocracking the asphalten was separated liquid, coke and gas fraction. The liquid product was analyzed by GC and total conversion was calculated as (100 – residu) % w/w. The research result showed that the liquid product consisted of gasoline (C5-C12) and diesel fractions (C > 12). The highest total conversion for Lawele asphalthene was 75.67 % with 60.06 % selectivity to gasoline and 39.31 to diesel fractions. This result was produced using feed/catalyst ratio of 4. The highest total conversion for Kabungka asphalthene was 97.73 % with 72.40 % selectivity to gasoline and 27.09 % to diesel fractions which was obtained at feed/catalyst ratio of 3.Keywords : Butonian asphalt, asphaltene, hydrocracking, Ni-Mo/activated natural zeolite, gasoline, diesel.
1. PENDAHULUAN
Indonesia merupakan salah satu negara yang memiliki cadangan aspal yang cukup besar. Cadangan aspal terletak di pulau Buton, Sulawesi Tenggara (aspal Buton). Menurut Abraham (1948), hasil tes ekstraksi aspal Buton terdiri : aspalten,
sulfur, nilai asam dan nilai saponifikasi berturut-turut 23-30 %, 6-7 %, 6,2 dan 14. Aspalten merupakan zat heterosiklis yang mengandung oksigen, belerang, nitrogen dan logam lainnya dan mempunyai berat molekul antara 900 – 3000. Struktur molekul aspalten sangat kompleks yang membentuk cincin aromatis dan naftena. Proses
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 500 Esis Witanto dkk pemecahan rantai panjang dari struktur aspalten
menjadi fraksi bensin dan fraksi diesel dapat meningkatkan kegunaan aspalten menjadi lebih optimal.
Proses pengolahan minyak bumi dapat dilakukan dengan 2 cara : thermal cracking dan catalytic cracking. Pada thermal cracking diperlukan suhu yang besar dan produk tidak dapat dikontrol. Penggunaan katalis pada proses perengkahan dapat mengurangi produk samping, sehingga akan lebih fokus pada target pencapaian.
Penelitian penggunaan katalis dalam proses hidrorengkah sudah dilakukan oleh ilmuwan kimia antara lain Nomura dan kawan-kawan (1997). Syarifah, I. (2000) telah melakukan penelitian uji katalis pada perengkahan fraksi minyak bumi. Penelitian tersebut menunjukkan bahwa aktivitas dan selektivitas katalis zeolit pada reaksi perengkahan VGO (Vacum Gas Oil) dipengaruhi oleh rasio Si/Al, kandungan logam, keasaman, luas permukaan, dan ukuran pori. Nurhadi, Tri Sunaryanti, dkk. (2001) memanfaatkan katalis modifikasi zeolit alam pada proses perengkahan minyak bumi. Kemudian Trisunaryanti dan kawan-kawan (2003), bahwa katalis logam pengemban dengan zeolit sintetis ataupun zeolit alam sudah terbukti mempunyai kemampuan dalam meningkatkan produk secara optimal dan efisien.
Telah dilakukan penelitian lain yaitu pembuatan dan karakterisasi modifikasi katalis zeolit alam yang diembankan dengan logam (Witanto, Tri Sunaryanti, dkk., 2010). Modifikasi katalis antara zeolit alam dengan logam pengemban Ni dan Mo menghasilkan katalis Ni-Mo/Zeolit alam aktif (Mo/ZAA). Karakterisasi dari katalis Ni-Mo/ZAA menunjukkan nilai keasaman 1,058 (mmol/g) dan luas permukaan pori 21,3 (m2/gram), berdasarkan hasil karakterisasi maka katalis Ni-Mo/ZAA layak diujikan pada proses perengkahan secara katlitik.
Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa katalis dapat meningkatkan selektivitas produk. Modifikasi logam-pengemban memberikan pengaruh yang berarti bagi selektivitas produk yang dihasilkan. Selektivitas produk dimungkinkan dapat dipengaruhi oleh jumlah umpan oleh karena itu sangat perlu dilakukan modifikasi rasio umpan/katalis. Berdasarkan hal tersebut maka pada penelitian ini dilakukan variasi umpan/katalis pada proses hidrorengkah fraksi aspalten dari aspal Buton Lawele dan Kabungka. Variasi rasio antara umpan dengan katalis merupakan hal yang menarik untuk dipelajari karena semakin banyak umpan yang diberikan maka semakin banyak reaktan yang berkontak dengan katalis. Analog dengan hal itu maka jumlah produk yang dihasilkan semakin besar. Uji aktivitas katalis dilakukan pada proses hidrorengkah fraksi aspalten dari aspal Buton dengan menggunakan katalis Ni-Mo/zeolit alam
aktif dalam fixed bed reactor. Penggunaan aspal Buton sebagai model uji aktivitas katalis didasarkan pada pemikiran untuk memaksimalkan pemanfaatan kekayaan alam dan menambah wawasan tentang teknologi pengolahan fraksi aspal Buton menjadi fraksi hidrokarbon yang lebih ringan yang dapat digunakan sebagai sumber energi/bahan bakar.
2. METODOLOGI PENELITIAN Preparasi umpan fraksi aspalten (PI-BS) :
Bongkahan aspal Buton yang diperoleh dari Lawele atau Kabungka digerus hingga menjadi pecahan-pecahan kecil, kemudian pecahan–pecahan kecil disimpan dalam frezeer selanjutnya dihaluskan menjadi bentuk serbuk (Gambar 1.) yaitu serbuk Lawele dan Kabungka. Aspal tersebut kemudian diambil fraksi aspaltennya melalui proses ekstraksi menggunakan pelarut toluen (Gambar 2.). Fraksi terlarut toluena kemudian dievaporasi menghasilkan fraksi aspalten terlarut toluena (Gambar 3.).
Gambar 1. Aspal Buton bentuk serbuk (Lawele dan Kabungka)
Gambar 2. Pemisahan aspalten dari aspal Buton menjadi fraksi aspalten terlarut toluena.
Esis Witanto dkk 501 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN Gambar 3. Fraksi aspalten terlarut toluena (PI-BS) :
(a) Lawele (b) Kabungka.
Proses hidrorengkah fraksi aspalten menggunakan Fixed Bed Reactor.
Umpan (PI-BS) ditimbang sesuai dengan variasi rasio umpan/katalis, kemudian siap untuk dimasukkan ke dalam wadah sampel bersusun di mana sampel sebagai umpan diletakkan di bagian bawah dan katalis di bagian atas. Selanjutnya dimasukkan ke reaktor (fixed bed reactor), kemudian reaktor dimasukkan ke dalam tungku yang dihubungkan dengan pipa. Setelah itu reaktor dipanaskan sampai 4000C dengan dialiri gas hidrogen. Proses hidrorengkah dilakukan selama 2 jam.
Gambar 4. Skema alat hidrorengkah fraksi aspalten menjadi fraksi bensin dan diesel
Keterangan Gambar 4. : 1. Tabung gas hidrogen 2. Flow meter
3. Tempat sampel (umpan) 4. Tempat katalis
5. Furnace 6. Termocouple 7. Sumber arus listrik 8. Pendingin
9. Tempat produk cair 10. Penampung gas
Produk yang terbentuk yaitu cairan hasil hidrorengkah (CHH) mengalir melalui selang silikon dengan melewati pendingin dan ditampung dalam corong pisah. Selanjutnya produk dianalisis dengan GC. Konversi total dihitung berdasarkan persamaan :sebagai berikut :
Konversi total (%b/b)=(100–residu)%b/b (1) Jumlah kokas yang terbentuk dihitung berdasarkan selisih berat katalis sesudah dan sebelum proses hidrorengkah.
%(b/b)kokas=(WR2–WR1)/Wumpan (2) Dimana :
WR1 dan WR2 masing-masing adalah WR2 berat katalis sebelum proses hidrocracking dan sesudah proses hidrocracking.
Wumpan = berat umpan
Jumlah residu umpan dihitung berdasarkan selisih berat umpan sebelum dan sesudah proses hidrocracking.
%(b/b)=residu=(WU1–WU2)/Wumpan (3) Dimana :
WU1 dan WU2 masing-masing berat umpan sebelum proses hidrocracking dan
sesudah proses hidrocracking Wumpan = berat umpan
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil uji aktivitas katalis Ni-Mo/ZAAH yang digunakan untuk proses hidrorengkah fraksi aspalten Lawele ditampilkan pada Tabel 1.
Dari Tabel 1 , produk fraksi cair terbesar diperoleh dari rasio umpan/katalis 5 sebesar 55,60 % b/b dengan konversi total 75,67 % b/b. Pada variasi rasio umpan/katalis yang dilakukan pada proses hidrorengkah menunjukkan adanya peningkatan produk cair. Hal tersebut dapat dapat saja terjadi karena semakin banyak reaktan makin banyak reaksi yang terjadi dipermukaan katalis.
Dari Tabel 2, produk fraksi cair terbesar didapat dari rasio umpan/katalis 3 sebesar 43,49 % b/b dengan konversi total 97,73 %b/b. Pengaruh rasio umpan/katalis pada proses hidrorengkah yang ditampilkan pada Tabel 2 bahwa penambahan umpan berbanding terbalik dengan produk cair ataupun konversi totalnya, hal tersebut dapat terjadi karena adanya situs aktif dipermukaan katalis yang terbatas untuk menghasilkan produk cair. Antara jumlah reaktan yang berkontak dengan situs aktif tidak seimbang sehingga tidak semua reaktan berinteraksi dengan katalis. Akibatnya penambahan reaktan tidak signifikan dengan produk cair yang dihasilkan.
(b)
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 502 Esis Witanto dkk Tabel 1. Hasil konversi hidrorengkah fraksi aspalten Lawele.
*Konversi total = (100 – residu ) % b/b.
Tabel 2. Hasil konversi hidrorengkah fraksi aspalten Kabungka.
Hidrorengkah fraksi aspalten selain menggunakan katalis Ni-Mo/ZAAH, dilakukan pula tanpa katalis (termal kracking). Hasil hidrorengkah antara yang menggunakan katalis dan termal akan terlihat bahwa secara keseluruhan produk cair yang menggunakan katalis akan lebih besar dari termal. Proses termal kracking akan lebih banyak menghasilkan gas dari proses yang menggunakan katalis, hal ini dapat terjadi karena gas-gas yang dihasilkan pada proses kracking tidak terjadi reaksi secara berkelanjutan di permukaan katalis. Katalis Ni-Mo/ZAAH mempunyai sifat-sifat sebagai berikut nilai keasaman 1,058 mmol/g dan jejari pori 99,7 Ã…. (Esis, dkk., 2010) sehingga memiliki kemampuan mengkonversi fraksi aspalten menjadi fraksi bensin dan diesel.
Selektifitas Katalis Terhadap Fraksi Bensin dan Fraksi Diesel
Pada hidrorengkah fraksi aspalten, diharapkan mampu menghasilkan fraksi ringan dalam jumlah besar. Penambahan fraksi umpan dengan jumlah katalis tetap, diperkirakan akan menghasilkan jumlah fraksi bensin dan fraksi diesel yang besar. Fraksi bensin merupakan hidrokarbon dengan jumlah atom karbon C5 - C12, sedangkan fraksi diesel (solar) mempunyai jumlah atom karbon C >12. Kandungan fraksi bensin dan fraksi diesel dalam produk cair dihitung dengan mengolah data kromatogram GC untuk mendapatkan persen luas puncak masing-masing setelah dilakukan spiking dengan senyawa standar C12 H26 (dodekana).
Tingkat selektifitas katalis Ni-Mo/ZAAH dipengaruhi oleh zeolit sebagai pengemban dan logam-logam yang terembankan dipermukaan zeolit. Menurut Oudejans (1984), Weisz dan Frillete bahwa bentuk selektivitas dikelompokkan ke dalam tiga
bentuk : Selektivitas reaktan, selektivitas produk dan selektivitas keadaan transisi (intermediet).
Fraksi ringan hasil dari hidrorengkah fraksi aspalten dipengaruhi oleh adanya selektivitas keadaan transisi. Distribusi produksi cair dilihat pada tabel 3. Dari Tabel 3. hasil fraksi bensin terbesar pada rasio umpan-katalis 4 untuk fraksi umpan aspalten Lawele yaitu fraksi bensin 60,06 % area GC dan fraksi diesel 39,31 % area GC.
Jika hasil pada Tabel 3 dihubungkan dengan hasil pada Tabel 1 (Fraksi Aspalten Lawele), penambahan rasio umpan/katalis sebanding dengan penambahan produk cairnya akan tetapi tidak sebanding dengan nilai fraksi bensin yang diperoleh dari hasil pengolahan dengan % area GC.
Hal ini dapat diperkirakan bahwa selektivitas katalis terhadap produk (fraksi bensin) adalah pada rasio umpan/katalis 2, yaitu sebesar 60,06 % area GC . Kemudian dari Tabel 3. di atas, hasil fraksi bensin terbesar pada rasio umpan/katalis 3, untuk fraksi umpan aspalten Kabungka yaitu fraksi bensin 72,40 % area GC dan fraksi diesel 27,09 %.
Penambahan fraksi umpan tidak berpengaruh dengan fraksi bensin dan fraksi diesel yang dihasilkan dari proses hidrorengkah dari fraksi aspalten Lawele dan Kabungka. Selektifitas katalis Ni-Mo/ZAAH terhadap konversi total 75,67 % b/b pada rasio umpan-katalis 4 untuk fraksi aspalten Lawele dan konversi total 97,73 % b/b pada rasio umpan-katalis 3 untuk fraksi aspalten Kabungka
Kandungan fraksi bensin dan fraksi diesel dalam produk cair dihitung dengan mengolah data kromatogram GC untuk mendapatkan persen luas puncak masing-masing setelah dilakukan spiking dengan senyawa standar C12 H26 (dodekana). Rasio Umpan/Katalis
(g/g)
Distribusi produk (% b/b) Residu (% b/b)
*Konversi total (% b/b) Fraksi cair Fraksi kokas Fraksi gas
3 16,54 17,67 37,36 28,43 71,57
4 30,00 1,71 41,58 26,71 73,29
5 55,60 12,07 8 24,33 75,67
Termal aspal Buton 19,31 - 0,01 80,13 19,87
Rasio Umpan/Katalis
(g/g)
Distribusi produk (% b/b) Residu (% b/b)
*Konversi total (% b/b) Fraksi cair Fraksi kokas Fraksi gas
3 43,49 2,21 52,03 2,27 97,73
4 17,23 2,71 60,85 19,21 80,79
5 30,19 31,49 6,27 32,05 67,95
Esis Witanto dkk 503 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN Tabel 3. Distribusi produk fraksi cair (fraksi bensin dan diesel) hasil hidrorengkah dari fraksi
aspalten Lawele dan Kabungka dari aspal Buton. Rasio Umpan/ Katalis
(g/g)
Distribusi produk (% area GC)
Lawele Kabungka
fraksi bensin fraksi diesel fraksi bensin fraksi diesel
3 42,76 57,01 72,40 27,09
4 60,06 39,31 63,42 35,26
5 52,08 47,63 63,21 36,01
Termal aspal Buton 29,11 23,75 54,26 45,45
.
Gambar 5. Kromatogram hasil termal dan hidrorengkah aspalten Lawele menggunakan rasio umpan/katalis : (a) termal (b) 3, (c) 4, (d) 5.
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 504 Esis Witanto dkk Gambar 6. Kromatogram hasil termal dan hirdorengkah aspalten Kabungka menggunakan rasio
umpan/katalis (a) termal (b) 3, (c) 4, (d) 5.
Perhitungan fraksi ringan (C5 – C12), dan fraksi diesel ( C > 12) dari kromatogram didasarkan pada spiking senyawa dodekana (C12H26).
Esis Witanto dkk 505 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
4. KESIMPULAN
Dari hasil pembahasan maka dapat diambil kesimpulan :
Konversi total tertinggi oleh aspalten Lawele 75,67% b/b dengan selektivitas fraksi bensin 60,06 % dan fraksi diesel 39,31 ( % area GC) pada rasio umpan/katalis 4 dan konversi total tertinggi aspalten Kabungka 97,73 % b/b dengan selektivitas fraksi bensin 72,40 % dan fraksi diesel 27,09 ( % area GC) pada rasio umpan/katalis 3.
5. DAFTAR PUSTAKA
Abraham, H, 1948, Asphalt and Allied Substance,: their occurrence, modes of production uses in arts and method of testing, Fifth Edition, Vol. 1, D. Van Nostrand Company, Inc., Toronto. Syarifah, I., 2000, Modifikasi Zeolit Alam Dan
Karakterisasinya Untuk Katalis Perengkah Fraksi Minyak Bumi, Tesis, FMIPA, UGM, Yogyakarta.
Trisunaryanti, W., 1991, Modifikasi, Karakterisasi dan Pemanfaatan Zeolit Alam, Tesis, FMIPA, UGM, Yogyakarta.
Nomura, M., Tri Sunaryanti, W., Shiba, R., Muroi, M., and Miura, M., 1997, Effects of the Addition of Light Hydrocarbon Solvent on the Catalytic Hydrotreatment of Petroleum Heavy Fraction, Symposia Advences in Catalyst and Processes for Heavy Oil Conversion, American Chemical Society, 42, 355-358.
Witanto, E., Tri Sunaryanti, W., Preparasi dan Karakterisasi Katalis Ni-Mo/Zeolit Alam Aktif, Prosiding Seminar Nasional SDM Teknologi Nuklir, 2010, STTN (BATAN) – UIN, Yogyakarta.
