EFEK KATALITIK Natrium-AlO 2 PADA PROSES PENCAIRAN BATUBARA TANPA PELARUT HIDROGEN DONOR

Transkripsi

1 EFEK KATALITIK Natrium-AlO 2 PADA PROSES PENCAIRAN BATUBARA TANPA PELARUT HIDROGEN DONOR Yuli Artanto dan Yusnitati Laboratorium Pencairan Batubara,Puspiptek,serpong Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Abstract Indonesian brown coal, South Banko coal, was liquefied into oil in the presence of carbon monoxide and water using alkali base catalyst, NaAlO 2. Liquefaction test was carried out using microautoclave in the absence of donor solvent. Experiment was conducted at 365 o C and 400 o C in order to examine the effect of temperature on coal conversions. Kata kunci: south banko, brown coal, liquefaction, catalyst, donor solvent 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Penelitian pencairan batubara dengan menggunakan gas karbon monoksida dan air sebagai reaktan untuk menggantikan gas hidrogen diharapkan dapat mengurangi biaya konstruksi pabrik pencairan batubara. Detail pengkajian tersebut memprediksikan bahwa pembangunan pabrik skala demonstrasi yang berkapasitas ton batubara bkta (berat kering tanpa abu)/hari direncanakan dibangun pada tahun 2006 dan mulai beroperasi pada tahun 2011 (skala komersial adalah 2x6.000 ton batubara bkta/hari) (Mr. Tamura,.). Harga jual minyak sintetis pada tahun tersebut diperkirakan sekitar US $20-25/barrel, dimana harga tersebut akan kompetitif jika bersaing dengan harga minyak mentah pada saat itu. Saat ini, studi telah memasuki ke tahap studi kelayakan fase pertama (Feasibility Study, Phase) yang akan selesai pada tahun anggaran Aspek data dan analisis data pada studi ini lebih detail dan menyeluruh dibandingkan studi pertama (Applicability Study), yang meliputi data dan informasi perancangan desain peralatan dan proses (engineering process design), unit utilitas dan pengolahan limbah, analisa sensitifitas, bahan baku termasuk katalis, aspek sosialbudaya, aspek indikator perekonomian dan lainlain. Salah satu hasil pemikiran yang dihasilkan dari studi kelayakan tersebut di atas adalah tentang ketersediaan suplai pelarut/solvent yang diperlukan pada saat pabrik mulai dioperasikan atau berproduksi, dimana sejumlah pelarut tambahan diperlukan untuk awal operasi sampai kondisi proses berjalan stabil. Jika pabrik sudah stabil maka penambahan pelarut dari luar bisa dikurangi karena adanya recycle (pemakaian balik) pelarut di dalam proses tersebut. Mengingat pada tahun dipastikan belum ada pabrik sejenis di Indonesia, maka posisi dan peranan pelarut secara teknis dan ekonomis perlu dikaji. Meskipun RRC mempunyai rencana dalam program pembangunan jangka panjangnya untuk mengoperasikan pabrik pencairan batubara pada tahun 2005, namun secara ekonomi hal tersebut sangat mahal biayanya jika import pelarut dari RRC dilakukan. Akibat langsung dari import tersebut akan menambah harga jual minyak sintetis, sehingga penjualan menjadi kurang kompetitif di pasar. Untuk mengatasi hal tersebut, maka dipikirkan alternatif memakai pelarut dari hasil derivatif minyak bumi yang banyak tersedia di dalam negeri. Produk minyak mentah yang menjadi sasaran untuk dimanfaatkan adalah minyak berat vakum, karena jumlahnya yang melimpah. Disamping itu, minyak tersebut tidak ekonomis untuk dijual langsung atau diolah menjadi hasil produk yang bernilai jual. Secara umum, minyak berat vakum dapat diperoleh sekitar 15% dari minyak mentah. Diperkirakan pada tahun 2011, produksi minyak mentah yang dipergunakan oleh kilang minyak terdekat (Pertamina Plaju, Cilacap dan Balikpapan) dengan lokasi pabrik batubara, masih cukup mengahasilkan minyak berat vakum sebanyak kurang lebih barel/hari. Seperti diketahui, kebutuhan pelarut untuk pabrik skala komersial adalah ton/hari atau barel/hari. Dalam hal ini suplai minyak berat vakum diperkirakan dapat di atas barel/hari, mengingat Pertamina sudah Efek Katalitik. (Yuli Artanto dan Yusnitati) 37

2 memproduksi produk tersebut pada saat sebelum pabrik dioperasikan. Hal ini diharapkan tidak menjadi hambatan bagi pengoperasian pabrik skala komersial tersebut. Alternatif tersebut di atas pada awalnya sudah pernah dieksperimen oleh peneliti-peneliti di dunia, seperti menggunakan minyak bekas kendaraan (Shi, Y., Orr, E.C., Shao, L. and Erying, E.M., 1999) dan minyak berat vakum (Shinn, J.H., 1984,; Yamada, Y., 1976,; Audeh, C.A., 1984,; Curtis, C.W., 1984). Akan tetapi, kedua topik ekperimen tersebut menggunakan batubara bituminus dan sub bituminus serta autoclave yang berukuran kecil (micro autoclave 27cm 3 untuk reaksi dengan pelarut minyak bekas kendaraan, dan 60 cm 3 dan 1100 cm 3 untuk reaksi dengan minyak berat vakum). Kondisi tekanan awal hidrogen yang dipergunakan relatif tinggi yaitu 120 kg/cm 2 G (University of Wyoming, 1985) dan di atas 90 kg/cm 2 G (Shinn, J.H., 1984,; Yamada, Y., 1976,; Audeh, C.A., 1984,; Curtis, C.W., 1984). Secara ringkas, hasil eksperimen menunjukkan bahwa penggunaan pelarut, bukan berasal dari hasil pencairan batubara, minyak berat vakum atau minyak bekas kendaraan dapat meningkatkan distilat dan mempunyai efek sinergistas dengan batubara sehingga distilat yang terbentuk lebih besar. Hal ini dimungkinkan karena minyak berat vakum atau minyak bekas kendaraan mempunyai sifat sebagai hidrogen donor, dimana minyak berat vakum mampu menjaga kestabilan radikal bebas molekul-molekul batubara selama reaksi, sehingga dapat mencegah terjadinya reaksi balik (repolimerisasi) Permasalahan Mengingat hasil riset selama ini masih banyak menggunakan batubara bituminus dan sub bituminus, maka keandalan dan efektifitas minyak berat vakum untuk dipergunakan sebagai pelarut dalam pencairan batubara lignit, seperti Banko Selatan, mempunyai potensi untuk diselidiki. Dari studi-studi yang dilakukan oleh tim pencairan batubara muda BPPT telah diketahui bahwa batubara lignit lebih reaktif dibandingkan dengan batubara sub bituminus jika direaksikan dengan pelarut standard pencairan batubara, yaitu creosote oil. Pada kondisi operasi yang sama, perlu dicoba pelarut minyak berat vakum untuk pencairan batubara lignit, dimana pengaruh sinergistas yang ditemukan pada sistim pencairan batubara bituminus/sub bituminusminyak berat vakum, dapat juga terjadi atau tidak di dalam pencairan batubara lignit Tujuan Riset Dalam hal ini, investigasi terhadap pengaruh jumlah pelarut yang optimum untuk mendapatkan distilat yang maksimum dilakukan untuk mengetahui reaktifitas batubara lignit dalam proses pencairan dengan menggunakan pelarut yang bukan berasal dari proses pencairan batubara. Pengaruh jumlah pelarut di dalam pabrik skala komersial juga akan mempengaruhi besarnya ukuran pipa, pompa slurry, ukuran reaktor dan unit pemisah gas-cair. Diharapkan jumlah rasio pelarut terhadap batubara yang relatif kecil akan mengurangi ukuran-ukuran dimensi di atas, sehingga dapat mengurangi biaya konstruksi. 1. BAHAN DAN METODE 1.1. Batubara Dan Minyak Berat Vakum Batubara lignit yang dipergunakan berasal dari daerah Banko Selatan (BS), Tanjung Enim- Sumatera Selatan. Sedangkan minyak berat vakum diperoleh dari Pertamina Plaju, Palembang-Sumatera Selatan. Batubara BS yang diterima dari penambangan disampling dengan metode yang sudah dibakukan di Laboratorium Pencairan Batubara Muda-BPPT untuk memperoleh sampel-sampel yang mewakili. Setelah itu, sampel tersebut digerus menggunakan ball mill. Batubara BS yang dipergunakan dalam eksperimen ini sudah digerus sampai lolos ukuran 200 mesh (75 m). Setelah itu, batubara hasil gerusan disimpan di dalam botol dan ditempatkan di dalam desicator untuk mencegah oksidasi dan kontak dengan uap air dari udara. Beberapa gram (sekitar 50 gram) diperlukan untuk analisa ultimat dan proksimat. Dalam hal ini batubara yang dipakai tidak memerlukan pengeringan. Kadar air batubara diukur setiap akan memulai eksperimen. Sedangkan batubara sisa yang tidak digerus disimpan di dalam drum yang diisi gas nitrogen. Pelarut MBV yang diterima dari Pertamina Plaju masih disimpan di dalam drum dan tidak memerlukan perlakukan khusus. Spesifikasi pelarut MBV mempunyai rentang titik didih (TBP) >+520 o C dan pour point sekitar 58 o C. Pelarut MBV tidak perlu digerus karena sifatnya yang sangat lengket dan padat (very viscous), sehingga hanya dihancurkan saja hingga ukuran kecil (Pengaruh ukuran diameter pelarut MBV terhadap unjuk kerja reaksi pencairan tidak signifikan, karena pada suhu di atas pour point MBV sudah mencair). Sisa pelarut yang tidak dihancurkan disimpan kembali ke dalam drum. 38 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 2, N0. 2, Desember 2006 Hlm

3 Analisa elemen batubara Banko Selatan (BS) dan minyak berat vakum (MBV) adalah sebagai berikut: Tabel 1. Analisa Proksimat BS Dan MBV Jenis material % bkta C H S N O BS 71,2 5,2 0,5 1,1 22,1 MBV 86,6 11,3 0,1 0,1 1,9 %bkta : % berat kering tanpa abu Kandungan abu BS dan MBV adalah 2,3% berat kering dan 0,06% berat kering. Adapun sebelum dipergunakan dalam reaksi pencairan, MBV harus didistilasi terlebih dulu untuk mengetahui kompoposi fraksi distilat di dalam MBV. Metode distilasi yang dipergunakan adalah ASTM-D1160. Komposisi dari fraksi-fraksi hasil distilasi MBV ditulis pada tabel 2 di bawah ini: Tabel 2 Komposisi fraksi hasil distilasi MBV (% berat) Fraksi dist. H 2 O LO RS BTM komposisi 0,21 0,40 1,98 97, Umpan gas Gas yang dipergunakan untuk reaksi pencairan adalah gas hidrogen dan gas nitrogen. Gas hidrogen dipakai sebagai gas reaktan untuk reaksi. Gas nitrogen diperlukan untuk membersihkan ruangan udara di dalam autoclave dan menurunkan konsentrasi oksigen di dalam udara, agar konsentrasi oksigen di dalam autoclave tidak menyebabkan ledakan jika kontak dengan gas hidrogen. Seluruh gas dialirkan langsung dari gas silinder yang bertekanan 150kg/cm 2 G. Aliran gas dikontrol dengan kran/valve Katalis Katalis yang dipergunakan di dalam studi ini adalah katalis sintetis -FeOOH. Katalis tersebut dibuat dalam bentuk larutan (slurry), dimana pelarutnya memakai pelarut creosote-oil yang didapat dari unit pencairan batubara skala BSU (Bench Scale Unit) yang terdapat di TCLC (Takasago Coal Liquefaction Centre), Jepang. Spesifikasi katalis adalah sebagai berikut: Tabel 3 Spesifikasi katalis -FeOOH, m A,m 2 /g %berat %Fe -FeOOH 0, ,9 Katalis dianalisa dengan AAS (Atomic Adsorbtion Spectroscopy) untuk mengukur konsentrasi Fe di dalam padatan. Metode BET dengan adsorpsi nitrogen untuk mengukur luar permukaan (A). Diameter atau ukuran partikel katalis ( ) diperoleh melalui alat laser difraction. Konsentrasi pelarut di dalam slurry katalis adalah 80% berat. Adapun komposisi fraksi-fraksi hasil distilasinya adalah sebagai berikut: Tabel 4 Komposisi fraksi hasil distilasi (% berat) Fraksi dist. H 2 O LO RS BTM Komposisi 0,2 3,4 94,6 1, Eksperimen reaksi pencairan Skema diagram reaksi pencairan batubara dapat dilihat pada gambar 1 di lampiran. Seluruh reaksi pencairan batubara BS dengan pelarut MBV dilakukan dengan memakai autoclave batch berpengaduk yang bervolume 5 liter. Autoclave didesain pada tekanan maksimum 300 kg/cm 2 G dan suhu maksimum 500 o C. Minyak Berat Hidro gen Batubar a - FeOOH Gas CO+CO 2 Gas hidrokarbon (C 1 ~ C 4) H 2O (air) Distilat: Light Oil (LO) Recycle Gambar 1. Skema eksperimen pencairan batubara-minyak berat vakum Sebanyak 250g batubara (basis basah) dimasukkan ke dalam autoclave bersama-sama dengan pelarut MBV (dengan rasio MBV/BS sesuai variabel proses), katalis larutan -FeOOH dan sulfur. Desain eksperimen adalah sebagai berikut: Batubara (tetap untuk tiap variabel): 250 gram Rasio MBV/BS-bkta : 2,0; 2,5; 3,0 Katalis (% BS-bkta) : 1 sebagai Fe Sulfur/Fe (berat/berat) : 3,0 Temperatur : 450 o C Tekanan H 2 awal : 80 kg/cm 2 G Waktu reaksi : 1 jam Kecepatan pengaduk : 500 rpm Coal Liquid Bottom (CLB) Variabel proses adalah jumlah pelarut yang ditambahkan (rasio MBV/BS-bkta). Pengujian blanko terhadap MBV (tanpa batubara) dengan kondisi operasi yang sama juga dilakukan untuk Efek Katalitik. (Yuli Artanto dan Yusnitati) 39

4 mengetahui efek MBV pada proses pencairan MBV dengan batubara BS serta diperlukan untuk menjelaskan efek sinergis batubara dan MBV. Setelah umpan dimasukkan dan autoclave ditutup rapat, kemudian gas nitrogen dialirkan ke dalamnya sampai pada tekanan 30 kg/cm 2 G, ditahan dan selanjutnya dibuang. Pekerjaan ini dilakukan sebanyak 3 (tiga) kali dengan tujuan untuk mengurangi konsentrasi oksigen di dalam autoclave. Setelah itu, gas hidrogen dialirkan ke dalam autoclave dan dilakukan seperti di atas sebanyak 3 kali untuk mengurangi konsentrasi gas nitrogen dan oksigen. Kemudian dilakukan tes kebocoran (leak test) dengan menyimpan gas hidrogen pada tekanan sekitar 150 kg/cm 2 G. Kondisi ini dibiarkan selama semalam dan besok pagi harinya dilihat apakah ada penurunan tekanan dan suhu. Kebocoran tidak terjadi, jika rasio tekanan terhadap suhu pada hari pengecekan adalah sama dengan rasio pada hari sebelumnya (hari waktu pengisian hidrogen). Jika tidak ada kebocoran, maka tekanan hidrogen diturunkan sampai 80 kg/cm 2 G (sebagai standard tekanan awal). Sebelum memulai pemanasan, aliran air ke pengaduk dijalankan, sabuk pengaduk dan tachometer (alat ukur kecepatan pengaduk), kontrol panel dan semua valve dalam keadaan tertutup. Kemudian setelah dipastikan semua sudah terpasang dan siap, maka pemanasan autoclave dimulai dengan menekan tombol start pada kontrol panel. Kecepatan pemanasan autoclave di Laboratorium Pencairan Batubara Muda-BPPT adalah 123 o /jam. Setelah tercapai suhu 450 o C, waktu reaksi mulai dihitung. Setelah reaksi selesai, pengaduk dibiarkan berputar dan segera alirkan udara melalui blower udara ke pemanas autoclave dan pada saat yang sama pemanas autoclave pada kontrol panel dimatikan. Kecepatan pendinginan adalah 150 o /jam. Setelah suhu cairan mencapai 100 o C, pengaduk dan blower udara dimatikan Analisa gas Sebelum sampling gas dilakukan, terlebih dahulu pengaduk dijalankan dengan tujuan supaya konsentrasi gas di dalam autoclave homogen. Pengambilan gas dapat dilakukan setelah suhu mencapai kira-kira o C. Aliran gas dilewatkan gas meter untuk mengukur volume gas di dalam autoclave. Selama itu dilakukan juga pengambilan gas pada tiga tekanan yang berbeda, yaitu biasanya pada tekanan 50, 30 dan 10 kg/cm 2 G. Ketigas sampel gas pada tekanan yang berbeda tersebut dianalisa dengan menggunakan kromatografi gas. Gas hidrokarbon (C 1 -C 4 ) dideteksi dengan menggunakan GC-FID (gas chromatography- Flame Ionized Detector). Sedangankan gas CO, CO 2, H 2 dan CH 4 dianalisa memakai GC-TCD (gas chromatography-thermal Conductivity Detector). Gas H 2 S diukur dengan menggunakan alat dragger (tabung kecil yang berisi zeolit penyerap gas H 2 S) Distilasi Setelah selesai melakukan sampling gas, pada saat yang sama dapat dikerjakan persiapan alatalat untuk distilasi. Distilasi dilakukan untuk memisahkan produk campuran cairan dan padatan hasil reaksi pencairan dengan berdasarkan perbedaan titik didih. Metode distilasi dalam eksperimen ini menggunakan ASTM-D1160. Produk distilasi dibagi dalam tiga bagian titik didih. Titik didih dari suhu kamar sampai 180 o C adalah minyak ringan (light oil, LO). Fraksi titik didih o C dinamakan minyak recycle (recycle solvent, RS) dan fraksi titik didih >420 o C dinamakan residu (coal liquid bottom, CLB) Hasil Perhitungan Mengingat pada reaksi pencairan batubara dan minyak berat vakum sangat sulit untuk menentukan manakah yang berperan sebagai reaktan, maka ditentukan dengan basis b- bkta+mbv-bkta (batubara-berat kering tanpa abu+mbv-berat kering tanpa abu). Hasil distribusi produk seperi LO, RS (distilat) dan CLB dinyatakan berbeda satu dengan yang lainnya jika perbedaannya di atas 2% b-bkta+mbv-bkta. Untuk gas CO+CO 2 jika perbedaanya di atas 0,3% b-bkta+mbv-bkta dapat dikatakan signifikan. Sedangkan untuk H 2 O dan gas hidrokarbon, perbedaan yang signifikan bila di atas 0,5% dan 2% b-bkta+mbv-bkta. Konsumsi hidrogen dinyatakan berbeda secara signifikan satu terhadap yang lainnya jika perbedaannya lebih besar dari 0,2% b- bkta+mbv-bkta. 2. HASIL DAN PEMBAHASAN 2.1. Perbandingan antara pencairan batubara-creosote oil (B-CO) dan pencairan batubara-mbv (B-MBV) Pertama-tama sebelum melakukan investigasi pengaruh jumlah pelarut MBV atau rasio MBV/BS, terlebih dahulu dilaksanakan riset awal untuk mengetahui karakteristik pencairan batubara-mbv, dengan membandingkan yield distilat (LO+RS), yield CLB, konsumsi hidrogen, 40 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 2, N0. 2, Desember 2006 Hlm

5 yield gas CO+CO 2 dan yield gas hidrokarbon terhadap hasil pencairan batubara-cresote oil. Seperti diketahui, proses pencairan batubaracreosote oil adalah standard proses pencairan batubara, karena menggunakan pelarut (creosote oil) yang diperoleh dari hasil reaksi pencairan batubara. Pada studi ini, kedua sistem tersebut dilakukan pada kondisi operasi yang sama (suhu, waktu reaksi, tekanan awal dan rasio pelarut terhadap batubara). Adapun katalis (basis Fe) yang ditambahkan berbeda (1%bkta untuk B- MBV dan 3%bkta untuk B-CO). Rasio (berat/berat) sulfur terhadap Fe juga berbeda, yaitu 3 untuk B-MBV dan 2 untuk B-CO. Berdasarkan studi pencairan batubara di laboratorium pencairan batubara-bbpt selama ini, perbedaan tersebut di atas tidak memberikan perbedaan yang signifikan. Pada kondisi reaksi yang dicoba, pencairan batubara dengan MBV memberikan distilat lebih banyak dibandingkan dengan standard pencairan batubara (B-CO). Hasil reaksi juga menunjukkan bahwa proses B-MBV menghasilkan CLB dan memerlukan konsumsi hidrogen ( H 2 ) yang lebih rendah dibandingkan proses B-CO. Fenomena ini mengartikan bahwa produk distilat yang dihasilkan (untuk proses B-MBV) adalah sebagian besar berasal dari degradasi minyak berat vakum atau membuktikan adanya proses degradasi terhadap MBV yang cenderung mengasilkan distilat (diindikasikan juga jumlah CLB sisa reaksi mengalami penurunan secara signifikan). Hasil yang sama juga dibuktikan oleh peneliti terdahulu (University of Wyoming, 1985). Tabel 5 Perbandingan distilat, CLB dan konsumsi hidrogen Sistim Proses Distilat CLB H 2 B-CO a 35,20 41,42 4,74 B-MBV b 63,64 24, Distilat = LO + RS a sebagai % batubara bkta (b-bkta) b sebagai % (b-bkta+mbv-bkta) Untuk menyelidiki lebih jauh alasan di atas, maka dilakukan pengujian dengan mencairkan pelarut MBV tanpa memakai batubara (disebut selanjutnya dengan proses PMBV). Semua kondisi operasi dan variabel proses diatur sama dengan proses B-MBV. Seperti ditunjukkan pada tabel 6, hampir semua komponen atau fraksi CLB dari MBV membentuk distilat selama proses reaksi pencairan MBV. Nilai yield distilat dan CLB dari pencairan MBV menunjukkan perubahan yang signifikan jika dibandingkan dengan kondisi awal sebelum pencairan (lihat juga Tabel 2). Hasil dari studi ini berbeda dibandingkan dengan hasil yang didapat oleh tim pencairan batubara- MBV di Universitas Wyoming (University of Wyoming, 1985), dimana mereka tidak menemukan adanya perubahan MBV yang signifikan menjadi distilat. Hal tersebut diduga karena reaktor/autoclave yang dipergunakan oleh mereka lebih kecil (60 cm 3 dan 1100 cm 3 dibandingkan dengan 5 liter), sehingga produk distilat relatif sedikit dan akibatknya sangat sulit diukur atau dianalisa. Hambatan serupa tidak dijumpai jika menggunakan autoclave yang relatif lebih besar seperti autoclave 5 liter, yang dipergunakan pada studi ini. Tabel 6.Perbandingan distilat, CLB dan konsumsi hidrogen Sistim Proses Distilat CLB H 2 PMBV a ,21 B-MBV b 63,64 24, Distilat = LO + RS a sebagai % (MBV-bkta) b sebagai % (b-bkta+mbv-bkta) Konsumsi hidrogen yang diperlukan di dalam reaksi pencairan MBV juga lebih kecil dibandingkan pencairan B-MBV. Sehinga hasil tersebut mengkonfirmasikan dua hal yaitu: Proses pencairan menggunakan pelarut MBV dapat menghemat pemakaian hidrogen, dimana juga akan menghemat biaya produksi gas hidrogen. Gas hidrogen di dalam proses pencairan B- MBV sebagian besar dikonsumsi untuk meng-cracking minyak berat vakum membentuk distilat. Secara ringkas reaktifitas MBV membentuk distilat pada proses pencairan B-MBV disebabkan oleh adanya batubara atau produk dari hasil pemutusan struktur ikatan secara panas dan katalitik (thermal dan catalytic cracking) yang dihasilkan selama reaksi berlangsung. Peneliti-peneliti lain menyebutnya sebagai adanya interaksi antara batubara dan MBV (Shinn, J.H., Dahlberg, A.J., Kuehler, C.W. and Rosenthal, J.W., 1984). Satu hepotesa yang mungkin dapat menerangkan fenomena tersebut adalah fragmen-fragmen struktur batubara yang reaktif, yang terbentuk selama reaksi (reaksi depolimerisasi batubara), memutus atau melemahkan ikatan-ikatan di dalam struktur komplek minyak berat vakum, sehingga akan meningkatkan reaktifitas minyak berat vakum tersebut untuk membentuk distilat. Jadi kondisi Efek Katalitik. (Yuli Artanto dan Yusnitati) 41

6 tersebut yang menyebabkan yield distilat B-MBV lebih besar dibandingkan yield distilat PMBV. Satu hal lagi adalah dengan meningkatknya distilat tersebut, juga akan menambah konsumsi hidrogen untuk memfasilitasi reaksi pemutusan ikatan secara panas dan katalitik, seperti diuraikan di atas. Adapun bukti adanya kenaikkan konsumsi gas hidrogen dapat dilihat pada gas hidrokarbon dan CO+CO 2 (seperti terlihat pada tabel 7) yang dihasilkan. Hasil pada tabel 7 menerangkan bahwa gas CO+CO 2 yang dihasilkan pada reaksi PMBV relatif tidak ada karena kandungan oksigen di dalam MBV relatif sangat kecil dan kemungkinan lain adalah atom oksigen terikat bukan sebagai gugus karboksil atau karbonil, tapi sebagai heteroatom atau fenolik sehingga atom oksigen akan cenderung lebih banyak terdapat di dalam fase cair (distilat). Untuk proses B-MBV, gas CO+CO 2 yang terbentuk karena adanya batubara di dalam reaksi. Gas CO+CO 2 lebih banyak dikontribusi oleh oksigen yang terikat sebagai gugus karboksil dan karbonil, yang banyak dijumpai pada batubara lignit (Redlich, P.J., Jackson, W.R. and Larkins, F.P., 1985). Tabel 7. Perbandingan gas hidrokarbon (C 1~C 4) dan gas CO+CO 2 Sistim Proses C 1~C 4 CO+CO 2 H 2 PMBV a 10,86 0,00 1,21 B-MBV b 12,58 1, a sebagai % (MBV-bkta) b sebagai % (b-bkta+mbv-bkta) Gas hidrokarbon (C 1 ~C 4 ) relatif banyak dihasil kan oleh B-MBV karena batubara dan MBV mempunyai kontribusi untuk menghasilkan gas hidrokarbon. Namun yang jelas, MBV banyak menghasilkan gas hidrokarbon dibandingkan dengan batubara. Apakah konsentrasi batubara Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi perbedaan di atas masih perlu diselidiki. Untuk menerangkan apakah kondisi tersebut dipengaruhi oleh konsentrasi batubara (jumlah MBV yang ditambahkan), maka eksperimen dilanjutkan untuk mengetahui sejauh mana pengaruh penambahan jumlah pelarut terhadap interaksi batubara dan MBV, agar yield distilat yang tinggi dan yield CLB yang rendah dapat dicapai dengan konsumsi hidrogen yang relatif rendah dibandingkan dengan standard proses pencairan batubara. Pengaruh pengujian tersebut terhadap yield gas hidrokarbon dan gas CO+CO 2 juga dikaji di dalam studi ini. Hasil-hasil eksperimen tersebut disajikan pada sub bab di bawah ini Pengaruh Jumlah Pelarut MBV (Rasio MBV Terhadap Batubara) Terhadap Distribusi Produk Minyak Pencairan Pengujian sebanyak 2 run dilakukan untuk mengetahui pengaruh penambahan pelarut MBV (ditunjukkan dengan rasio MBV/BS) di dalam unjuk kerja pencairan batubara-mbv terhadap yield distilat, yaitu LO dan RS, dan CLB. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa semakin berkurang konsentrasi batubara di dalam umpan (semakin meningkat rasio MBV/BS) menghasilkan semakin sedikit distilat. Distilat untuk rasio 2,5 sampai 3,0 relatif hampir sama (perbedaan kurang dari 2% dianggap relatif sama) dan relatif lebih kecil dibandingkan dengan distilat yang dihasilkan dari rasio 2,0. Hal ini menunjukkan bahwa semakin bertambah konsentrasi batubara akan meningkatkan efek sinergistas dengan MBV, dimana struktur batubara yang terpecah-pecah dapat membantu melemahkan struktur MBV untuk membentuk distilat. Hasil yang sama juga dijumpai pada hasil eksperimen oleh tim dari universitas wyoming (University of Wyoming, 1985). Tabel 8. Perbandingan Distilat (LO dan RS) Variabel rasio Distilat LO RS CLB MBV/BS 2,0/1,0 63,64 6,74 56,90 24,22 2,5/1,0 58,49 13,87 44,62 29,81 3,0/1,0 59,84 14,12 45,72 30,51 Distilat = LO + RS R = Rasio MBV/BS (berat/berat) sebagai % (b-bkta+mbv-bkta) Jika dibandingkan dengan hasil pengujian blangko (pencairan tanpa batubara, kode PMBV), distilat hasil dari R=2,5 dan R=3,0 justru lebih kecil. Kemungkinan terjadinya hal tersebut adalah jumlah batubara yang relatif kecil akan sedikit menghasilkan fragmen radikal bebas yang sedikit, sehingga efek sinergis yang dihasilkan cenderung kurang mendegradasi MBV dimana membentuk CLB yang relatif banyak. Disamping itu, MBV sudah mempunyai karakteristik sebagai pelarut yang reaktif, dimana kandungan logamlogam berat di dalam fraksi abu kemungkinan mempunyai efek katalitik (analisa abu tidak dilakukan, namun umumnya minyak berat vakum mengandung logam seperti Ni, V yang dapat bersifat sebagai katalis). Fenomena hasil PMBV (Rasio tak terhingga, karena berat batubara = 0) yang menghasilkan distilat lebih banyak dibanding R=2,5 dan R=3,0 tidak dijumpai pada hasil penelitian sebelumnya (University of Wyoming, 1985). Namun demikian, besarnya distilat tidak mewakili terhadap besarnya LO dan 42 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 2, N0. 2, Desember 2006 Hlm

7 RS. LO dari R=2,0 lebih kecil sebesar 5% dan 4% (b-bkta+mbv-bkta) dibandingkan dengan LO dari R=2,5 dan R=3,0. Hasil ini kemungkinan disebabkan oleh semakin banyak jumlah MBV (rasio MBV/BS semakin besar), maka degradasi struktur molekul MBV oleh adanya fragmen radikal bebas batubara akan lebih cenderung banyak membentuk fraksi LO dibanding RS. Sedangankan RS dari R=2,0 lebih besar sekitar 11-12% (b-bkta+mbv-bkta) dibandingkan dengan yang didapat dari R=2,5 dan R=3,0. Kondisi ini disebabkan oleh kebalikan dari penjelasan sebelumnya, dimana struktur batubara yang membentuk fragmenfragmen radikal bebas cenderung memacu dekomposisi struktur molekul induk (macromolecule structure) MBV menjadi RS yang mempunyai berat molekul besar dan sedikit membentuk LO. Fenomena tersebut, secara kemungkinan dapat dijelaskan dengan semakin kecilnya CLB yang terbentuk pada rasio R=2,0 dibandingkan dengan rasio R=2,5 dan R=3,0. Akan tetapi, pada reaksi tanpa batubara justru menghasilkan RS dan LO yang relatif sama dengan reaksi pencairan dengan rasio 2,0. Aktifitas sebenarnya untuk fenomena sampai saat ini masih belum ada penjelasan yang konkret dan jelas. Jadi semakin besar konsentrasi batubara di dalam umpan (semakin kecil rasio MBV terhadap batubara), pada hasil studi ini mengindikasikan adanya sinergistas yang signifikan untuk mendapatkan distilat yang maksimum. Secara ringkas, hasil pengujian ini sangat bermanfaat untuk merekomendasikan tentang penggunaan teknologi pencairan batubara dengan memakai pelarut minyak berat vakum, dimana ada beberap hal yang dapat diusulkan sebagai berikut: Jika proses diinginkan untuk memaksimumkan distilat, maka kondisi rasio MBV/BS sekitar 2,0 harus ditetapkan. Adapun, di dalam studi ini rasio di bawah 2,0 tidak dilakukan pengujian, mengingat distilat dengan rasio (reaksi tanpa batubara) menghasilkan distribusi LO dan RS yang relatif sama (7,2% dan 55,4% b- bkta+mbv-bkta). Jadi, diasumsikan bahwa rasio di bawah 2,0 akan memberikan hasil yang relatif sama. Namun, jika distilat bukan merupakan prioritas, maka rasio di atas 2,0 layak untuk dicoba lebih lanjut untuk meningkatkan kualitas dan nilai jual minyak berat vakum (MBV) dimana LO (light oil) yang dihasilkan terus meningkat seiring dengan meningkatnya rasio MBV/BS (konsentrasi BS semakin menurun) Pengaruh Jumlah Pelarut MBV (Rasio MBV Terhadap Batubara) Terhadap Distribusi Produk Gas Dan H 2 0 Pencairan Hasil distribusi produk gas dan H 2 O dari berbagai variasi rasio dapat dilihat pada tabel 9 di bawah ini. Untuk gas hidrokarbon dari hasil ketiga pengujian di atas tidak jauh berbeda (perbedaannya tidak besar/signifikan) dibandingkan dengan yang diperoleh dari pengujian blangko (PMBV). Hal ini mengindikasikan bahwa penambahan jumlah pelarut MBV pada pencairan batubara BS dan MBV tidak berpengaruh terhadap gas hidrokarbon. Namun demikian, gas hidrokarbon dari reaksi pencairan batubara-mbv lebih besar dibandingkan dengan gas hidrokarbon yang dihasilkan dari reaksi pencairan batubara standard. Hasil ini juga dapat menunjukkan bahwa MBV banyak mengandung gugus alkana/alifatik rantai pendek. Disamping itu, kontribusi gas hidrokarbon dari batubara juga terlihat dari hasil tersebut. Tabel 9. Perbandingan H 2O, Gas Hidrokarbon (C 1~C 4) Dan Gas CO+CO 2 Variabel rasio C 1~C 4 CO+CO 2 H 2O MBV/BS 2,0/1,0 12,58 1,35 0,15 2,5/1,0 11,63 1,32 0,27 3,0/1,0 9,53 1,00 0,79 gas CO+CO 2 yang dihasilkan pada pengujian batubara dengan MBV menunjukkan lebih besar dibandingkan pengujian blanko. Efek interaksi batubara dan MBV telah cenderung memacu disintegrasi ikatan gugus karboksil dan karbonil di dalam batubara, sehingga terbentuk gas CO 2 dan CO. Seperti penjelasan pada sub bab 3.1 bahwa MBV sedikit mengandung atom oksigen dan kemungkinan oksigen tidak terikat sebagai gugus karboksil dan karbonil, maka akan menghasilkan CO+CO 2 yang sangat rendah sehingga tidak terdeteksi oleh alat analisa. Karena jumlah batubara yang dimasukkan relatif sama untuk masing-masing rasio, maka gas CO dan CO 2 yang dihasilkan pun relatif sama (di bawah batas perbedaan yang signifikan). H 2 O untuk ketiga variabel tersebut menunjukkan hasil yang berbeda-beda, dimana untuk variabel rasio 3,0/1,0 memberikan terbesar (perbedaannya sekitar 0,5%-0,6% b- bkta+mbv-bkta). Pengaruh jumlah pelarut Efek Katalitik. (Yuli Artanto dan Yusnitati) 43

8 terhadap terbentuknya H 2 O masih sulit dijelaskan, karena H 2 O untuk tes pencairan tanpa batubara PMBV (rasio 1,0/0,0) adalah sebesar 3,5% b-bkta+mbv-bkta. Dalam hal ini, semakin kecil konsentrasi batubara atau semakin besar konsentrasi pelarut akan menghasilkan banyak H 2 O. Kemungkinan penjelasan yang dapat dilakukan adalah sebagai berikut: Reaksi PMBV tidak terjadi water-gas shift reaction (WGS), yaitu reaksi CO 2 + H 2 O membentuk CO + H 2, dimana CO 2 dan CO yang dihasilkan selama reaksi relatif kecil dan suplai H 2 yang relatif besar maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke kiri yang akan memperbanyak terbentuknya H 2 O. Kondisi nomor 1 akan berbeda, jika CO 2 dan CO yang dihasilkan selama reaksi pencairan batubara-mbv bertambah besar sehingga kesetimbangan untuk membentuk H 2 O menjadi semakin lambat, dimana H 2 yang ada lebih selektif untuk keperluan memfraktur struktur ikatan batubara dan MBV, dan akibatnya H 2 O yang dihasilkan semakin sedikit. Jadi, semakin banyak konsentrasi batubaranya maka H 2 O yang terbentuk akan cenderung semakin berkurang dan demikian pula sebaliknya. Penjelasan nomor 2 di atas juga membuktikan bahwa CLB yang terbentuk cenderung berkurang pada rasio MBV/BS yang semakin kecil atau konsentrasi batubara semakin betambah. Pertanyaan akan timbul, apakah mekanisme terbentuknya H 2 O mempunyai kesamaan korelasi atau pengaruh dengan konsumsi hidrogen akan dijelaskan pada sub bab di bawah ini Pengaruh Jumlah Pelarut MBV (Rasio MBV Terhadap Batubara) Terhadap Konsumsi Gas Hidrogen Konsumsi gas hidrogen termasuk parameter yang krusial di dalam mengkaji suatu proses pencairan batubara, baik proses standard pencairan maupun proses pencairan alternatif, sebagai suatu proses yang ekonomis atau tidak. Hal ini akan berdampak terhadap ekonomi proses, mengingat biaya memproduksi gas hidrogen (jika memakai gasifikasi batubara) merupakan 20% dari total biaya konstruksi. Tabel 10. Perbandingan Konsumsi Hidrogen Dengan Variabel Rasio MBV/BS Rasio MBV/BS 1,0/0,0* 2,0/1,0 2,5/1,0 3,0/1,0 H 2 1,21 1,94 1,52 1,68 Hasil pada tabel 10 menunjukkan bahwa reaksi pencairan batubara dan minyak berat vakum mengkonsumsi gas hidrogen lebih banyak dibandingkan dengan reaksi pencairan minyak berat vakum saja. Hal ini mengartikan bahwa reaksi batubara-mbv menghasilkan interaksi yang sinergis dan mengkonsumsi gas hidrogen untuk memfraksi struktur-struktur ikatan kedua komponen tersebut (batubara dan MBV) membentuk produk-produk distilat, CLB, H 2 O, gas CO+CO 2 dan gas hidrokarbon. Disamping itu, kemungkinan gas hidrogen yang disuplai pada reaksi pencairan MBV sebagian dipakai untuk reaksi WGS (penjelasan no.1 pada sub bab 3.3) dan untuk memecah struktur ikatan molekul. Hasil tersebut juga menunjukkan bahawa pelarut MBV merupakan donor hidrogen yang baik. Konsumsi gas hidrogen untuk reaksi dengan rasio 2,5/1,0 relatif sama dengan rasio 3,0/1,0. Namun demikian, rasio MBV/BS 2,0/1,0 mengkonsumsi hidrogen lebih banyak dibandingkan dengan rasio MBV/BS yang lain. Hal ini sangat berhubungan juga dengan penjelasan nomor 2 sub bab 3.3. Alasan lain adalah hidrogen diperlukan juga untuk mengcracking struktur ikatan batubara dan minyak berat vakum, dimana mengahasilkan gas hidrokarbon relatif banyak, distilat yang relatif besar dan CLB yang relatif kecil, dengan mekanisme reaksi yang berbeda. 3. KESIMPULAN Hasil studi menunjukkan bahwa pelarut minyak berat vakum (MBV) sangat potensi untuk dipergunakan sebagai pelarut dalam proses pencairan batubara. Hasil pencairan MBV tanpa batubara mengartikan juga bahwa MBV di dalam kondisi reaksi pencairan (suhu 450 o C, tekanan awal 80kg/cm 2 G dan waktu reaksi 60 menit) cenderung membentuk fraksi distilat sebesar 62,51% b-bkta+mbv-bkta dan relatif kecil CLB sebesar 24,33% b-bkta+mbv-bkta. tersebut ternyata lebih bagus dibandingkan dengan dari reaksi pencairan batubara yang standard, yaitu menggunakan creosote oil. Hasil reaksi antara batubara-mbv, dengan berbagai variasi rasio MBV/BS, pun menghasilkan yang relatif lebih bagus dibandingkan dengan reaksi pencairan batubara yang standard. Kondisi ini mengindikasikan bahwa adanya interaksi aktif anatara fragmenfragmen radikal bebas molekul batubara selama reaksi berlangsung telah melemahkan dan/atau memutuska ikatan-ikatan struktur molekul minyak berat vakum sehingga memicu terbentuknya 44 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 2, N0. 2, Desember 2006 Hlm

9 fraksi distilat (LO dan RS) dan gas hidrokarbon serta gas CO+CO 2. Pada studi in, interaksi batubara dan minyak berat vakum semakin efektif jika rasio MBV dan batubara BS semakin besar (atau konsentrasi batubara semakin meningkat di dalam umpan). gas CO+CO 2 yang dihasilkan dari proses pencairan batubara-mbv juga relatif lebih rendah dibandingkan dengan reaksi pencairan batubara standard. Variasi penambahan pelarut (variasi rasio MBV/BS) di dalam reaksi pencairan tidak berpengaruh terhadap CO+CO 2. Hasil studi ini sangat menguntungkan dari segi lingkungan, dimana emisi gas CO dan CO 2 yang diemisikan ke udara menjadi semakin kecil dan biaya konstruksi menjadi menurun, mengingat ukuran unit pereduksi CO 2 menjadi relatif lebih kecil. Interaksi antara batubara dan MBV memberikan gas hidrokarbon yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan yang dihasilkan dari reaksi pencairan batubara standard. Hal ini disebabkan MBV relatif lebih banyak mengandung gugus alifatik/alkana yang terikat dengan molekul induk (macromolecule) MBV. Ditemukan juga bahwa variasi rasio MBV/BS tidak secara signifikan mempengaruhi pembentukan gas hidrokarbon. Sifat donor hidrogen minyak berat vakum dibuktikan melalui reaksi pencairan tanpa batubara, dimana konsumsi hidrogen rendah dengan distilat yang relatif sama dengan reaksi batubara-mbv pada rasio 2,0/1,0. Secara umum, reaksi pencairan batubara dengan pelarut minyak berat vakum mengkonsumsi gas hidrogen relatif lebih rendah dibandingkan dengan reaksi pencairan batubara standard. Jadi hasil studi ini dapat dijadikan sebagai suatu rekomendasi untuk dilakukannya pengembangan riset ke depan, dimana beberapa variabel proses perlu dikaji seperti suhu reaksi, tekanan awal gas hidrogen, reaktan gas (bisa dipergunakan gas CO+H 2 O, sintetis gas CO/H 2 ), jenis reaktor, jenis katalis (dicari jenis katalis yang mudah didapat di dalam negeri dan murah), jenis dan asal pelarut minyak berat vakum dan rasio pelarut terhadap batubara. Faktor-faktor lain seperti distribusi katalis terhadap campuran batubara-minyak berat vakum, analisa kimia (chemical analysis and characterisation) produk reaksi dan proses kimiawi di dalam reaksi pencairan batubara dengan minyak berat vakum juga perlu diselidiki untuk mengetahui mekanisme sinergistas antara batubara dan minyak berat vakum baik tanpa katalis maupun dengan katalis. Jika mekanisme di dalam reaksi tersebut dapat diduga, maka pengembangan teknologi tersebut menjadi semakin mudah untuk diterapkan ke skala yang lebih besar seperti skala pilot plant, skala demonstrasi dan komersial. DAFTAR PUSTAKA Anonim,"Applicability Study on Direct Liquefaction of Banko Coal in Indonesia", Application of Improved BCL Process and Coal Gasification Technology, 2 nd edition, March Audeh, C.A. and Yan, T.Y., Coprocessing of Petroleum Residues and Coal, CANMET Coal Conversion Contractors Review Meeting, Calgary, Alberta, Canada, November 14-16, Curtis, C.W., Guin, J.A., Tsai, K.J. and Pass, M., Coprocessing of Coal and Heavy Petroleum Crudes and Residue: A Solvent Evaluation and a Parametric Study, CANMET Coal Conversion Contractors Review Meeting, Calgary, Alberta, Canada, November 14-16, Hasil pembicaraan dengan Mr. Tamura, Kobelco. Redlich, P.J., Jackson, W.R. and Larkins, F.P., Hydrogenation of Brown Coal:9. Physical Characterization and Liquefaction Potential of Australian Coals, 64, 1985, Shinn, J.H., Dahlberg, A.J., Kuehler, C.W. and Rosenthal, J.W., The Chevron Co-Refining Process, Proceedings of the Ninth Annual EPRI Contractors Conference on Coal Liquefaction, Palo Alto, California, May Shi, Y., Orr, E.C., Shao, L. and Erying, E.M., Pyrite Removal from Illinois #6 Coal by CrCl 2 Reduction and Effect of Pyrite on the Coprocessing of Illinois #6 Coal with Waste Automotive Oil, 59, 1999, University of Wyoming, Non-Coal-Derived Heavy Solvents in Direct Coal Liquefaction, Research Project , AP-4345, 1985, Yamada, Y., Honda, H. and Kakiyama, H., Liquefaction of Coal with Petroleum System Heavy Oil Solvent, Japanese Patent 53502, Efek Katalitik. (Yuli Artanto dan Yusnitati) 45