PERANCANGAN PABRIK METHIL TERTIER BUTHYL ETHER (MTBE) DARI TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT

(TKKS)

Kelompok 1

Daud Geraldy Siahaan F34100001Ismanda Hary Sucipto F34100002Rista Fitria F34100003Nadhif Nabhan Rabbani F34100004Moh. Achor Mardliyan F34100005Novi Kurniawan F34100006Krisna Cahyo Prastyo F34100008M. Yusuf Hasibuan F34100011

DEPARTEMEN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIANFAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGORBOGOR

2013RINGKASAN

MTBE (Metil Tertier Butil Eter) merupsksn bshsn bsksr oksigenat yang umumnya digunakan untuk menaikkan bilangan oktan dari bahan bakar minyak. Posisi MTBE ini menggantikan dari TEL (Tetra Etil Lead) yang dinilai kurang ramah lingkungan. Berdasarkan ketersediaan bahan, dipilih TKKS (Tandan Kosong Kelapa Sawit) sebagai bahan baku pembuatan MTBE. Proses yang berlangsung adalah : a) Konversi lignoselulosa menjadi gas sintetis, b) Sintesis gas sintetis menjadi methanol, c) Reaksi methanol dengan isobutilen menjadi MTBE. Dengan mempertimbangkan gas yield, maka pada proses (a) dipilih gasifikasi fluidized bed menggunakan katalis dolomite, proses (b) dengan sintesis methanol, dan proses (c) reaksi dengan isobutilen dengan katalis polisulfonat resin. Adapun terdapat perlakuan pendahuluan terhadap TKKS yang berupa pengecilan ukuran dan pengeringan.

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Pencemaran udara atau sering kita dengar dengan istilah polusi udara dapat diartikan sebagai adanya bahan-bahan atau zat-zat asing di dalam udara yang menyebabkan perubahan susunan atau komposisi udara dari keadaan normalnya. Proses pembakaran bahan bakar kendaraan bermotor merupakan salah satu dari sekian penyebab polusi udara.

Di Indonesia, bahan octane booster masih ada yang menggunakan Tetra Etil Lead (TEL) yang menghasilkan senyawa PbO (timbal oksida), senyawa ini sangat beracun dan bertahan lama di atmosfer. Sedangkan di Negara maju, penggunaan TEL sudah dilarang. Sebagai substitusi, digunakan Metil Tersier Butil Eter yang lebih ramah lingkungan.

Salah satu upaya mengurangi emisi gas buang yaitu dengan modifikasi bahan bakar. Peningkatan kualitas bahan bakar bensin dasar melalui zat aditif penambah bilangan oktan.. Dengan dasar tersebut, pada tahun 2003 Pertamina mengeluarkan suatu produk bahan bakar beroktan tinggi tanpa kandungan timbal, dengan komposisi oksigenat dari golongan eter, yaitu methyl tersier buthyl eter (MTBE) didalamnya. Produk yang dipasarkan dengan label Pertamax (RON92) dan Pertamax plus (RON95)1.

MTBE adalah senyawa organik yang tidak mengandung logam dan tidak membentuk senyawa peroksida yang berbahaya bagi lingkungan. MTBE juga memiliki sifat-sifat pencampuran yang baik dengan bensin. Kisaran angka oktan MTBE yang tinggi, yaitu 116 - 118 RON menjadikan MTBE sangat baik untuk digunakan sebagai peningkat angka oktan (octane booster). Selama pembakaran, MTBE menambah oksigen di dalam bensin dapat mengurangi emisi karbon monoksida, CO dan material- material pembentuk ozon. Selama ini kebutuhan MTBE di Indonesia diimpor dari negara-negara seperti Amerika, Jerman, Korea, dan Cina.

Pembuatan MTBE dapat disintesis dari gas sintetis hasil pembakaran limbah lignoselulosa.Ini berarti Indonesia mempunyai potensi untuk mengembangkan prooduksi MTBE mengingat banyak sekali terdapat limbah pertanian yang termasuk lignoselulosa, seperti tongkol jagung, ampas tebu, tandan kosong, jerami, limbah kertas, dan sebagainya.

Untuk memulai usaha pengembangan produksi MTBE, diperlukan suatu rancangan proses, dimana dengan rancangan ini dapat memberikan gambaran potensi pabrik MTBE di Indonesia dan harapannya bisa direalisasikan.

Tujuan

Mendapatkan rancangan pendirian pabrik MTBE berbahan baku lignoselulosa

Rumusan Masalah

a) Bahan baku yang paling potensial.b) Alternatif proses yang paling menguntungkanc) Bagaimana kesetimbangan massa dan energy tiap satuan proses/satuan operasid) Spesifikasi peralatane) Bagaimana kelayakan pendirian pabrik

PEMILIHAN ALTERNATIF PROSES

Proses pemilihan dibagi menjadi 3 tahap, yaitu pemilihan bahan baku, pemilihan proses dari lignoselulosa menjadi methanol, dan pemilihan proses dari methanol menjadi MTBE.

a) Pemilihan bahan baku

Bahan lignoselulosa merupakan komponen organik berlimpah di alam, yang terdiri dari tiga polimer yaitu selulosa, hemiselulosa dan lignin. Komponen ini merupakan sumber utama untuk menghasilkan produk bernilai seperti gula dari hasil fermentasi, bahan kimia, bahan bakar cair, sumber karbon dan energi.

Tabel 1. Perbandingan alternative bahan bakuAlternatif

bahan bakuKetersediaan (ton/tahun)

Kandungan Lignin (%)

Kandungan Hemiselulosa

(%)

Kandungan Selulosa (%)

Jerami padi1 54.700.000-82.050.00

18,00 24,00 32,10

Ampas tebu2 2.991.114 25,00 25,00 50,00

TKKS3 16.847.600 27,60-32,50 25,30-33,80 41,30-46,50

Tongkol jagung4

4.456.215 15,00 35,00 45,00

Sumber : 1BPS (2006), Howard et al (2003), ;2Pandey et al (2000),3Syafwina et al (2002); 4 Reshawala et al (1995)

Dilihat dari tingkat ketersediaan, jerami padi paling tinggi, namun mengingat sebaran dari TKKS lebih terpusat (paling banyak di sumatera dan Kalimantan), dan pabrik lebih ekonomis apabila didirikan dekat dengan bahan baku.

Lignin merupakan struktur yang paling kompleks dan paling sulit untuk didegradasi. Selama proses pirolisis, kelembaban menguap pertama kali (100oC), kemudian hemiselulosa terdekomposisi (200-260oC), diikuti oleh selulosa (240-340oC), dan lignin (280-500oC). Sehingga, semakin rendah kadar lignin, maka semakin tinggi tingkat konversi selama proses pirolisis atau gasifikasi.

b) Pemilihan proses dari lignoselulosa menjadi metanol

Untuk pembuatan bahan bakar MTBE, proses yang saat ini ada yaitu mereaksikan methanol dengan isobutilen. Untuk methanol sendiri bisa didapatkan melalui reaksi gas sintetis. Lebih lengkapnya bisa dilihat pada gambar 1.

Gambar 1. Rute pembentukan gas sintetis untuk bahan bakar dan senyawa kimiaSumber : Huber et al. (2006)

Kemudian dilihat dari tabel 1, dipaparkan beberapa metode konversi biomassa menjadi gas sintetis. Metode steam gasification memiliki keuntungan bisa tercapai konversi yang maksimum. Kerugian steam gasification yang berupa inefisiensi termal bisa dihindari apabila kadar air umpan biomassa dikurangi

hingga minimal. Hal ini yang menjadi pertimbangan awal dalam pemilihan proses.

Tabel 2. Perbandingan dari metode konversi biomassa menjadi syn-gas

Sumber : Huber et al. (2006)

Analisis konversi termokimia TKKS menunjukkan bahwa gasifikasi adalah rute termo-kimia yang paling cocok untuk konversi TKKS untuk biofuel. Gasifikasi memiliki tingkat konversi karbon tertinggi (> 90%) dibanding dengan pirolisis dan pembakaran (Geng, 2013).

Tabel 3. Alternatif proses konversi lignoselulosa menjadi gas sintesis.Alternatif Proses Kondisi proses Gas yield

Gasification1

Fluidized bed bench, Temp 1000oC, using air as gasifying agent, catalyst dolomite

± 90%

Pyrolysis2 Fluidized bed bench, Temp 550oC

± 20%

Sumber : 1Abdullah et al. (2007); 2Mohammed et al. (2003)

Dengan mempertimbangkan yield dari gas, maka dipilih proses gasifikasi sebagai jalur konversi lignoselulosa menjadi gas sintesis.

c) Pemilihan proses dari methanol menjadi MTBE

Reaksi kimia yang terjadi adalah :CH3OH + (CH3)2C =CH2 ---> (CH3)3C-O-CH3

Tabel 4. Alternatif proses methanol menjadi MTBENo Kriteria Proses 1 Proses 21 Alat yang

digunakan1 reaktor, 2 menara distilasi ***

2 reaktor seri, 1 menara distilasi ekstraktor metanol Kolom metanol **

2 Hasil Konversi > 90% Selektivitas reaksi 99% ***

Konversi 90% **

3 Kondisi operasi Suhu operasi T = 50 oC, P = 5 atm ***

Reaktor 1 (T = 90 oC) Reaktor 2 (T = 50 oC) **

4 Katalis Polisulfonat Resin ** Asam padatan **Jumlah bintang (*) 11 8

Sumber : Winasih (2012)

Dari perbandingan efisiensi kedua proses di atas, dipilih proses dengan katalis polysulfonat resin. Pemilihan katalis tidak mempengaruhi efisiensi proses secara signifikan, namun lebih kepada pemilihan infrastruktur dan aliran proses. Pada proses 1 (proses yang dipilih) digunakan 1 reaktor untuk memfasilitasi reaksi eterifikasi antara metanol dan isobutilena dan 2 menara destilasi untuk memisahkan methanol sisa dan MTBE yang terbentuk. Adanya 2 menara destilasi dapat meningkatkan konversi MTBE yang didapatkan (menjadi >90%) dibandingkan dengan menambah reaktor baru untuk mereaksikan methanol yang belum terkonversi menjadi MTBE (hanya mencapai 90% maksimum). Lalu pertimbangan suhu operasi pada operasi proses 1 lebih rendah (50 oC, tekanan 1 atm) disbanding proses 2 (90 oC dan 50 oC). Kondisi suhu operasi yang dibuat rendah pada proses 1 disebabkan pertimbangan jenis reaksi yang terjadi yakni reaksi eksotermis (berpotensi meningkatkan suhu reaksi). Bila suhu reaksi meningkat secara signifikan maka nilai konversi akan berkurang sehingga lebih baik digunakan suhu yang lebih rendah.

DIAGRAM ALIR PROSES

Gambar 2. Diagram alir proses konversi TKKS menjadi metanol

Gambar 3. Diagram alir pembuatan MTBE dari methanol dan isobutilen

DESKRIPSI PROSES1) Chipping

TKKS dicacah menjadi partikel dengan ukuran yang lebih kecil hingga < 1 mm menggunakan shredder. Pencacahan dilakukan karena pengurangan ukuran partikel dapat meningkatkan hasil dan komposisi gas CO, CH4 dan CO2 (Rapagna, 1998). Dengan mengurangi ukuran partikel maka H2 dan CO

yang dihasilkan dan efisiensi konversi karbon meningkat sedangkan CO2

menurun (Luo dkk, 2009)

2) DryingPengeringan diperlukan untuk mendapatkan kadar air pada biomassa

yang diinginkan untuk proses gasifikasi. Semakin kering umpan biomassa, maka efisiensi gasifikasi akan meningkat [Hamelinck dan Faaij, 2001]. TKKS dikeringkan hingga mencapai kadar air 5%. Perforated bin dryers, band conveyor dryers and rotary cascade dryers biasanya digunakan untuk pengeringan biomassa (Kumar dkk., 2009). 

3) Gasifikasi

Gasifier merupakan alat atau instrumen yang dapat mengkonversi berbagai bahan padat maupun cair seperti misalnya biomassa dari tandan kosong kelapa sawit menjadi bahan bakar gas.

Lignoselulosa melalui proses gasifikasi menjadi gas sintetis (H2O, H2, CO, dan CO2). Komponen utama bahan bakar dalam gas sintetis dari biomassa adalah H2 dan CO. Kandungan CO dalam gas biomassa 15 – 30%, sedang H2

antara 10 – 20% (Turare, 1997). Proses ini menggunakan gasifier fluidized bed, suhu 1000oC,

menggunakan udara sebagai gasifying agent, katalis dolomite konsentrasi 10%.

Proses yang terjadi selama gasifikasi adalah :a) Pengeringan

Sampah tandan mengalami pengeringan dari panas yang dihasilkan di area pembakaran.

H2O cair = H2O gas

b) Pyrolisis Proses biomassa berubah menjadi arang (pengarangan) sehingga dari

biomassa dihasilkan tar, minyak, gas mampu bakar.Bahan Baku (CxHxOx) = Arang (C), gas, minyak, dan tar

c) Pembakaran Hasil-hasil dari pirolisis dibakar dalam ruang pembakaran dengan aliran udara/oksigen/steam terbatas. Panas yang dihasilkan digunakan untuk proses pyrolisis dan pengeringan. C+1/2 O2 → CO C+O2 → CO2 CO+1/2 O2 → CO2 H2+1/2 O2 → H2O

d) Reduksi Gas yang dihasilkan dari proses pyrolisis direduksi sehingga didapatkan

gas dengan kualitas yang lebih bagus.

C+CO2 → 2CO CO2+H2 → CO+H2O

C+ H2O → CO+H2

C+2H2 → CH4

Reaksi dengan oksigen selalu eksotermis, sedangkan reaksi dengan steam atau CO2 selalu saja endotermis. Dalam gasifier dimana oksigen dan steam digunakan untuk mengontrol temperatur, dimana peran steam yaitu sebagai moderator.

4) Syngas CleaningAlat yang dapat digunakan untuk proses syngas cleaning yaitu separator

cyclon, wet scrubber, dan Electrostati precipitators (ESP). Separator cyclon biasanya digunakan untuk memisahkan partikulat yang lebih besar (diameter > 5μm) pada pembersihan awal dengan sedikit penurunan tekanan. Umumnya, beberapa siklon digunakan untuk meningkatkan efisiensi pemisahan.

Untuk memisahkan partikel yang lebih kecil dapat menggunakan wet scrubber dan electrostatic precipitators. Wet scrubber menghilangkan partikel menggunakan cairan yang disemprotkan (biasanya air) pada aliran gas. Wet scrubber ini dapat menghilangkan 95-95 % partikel yang lebih dari 1 μm dan 99% partikel diatas 2 μm dengan venturi 2,5 hingga 25 kPa (Baker dkk, 1986). Namun, wet scrubber digunakan untuk suhu < 100oC yang menyebabkan hilangnya panas sensibel. Gas yang lebih panas yang diinginkan khususnya untuk beberapa aplikasi seperti turbin gas dan reaksi reforming.

5) Gas cooling and compressionDi butuhkan syngas dengan suhu 400 oC dan tekanan 300-1000 bar.

Untuk penurunan suhu dilakukan dengan tahap gas cooling. Gas cooling berupa heat exchanger. Sedangkan untuk menaikkan tekanan menggunakan proses kompresi dengan alat kompresor.

6) Methanol syntesisGas sintesis yang telah dibersihkan dan diatur komposisinya sesuai

dengan kondisi umpan reaktor. Kemudian dimasukkan kedalam reaktor dengan kondisi operasi 400oC, dan tekanan 300-1000 bar. Gas CO dan H2

bereaksi membentuk metanol dengan reaksi:CO + 2H2 CH3OH

7) Methanol purificationMetanol hasil proses sintesis yang berupa gas kemudian didinginkan

hingga berubah fasa menjadi fasa cair. Fasa cair ini terdiri dari air dan metanol. Untuk memisahkan air dan metanol digunakan proses distilasi.

8) PreheaterMetanol murni dan campuran butena dipanaskan hingga suhu tertentu.

9) Reaksi MTBEMTBE dibuat dari reaksi antara metanol dengan isobutilena dengan

katalis polisulfonat resin. Reaktor beroperasi di sekitar 30 bar, untuk

memastikan bahwa reaksi terjadi dalam fase cair. Suhu umpan ke reaktor biasanya dipertahankan di bawah 90°C.

Terjadi reaksi selektif antara isobuthena dan methanol akan terbentuk MTBE. Reaksi bersifat eksoterm yang menimbulkan panas pada reaktor, sehingga perlu pendinginan dengan menggunakan air yang berbeda pada loop agar di dapatkan suhu yang konstan. Pada keadaan ini isobuthena telah dikonversi menjadi produk MTBE.

10) FraksinasiDistilasi dilakukan untuk memisahkan MTBE sebagai aliran bawah.

Kemurnian produk MTBE yang didapatkan selalu melebihi 99%. Sedangkan campuran methanol dan butena diumpankan ke unit berikutnya.

11) AbsorbsiMetanol dipisahkan dari butena dengan absorber. Secara esensial, butena

akan melewati absorber, sedangkan methanol akan terlarut.

12) Destilasi IIMetanol dimurnikan dari air dengan destilator dan di-recycle ke umpan

awal. Sedangkan air di-recycle ke unit absorber.

DAFTAR PUSTAKA

Badan Pusat Statistik. 2006. Produksi Beras Nasional. Jakarta : Badan Pusat Statistik

Abdullah, N. et al,. 2007. Bio-Oil from Fast Pyrolysis of Oil Palm Empty Fruit Bunches. Journal of Physical Science, Vol. 18(1), 57–74, 2007

Geng, Anli. 2013. Conversion of Oil Palm Empty Fruit Bunch to Biofuels. InTech Open Science. Chapter 16.

Howard, R.L., Abotsi, E., J. van Rensburg E.L., and Howard, S. 2003. Lignocellulose Biotechnology: Issue of Bioconversion and Enzyme Production. African J. of Biotech. Vol 2(12), 602-619

Huber, et al,. 2006. Synthesis of Transportation Fuels from Biomass : Chemistry, Catalyst, and Engineering. Chemical Reviews, 106, 4044-4098.

Kumar, A. dkk. 2009. "Thermochemical Biomass Gasification: A Review of the Current Status of the Technology”. Energies. 2. 556-581.

Mohammed, et al,. (2012). Catalytic Gasification of Empty Fruit Bunch for Enhanced Production of Hydrogen Rich Fuel Gas. Pertanika J. Sci. & Technol. 20 (1): 139 – 149 (2012)

Pandey, A., C.R. Soccol, P. Nigam, and V.T. Soccol. 2000. Biotechnological potential of agro-industrial residues. I: Sugarcane bagasse. Bioresour. Technol. 74: 69–80.

Rapagna, S., Jand, N., Foscolo, P.U. (1998). Catalytic Gasification Of Biomass to Produce Hydrogen Rich Gas, Int. J. Hydrogen Energy.

Syafwina, E.D. Wong, Y. Honda, T. Watanabe, and M. Kuwahara. 2002a. Pretreatment of Empty Fruit Bunch of Oil Palm by White-Rot Fungi for The

Utilization of Its Component.p. 351–356. In W. Dwianto, S. Yusuf, E. Hermiati, and L. Suryanegara. (Ed.). Sustainable Utilization of Tropical Forest Resources. Proceedings of the 4th International Wood Science Symposium, Serpong, 2–5 September 2002. Research Institute for Sustainable Humanosphere, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Japan Society for the Promotion of Science, Serpong.

Winasih, K. T. 2012. Pra Rancangan Pabrik Metil Tersier Butil Eter dari Metanol dan Isobutilen Kapasitas Produksi 500.000 Ton/Tahun. UPN Veteran Yogakarta.