TUGAS MATA KULIAH REKAYASA DAN PERANCANGAN PROSES
REKAYASA PROSES DALAM PEMBUATAN ETBE
Kelompok 5:
Ida Bagus Dharma Yoga S
F351130251
Hety Handayani Hidayat
F351130281
Felga Zulfia Rasdiana
F351130341
SEKOLAH PASCASARJANA
DEPARTEMEN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
I.
PENDAHULUAN
A.
Latar Belakang
Kelangkaan BBM merupakan pemandangan yang dijumpai di berbagai daerah
di tanah air. Ketergantungan terhadap bahan bakar fosil setidaknya memiliki tiga
ancaman serius, yaitu : (1) menipisnya cadangan minyak bumi (bila tanpa temuan
sumur baru), (2). Kenaikan/ kestabilan harga akibat laju permintaan yang lebih besar
dari produksi minyak, (3). Polusi gas rumah kaca (terutama CO2) akibat pembakaran
bahan bakar fosil (Yuli Setyo Indartono. 2005).
Semakin banyaknya pengguna bahan bakar gasoline (bensin), maka kualitas
bahan bakar tersebut perlu ditingkatkan kualitas salah satunya adalah dengan
menyesuaikan nilai angka oktan bensin. Angka oktan menunjukkan ketahanan
terhadap ketukan (knocking). Pada umumnya, tiap tipe mesin mempunyai kebutuhan
angka oktan yang berbeda-beda, yang tergantung pada perbandingan kompresi mesin
dan faktor-faktor lainnya. Apabila angka oktan bahan bakar mempunyai nilai yang
lebih rendah dibandingkan dengan kebutuhan mesin, maka akan terjadi ketukan pada
mesin yang berakibat mesin cepat panas, bahan bakar menjadi boros serta
mengurangi umur mesin.
Menurut Sasongko dan Anggoro (2011) permasalahannya pada umumnya
terletak pada nilai angka oktan bensin lebih rendah dibandingkan dengan keadaan
yang diperlukan dari mesin. Hal ini dilakukan dengan menambahkan bahan (aditif)
pada bahan bakar berupa organo-metalik berupa TEL (tetra ethyl lead). Akan tetapi
bahan aditif ini sudah harus ditinggalkan karena bersifat mencemari lingkungan,
yang diikuti kometmen nasional berupa penerapan bensin tanpa timbal (Pb).
Salah satu bahan aditif pengganti TEL adalah methyl tert-butyl ether (MTBE)
yang kemudian disebut dengan bensin jenis premix. Hanya saja bahan aditif tersebut
didapat dari bahan berbasis fosil yaitu metanol yang bersifat non renewable (tidak
terbarukan), selain itu bahan aditif MTBE merusak kualitas tanah sekitar. Untuk
mengatasi hal tersebut dikembangkan bahan aditif ETBE (ethyl tert-buthyl ether)
yang disintesis berdasarkan reaksi dengan etanol sebagai bahan yang bersifat
renewable (terbarukan) karena etanol disintesis dari bahan nabati dan ETBE bersifat
Tabel 1. Perbandingan karakteristik kinerja ETBE dan alternatif lainnya
Dari tabel di atas menunjukkan bahwa ETBE memiliki karakteristik nilai RVP
(vapor pressure) terendah, dan nilai oktan tertinggi. Hal ini menjadikan ETBE ideal
menjadi campuran bahan bakar minyak (bensin). Adapun keuntungan dari ETBE
sebagai bahan tambahan untuk bahan bakar minyak ialah sebagai berikut (Yuan.
2006):
1. ETBE memiliki nilai oktan yang tinggi sehingga dapat membuat proses
pembakaran menjadi lebih efisien
2. ETBE memiliki nilai boiling yang tinggi dan nilai RVP yang rendah sehingga
menjadi baik untuk campuran bensin.
3. Kadar oksigennya yang tinggi membuat ETBE dapat menyediakan tambahan
oksigen untuk membantu terjadinya pembakaran yang sempurna sehingga
dapat menurunkan olusi lingkungan.
4. ETBE lebih ramah lingkungan disbanding MTBE
5. ETBE dapat diproduksi dari bahan baku terbaharukan sehingga dapat
memberikan maanfaat pada lingkungan dan berkontribusi pada pembangunan
berkelanjutan.
6. Walaupun ETBE dapat memberikan banyak keuntungan, tetapi dari segi harga,
ETBE masih lebih mahal dibandingkan dengan MTBE.
Penulisan makalah ini bertujuan untuk memilih alternatif proses terbaik dari
yang optimal, dan menganalisis kelayakan finansial dari proses sintesis ETBE yang
akan digunakan.
B.
Tujuan
1. memilih alternatif proses terbaik dari proses sintesis ETBE
2. merekayasa proses sintesis ETBE untuk memperoleh hasil yang optimal
3. Menganalisis kelayakan finansial dari alternative produk dan proses yang
II.
ALTERNATIF PEMILIHAN PROSES
Alternatif Teknologi Proses Produksi ETBE
Proses produksi ETBE dapat dilakukan menggunakan 3 teknologi proses
yang berbeda. Penggunaan teknologi produksi ETBE berdasarkan paten yang
dilakukan (Kochar & Marcell, 1981; Pucci et al., 1992; Bakshi et al., 1992; Weber de
Menezes & Cataluna, 2008). Proses produksi ETBE menggunakan dua prinsip proses
yaitu reaksi dan pemisahan. Reaksi terjadi pada semua teknologi proses sebagai
akibat isothermal fixed bed dari katalis yang ditambahkan ke dalam reaktor. Reaksi
yang terjadi pada produksi ETBE dari 2-metilpropen dan etanol dapat dilihat sebagai
berikut :
(CH3)2C=CH2 + C2H5OH (CH3)3COC2H5
Sedangkan proses pemisahan berbeda pada setiap teknologi proses,
pemisahan dapat dilakukan dengan cara destilasi, ekstraksi atau reaksi dan separasi
yang dikombinasikan pada sistem destilasi reaktif. Adapun teknologi proses yang
digunakan adalah :
1. Produksi ETBE dalam reaktor isotermal dengan melakukan pemisahan
secara destilasi
Proses produksi ETBE pada teknologi proses ini dilakukan dengan
menambahkan fraksi C4 bersama dengan larutan etanol (kemurnian >95%) ke dalam
reaktor. Kemudian akan terjadi reaksi antara C4 dan etanol yang membentuk ETBE
dan pada reaktor juga terdapat TBA, etanol, dan 2-metilpropen yang tidak bereaksi
serta komponen inert dari fraksi C4. ETBE akan dipisahkan dari komponen lainnya
dengan proses pemisahan yang berlangsung pada dua destilasi kolom. Pada kolom
pertama akan terjadi pemisahan antara ETBE dan TBA dengan sisa-sisa fraksi C4
(2-metilpropen, butana, dan 1-butena) yang tidak bereaksi yang terpisah dalam bentuk
destilat. ETBE dan TBA yang terdapat pada bagian bawah dari destilasi kolom
pertama selanjutnya akan masuk menuju destilasi kolom kedua (Kochar & Marcell,
1981). Skema teknologi untuk produksi ETBE pada reactor isothermal dimana
Selanjutnya untuk aliran bahan dan kebutuhan investasi produksi ETBE dengan
pemisahan secara distilasi dapat dilihat pada tabel 2.
Gambar 1. Skema teknologi untuk produksi ETBE pada reactor isothermal dimana pemisahan produknya menggunakan metode distilasi (Mikus et al 2013)
Tabel 2. Aliran bahan dan kebutuhan investasi produksi ETBE dengan pemisahan secara distilasi (Mikus et al 2013)
Reaktor (REACTOR) 0,25 m3 57900 Cooling
water 30,8 m
Equipment cost 144881 Material and power media
costs 1487089
2. Produksi ETBE dalam reaktor isotermal dengan melakukan pemisahan
secara ekstraksi
Proses produksi ETBE berlangsung pada reaktor fix bed yang mana etanol
akan bereaksi dengan 2-metilpropen dari fraksi C4. Proses reaksi ini akan
membentuk ETBE, selain itu juga akan terdapat etanol yang tidak bereaksi serta
butana dan 1-butena (inert). Komponen inert akan dipisahkan pada kolom destilasi,
sedangkan pada bagian bawah terdapat ETBE yang masih mengandung 10-30%
etanol. Selanjutnya etanol akan dipisahkan dari ETBE melalui proses ekstraksi.
Proses ekstraksi berlangsung dalam ekstraktor yang dioperasikan pada suhu 50o-70o
C dengan tekanan 0,1-0,2 Mpa dan menggunakan air sebagai pelarut. Raffinate dari
ekstraktor terdiri dari sebagian besar ETBE yang mengandung sedikit air, kemudian
etanol dan air diektraksi dan diperoleh ETBE murni (Pucci et al., 1992). Skema
produksi ETBE pada reactor isothermal dengan pemisahan produknya menggunakan
metode ekstraksi dapat dilihat pada Gambar 2 dan Aliran bahan dan investasi
produksinya dapat dilihat pada tabel 3.
Tabel 3. Aliran bahan dan investasi produksi ETBE dengan pemisahan secara
Equipment cost 159088 Material and power media
costs 1343377
Total investment capital - Income (ETBE) -
3. Produksi ETBE dalam reaktor pass straight yang dikombinasikan dengan
reaktor kolom destilasi katalitik
Proses produksi ETBE dilakukan dengan mereaksikan 2-metilpropen dan
etanol dalam reaktor pass straight. Proses reaksi ini akan menghasilkan ETBE,
2-metilpropen dan etanol yang tidak bereaksi, serta inert yang selanjutnya akan dikirim
menuju reaktor kolom destilasi katalitik untuk penyempurnaan reaksi. Pada jenis
yang berupa zona reaktif kolom destilasi melibatkan katalis heterogen yang
ditambahkan dalam sebuah fixed bed. Campuran hidrokarbon C4 dicampurkan
dengan fase cair dari zona reaktif kolom destilasi kemudian dimasukkan ke dalam
reaktor straight pass, dimana sekitar 85% 2-metilpropen diubah menjadi ETBE.
Reaksi pencampuran dari reaktor fed ke destilasi kolom dilakukan pada zona reaktif.
Komponen volatil dari reaksi pencampuran termasuk 2-metilpropen dimasukkan ke
dalam zona reaktif destilasi kolom. Pada zona reaktif, sisa 2-metilpropen bereaksi
dengan etanol. Aliran etanol mengandung sedikit air dari fed menuju kolom dibawah
zona reaktif. Air bersama dengan inert (butana dan 1-butena) dikeluarkan dari
destilasi kolom sebagai destilat. Suhu pada kolom dipertahankan pada titik didih
(10-100o C), kondisi ini tergantung pada komposisi campuran dan tekanan pada
kolom (0,3-1,14 Mpa). Keseimbangan reaksi eterifikasi 2-metilpropen dipindahkan
menuju formasi produk karena produk yang selanjutnya dihapuskan dibiarkan untuk
mendapatkan konversi 2-metilpropen yang mencapai 100% (Bakshi et al., 1992;
Pucci et al., 1992). Skema produksi ETBE pada reaktor straight pass yang
dikombinasikan dengan catalytic distillation column reactor dapat dilihat pada
Gambar 3 dan untuk simulasi aliran bahan dan investasi produksi dapat dilihat pada
tabel 4.
Tabel 4. Aliran bahan dan investasi produksi ETBE pada reaktor pass straight yang dikombinasikan dengan reaktor destilasi kolom reaktif (Mikus et al 2013)
Stream 3 Waste ETBE
Reaktor (REACTOR) 0,25 m3 57900 Cooling
water 7,8 m
3
h-1 63561
Reactive distillation 28 stage 106975 Ethanol 5,7 kmol h-1 542935
(RK1) (D=0,42 m) C4 fraction 12 kmol h-1 628661
Catalyst 500 kg 2996
Equipment cost 182057 Material and power media
costs 1298315
Total investment capital 956798 Income (ETBE) 3470209
Pemilihan Teknologi Proses
Dalam pemilihan teknologi proses masing-masing teknologi proses
dibandingkan dengan parameter perbandingan yang digunakan yaitu: kemurnian
produk, produk yang dihasilkan, biaya peralatan, biaya bahan baku media, total
investasi modal, dan pemasukan dari proses produksi ETBE tersebut. Adapun
data-data kriteria yang digunakan untuk pemilihan proses ETBE dapat dilihat pada
Tabel 5. Kriteria pemilihan teknologi produksi ETBE (Mikus et al 2013)
Pada tabel 5 dapat dilihat perbandingan kriteria yang digunakan untuk
masing-masing teknologi proses. Pada kriteria yang pertama, yaitu tingkat
kemurnian, proses produksi ETBE yang dapat menghasilkan produk dengan tingkat
kemurnian tertinggi diperoleh dengan mengkombinasikan reactor straight pass
dengan distilasi kolom reaktif, yaitu sebesar 99.1%. selanjutnya diikuti oleh proses
produksi ETBE dengan pemisahan secara distilasi dimana teknologi ini dapat
menghasilkan kemurnian sebesar 96.2%. Yang terakhir, adalah proses produksi
ETBE dengan pemisahan secara ekstraksi dimana dengan teknologi ini hanya
menghasilkan ETBE dengan tingkat kemurnian 90.4%. Berdasarkan hasil tersebut
dapat dilihat bahwa proses produksi ETBE dengan pemisahan secara ekstraksi
menghasilkan tingkat kemurnian produk yang tidak memenuhi standar (90.4%)
dimana standar kemurnian ETBE yang dapat digunakan sebagai campuran bahan
bakar adalah minimal sebesar 96% (Mikus et al 2013).
Selanjutnya dibandingkan antara proses produksi ETBE dengan pemisahan
secara distilasi dengan proses produksi ETBE dengan kombinasi reaktor dengan
kemurnian dan produk yang dihasilkan maka proses produksi ETBE dengan
kombinasi reactor dengan distilasi kolom reaktif memberikan hasil yang lebih
unggul. Tetapi apabila ditinjau dari segi biaya peralatanya yang dikeluarkan dan total
modal investasi yang harus disiapkan oleh investor maka proses produksi ETBE
dengan pemisahan secara distilasilah yang lebih unggul karena menghabiskan biaya
yang lebih rendah.
Teknologi proses produksi ETBE dengan kombinasi reactor dengan distilasi
kolom reaktif mungkin memiliki biaya investasi peralan dan modal investasi yang
lebih besar, tetapi dari segi biaya annual yang dikeluarkan per tahunnya, teknologi
ini dapat menghabiskan biaya annual yang lebih rendah. Selain itu bila dilihat dari
produk yang dihasilkan maka melalui teknologi kombinasi reactor straight pass
dengan reactor destilasi kolom eaktif dapat diperoleh keuntungan yang lebih tinggi
pertahunnya dibandingkan proses produksi ETBE dengan pemisahan secara distilasi.
Melalui berbagai perbandingan yang telah dilakukan berdasarkan
parameter-parmeter yang telah ditentukan maka dapat dipilih teknologi yang terbaik untuk
memproduksi ETBE adalah Teknologi proses produksi ETBE dengan kombinasi
reactor dengan distilasi kolom reaktif. Hal ini dilihat dari segi tingkat kemurnian,
kuantitas produk yang dihasilkan, biaya annual yang dikeluarkan, serta pemasukan
III.
PEMILIHAN MESIN
1. Mixer
Fungsi : Tempat pencampuran etanol (ETOH) dengan C4.
Ukuran : 1.5 m3h–1 (Mikus et al 2013)
Harga : 14897 € (Mikus et al 2013)
2. Pompa
Fungsi : Mengalirkan bahan baku dari mixer ke reaktor.
Ukuran : 1.5 m3h–1 (Mikus et al 2013)
Harga : 2284 € (Mikus et al 2013)
Tipe pompa yang digunakan adalah pompa sentrifugal dengan pertimbangan :
Viskositas fluida yang dialirkan relatif tidak besar
Konstruksinya sederhana sehingga harga lebih murah
Dapat digabung langsung dengan putaran motor. Umumnya semakin cepat
putaran maka semakin kecil beban pompa dan motor.
Mudah dalam pengoperasiannya
Aliran pada discharge pompa dapat di shut-off atau ditutup tanpa merusak
pompa.
Tidak memerlukan valve dalam operasi pompa
Biaya pemeliharaan lebih rendah dibanding jenis pompa yang lainnya.
3. Reaktor
Fungsi : Tempat berlangsungnya reaksi pembentukan ETBE
Jenis : Reaktor fixed bed multi tubular
Bahan konstruksi : carbon steel SA-285 grade A
Jumlah : 1 unit
Ukuran : 0.25 m3(Mikus et al 2013)
Harga : 57900 € (Mikus et al 2013)
Reaksi dalam fasa gas dengan katalis padat.
Reaksi eksotermis sehingga diperlukan luas perpindahan panas yang
besar agar kontak dengan pendingin berlangsung optimal.
Pressure drop lebih kecil daripada fluidized bed.
Abrasi pada dinding tube dapat diabaikan.
Tidak diperlukan pemisahan katalis dari gas keluaran reactor.
Pengendalian suhu relatif mudah karena menggunakan tipe shell and tube
Kontruksi reaktor lebih sederhana dibandingkan dengan reaktor fluidized
bed, dengan demikian maka biaya pembuatan, operasional dan perawatannya
relatif lebih murah.
4. Reaktif Distilasi
Reaktif distilasi merupakan proses kombinasi antara reaksi kimia dan separasi
(distilasi ) yang terjadi secara simultan dalam suatu kolom distilasi tunggal. Dimana
produk yang terbentuk langsung dipisahkan secara distilasi. Misalnya suatu reaksi
reversible mengikuti persamaan : A + B ↔ C + D (eksotermis).
Kolom reaktif distilasi terdiri dari reactive section yang berada di tengah
kolom dengan non reactive section rectifying. Stripping section pada bagian atas dan
bawah. Non reactive section rectifying berfungsi sebagai tempat untuk recovery
reaktan yang tidak bereaksi dari aliran produk. Pada reaktive section selain terjadi
reaksi, pemisahan produk juga terjadi secara simultan. Berdasarkan prinsip
keseimbangan, maka kesetimbangan akan bergeser ke pembentukan produk sehingga
konversi meningkat. Selain itu hal ini mencegah terjadinya reaksi samping antara
produk dengan reaktan. Dengan menggunakan proses reaktif distilasi ini konversi
yang dicapai mendekati 100%.
Spesifikasi peralatan
1. Fungsi : memisahkan produk utama ETBE dengan produk
samping
2. Jenis : reaktif distilasi
3. Bahan konstruksi : carbon steel SA-285 grade A
4. Jumlah : 1 unit
6. Diameter : 0.42 m (Mikus et al 2013)
7. Harga : 106975 € (Mikus et al 2013)
Kelebihan reaktif distilasi:
1. Meningkatkan kecepatan overall dan efisiensi.
2. Produk yang dihasilkan mempunyai harga konversi yang tinggi.
3. Produk yang dihasilkan mempunyai harga kemurnian yang tinggi.
4. Produk yang dihasilkan mempunyai selektivitas yang tinggi ;mengurangi
penggunaan
5. bahan baku dan produk samping.
6. Mengurangi biaya produksi; mengurangi penggunaan peralatan, penggunaan
energi dan penanganan.
7. Lebih sedikit limbah dan produk samping.
8. Meningkatkan kualitas produk - bahan kimia karena lebih sedikit terkena
panas,
9. mengurangi kesempatan terjadinya degradasi.
Syarat dilakukannya RD:
1. T reaksi ≈ T distilasi
2. produk merupakan lowest boiling point atau highest boiling point
3. katalis stabil
DAFTAR PUSTAKA
Al-Arfaj MA, Luyben, WL (2002) Industrial & Engineering Chemistry Research 41: 3784—3796. DOI: 10.1021/ie010432y.
Bakshi A, Jones EM Jr, Strain BA. 1992. US Paten No. 5,248,836. U.S. Petent and Trademark Office, Washington, DC, USA. dalam Mikus V, Ridzonova M, Steltenpohl P. 2013. Fuel Additive Production: ethyl – t – buthyl ether, a case study. Journal Acta Chimica Slovaca. Vol 6(2): 211-226.
Kochar NK, Marcell RL.1981. US Paten No. 4,334,890. U.S. Petent and Trademark Office, Washington, DC, USA. dalam Mikus V, Ridzonova M, Steltenpohl P. 2013. Fuel Additive Production: ethyl – t – buthyl ether, a case study. Journal Acta Chimica Slovaca. Vol 6(2): 211-226.
Mierka O (2012) Energetický audit, Lecture notes. Slovak University of Technology in Bratislava, Bratislava, Slovak Republic.
Mikus V, Ridzonova M, Steltenpohl P. 2013. Fuel Additive Production: ethyl – t – buthyl ether, a case study. Journal Acta Chimica Slovaca. Vol 6(2): 211-226
Pucci A, Mikitenko P, Zuliani M. 1992. U.S. Patent No. 5,348,624. U.S. Petent and Trademark Office, Washington, DC, USA. dalam Mikus V, Ridzonova M, Steltenpohl P. 2013. Fuel Additive Production: ethyl – t – buthyl ether, a case study. Journal Acta Chimica Slovaca. Vol 6(2): 211-226.
Sasongko S B, Anggoro D D. 2011. Pembuatan Ethyl Tert-Buthyl Ether (Etbe) Sebagai Bahan Bakar Additif Ramah Lingkungan. Simposium nasional penelitian perubahan iklim: Semarang
Weber de Menezes E, Cataluna R. 2008. Fuel Processing Technology 89 : 1148-1152. dalam Mikus V, Ridzonova M, Steltenpohl P. 2013. Fuel Additive Production: ethyl – t – buthyl ether, a case study. Journal Acta Chimica Slovaca. Vol 6(2): 211-226.
Yuan H. 2006. ETBE as an additive in gasoline: advantages and disadvantages. Linköpings universitet: Sweden
