SIMULASI KONSUMSI ENERGI PEMURNIAN BIOETANOL MENGGUNAKAN VARIASI DIAGRAM ALIR DISTILASI EKSTRAKTIF DENGAN KONFIGURASI, V

Transkripsi

1 SIMULASI KONSUMSI ENERGI PEMURNIAN BIOETANOL MENGGUNAKAN VARIASI DIAGRAM ALIR DISTILASI EKSTRAKTIF DENGAN KONFIGURASI, V Johana Tanaka* dan Dr. Budi Husodo Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik Parahyangan Jl. Ciumbuleuit 94, Bandung 40141, Indonesia *)Penulis korespondensi : johana.tanaka06@gmail.com ABSTRAK Distilasi ekstraktif merupakan salah satu cara separasi etanol dari air yang dapat mencapai keadaan etanol murni. Variasi diagram alir proses distilasi ekstraktif memiliki pengaruh terhadap konsumsi energi yang diperlukan untuk pemurnian etanol-air sampai fuel grade. Untuk mengetahui konsumsi energi pada variasi diagram alir proses distilasi ekstraktif maka diperlukan simulasi. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah model kolom distilasi ekstraktif berhasil divalidasi. Pada rasio refluks konstan, harga reboiler duty yang semakin besar menyebabkan kemurnian etanol yang semakin kecil. Temperatur umpan yang semakin dinaikkan menghasilkan konsumsi energi yang semakin kecil serta laju alir umpan yang diperbesar menyebabkan reboiler duty yang semakin besar juga untuk harga kemurnian etanol yang sama yaitu 99,5%-mol. Diagram alir dengan recycle solvent dan pemanfaatan panas menghemat energi 6-8% dan diagram alir fully thermally coupled menghemat energi 37-50% jika dibandingkan dengan diagram alir dengan aliran umpan dan pelarut yang terpisah. Rasio refluks memiliki pengaruh yang lebih besar terhadap kemurnian etanol dibandingkan dengan reboiler duty. Kata kunci : distilasi ekstraktif, konsumsi energy, pemurnian bioetanol ABSTRACT Extractive distillation is one of the ethanol separation methods from water that can reach the pure ethanol condition. Process flow diagram variation in this extractive distillation can affect the energy consumption needed to purify ethanol from water until fuel grade condition. Simulation was conducted to know the energy consumption in process flow diagram variation of extractive distillation. The result obtained from this experiment is that the extractive distillation column model validate successfully. In the constant reflux ratio, the increase of reboiler duty value causing the smaller purity of ethanol. The increase of feed temperature causing decrease of energy consumption, while the increase of feed flow causing bigger reboiler duty for the same 99.5%-mole of ethanol purity. Recycle solvent and heat utilization flow diagram save 6-8% of energy and fully thermally coupled flow diagram save 37-50% of energy, compared to the separated feed and solvent flow diagram. The reflux ratio has bigger impact than reboiler duty to the ethanol purity. Keywords : extractive distillation, energy consumption, purifying bioethanol 1

2 PENDAHULUAN Etanol adalah salah satu bahan bakar terbarukan yang memberikan kontribusi besar untuk mengurangi penggunaan bahan bakar fosil. Namun sayangnya, produksi etanol tidaklah mudah dan menggunakan proses-proses yang kompleks. Akibat terus berkurangnya sumber daya minyak di negara-negara besar ditambah masalah lingkungan dan kepedulian masyarakat dunia terhadap krisis lingkungan ini, bioetanol menjadi energi alternatif yang layak dan realistik untuk diproduksi dengan dukungan teknologi saat ini. Dalam proses produksinya, bahan baku pangan seperti tebu atau jagung yang mempunyai kandungan energi tinggi maupun biomassa lignoselulosa (kayu, dedaunan, bonggol jagung) dan lainnya perlu melalui beberapa tahap yang kompleks. Kompleksitas proses ini menjelaskan bahwa produksi bioetanol memerlukan biaya tinggi dan alasan bahan bakar etanol belum dapat menjadi bahan bakar utama menggantikan bahan bakar fosil yang produksinya lebih murah. Oleh karena itu, pengembangan teknologi yang hemat biaya untuk produksi bahan bakar etanol adalah prioritas bagi banyak pusat penelitian, universitas dan perusahaan swasta, dan bahkan bagi pemerintah. Karena teknologi untuk produksi etanol (terutama dari biomassa lignoselulosa) sudah ada namun belum dikembangkan lebih jauh, penerapan rekayasa proses diperlukan salah satunya menggunakan simulasi konsumsi energi. Rekayasa proses diterapkan pada produksi bahan bakar etanol mencakup desain proses baru yang inovatif dan konfigurasi yang bertujuan mengurangi biaya produksi etanol. [1] Etanol adalah salah satu bahan bakar terbarukan yang memberikan kontribusi besar untuk mengurangi penggunaan bahan bakar fosil terutama gasoline. Etanol dapat menjadi bahan bakar campuran untuk bahan bakar fosil yaitu gasoline atau yang lebih dikenal di Indonesia dengan nama premium. Etanol yang dapat digunakan dalam campurannya dengan premium haruslah etanol murni (anhydrous ethanol). Sayangnya saat ini etanol belum dapat digunakan sebagai bahan bakar komersil untuk masyarakat luas di Indonesia karena harganya yang belum dapat bersaing dengan bensin sebagai bahan bakar fosil yang paling umum digunakan masyarakat. Hal ini disebabkan karena etanol saat ini masih dikenakan biaya cukai yang cukup besar sedangkan bensin merupakan bahan bakar yang mendapatkan subsidi dari pemerintah. METODE PENELITIAN Prosedur Kerja Penelitian dilakukan dalam 4 tahapan, yaitu studi literature dan simulator Aspen Plus, pembuatan model proses, validasi model proses, dan simulasi proses. Model kolom RadFrac dipilih berdasarkan pada asumsi terjadinya kesetimbangan fasa uap cair di setiap tahap. Beberapa model termodinamika campuran biner untuk sistem uap cair adalah NRTL, UNIFAC, UNIQUAC, dan WILSON. Validasi dilakukan dengan membandingkan hasil simulasi dari model proses dengan data yang diperoleh dari 2

3 literatur. Model yang telah valid kemudian digunakan untuk simulasi konsumsi energi variasi diagram alir distilasi ekstraktif. Rancangan Percobaan Dalam tahapan simulasi, temperatur umpan akan divariasikan pada diagram alir yang pertama sehingga memunculkan dasar penggunaan diagram alir yang kedua. Laju alir umpan akan divariasikan pada ketiga diagram alir sehingga diperoleh masing-masing harga konsumsi energi. Simulasi berikutnya dengan memvariasikan rasio refluks untuk membandingkan pengaruhnya rasio refluks dan reboiler duty terhadap kemurnian etanol. HASIL DAN PEMBAHASAN Model dan Validasi Penelitian dilakukan dengan menggunakan kolom RadFrac yang didasarkan pada asumsi terjadinya kesetimbangan fasa uap cair di setiap tahap. Kondisi operasi dan konfirgurasi kolom yang akan digunakan dapat dilihat pada Tabel 1. Sebelum simulasi, terlebih dahulu dilakukan validasi dengan memvariasikan model termodinamika. Beberapa model termodinamika campuran biner untuk sistem uap cair adalah NRTL, UNIFAC, UNIQUAC, dan WILSON. Gambar 1 merupakan kolom distilasi ekstraktif yang digunakan untuk validasi. Gambar 1. Kolom distilasi ekstraktif untuk validasi Model-model termodinamika disimulasikan pada kolom dan hasilnya dibandingkan dengan data literatur. Hasil yang akan dibandingkan adalah kemurnian distilat yaitu etanol. Hasil simulasi dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 1. Data literatur untuk validasi Kondisi Operasi Tekanan kolom ekstraktif, (mmhg) 760 3

4 Tekanan kolom recovery, (mmhg) 150 Temperatur umpan azeotrop, ( C) 20 Temperatur pelarut masukan, ( C) 75 Laju alir umpan azeotrop, (kmol/h) 100 Laju alir pelarut, (kmol/h) 80 Fraksi mol pelarut etilen glikol 0,6 Fraksi mol pelarut gliserol 0,4 Fraksi mol umpan etanol 0,89 Fraksi mol umpan air 0,11 Rasio refluks dalam kolom ekstraktif 0,5 Rasio refluks dalam kolom recovery 0,92 Reboiler duty, (kj/s) Konfigurasi Kolom Jumlah tahap teoritik kolom ekstraktif 20 Jumlah tahap teoritik kolom recovery 8 Tahap umpan azeotrop masuk kolom ekstraktif 12 Tahap pelarut masuk kolom ekstraktif 4 Tahap pelarut + air masuk kolom recovery 4 Tabel 2. Kemurnian etanol untuk berbagai model termodinamika NRTL UNIFAC UNIQUAC WILSON Literatur Xetanol (%-mol) 99, , , , ,926 Tabel 2 menunjukkan bahwa keempat model termodinamika yang dipilih berdasarkan atas campuran biner sistem uap cair dengan tekanan di bawah 10 bar adalah benar karena hasilnya telah mendekati literatur. Oleh karena itu, keempat model termodinamika tersebut dapat digunakan dalam proses simulasi namun dipilih yang paling mendekati yaitu model NRTL. Simulasi Model yang telah valid selanjutnya akan digunakan pada proses simulasi dengan variasi diagram alir, yaitu: 1. diagram alir dengan umpan dan pelarut yang terpisah alirannya, 2. diagram alir dengan pemakaian kembali pelarut dan pemanfaatan panas dalam aliran recycle, dan 3. diagram alir proses fully thermally coupled. Diagram Alir dengan Umpan dan Pelarut yang Terpisah Alirannya 4

5 Gambar 2. Diagram alir proses distilasi ekstraktif dengan umpan dan pelarut yang terpisah alirannya untuk simulasi Simulasi dilakukan dengan mengubah temperatur umpan dan laju umpan untuk mendapatkan reboiler duty yang paling minimum. 1. Pengaruh temperatur umpan T feed = 20 C T feed = 40 C T feed = 60 C T feed = 70 C Gambar 3. Pengaruh perubahan harga reboiler duty terhadap kemurnian etanol pada berbagai temperatur umpan Gambar 3 menunjukkan bahwa pada berbagai temperatur umpan, semakin besarnya reboiler duty menyebabkan kemurnian etanol semakin kecil. Hal tersebut disebabkan semakin besarnya kerja reboiler, fraksi berat ikut teruapkan sehingga mengotori keluaran produk atas dan kemurnian etanol menjadi semakin kecil. Untuk mendapatkan kemurnian etanol 99,5%-mol (fuel grade ethanol) maka temperatur umpan yang semakin tinggi membutuhkan reboiler duty yang semakin kecil. Hal tersebut disebabkan dengan temperatur umpan yang hampir mendekati titik didihnya maka kerja reboiler untuk menguapkan liquid semakin ringan. Misalnya, pada saat temperatur umpan sebesar 70 C maka reboiler duty yang dibutuhkan adalah kj/s dibandingkan pada saat temperatur umpan 20 C, reboiler duty yang dibutuhkan adalah kj/s. Temperatur umpan di atas 70 C tidak dilakukan dengan alasan bahwa akan munculnya fraksi uap pada 5

6 aliran umpan begitu memasuki kolom yang menyebabkan kemurnian akan turun drastis. 2. Pengaruh laju alir umpan F = 100 kmol/h F = 150 kmol/h F = 200 kmol/h F = 250 kmol/h Gambar 4. Pengaruh perubahan harga reboiler duty terhadap kemurnian etanol pada berbagai laju alir umpan (diagram alir 1) Gambar 4 menunjukkan bahwa pada berbagai laju alir umpan, semakin besarnya harga reboiler duty maka kemurnian etanol semakin menurun. Hal tersebut disebabkan semakin besarnya kerja reboiler, fraksi berat ikut teruapkan sehingga mengotori keluaran produk atas dan kemurnian etanol menjadi semakin kecil. Selain itu dapat disimpulkan bahwa pada harga kemurnian etanol yang sama, laju alir umpan yang semakin besar membutuhkan reboiler duty semakin besar. Diagram Alir dengan Pemakaian Kembali Pelarut dan Pemanfaatan Panas dalam Aliran Recycle Gambar 5. Diagram alir proses distilasi ekstraktif dengan recycle solvent dan pemanfaatan panas dalam aliran recycle untuk simulasi 6

7 Simulasi dilakukan dengan mengubah laju alir umpan sehingga diperoleh profil reboiler duty (Qr) terhadap kemurnian etanol (X D ) yang dapat dilihat pada Gambar F = 100 kmol/h F = 150 kmol/h F = 200 kmol/h F = 250 kmol/h Gambar 6. Pengaruh perubahan harga reboiler duty terhadap kemurnian etanol pada berbagai laju alir umpan (diagram alir 2) Gambar 6 menunjukkan bahwa pada laju alir umpan yang berbeda-beda, semakin besar reboiler duty menyebabkan kemurnian etanol yang semakin kecil. Hal tersebut disebabkan semakin besarnya kerja reboiler, fraksi berat ikut teruapkan sehingga mengotori keluaran produk atas dan kemurnian etanol menjadi semakin kecil. Untuk mendapatkan kemurnian etanol yang sama yaitu pada 99,5%-mol maka semakin besar laju alir umpan, semakin besar reboiler duty yang diperlukan. Diagram Alir Proses Fully Thermally Coupled Gambar 7. Diagram alir proses fully thermally coupled distilasi ekstraktif untuk simulasi Simulasi dilakukan dengan variasi laju alir umpan sehingga diperoleh profil reboiler duty (Qr) terhadap kemurnian etanol (X D ) yang dapat dilihat pada Gambar 8. 7

8 x etanol (%-mol) F = 100 kmol/h F = 150 kmol/h F = 200 kmol/h F = 250 kmol/h Gambar 8. Pengaruh perubahan harga reboiler duty terhadap kemurnian etanol pada berbagai laju alir umpan (diagram alir 3) Gambar 8 menunjukkan bahwa semakin tinggi reboiler duty maka kemurnian etanol perlahan-lahan akan semakin tinggi hingga pada titik maksimumnya kemudian turun kembali. Fenomena yang terjadi pada simulasi diagram alir yang ke-2 ini terbagi 2 yaitu ekstraksi dan distilasi. Kemurnian etanol yang semakin meningkat dengan beban reboiler yang semakin besar menunjukkan fenomena ekstraksi yaitu air yang berhasil diekstrak oleh pelarut. Penurunan kemurnian etanol dengan beban reboiler yang semakin besar menunjukkan fenomena distilasi yaitu semakin besar beban reboiler maka semakin banyak uap yang dikembalikan ke kolom dan mengakibatkan produk distilat semakin tidak murni dengan rasio refluks yang tetap. Kesimpulan yang dapat ditarik dari gambar di atas adalah pada kemurnian etanol yang sama, yaitu 99,5%-mol (fuel grade ethanol), dapat diperoleh dengan dua harga reboiler duty dan yang akan dipilih adalah yang paling kecil untuk menghemat energi. Semakin tinggi laju alir umpan menyebabkan semakin tinggi reboiler duty yang diperlukan. Perbandingan Konsumsi Energi Variasi Diagram Alir Skema 1 Skema 2 Skema 3 Gambar 9. Pengaruh perubahan harga reboiler duty terhadap kemurnian etanol pada berbagai skema diagram alir (F=100 kmol/h) 8

9 x etanol (%-mol) x etanol (%-mol) Skema 1 Skema 2 Skema 3 Gambar 10. Pengaruh perubahan harga reboiler duty terhadap kemurnian etanol pada berbagai skema diagram alir (F=150 kmol/h) Skema 1 Skema 2 Skema 3 Gambar 11. Pengaruh perubahan harga reboiler duty terhadap kemurnian etanol pada berbagai skema diagram alir (F=200 kmol/h) Skema 1 Skema 2 Skema Gambar 12. Pengaruh perubahan harga reboiler duty terhadap kemurnian etanol pada berbagai skema diagram alir (F=250 kmol/h) 9

10 Dari Gambar 11 dan Gambar 12 dapat dilihat bahwa tidak terjadi penghematan energi ketika mengganti diagram alir pertama dengan diagram alir yang kedua. Hal ini disebabkan karena laju alir umpan yang diperbesar sedangkan pelarut yang masuk tidak berubah sehingga untuk mendapatkan kemurnian etanol yang sama, beban reboiler pun harus diperbesar. Tabel 3 menunjukkan total harga beban reboiler kolom ekstraktif dan kolom recovery yang dikonsumsi untuk masing-masing diagram alir pada berbagai laju alir umpan. Penghematan energi yang terjadi ketika memodifikasi diagram alir ke-1 menjadi diagram alir yang ke-2 adalah sebesar 6-8% sedangkan penghematan energi yang terjadi ketika menggunakan diagram alir yang ke-3 adalah sebesar 37-50% dibandingkan dengan diagram alir yang ke-1. Tabel 3. Total beban reboiler masing-masing diagram alir pada berbagai laju alir umpan Laju alir umpan Total Beban Reboiler/ (kmol/h) Diagram alir-1 Diagram alir-2 Diagram alir Konfigurasi, V Rasio refluks ( ) dan reboiler duty (V) digunakan sebagai manipulated variable pada simulasi ini. Manipulated variable adalah variabel yang dimanipulasi (diubahubah besarnya) oleh controller untuk menjaga agar control variable tetap berada pada setpoint-nya. Simulasi dengan mengubah harga rasio refluks dilakukan hanya pada diagram alir yang ke-3 dikarenakan diagram alir inilah yang menggunakan energi paling kecil dan dikarenakan hanya untuk membandingkan pengaruhnya terhadap kemurnian etanol yang dihasilkan. Gambar 13 menunjukkan pengaruh reboiler duty terhadap kemurnian etanol dan Gambar 14 menunjukkan pengaruh rasio refluks terhadap kemurnian etanol y = 5E-05x R² = Gambar 13. Pengaruh perubahan harga reboiler duty terhadap kemurnian etanol pada berbagai laju alir umpan (diagram alir 3) 10 F = 100 kmol/h F = 150 kmol/h F = 200 kmol/h F = 250 kmol/h Linear (F = 100 kmol/h)

11 y = x R² = rasio refluks F = 100 kmol/h F = 150 kmol/h F = 200 kmol/h F = 250 kmol/h Linear (F = 100 kmol/h) Gambar 14. Pengaruh perubahan harga rasio refluks terhadap kemurnian etanol pada berbagai laju alir umpan (diagram alir 3) Gambar 13 menunjukkan bahwa untuk berbagai laju alir umpan, semakin besar rasio refluks menyebabkan kemurnian etanol yang semakin besar. Hal tersebut benar karena rasio refluks menunjukkan perbandingan liquid yang kembali ke kolom dengan distilat yang keluar sebagi produk atas. Semakin besar rasio refluks maka semakin besar uap hasil kondensasi yang dikembalikan ke kolom dan fraksi etanol yang dihasilkan semakin tinggi. Untuk harga kemurnian etanol yang sama, yaitu 99,5%-mol, dapat disimpulkan bahwa semakin besar laju alir umpan maka semakin besar rasio refluks. Slope ( ) diantara kedua grafik yaitu Gambar 13 dan Gambar 14 diperoleh kemudian dibandingkan. Pada setiap laju alir umpan, slope yang diperoleh untuk pengaruh reboiler duty terhadap kemurnian etanol selalu lebih kecil daripada pengaruh rasio refluks terhadap kemurnian etanol. Misalnya, pada laju alir umpan 100 kmol/h, slope yang diperoleh untuk pengaruh reboiler duty terhadap kemurnian etanol adalah 5x10-5 sedangkan slope yang diperoleh untuk pengaruh rasio refluks terhadap kemurnian etanol adalah 7,7x10-2. Slope menunjukkan perubahan variabel yang diubah, dalam hal ini adalah rasio refluks dan reboiler duty, terhadap perubahan variabel yang ditetapkan yaitu kemurnian etanol. Slope yang lebih besar berarti menunjukkan lebih besar KESIMPULAN Model kolom distilasi ekstraktif dengan variasi model termodinamika berhasil divalidasi. Semakin besarnya reboiler duty maka semakin kecil kemurnian etanol. Pada harga kemurnian etanol yang sama, semakin besar temperatur umpan maka semakin kecil reboiler duty. Pada harga kemurnian etanol yang sama, semakin besar laju alir umpan maka semakin besar reboiler duty. Diagram alir yang ke-2 menghemat energi sebesar 6-8% sedangkan diagram alir yang ke-3 menghemat energi sebesar 37-50% jika dibandingkan dengan diagram alir ke-1. Rasio refluks lebih berpengaruh terhadap kemurnian etanol dibandingkan dengan reboiler duty. 11

12 UCAPAN TERIMA KASIH Terima Kasih disampaikan kepada Bapak Dr. Budi Husodo Bisowarno, Ir., M.Eng. atas bimbingannya selama penelitian ini berlangsung. DAFTAR PUSTAKA Bisowarno, B.H., et al., Simulasi Kolom Distilasi Ekstraktif untuk Proses Dehidrasi Etanol Menggunakan Etilen Glikol-Gliserol Hernández, S., Analysis of Energy-Efficient Complex Distillation Options to Purify Bioethanol