BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Pertambahan jumlah kendaraan bermotor yang terus meningkat di Indonesia menyebabkan pula tingginya kebutuhan bahan bakar minyak (BBM). Sebagian besar kendaraan bermotor yang terdapat di Indonesia mengkonsumsi BBM dalam bentuk bensin. Hal ini menyebabkan konsumsi bensin Indonesia saat ini mencapai sekitar 75 juta barel tiap tahunnya. Selain besarnya jumlah BBM yang harus tersedia untuk memenuhi kebutuhan tersebut, diperlukan pula peningkatan kualitas BBM yang dikonsumsi. Rendahnya kualitas BBM bisa menyebabkan ketidaksempurnaan pembakaran yang berakibat pada borosnya konsumsi BBM dan timbulnya polusi udara. Salah satu besaran penting yang menentukan kualitas BBM jenis bensin adalah besarnya bilangan oktan. Bilangan oktan merupakan suatu besaran yang menggambarkan kemudahan bensin untuk terbakar di dalam mesin.
Salah satu cara untuk mengatasi hal tersebut adalah dengan penambahan bahan (aditif) pada bensin yang dapat meningkatkan bilangan oktan dan kandungan oksigennya. ETBE (Etil Tersier Butil Eter) merupakan salah satu dari eter komersial yang digunakan sebagai zat aditif untuk meningkatkan kualitas bensin melalui peningkatan bilangan oktan dan kandungan oksigennya. ETBE (Ethyl Tertier Butyl Ether) merupakan salah satu senyawa oksigenat jenis eter yang dapat dijadikan sebagai zat aditif untuk meningkatkan bilangan oktan.
Semakin lama, jumlah populasi kendaraan bermotor meningkat sangat drastis dengan tidak diimbangi jumlah produksi dalam negeri. Sehingga sangat diperlukan ETBE dalam rangka mengurangi tingkat keborosan bahan bakar bensin. Adapun data peningkatan jumlah kendaraan bermotor 5 tahun terakhir adalah sebagai berikut :
Tahun Mobil Bis Truk Sepeda Jumlah berpenumpang motor 2009 7.910.407 2.160.973 4.452.343 52.767.093 67.336.644 2010 8.891.041 2.250.109 4.687.789 61.078.188 76.907.127 2011 9.548.866 2.254.406 4.958.738 68.839.341 85.601.351 2012 10.432.259 2.273.821 5.286.061 76.381.183 94.373.324
Sehingga dari aspek pasar, produk ETBE sangat dibutuhkan dalam industri bahan bakar, terutama bensin. Bukan hanya sekedar meningkatkan kualitas bensin, tetapi juga mereduksi kadar CO yang bersifat racun.
B. Tinjauan Pustaka
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 :
Ada beberapa jenis proses yang dapat digunakan untuk membuat formaldehyde. Proses-proses tersebut (Kirk and Othmer, 1994) adalah :
1. Produksi ETBE dalam reaktor isotermal dengan melakukan pemisahan secara destilasi
Proses produksi ETBE pada teknologi proses ini dilakukan dengan cara 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 pemisahan produknya menggunakan metode distilasi dapat dilihat pada Gambar 1.
Selanjutnya untuk aliran bahan dan kebutuhan investasi produksi ETBE dengan pemisahan secara distilasi dapat dilihat pada tabel 1.
Gambar 1. Skema teknologi untuk produksi ETBE pada reactor isothermal dimana pemisahan produknya menggunakan metode distilasi (Mikus et al 2013)
Tabel 1. Aliran bahan dan kebutuhan investasi produksi ETBE dengan pemisahan secara distilasi (Mikus et al 2013)
Stream 7 C4 Distilasi ETBE + TBA Distilate ETBE
Mass flow (kg/jam) 992,9 85 539,1 50,1 489
Temperatur (o C) 40 13 85 51,8 91,1
Tekanan (Mpa) 2 0,2 0,2 0,2 0,2
Component Content/mass flow %
1-Butane 32,8 78 0,7 6,8 -Butena 7,6 17,2 0,7 7,2 -2-Metilpropen 2 4,8 - 0,4 -Etanol 1,7 - 2,9 12,8 1,9 Air 0,2 - 0,3 0,9 0,2 ETBE 54,7 - 93,7 68,8 96,2 TBA 1 - 1,7 3,1 1,6
Peralatan Ukuran Biaya (€) Bahan Jumlah Biaya (€) Mixer (MIX) 1,4 m3h-1 14312 Steam 0,99 GJh-1 80387 Pump (PUMP) 1,4 m3h-1 2317 Elektricity 2,25 kW 1838 Reaktor (REACTOR) 0,25 m3 57900 Cooling 30,8 m3h-1 251420
water Destilasi kolom
(RK1) 28 stage 49952 Ethanol 5,5 kmol h-1 523884 (D=0,42 m) C4 fraction 12 kmol h-1 628661 Destilasi kolom
(RK2) 12 stage 20399 Catalyst 150 kg 899
(D=0,15 m)
Equipment cost 144881
Material and power
media 1487089
costs
Total investment capital 761420 Income (ETBE) 3074053
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 2.
Gambar 2. Skema produksi ETBE pada reactor isothermal dengan pemisahan produknya menggunakan metode ekstraksi (Mikus et al 2013)
Tabel 2. Aliran bahan dan investasi produksi ETBE dengan pemisahan secara ekstraksi (Mikus et al 2013)
Stream 2 S1-DE-C4 S1-ZV Raffinate Extract
Mass flow (kg/jam) 992,9 382,5 610 570,4 670
Temperatur (o C) 40 13 87 94 75
Tekanan (Mpa) 2 0,2 0,2 0,2 0,2
Component Content/mass flow % 1-Butane 30,5 79,2 - - -Butena 7,0 18,2 - - -2-Metilpropen 1 2,6 - - -Etanol 4,7 - 7,6 - 6,9 Air 0,8 - 1,4 7,3 89,2 ETBE 53,5 - 87 90,4 2,2 TBA 2,5 - 4 2,3 1,7
Peralatan Ukuran Biaya (€) Bahan Jumlah Biaya (€) Mixer (MIX-ETOH) 0,5 m3h-1 7877 Steam 0,75 GJ/hod 61354 Mixer (MIX-FEED) 1,5 m3h-1 14897 Elektricity 2,78 kW 2014 Mixer (MIX-EXT) 0,7 m3h-1 9574 Cooling 14,3 m3h-1 116429
Water
Reactor (REACTOR) 0,25 m3 57900 Ethanol 5,3 kmol h-1 501380 Pump (PUMP 1) 0,7 m3h-1 3363 C4 fraction 12 kmol h-1 628661 Pump (PUMP 2) 1,5 m3h-1 2518 Catalyst 150 kg 899 Destilasi kolom 18 stage 27756 Water for 0,04 m3h-1 32640
(SEP1-C4) (D=0,27 m) extraction Destilasi kolom 12 stage 30314
(SEP2-EC) (D=0,42 m)
Extraction column 12 stage 6283
(EXT) (D=0,3 m)
Equipment cost 159088
Material and power
media 1343377
costs
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 peralatan ini akan terjadi kombinasi antara reaktor kimia dan unit separasi.
Reaktor 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 3.
Gambar 3. Skema produksi ETBE pada reaktor straight pass yang dikombinasikan dengan catalytic distillation column reactor (Mikus et al 2013)
Tabel 3. 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
Mass flow (kg/jam) 931,9 380 553 Temperatur (o C) 40 107,1 210,3
Tekanan (Mpa) 2 2 2
Component Content/mass flow %
1-Butane 32,5 79,7 -Butena 7,5 18,4 -2-Metilpropen 4,7 - -Etanol 4,2 0,6 0,2 Air 0,4 - 0,7 ETBE 50,6 1,2 99,1 TBA 32,5 79,7
-Peralatan Ukuran Biaya (€) Bahan Jumlah Biaya (€) Mixer (MIX) 1,5 m3h-1 14897 Steam 0,72 GJ/hod 58399 Pump (PUMP) 1,5 m3h-1 2284 Elektricity 2,16 kW 1763 Reaktor (REACTOR) 0,25 m3 57900 Cooling 7,8 m3h-1 63561
water
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 1298315
costs
Total investment capital 956798 Income (ETBE) 3470209
Kelebihan dan kelemahan tiap proses
Dari data analisis yang disebutkan sebelumnya, dapat dilihat kelebihan dan kekurangan tiap-tiap proses. Dalam setiap teknologi proses, masing-masing teknologi proses memiliki kelebihan dan kekurangan dari segi kemurnian produk, produk yang dihasilkan, biaya peralatan, biaya bahan baku media, total investasi modal, dan pemasukan dari proses produksi ETBE tersebut. Adapun data masing-masing teknologi proses kelebihan dan kekurangannya dalam dilihat dalam tabel di
bawah ini :
Tabel 4. Kriteria dalam teknologi produksi ETBE (Mikus et al 2013)
Kemurni an Hasil Biaya Biaya bahan Total modal Pemasuk an
Teknologi Peralatan baku dan
(%) (kg/jam ) investasi (€) (ETBE) (€) (€) media (€) Proses produksi ETBE dengan pemisahan 96,2 493 144881 1487089 761420 3074053 secara distilasi Proses produksi ETBE dengan pemisahan 90,4 570 159088 1343377 - - secara ekstraksi Proses produksi ETBE dengan kombinasi reactor straight 99,1 553 182057 1298315 956798 3470209 pass dengan distilasi kolom reaktif
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 4.
Pada tabel 4 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 distilasi kolom reaktif. Dapat dilihat pada tabel 4, apabila ditinjau dari tingkat 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. Tetapi dalam rangka penyusunan prarancangan ini, tidak diutamakan proses yang paling baik sebagai pilihan, melaikan proses yang feasible. Jadi proses yang menjadi dapat menjadi pilihan yaitu proses destilasi dan kombinasi reactor dengan distilasi kolom reaktif. Disini walaupun secara analisis dilihat dari segi
tingkat kemurnian, kuantitas produk yang dihasilkan, biaya annual yang dikeluarkan, serta pemasukan yang dihasilkan proses kombinasi reactor dengan distilasi kolom reaktif merupakan yang terbaik. Kami memutuskan menggunakan proses secara destilasi dengan pertimbangan ketersediaan data yang lebih baik dan secara proses lebih sederhana.
