8 BAB II
STUDI KELAYAKAN AWAL
2.1 Seleksi Proses
Dalam pembuatan light olefin terdapat tiga tahapan proses yang akan dilakukan, yaitu proses gasifikasi yang berasal dari batu bara, pembuatan metanol, dan pembuatan Methanol To Olefin. Sebelum memproduksi gas carbon, metanol, dan olefin dilakukan seleksi proses untuk menghasilkan produk yang diinginkan.
2.1.1 Gasifikasi
Gasifikasi adalah proses suatu proses perubahan bahan bakar padat secara termokimia menjadi suatu gas, di mana udara yang diperlukan lebih rendah daripada udara yang digunakan untuk proses pembakaran. Media yang biasanya digunakan pada proses gasifikasi ialah udara dan uap. Produk yang dihasilkan dapat dikategorikan menjadi tiga bagian utama, yaitu padatan, cairan (termasuk gas yang dapat dikondensasikan) dan gas permanen. Proses gasifikasi dalam pabrik ini sangat dibutuhkan untuk mengubah batu bara menjadi bahan gas yang dapat digunakan dalam proses selanjutnya. Proses gasifikasi pada dasarnya merupakan proses oksidasi gas hasil pirolisa pada suhu sekitar 150oC – 900oC , diikuti dengan proses oksidasi gas hasil pirolisa pada suhu 900oC – 1.400oC, serta proses reduksi pada suhu 600oC – 900oC.
Pada proses pirolisa dan reduksi proses ini berlangsung dalam reaktor gasifikasi terjadi dengan menggunakan panas yang diperoleh dari proses oksidasi. Proses gasifikasi batu bara berlangsung dalam keadaan kekurangan oksigen. Dalam hal ini, gasifikasi batu bara dipahami sebagai reaksi oksidasi parsial batu bara menghasilkan campuran gas yang masih dapat dioksidasi lebih lanjut (bahan bakar).
Dari proses gasifikasi batu bara ini, diperoleh campuran beberapa macam gas.
Komponen bahan bakar dalam gas batu bara adalah H2 dan CO. Kandungan CO dalam batu bara 15 – 30% , sedangkan nilai dari H2 sebesar 10 – 20%. Dalam proses gasifikasi
9 terdapat beberapa teknologi yang dapat digunakan, teknologi yang biasa digunakan dapat disajikan pada tabel 2.1 berikut.
Tabel 2.1 Teknologi Gasifikasi Batu Bara
No. Licensor Cara Kontak Kondisi
Operasi
Yield (%)
1. Lurgi Fix Bed T = 1.000oC
P = 20-30 atm
< 95
2. Winkler Fluidized Bed T = 800-
9.000oC P = atmosferik
< 95
3. Kopper Totzek Entrained Phase
T = 1.500 – 1.700oC P = atmosferik
95
4. Otto-Rummel Molten Bath T = 1.400 – 1.700oC P = atmosferik
< 95
(Hafan, 2013)
2.1.2 H2S Removal
H2S (hydrogen sulfida) merupakan senyawa yang sangat beracun, senyawa ini dapat menimbulkan gangguan pada mata, hidung dan tenggorokan pada konsentrasi yang rendah (5 ppm) dan dapat menjadi mematikan pada konsentrasi di atas 1000 ppm.
H2S juga termasuk kedalam senyawa yang bersifat korosif sehingga dapat merusak alat dan juga meracuni katalis yang digunakan dalam proses. Oleh karena itu, proses removal H2S sangat dibutuhkan dalam desain pabrik ini. Terdapat dua teknologi removal H2S yang dapat diaplikasikan pada proses gasifikasi yaitu pelarut fisika dan kimia. Karena proses gasifikasi yang akan dilakukan menggunakan tekanan yang tinggi yaitu sekitar 12 bar. Maka akan digunakan pelarut fisika. Karena pelarut fisika lebih banyak digunakan pada tekanan yang sangat tinggi.
10 Pelarut yang akan digunakan adalah pelarut Dimethyl Ether Pentaethylene Glycol (DMEPG) dengan tingkat absorpsi H2S hampir mencapai 90%. Dengan menggunakan alat berupa absorber dan stripper, maka kandungan H2S dapat dikurangi secara siginifikan dengan proses ini.
2.1.3 Pembuatan Metanol (CH3OH) A. Sintesis Metanol
Proses produksi metanol umumnya dapat menggunakan metode sintesis metanol. Sintesis metanol dilakukan pada kisaran tekanan 50 – 80 bar dengan suhu antara 200oC – 300oC yang ditutup oleh shell. Proses recycle sintesis gas yang belum terkonversi, dapat dilakukan dalam proses sintesis metanol karena konversi reaksi dibatasi oleh kesetimbanagan termodinamika.
Dalam proses sintesis metanol, terdapat reaksi hidrogenasi di dalamnya. Reaksi hidrogenasi merupakan reaksi antara karbon dioksida dengan hidrogen yang dibantu oleh adanya katalis di dalam reaksinya. Secara umum, reaksi sintesis metanol pada fase gas dapat disajikan sebagai berikut :
CO2(g) + 3H2(g) → CH3OH (g) + H2O (g)
∆H300K = -49,16 kJ/mol
Reaksi di atas ialah reaksi eksotermis dan terjadi penurunan mol dan volume. Untuk mencapai konversi yang tinggi, maka sesuai dengan prinsip kesetimbangan, maka proses yang dipilih ialah dengan tekanan tinggi dan suhu yang rendah. Dari hal tersebut, diperlukan proses optimasi suhu agar didapatkan konversi yang tinggi sehingga menghasilkan produk yang sesuai dengan kebutuhan pabrik.
Dari proses ini, digunakan berbagai macam katalis. Katalis yang biasa digunakan merupakan katalis yang berbasis logam, selain mudah untuk didapatkan katalis yang berbasis logam juga lebih murah serta memiliki aktivitas katalis yang tinggi. Tabel 2.2 merupakan daftar katalis yang biasanya digunakan dalam proses sintesis metanol.
11 Tabel 2.2 Katalis yang Digunakan dalam Proses Sintesis Metanol
No. Jenis Katalis Hasil Referensi
1. Cu/ZnO/Al2O3/ZrO2 Konversi CO mencapai 38,5%
dengan katalis Cu/ZnO/Al2O3/ZrO2
pada suhu 250oC.
Nilai selektivitas yang dihasilkan sebesar 94,1%.
(Lim, 2009)
2. Ni/Ce-Zr-O Konversi mencapai
49,66% dengan katalis Ce-Zre- O pada suhu 750oC. Ni/Ce-Zre- O katalis melakukan aktivitas tinggi, stabilitas dan selektivitas di konversi CO2
menjadi CO pada suhu tinggi.
(Feng-man Sun, 2015)
3. CuO-ZnO-ZrO2 Katalis CuO-ZnO-ZrO2
yang dibuat dengan 1,0%
(T.Phongamwong, 2017)
berat silika menunjukkan peningkatan metanol. Aktivitas sintesis CO2 dikonversi menjadi metanol didapatkan hasil 5,0%
pada suhu 240oC.
4. CuO/ZnO/Al2O3 Katalis CuO/ZnO/Al2O3 pada
pembuatan metanol
menghasilkan produksi CO2 dan metanol dengan konversi berturut-turut 50% dan 103%.
(Samimi, 2017)
12 Tabel 2.3 Katalis yang Digunakan dalam Proses Sintesis Metanol (Lanjutan) 5. Zeolite Alam Derajat konversi CO2 tertinggi,
yaitu sebesar 92% dicapai pada penggunaan katalis zeolite alam dan temperature reaksi 500oC
(Samsyudin,2018)
13 Selain berbagai macam katalis yang digunakan, terdapat beberapa proses pembentukkan metanol dengan parameter tekanan.
Adapun perbandingan proses-proses tersebut, disajikan pada tabel 2.4.
Tabel 2.4 Perbandingan Proses Sintesis Metanol
No. Spesifikasi ICI Lurgi MGC Kellog Nissui Topsoe
1. Kondisi Operasi : Tekanan (bar) Suhu (oC)
50-100 220-260
40-100 220-260
50-150 200-280
100-150 200-280
100-200 200-280
2. Reaktor : - Jenis - Jumlah
Quench 1
Shell & Tube 1
Annular 1
Adiabatis (aksial) 1
Adiabatis (radial)
14 Tabel 2.5 Perbandingan Proses Sintesis Metanol (Lanjutan)
3. Kelebihan Paling banyak digunakan
Efesiensi termal dan selektivitas yang tinggi, serta suhu lebih stabil
Profil suhu ideal, penggunaan katalis sedikit.
Kecepatan dan kapasitas produksi tinggi
Kecepatan dan kapasitas
produksi tinggi
4. Kekurangan Efesiensi termal rendah, dapat terjadi kerusakan katalis
Penggunaan kapasitas yang terbatas
Terlalu rumit dan memakan biaya tinggi
Tingginya kondisi operasi,
menurunkan selektivitas
Tingginya kondisi operasi,
menurunkan selektivitas
15 2.1.3 Proses Methanol to Olefin (MTO)
Metanol yang akan digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan light olefin ini merupakan komponen yang sangat sensitif terhadap katalis karena aktifitasnya yang tinggi. Untuk mendapatkan prouk hidrokarbon berupa light olefin dengan proses katalisasi dengan zeolit bersifat asam yang kemudian disebut dengan proses MTO. Walaupun reaktan yang digunakan memiliki susunan molekul yang kecil dan sederhana, tetapi reaksi untuk mendapatkan produk hidrokarbon ini sangat rumit dengan hasil produk yang sangat bervariasi dari pemakaian katalis zeolit yang berbeda.
Proses MTO adalah reaksi autokatalitik dimana pada saat awal pembentukan dari sejumlah kecil produk akan menuntun ke peningkatan konversi metanol hingga periode produksi yang efisien tercapai. Proses MTO terdiri dari tiga kategori reaksi yaitu: 1) Pembentukan dimetil eter (DME), 2) Pembentukan rantai awal C – C, dan 3) konversi produk utama yaitu berupa light olefin ke produk olefin yang lebih tinggi. Secara keseluruhan, stoikiometri dari proses MTO adalah sebagai berikut :
CH3OH ➔ [CH2] + H2O
Dimana CH2 adalah komposisi rata rata dari produk hidrokarbon. Secara lebih detail, langkah langkah dari reaksi utama proses MTO ini adalah sebagai berikut
2CH3OH ↔ CH3OCH3 ➔ Light Olefin ➔ Higher Olefin + n/iso – paraffin + aromatics + Naphthenes
Telah disebutkan bahwa proses MTO adalah proses yang sangat bergantung pada katalis yang digunakan. Hingga saat ini, terdapat dua katalis yang umum digunakan untuk proses MTO ini. Perbandingan dari kedua katalis tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.6.
Tabel 2.6 Perbandingan Katalis dalam Proses MTO
Parameter SAPO-34 ZSM-5
Suhu operasi (oC) 550 500 – 550
Tekanan (atm) 1 0.1 – 0.4
WHSV (h-1) 5-7 1
Konversi (%) 100 100
16 Tabel 2.7 Perbandingan Katalis dalam Proses MTO (Lanjutan)
Selektivitas Etilena (%) 50-60 27-32
Selektivitas Propilena (%) 20-25 36-41
2.2 Deskripsi Proses
Proses produksi diawali dengan proses pengecilan ukuran batubara berjenis sub-bituminus untuk selanjutnya digunakan dalam proses gasifikasi untuk menghasilkan synthetic gas (syngas). Batubara dialirkan dari loading site menuju ke crusher untuk pengecilan ukuran dari batubara. Batubara yang telah dikecilkan begitu juga dengan steam dan oksigen kemudian dialirkan menuju reaktor berjenis fluidized bed dengan suhu operasi sekitar 800-900oC dan tekanan maksimum 12 bar. Gas yang dihasilkan kemudian masuk ke dalam cyclone untuk membersihkan gas hasil gasifikasi dari partikel partikel batubara halus yang mungkin masih tersisa.
Syngas yang dihasilkan para proses gasifikasi ini masih mengandung senyawa H2S yang sangat berbahaya baik bagi manusia dan lingkungan maupun unit operasi.
Syngas ini dibersihkan melalui kolom absorber untuk dibersihkan dari senyawa H2S dengan menggunakan physical solvent berupa SELEXOL. Syngas yang telah bersih kemudian akan keluar pada bagian atas kolom absorber sedangkan SELEXOL yang telah mengabsorb H2S akan diregenerasi melalui kolom stripper agar dapat digunakan kembali.
Syngas yang telah dibersihkan kemudian akan disintesis dengan hidrogen untuk mendapakan metanol dengan menggunakan reaktor fixed bed tubular dengan suhu sekitar 200 – 300oC dan tekanan sekitar 50-80 bar dengan menggunakan katalis CuO – ZnO – ZrO2. Metanol yang dihasilkan kemudian masuk ke proses separasi berupa kolom distilasi untuk mendapatkan metanol dengan kemurnian yang lebih tinggi.
Metanol yang dihasilkan kemudian masuk kedalam proses MTO yang menggunakan reaktor fluidized bed dengan suhu operasi 550oC dan tekanan 1 atm dengan menggunakan katalis SAPO-34 agar selektivitas etilena yang dihasilkan lebih tinggi dari propilena. Produk campuran yang dihasilkan kemudian melewati proses
17 pemisahan untuk menghilangkan kandungan air, metana dan CO2. Kemudian melewati tahap pemisahan selanjutnya untuk memisahkan produk etilena dengan propilena sehingga didapatkan produk etilena dan propilena dengan kemurnian yang tinggi.
2.3 Spesifikasi Bahan dan Produk 2.3.1 Bahan Baku Utama
Untuk memproduksi Light Olefin, bahan baku utama yang dibutuhkan yaitu batu bara, air (H2O), oksigen (O2)
A. Batu Bara
Batu bara merupakan bahan bakar fosil yang diciptakan dari sisa – sisa tanaman yang hidup dan mati sekitar 100 – 400 juta tahun yang lalu, struktur utama yang tersusun dalam batuan ini merupakan senyawa – senyawa aromatik dan hidroaromatik (Bhutto, 2013). Kandungan serta sifat yang dimiliki oleh batu bara ini, disajikan dalam tabel 2.8 sebagai berikut.
Tabel 2.8 Spesifikasi Batu Bara
Sifat – Sifat Fisis Satuan Nilai
Rumus Molekul C75H5O20
Titik Nyala oC >200
Titik Leleh oC 30 - 180
Suhu Penyalaan Otomatis
oC >500
Massa Jenis kg/m3 1.1 – 1.5
Kalor Btu/lb 8.300 – 13.000
H2O % 23,4
Fixed Carbon % 37,01
Volatile Matter % 43,10
Ash % 3,77
Moisture Content % 16,11
(KPC, 2019)
18 B. Air (H2O)
Air (H2O) merupakan senyawa kimia yang terdiri dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Nama air mengacu pada keadaan cair senyawa, air juga membentuk cairan superkritis. Spesifikasi yang dimiliki oleh air, disajikan dalam tabel 2.9 berikut.
Tabel 2.9 Spesifikasi Air (H2O)
Sifat – Sifat Fisik Satuan Nilai
Rumus Molekul H2O
Berat Molekul g/mol 18
Warna Tidak Berwarna
pH 7
Titik Didih oC 100
Titik Leleh oC 0
Viskositas cP 1,002
Suhu Kritis oC 374,1
Tekanan Kritis atm 218,3
Tekanan Uap mm Hg 17,535
Massa Jenis g/ml 0,99823
(MSDS, 2012) C. Oksigen (O2)
Oksigen ialah elemen non-logam yang merupakan gas yang mengandung dua atom oksigen. Dalam pabrik yang akan dirancang oksigen berperan sebagai pemacu agar proses pembakaran dapat terjadi. Adapun tabel 2.10 yang telah disajikan merupakan spesifikasi dari oksigen.
19 Tabel 2.10 Spesifikasi Oksigen
Sifat – Sifat Fisik Satuan Nilai
Rumus Molekul O2
Berat Molekul 32
Spesifik Volume saat suhu 20oC
ml/g 755
Titik Didih pada tekanan 1 atm
oC 183
Massa Jenis saat 1 atm dan 20oC
kg/m3 1,33
Warna Tidak Berwarna
(MSDS, 2017)
2.3.2 Produk Utama
Dalam pra-rancangan pabrik light olefin produk utama yang dihasilkan dalam proses ini ialah etilena, propilena dan butena. Berikut merupakan spesifikasi dari produk yang dihasilkan.
A. Etilena (C2H4)
Etilena merupakan senyawa organic yang paling sederhana, dikenal sebagai alkena yang mengandung ikatan ganda karbon – karbon. Etilena digunakan sebagai perantara dalam industry kimia dan juga digunakan untuk produksi plastik. Spesifikasi etilena disajikan pada tabel 2.11 sebagai berikut.
Tabel 2.11 Spesifikasi Etilena (C2H4)
Sifat – Sifat Fisik Satuan Nilai
Rumus Molekul C2H4
Warna Tidak Berwarna
Titik Leleh oC -169,15
Titik Didih oC -103,77
Suhu Kritis oC 9,95
20 Tabel 2.12 Spesifikasi Etilena (C2H4) (Lanjutan)
Titik Nyala oC -135,85
Spesifik Volume ft3/lb 13,8007
Massa Jenis Gas lb/ft3 0,07246
Kelarutan g/l 0,13
(MSDS, 2018)
B. Propilena (C3H6)
Propilena merupakan salah satu hidrokarbon yang masuk dalam kelompok olefin yang memiliki banyak kegunaan pada industry kimia. Propilena banyak digunakan sebagai gas bahan bakar oksigen berkecepatan tinggi, industry kimia serta pabrik pembuatan plastik. Spesifikasi propilena disajikan dalam tabel 2.13 sebagai berikut.
Tabel 2.13 Spesifikasi Propilena (C3H6)
Sifat – Sifat Fisik Satuan Nilai
Rumus Molekul C3H6
Titik Beku oC -185,25
Titik Didih oC -47,7
Titik Nyala oC -107,8
Suhu Kritis oC 91,8
Tekanan Uap saat 21,1oC
atm 1
Massa Jenis saat 20oC g/cm3 0,5139
(MSDS, 2018)
C. Butana (C4H10)
Butena merupakan senyawa alkena yang tergolong hidrokarbon tidak jenuh yang mengandung satu ikatan rangkap dua diantara dua atom C yang berurutan.
Spesifikasi butena disajikan dalam tabel 2.14 sebagai berikut.
21 Tabel 2.14 Spesifikasi Butana (C4H10)
Sifat – Sifat Fisik Satuan Nilai
Rumus Molekul C4H8
Massa Molekul g/mol 58,14
Warna Tidak Berwarna
Titik Leleh oC -138
Titik Didih oC -0,5
Suhu Kritis oC 151,82
Tekanan Uap kPa 242,65
Massa Jenis saat 20oC kg/m3 2,544
(MSDS, 2019)
