BAB II DESKRIPSI PROSES

13

BAB II

DESKRIPSI PROSES

2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk 2.1.1. Spesifikasi Bahan Baku

1.

Biogas

•

Wujud : gas

•

Warna : tidak berwarna

•

Komposisi biogas yang digunakan disajikan pada Tabel 2.1.

Tabel 2. 1 Komposisi Biogas (Shakib and Rashid, 2019)

Komposisi Gas Fraksi mol

Metana (CH4) 0,65

Karbon dioksida (CO2) 0,27

Air (H2O) 0,032

Oksigen (O2) 0,017

Nitrogen (N2) 0,016

Hidrogen sulfida (H2S) 0,005

Ammonia (NH3) 0,005

Hidrogen (H2) 0,005

2.1.2. Spesifikasi Produk Metanol (CH3COOH)

• Wujud : Cair

• Warna : bening, tidak berwarna

• Kemurnian : 99,85 %

• Titik didih (101,325 kPa) : 338 K

• Specific grafity (293,15 K) : 0,7928

(PT. Kaltim Methanol Industri, 2020) 2.1.3. Spesifikasi Bahan Pembantu

1. Katalis pada Steam Reformer

14

• Katalis : Ni/Al2O3

• Bentuk : silinder

• Diameter : 3 x 10^-3 m

• Porositas bed : 0,27

• Densitas bulk : 850 kg/cm³

(Wolf, Jess and Kern, 2016) 2. Katalis pada Reaktor Metanol

• Katalis : Cu/ZnO/Al2O3

• Bentuk : silinder

• Diameter : 5,74 x 10^-3 m

• Porositas bed : 0,39

• Densitas bulk : 1000 kg/cm³

(Rahmani et al., 2010) 2.2 Konsep Proses

2.2.1 Dasar Reaksi

1. Pembentukan gas sintesis

Reaksi yang terjadi pada proses pembentukan gas sintesis adalah sebagai berikut :

Reaksi utama : CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) (2.1) Reaksi samping : CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) (2.2) Reaksi utama pada persamaan 2.1 merupakan reaksi methane reforming dan reaksi samping pada persamaan 2.2 merupakan reaksi water gas shift. Reaksi berlangsung dalam fase gas dengan katalis padat. Katalis yang digunakan adalah Ni/Al2O3. Reaksi tersebut bersifat endotermis dan dijalankan pada kondisi non-adiabatic serta non-isothermal. Oleh karena itu, reaktor yang dipilih adalah reaktor fixed bed multi tube.

Reaksi dilakukan pada suhu 800^oC dan tekanan 10 bar dengan perbandingan mol antara metana dengan steam = 1 : 3 (Hanizam Madon et al., 2020).

15 r1

r2

2. Pembentukan metanol

Reaksi yang terjadi pada proses pembentukan metanol adalah sebagai berikut :

Reaksi utama : CO(g) + 2 H2(g) CH3OH(g) (2.3) Reaksi samping : CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g) (2.4) Reaksi berlangsung dalam fase gas dengan katalis padat. Katalis yang digunakan adalah Cu/ZnO/Al2O3. Reaksi tersebut bersifat eksotermis dan dijalankan pada kondisi non-adiabatic serta non-isothermal.. Oleh karena itu, reaktor yang dipilih adalah reaktor fixed bed multi tube.

Reaksi dilakukan pada suhu 210^oC dan tekanan 50 bar dengan stoichiometric number metanol > 2 (Shahhosseini et al., 2018).

2.2.2 Tinjauan Termodinamika 1. Pembentukan gas sintesis

Reaksi I : CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)

Reaksi II: CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)

Data – data ∆Hf○ dan ∆G^○ pada suhu 298,15 K dan tekanan 1 bar dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Tabel 2. 2 Data Harga ∆Hf○ dan ∆G^○ Reaksi Pembentukan Gas Sintesis (Green and Perry, 2008)

Komponen ∆Hf○(kJ/kmol) ∆G^○(kJ/kmol)

CH4 -74.520 -50.490

CO -110.530 -137.150

CO2 -393.510 -394.370

H2 0 0

H2O -241.814 -228.590

a. Perhitungan panas reaksi (∆HR) (Smith, Van Ness and Abbott, 2001)

∆HR○ (reaksi I) = ∑∆Hf produk - ∑ ∆Hf reaktan

= (∆Hf^○ CO + 3 x ∆Hf^○ H2) – (∆Hf^○ CH4 + ∆Hf^○ H2O) = -110.530 kJ/kmol – (-316.334 kJ/kmol)

= 205.804 kJ/kmol

16

∆HR○ (reaksi II) = ∑∆Hf produk - ∑ ∆Hf reaktan

= (∆Hf^○ CO2 + ∆Hf^○ H2) – (∆Hf^○ CO + ∆Hf^○ H2O) = -393.510 kJ/kmol – (-352.344 kJ/kmol)

= -41.166 kJ/kmol

∆ HR reaksi I bernilai positif maka reaksi utama pembentukan gas sintesis merupakan reaksi endotermis, sedangkan ∆HR reaksi II bernilai negatif maka reaksi samping pembentukan gas sintesis merupakan reaksi eksotermis.

b. Perhitungan nilai tetapan kesetimbangan (K) (Smith, Van Ness and Abbott, 2001)

∆G^○(reaksi I) = ∑∆G^○ produk - ∑∆G^○ reaktan

= (∆G^○ CO + 3 x ∆G^○H2) – (∆G^○ CH4 + ∆G^○ H2O) = (-137.150 – (-279.080)) kJ/kmol

= 141.930 kJ/kmol

∆G^○(reaksi II) = ∑∆G^○ produk - ∑∆G^○ reaktan

= (∆G^○ CO2 + ∆G^○H2) – (∆G^○ CH4 + ∆G^○ H2O) = (-394.370 – (-365.740)) kJ/kmol

= -28.630 kJ/kmol

Pada To = 298,15 K, tetapan kesetimbangan (Ko) adalah Ko =exp (−^∆𝐆°

𝐑 𝐓) (2.13)

Reaksi I Ko = − 141.930 kJ/kmol 8,314_{kmol K}^kJ 𝑥 298,15 K Ko = 1,01 x 10^-74

Reaksi II Ko = − 28.630 kJ/kmol 8,314 ^kJ

kmol K 𝑥 298,15 K

Ko = 8,43 x 10¹⁴

Pada suhu 1073,15 K, tetapan kesetimbangan (K1) adalah K1 = exp [^∆HR0

RTo(1 −^To

T)] (2.14)

Reaksi I K1 = exp [ ^205.804

kj kmol

8,314_kmol^kj .K .298,15 K(1 − ^{298,15 K}

1073,15 K)]

17 K1 = 3,06 x 10⁷⁷

Reaksi II KII = exp [ ^−41.166

Kj mol

8,314_kmol^Kj .K .298,15K(1 − ^{298,15 K}

1073,15 K)]

K1 = 3,17 x 10^-16 Pada τ = ^T

To= ^{1073,15 K}

298,15 K = 3,6 , tetapan kesetimbangan (K2) adalah K2 = exp {∆A [lnτ − (^τ−1

τ )] +¹

2∆BT_o^(τ−1)2

τ +¹

6∆CT_O^{2 (τ−1)2(τ+2)}

τ +

1 2

∆D T_o²

(τ−1)²

τ² } (2.15)

Tabel 2. 3 Nilai Cp Masing – Masing Komponen

Komponen A B C D

CH4 1,70 9,08 x 10^-3 -2,16 x 10^-6 0 CO 3,38 5,57 x 10^-4

0 -3.100

CO2 5,46 1,05 x 10^-3

0 -115.700

H2 3,25 4,22 x 10^-4 0 8.300

H2O 3,47 1,45 x 10^-3 0 12.100

Δ Reaksi I 1,45 -9,55 x 10^-3 -2,16 x 10^-6 -6.900 Δ Reaksi II 1,86 -5,40 x 10^-4 0 -116.400

Dengan memasukkan nilai To, 𝜏, ∆A, ∆B, ∆C, dan ∆D ke persamaan (2.17), maka didapat K2 adalah

Reaksi I K2 = 2,13 x 10^-1 Reaksi II K2 = 1,73

Sehingga, tetapan kesetimbangannya adalah

K = Ko x K1 x K2 (2.16)

Reaksi I KI = (1,01 x 10^-74)x (3,06 x 10⁷⁷) x (2,13 x 10^-1) KI = 6,61 x 10²

Reaksi II KII = (8,43 x 10¹⁴)x (3,17 x 10^-16) x (1,73) KII = 4,42 x 10^-1

Nilai K dari kedua reaksi relatif kecil, sehingga reaksi pembentukan gas sintesis berlangsung reversibel.

c. Perhitungan konversi kesetimbangan (Smith, Van Ness and Abbott, 2001)

18 CH4 + H2O CO + 3H2 (I) CO + H2O CO2 + H2 (II)

Mol mula-mula : 1 mol CH4 dan 3 mol H2O Sehingga total mol mula – mula (n0) adalah 4 mol

Untuk mencari fraksi mol dari masing-masing komponen digunakan rumus sebagai berikut

𝑦_𝑖 =^{𝑛𝑖0+∑ 𝑣𝑗 𝑖.𝑗𝜀𝑗}

𝑛0+∑ 𝑣_{𝑗 𝑖,𝑗}𝜀_𝑗 (i = 1, 2, ..., N) (2.17) Dengan menggunakan persamaan (2.19) fraksi mol masing-masing komponen didapatkan sebagai berikut

yCH4 = ^1−∈1

4 +2 ∈1 yH2O = ^{3−∈1−∈2}

4+2 ∈1

yCO = ^∈1−∈2

4 +2 ∈1 yH2 = ^3∈1+∈2

4 +2 ∈1

yCO2 = ^∈2

4 +2 ∈1

∏ (𝑦_𝑖)^𝑣𝑖 = (^𝑃

𝑃^𝑜)^−𝑣𝐾

𝑖 (2.18)

Dengan memasukkan data-data yang telah diketahui ke persamaan (2.18) didapatkan persamaan sebagai berikut

Reaksi I:

yCO (yH2)³ yCH4 yH2O= (^P

P^o)⁻²K_I (2.19)

(∈1−∈2)(3 ∈1+∈2)³

(1−∈1)(3 −∈1−∈₂)(4 +2 ∈1)² = (^P

P^o)⁻²K_I (2.20)

(∈1−∈2)(3∈1+∈2)³

(1−∈1)(3−∈1−∈₂)(4+2 ∈1)²− (^P

P^o)⁻²K_I= 0 (2.21) Reaksi II:

yCO2 yH2 yCO yH₂O= (^P

P^o)⁰K_II (2.22)

∈2(3∈1+∈2)

(∈₁−∈₂)(3−∈₁−∈₂) = (^P

P^o)⁰K_II (2.23)

∈₂(3∈1+∈₂)

(∈1−∈2)(3−∈1−∈2)− (^P

P^o)⁰K_II = 0 (2.24)

19 r1

r2

Menghitung nilai ∈_𝟏 dan ∈_𝟐 pada persamaan (2.21) dan (2.24) menggunakan metode solver pada excel dan menginput P = 10 bar didapatkan :

∈₁= 0,95 ; ∈₂= 0,21

Maka, perhitungan konversi CH4 adalah sebagai berikut yCH4 = mol CH4 setelah reaksi

mol total setelah reaksi= ^{1− ∈1}

3,5+2 ∈₁ = ^{1− 0,95}

3,5+2 (0,95) = 0,001 Mol CH4 setelah reaksi = yCH4 x mol total setelah reaksi = 0,05 konversi CH4 = (mol CH4 mula−mula − mol CH4 setelah reaksi

mol CH4 mula−mula ) x 100%

= (^1−0,05

1 ) x 100% = 95,1%

2. Pembentukan metanol

Reaksi I : CO(g) + 2 H2(g) CH3OH(g)

Reaksi II: CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g)

Data – data ∆Hf○ dan ∆G^○ pada suhu 298,15 K dan tekanan 1 bar dapat dilihat pada Tabel 2.4.

Tabel 2. 4 Data Harga ∆Hf○ dan ∆G^○ Reaksi Pembentukan Metanol (Green and Perry, 2008)

Komponen ∆Hf○(kJ/kmol) ∆G^○(kJ/kmol)

CO -110.530 -137.150

H2 0 0

H2O -241.814 -228.590

CH3OH -200.940 -162.320

CO2 -393.510 -394.370

a. Perhitungan panas reaksi (∆HR) (Smith, Van Ness and Abbott, 2001)

∆HR○ (reaksi I) = ∑∆Hf produk - ∑ ∆Hf reaktan = (∆Hf^○ CH3OH) – (∆Hf^○ CO + 2 x ∆Hf^○ H2) = -90.410 kJ/kmol

∆HR○ (reaksi II) = ∑∆Hf produk - ∑ ∆Hf reaktan

= (∆Hf^○ CH3OH + ∆Hf^○ H2O) – (∆Hf^○ CO + ∆Hf^○ H2O) = -49.244 kJ/kmol

20

∆HR kedua reaksi bernilai negatif maka reaksi pembentukan metanol merupakan reaksi eksotermis.

b. Perhitungan nilai tetapan kesetimbangan (K) (Smith, Van Ness and Abbott, 2001)

∆G^○(reaksi I) = ∑∆G^○ produk - ∑∆G^○ reaktan

= (∆G^○ CH3OH) – (∆G^○ CO + 2 x ∆G^○ H2) = -25.170 kJ/kmol

∆G^○(reaksi II) = ∑∆G^○ produk - ∑∆G^○ reaktan

= (∆G^○ CH3OH + ∆G^○H2O) – (∆G^○ CO + 3 x ∆G^○ H2) = 3.460 kJ/kmol

Pada To = 298,15 K, menggunakan persamaan (2.13) tetapan kesetimbangan (Ko) adalah

Reaksi I Ko = − −25.170 kJ/kmol

8,314_{kmol K}^kJ 𝑥 298,15 K = 5,67 x 10² Reaksi II Ko = − 3.460 kJ/kmol

8,314_{kmol K}^kJ 𝑥 298,15 K = 4,18 x 10^-1

Pada suhu 483,15 K, menggunakan persamaan (2.14) tetapan kesetimbangan (K1) adalah

Reaksi I K1 = 1,63 x 10^-4 Reaksi II K1 = 8,65 x 10^-3 Pada = ^T

To= ^{483,15 K}

298,15 K= 1,62 , tetapan kesetimbangan (K2) adalah Tabel 2. 5 Nilai Cp Masing – Masing Komponen

Komponen A B C D

CO 3,38 5,57 x 10^-4 0 -3.100

H2 3,25 4,22 x 10^-4 0 8.300

H2O 3,47 1,45 x 10^-3 0 12.100

CH3OH 2,21 1,22 x 10^-3 -3,45 x 10^-6 0

CO2 5,46 1,05 x 10^-3 0 -115.700

Δ Reaksi I -7,66 1,08 x 10^-2 -3,45 x 10^-6 -13.500 Δ Reaksi II -9,52 1,14 x 10^-2 -3,45 x 10^-6 102.900

21

Dengan memasukkan nilai To, 𝜏, ∆A, ∆B, ∆C, dan ∆D ke persamaan (2.15), maka didapat K2 adalah

Reaksi I K2 = 6,46 x 10^-1 Reaksi II K2 = 6,02 x 10^-1

Sehingga, menggunakan persamaan (2.16) tetapan kesetimbangannya (K) adalah

Reaksi I KI = (5,67 x 10²)x (1,63 x 10-4) x (6,46 x 10^-1) KI = 5,98 x 10^-2

Reaksi II KII = (4,18 x 10^-1)x (8,65 x 10^-3) x (6,02 x 10^-1) KII = 2,18 x 10^-3

Nilai K dari kedua reaksi relatif kecil, sehingga reaksi pembentukan gas sintesis berlangsung reversibel.

c. Perhitungan konversi kesetimbangan (Smith, Van Ness and Abbott, 2001)

CO + 2H2 CH3OH (I) CO2 + 3H2 CH3OH+ H2O (II)

Mol mula-mula : 1 mol CO; 3,2 mol H2; dan 0,05mol CO2

Sehingga total mol mula – mula (n0) adalah 4,25 mol

Dengan menggunakan persamaan (2.17) fraksi mol masing-masing komponen didapatkan sebagai berikut

yCO = ^{𝟏− ∈𝟏}

𝟒,𝟐𝟓−𝟐 ∈𝟏− 𝟐 ∈𝟐 yH2 = ^{𝟑,𝟐 − 𝟐∈𝟏− 𝟑∈𝟐}

𝟒,𝟐𝟓−𝟐 ∈𝟏− 𝟐 ∈𝟐

yCH3OH = ^{∈𝟏+ ∈𝟐}

𝟒,𝟐𝟓−𝟐 ∈_𝟏 − 𝟐 ∈_𝟐 yCO2 = ^{𝟎,𝟎𝟓−∈𝟐}

𝟒,𝟐𝟓−𝟐 ∈_𝟏 − 𝟐 ∈_𝟐

yH2O = ^∈𝟐

𝟒,𝟐𝟓−𝟐 ∈𝟏 − 𝟐 ∈𝟐

Dengan memasukkan data-data yang telah diketahui ke persamaan (2.18) didapatkan persamaan sebagai berikut

Reaksi I:

(∈1+ ∈₂) (4.25−2 ∈1 − 2 ∈₂)² (1− ∈₁₎ (3,2 − 2∈1− 3∈2)² − (^P

P^o)²K_I = 0 (2.25) Reaksi II:

22 r1

r2 (∈1+ ∈2) ∈2 (4,25−2 ∈1 − 2 ∈2)²

(0,05−∈₂) (3,2− 2∈₁− 3∈₂)³ − (^P

P^o)²K_II = 0 (2.26) Menghitung nilai ∈_𝟏 dan ∈_𝟐 pada persamaan (2.25) dan (2.26)

menggunakan metode solver pada excel dan menginput P = 50 bar didapatkan :

∈₁= 0,97 ; ∈₂= 0,03

Maka, perhitungan konversi CO adalah sebagai berikut yCO = mol CO setelah reaksi

mol total setelah reaksi= ^{1− ∈1}

4,25−2 ∈₁− 2 ∈₂ = 0,01

Mol CO setelah reaksi = yCO x mol total setelah reaksi = 0,03 konversi CO = (mol CH4 mula−mula − mol CO setelah reaksi

mol CH4 mula−mula ) x 100%

= (^1−0,03

1 ) x 100% = 97,42%

2.2.3 Tinjauan Kinetika

Reaksi pada proses pembentukan gas sintesis dan pembentukan metanol merupakan reaksi endotermis dan eksotermis sehingga selama reaksi berlangsung akan terjadi pelepasan dan penambahan panas yang akan mempengaruhi kecepatan reaksi. Adapun persamaan kecepatan reaksi dari kedua proses tersebut adalah sebagai berikut:

1. Pembentukan gas sintesis

• Reaksi utama : CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) (2.27) r₁ = ^k1

P_H2^2,5(P_CH4 x P_H2O− ^PH2

2,5PCO Kp1 ) x ¹

DEN² (2.28)

• Reaksi samping: CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) (2.29)

r₂ = ^k2

P_H2(P_CO x P_H2O− ^PH2PCO2

Kp2 ) x ¹

DEN² (2.30) Dengan, Kp1 = 10.266,76 exp (−^26.830

T + 30.114) Kp2 = exp (^4.400

T − 4.036)

Tetapan kecepatan reaksi dapat dilihat pada Tabel 2.6 serta data perhitungan kesetimbangan adsorpsi dapat dilihat pada Tabel 2.7.

23 r1

r2

Tabel 2. 6 Tetapan Kecepatan Reaksi Gas Sintesis k = Aexp^(B/RT)

k = A exp ( B

R. T) A (mol.g^-1.s^-1.bar^-1/2) B (J.mol⁻¹)

k1 9,49 x 10¹⁶ 240.100

k2 4,39 x 10⁴ 67.130

Tabel 2. 7 Data Perhitungan Tetapan adsorpsi Gas Sintesis K = Aexp^(B/RT)

K = A exp ( B

R. T) A (bar^-1) B (J.mol⁻¹)

KCH4 6,65 x 10^-6 -38.280

KCO 8,23 x 10^-7 -70.650

KH2 8,23 x 10^-22 -82.900

KH2O 1,77 x 10⁵ 88.680

(Kosa, 2021) 2. Pembentukan metanol

• Reaksi utama : CO(g) + 2 H2(g) CH3OH(g) (2.31)

r₁ = ^{k1KCO[PCO2PH2}

3

2 −P_CH3OH/(P_H2 1 2 Kp1)

(1+K_COPCO+K_CO2P_CO2)[P_H2 1

2 +(^KH2O kH21/2)P_H2O]

(2.32)

• Reaksi samping: CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g) (2.33)

r₂ = ^{k2KCO2[PCO2PH2}

3

2 −P_CH3OHP_H2O/(P_H2 3 2 Kp2)

(1+KCOPCO+K_CO2P_CO2)[P_H2 1

2 +(^KH2O kH21/2)P_H2O]

(2.34)

Parameter kinetika yaitu tetapan kecepatan reaksi, tetapan kesetimbangan dan tetapan kesetimbangan reaksi dapat dilihat pada Tabel 2.8, Tabel 2.9, dan Tabel 2.10.

Tabel 2. 8 Tetapan Kecepatan Reaksi Pembentukan Metanol k = Aexp^(B/RT)

k = A exp ( B

R. T) A (mol.kg^-1.s^-1.bar^-1/2) B (J.mol⁻¹)

k1 2,69 x 10⁷ -109.900

k2 4,36 x 10⁶ -65.200

24

Tabel 2. 9 Tetapan Kesetimbangan Adsorpsi Pembentukan Metanol K

= Aexp^(B/RT)

K = A exp ( B

R. T) A (bar^-1) B (J.mol⁻¹)

𝐾𝐶𝑂 7,99 x 10^-7 58.100

𝐾𝐶𝑂₂ 1,02 x 10^-7 67.400

(𝐾𝐻2𝑂/𝐾_𝐻^1/2₂ ) 4,13 x 10^-11 104.500

Tabel 2. 10 Tetapan Kesetimbangan Reaksi Pembentukan Metanol Kp = 10^((A/T)-B)

K = 10⁽⁽

A

T)−B) A B

𝐾𝑃1 5.139 12.621

𝐾𝑃2 3.066 10.592

(Graaf, Stamhuis and Beenackers, 1988)

2.3 Diagram Alir Proses dan Tahapan Proses 2.3.1 Diagram Alir Proses Kualitatif dan Kuantitatif

Diagram alir kualitatif dan kuantitatif dapat dilihat pada Gambar 2.1.

2.3.2 Diagram Alir Proses

Diagram alir proses dapat dilihat pada Gambar 2.2.

25

Gambar 2. 1 Diagram Alir Kualitatif dan Kuantitatif

26

Gambar 2. 2 Diagram Alir Proses

27 r1

r2

2.3.3 Tahapan Proses

Proses pembentukan metanol dari biogas dengan menggunkan proses hidrogenasi karbon monoksida tekanan rendah terdiri dari empat tahap yaitu :

2.3.3.1. Tahap Penyiapan Bahan Baku

Bahan baku pembuatan metanol adalah biogas dan steam. Biogas diperoleh dari PT. Inti Indosawit Subur. Biogas yang diperoleh masing mengandung impuritas berupa acid gas (CO2 dan H2S) serta ammonia yang dapat menganggu aktivitas katalis. Biogas kemudian diabsorpsi dengan larutan MEA 20% dalam absorber (AB-01) untuk mengurangi kadar acid gas dan ammonia yang terkandung. Larutan MEA 20% kotor akan dibersihkan dari kandungan acid gas dan ammonia dalam regenerator (RG- 01) sehingga diperoleh larutan MEA 20% bersih yang dapat digunakan kembali pada absorber. Biogas bersih kemudian dipanaskan pada furnace samapai suhu 800^oC.

2.3.3.2. Tahap Pembentukan Gas Sintesis

Biogas yang telah dipurifikasi dari acid gas dan ammonia kemudian dicampur dengan steam dan masuk ke dalam steam reformer (R-01) pada tekanan 10 bar dan suhu 800^oC. Steam yang digunakan untuk bereaksi dihasilkan oleh boiler pada unit utilitas. Steam reformer yang digunakan adalah tipe fixed bed multitube dengan katalis Ni/Al2O3. Reaksi yang terjadi di dalam steam reformer adalah sebagai berikut:

Reaksi utama : CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) (2.15) Reaksi samping: CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) (2.16)

Secara keseluruhan reaksi bersifat endotermis sehingga dibutuhkan panas yang disuplai dari hasil pembakaran fuel. Panas hasil pembakaran fuel ditransfer ke tube-tube katalis secara radiasi dan konveksi. Gas sintesis yang merupakan campuran dari H2, CO, CO2, N2, O2 dan sisa CH4 serta H2O, keluar steam reformer pada suhu 825,48^oC, kemudian panasnya dimanfaatkan untuk membuat steam di waste heat boiler (WHB-01).

Selanjutnya gas sintesis dilewatkan melalui kondensor parsial (CP-02)

28 r1

r2

untuk menghilangkan sebagian air. Lalu gas sintesis dinaikkan tekanan dan diturunkan suhunya menjadi 50 bar dan 210^oC.

2.3.3.3. Tahap Pembentukan Metanol

Tahap pembentukan metanol terjadi pada tekanan 50 bar suhu 210^oC dalam reaktor fixed bed multitube (R-02) dengan katalis Zn/CuO/Al2O3. Reaksi yang terjadi pada tahap ini adalah sebagai berikut:

Reaksi utama : CO(g) + H2(g) CH3OH(g) (2.17) Reaksi samping: CO2 (g) + H2(g) CH3OH (g) + H2O(g) (2.18)

Secara keseluruhan reaksi bersifat eksotermis sehingga dialirkan air sebagai pendingin.

2.3.3.4. Tahap Pemurnian Produk

Produk keluaran reaktor sintesis metanol diturunkan tekanannya menjadi 1,04 bar dan dimasukkan ke dalam kondensor parsial (CP-03) untuk dipisahkan crude methanol dari sisa gas yang tidak bereaksi.

Selanjutnya crude methanol dipurifikasi lebih lanjut melalui proses distilasi dalam menara distilasi sehingga didapatkan kemurnian metanol 99,85%.

2.4 Neraca Massa dan Neraca Panas

Produk : Metanol 99,85% (wt/wt)

Kapasitas : 50.000 ton/tahun

Satu tahun produksi : 330 hari Waktu satu hari operasi : 24 jam 2.4.1 Neraca Massa

Basis perhitungan : 1 jam operasi

Satuan arus : kg/jam

Arus masuk dan arus keluar serta neraca massa keseluruhan proses dapat dilihat pada Gambar 2.3. dan Tabel 2.11.

29

Gambar 2. 3 Arus Masuk dan Keluar Proses Pabrik

Tabel 2. 11 Neraca Massa Keseluruhan

Komponen

Masuk Keluar

Arus 1 Arus 7 Arus 8 Arus 5 Arus 13 Arus 16 Arus 18 Arus 19

CH4 3.635,63 0 0 0 0 234,86 0 0

CO2 4.142,73 0 0 4.142,31 0 333,15 0 0

H2O 200,99 40,21 12.247,57 40,21 8.162,97 0,21 9,47 320,92

O2 189,66 0 0 0 0 189,66 0 0

N2 156,26 0 0 0 0 156,26 0 0

H2S 59,25 0 0 59,25 0 0 0 0

NH3 29,69 0 0 29,69 0 0 0 0

H2 3,51 0 0 0 0 506,84 0 0

MEA 0 0 0 0 0 0 0 0

CO 0 0 0 0 0 210,13 0 0

CH3OH 0 0 0 0 0 5,86 6.303,66 0,06

Total

8.417,72 40,21 12.247,57 4.271,46 8.162,97 1.636,96 6.313,13 320,98

20.705,5 20.705,5

Dari data neraca massa total pada tabel 2.11, dihitung kebutuhan spesifik bahan baku dan produk samping terhadap massa produk utama. Produk utama pabrik ini merupakan metanol yang ditunjukkan pada arus 18 dengan laju alir sebesar 6.313,13 kg/jam. Kebutuhan bahan baku spesifik pada arus 1 sebesar 1,33 kg biogas/kg metanol dan pada arus 8 sebesar 1,94 kg steam/kg metanol.

PROSES Arus 1

Arus 7

Arus 5 Arus 13 Arus 16 Arus 18 Arus 8

Arus 19

30 2.4.2 Neraca Panas

Basis perhtungan : 1 (satu) jam operasi Satuan arus : kJ/jam

Neraca panas keseluruhan pabrik metanol dijabarkan pada tabel 2.12.

Tabel 2. 12 Neraca Panas Keseluruhan

Komponen Masuk Keluar

Q1 63.825,79 0

QK-01 1.199.734,95 0

QHE-01 0 989.262,10

QK-02 1.264.759,40 0

QHE-02 0 1.346.686,23

QAB-01 3.165.261,47 0

QPV-01 0 736.319,36

QHE-04 675.700,46 0

QRB-01 2.658.502,35 0

Q5 0 47.776,38

QCP-01 0 4.329.268,03

Q7 842,59 0

Q8 20.154.303,12 0

Qbiogas 104.666,47 0

Qudara 578.930,44 0

Qpembakaran 85.043.091,44 0

Qloss 0 11.077.626,39

Qflue gas 0 64.679.198,21

Qpemanas R-01 48.727.100,10 0

ΔHR° R-01 0 43.225.260,96

QWHB-01 0 30.607.897,82

QCP-02 0 3.281.276,55

Q13 0 1.108.212,99

QK-03 4.075.084,00 0

Qpendingin R-02 0 18.872.475,38

ΔHR° R-02 17.755.450,24 0

QEXP-01 0 2.661.278,23

QCP-03 0 630.765,27

Q16 0 174.128,28

31

Tabel 2. 13 Neraca Panas Keseluruhan (lanjutan)

Komponen Masuk Keluar

QHE-05 5.795.794,43 0

QRB-02 3.050.714,90 0

QCD-01 0 10.161.450,73

Q19 0 101.520,83

Q18 0 158.500,56

QHE-06 0 480.299,84

Total 194.603.289 194.603.289

2.5

Tata Letak Pabrik dan Peralatan Proses 2.5.1 Tata Letak Pabrik

Tata letak pabrik merupakan suatu pengaturan yang optimal dari seperangkat fasilitas-fasilitas dalam pabrik. Tata letak yang tepat sangat penting untuk mendapatkan efisiensi, keselamatan, dan kelancaran kerja para pekerja serta keselamatan proses. Tata letak pabrik dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Supaya mencapai kondisi yang optimal, maka hal-hal yang harus diperhatikan dalam menentukan tata letak pabrik adalah (Frank C. Vilbrandt

& Charles E. Dryden, 1959) :

1. Pabrik metanol ini merupakan pabrik baru (bukan pengembangan), sehingga penentuan tata letak tidak dibatasi oleh bangunan yang ada.

2. Kemungkinan perluasan pabrik sebagai pengembangan pabrik di masa depan.

3. Faktor keamanan sangat diperlukan untuk bahaya kebakaran dan ledakan, maka perencanaan tata letak selalu diusahakan jauh dari sumber api, bahan panas, dan dari bahan yang mudah meledak, juga jauh dari asap atau gas beracun.

4. Sistem konstruksi yang direncanakan adalah out door untuk menekan biaya bangunan dan gedung, dan juga karena iklim Indonesia memungkinkan konstruksi secara out door.

32

5. Harga tanah amat tinggi sehingga diperlukan efisiensi dalam pemakaian dan pengaturan ruangan/lahan.

Secara garis besar tata letak dibagi menjadi beberapa bagian utama, yaitu : 1. Daerah administrasi/perkantoran, laboratorium dan ruang kontrol

• Daerah administrasi merupakan pusat kegiatan administrasi pabrik yang mengatur kelancaran operasi.

• Daerah Laboratorium dan ruang kontrol merupakan pusat pengendalian proses serta produk yang dijual.

2. Daerah proses

Daerah proses merupakan daerah dimana alat proses diletakkan dan proses berlangsung.

3. Daerah pergudangan umum, bengkel dan garasi.

Merupakan daerah untuk menampung bahan-bahan yang diperlukan oleh pabrik dan untuk keperluan perawatan peralatan proses.

4. Daerah utilitas

Daerah utilitas merupakan daerah dimana kegiatan penyediaan bahan pendukung proses berlangsung dipusatkan.

5. Daerah fasilitas umum

Daerah fasilitas umum merupakan daerah penunjang segala aktivitas pabrik dalam pemenuhan kepentingan kerja seperti tempat parkir, masjid dan kantin.

33

Gambar 2. 4 Tata Letak Pabrik 2.5.2 Tata Letak Peralatan

Tata letak peralatan dapat dilihat pada Gambar 2.5. Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menentukan tata letak peralatan proses pada pabrik metanol, antara lain (Frank C. Vilbrandt & Charles E. Dryden, 1959):

1. Aliran bahan baku dan produk

Pengaliran bahan baku dan produk yang tepat akan memberikan keuntungan ekonomi yang besar serta menunjang kelancaran dan keamanan produksi.

2. Aliran udara

34

Aliran udara di dalam dan di sekitar area proses perlu diperhatikan kelancarannya. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya stagnasi udara pada suatu tempat sehingga mengakibatkan akumulasi bahan kimia yang dapat mengancam keselamatan pekerja.

3. Cahaya

Penerangan seluruh pabrik harus memadai dan pada tempat-tempat proses yang berbahaya atau beresiko tinggi perlu adanya penerangan tambahan.

4. Lalu lintas manusia

Dalam perancangan tata letak pabrik perlu diperhatikan agar pekerja dapat mencapai seluruh alat proses dangan cepat dan mudah. Hal ini bertujuan apabila terjadi gangguan pada alat proses dapat segera diperbaiki. Keamanan pekerja selama menjalani tugasnya juga diprioritaskan.

5. Pertimbangan ekonomi

Dalam menempatkan alat-alat proses diusahakan dapat menekan biaya operasi dan menjamin kelancaran dan keamanan produksi pabrik.

6. Jarak antar alat proses

Untuk alat proses yang mempunyai suhu dan tekanan operasi tinggi sebaiknya dipisahkan dengan alat proses lainnya, sehingga apabila terjadi ledakan atau kebakaran pada alat tersebut maka kerusakan dapat dieliminasi.

Tata letak alat-alat proses harus dirancang sedemikian rupa sehingga:

1. Kelancaran proses produksi dapat terjamin.

2. Dapat mengefektifkan luas lahan yang tersedia.

3. Biaya kapital handling menjadi rendah dan dapat menghemat pengeluaran untuk kapital yang kurang penting.

4. Karyawan mendapat kepuasan kerja agar dapat meningkatkan produktivitas kerja disamping keamanan yang terjadi.

35

Gambar 2. 5 Tata Letak Peralatan Proses