SIMULASI KONDISI OPERASI KOLOM DISTILASI EKSTRAKTIF DENGAN DIVIDING WALL COLUMN UNTUK PEMURNIAN ETANOL

Transkripsi

1 SIMULASI KONDISI OPERASI KOLOM DISTILASI EKSTRAKTIF DENGAN DIVIDING WALL COLUMN UNTUK PEMURNIAN ETANOL Mulyadi*, Budi Husodo Bisowarno Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik Parahyangan Jl. Ciumbuleuit 94, Bandung 40141, Indonesia *) Penulis korespondensi : ping_mp@yahoo.com Abstrak Persediaan minyak bumi di dunia yang semakin lama semakin menipis membuat kebutuhan akan bahan bakar pengganti minyak bumi sebagai sumber energi terus meningkat. Untuk tetap dapat memenuhi kebutuhan energi terutama dalam dunia industri dan transportasi maka diperlukan bahan bakar alternatif yang sifatnya dapat diperbaharui. Salah satu solusi bahan bakar alternatif yang dapat memenuhi persyaratan tersebut adalah etanol. Bahan bakar etanol (fuel grade ethanol) haruslah memiliki kemurnian tidak kurang dari 99,5%-mol. Distilasi ekstraktif dengan dividing wall column (DWC) diharapkan dapat menghasilkan kemurnian etanol minimum yang yaitu sebesar 99,5%-mol, dengan cara lebih efisien, lebih hemat energi, juga lebih murah dalam biaya produksi dan capital cost. Pada penelitian ini umpan berupa campuran etanol-air hasil dari distilasi konvensional. Sedangkan, etilen glikol digunakan sebagai entrainer. Variasi yang dilakukan pada percobaan ini adalah beban reboiler, rasio refluks, dan jumlah umpan. Variasi dilakukan sehingga diperoleh kemurnian etanol minimal 99,5% dengan konsumsi energi paling sedikit. Perubahan kondisi operasi kolom dapat membuat proses pemurnian etanol lebih efisien. Hasil penelitian menunjukkan untuk mendapatkan kemurnian etanol 99,5% jumlah umpan dapat dinaikkan sampai 200 kmol/h. Selain itu juga temperatur umpan masukkan dapat diturunkan,sehingga umpan masuk tdak perlu masuk dalam kondisi azeotropnya. Komposisi umpan sendiri tidak berpengaruh signifikan terhadap kemurnian etanol, sehingga hasil dari distilasi biasa dapat langsung dimasukkan ke DWC. Pada kolom pre-fractionator, semakin kecil rasio refluks kemurnian etanol akan semakin kecil kemurnian etanol dan etilen glikol yang didapat. Pada kolom DWC, perubahan rasio refluks dan beban boiler tidak berpengaruh terhadap kemurnian etanol, tetapi akan mempengaruhi kemurnian etilen glikol, air, dan yield etanol yang didapatkan. Kata Kunci: etanol, distilasi, DWC Abstract Every day, the numbers of crude oils keep decreasing, that make demand of fuel gas from crude oil substitute keep increasing. Alternative renewal fuel gas is needed to ensure the energy requirement on industrial and transportations world. One of alternative solutions is ethanol. Fuel grade ethanol should have the purity no less than 99,5 %-mol. Extractive distillation with dividing wall column (DWC) is being expected to produce ethanol with minimum purity 99,5%, efficiently, saving energy, and lower production and capital cost. This research was done by simulated the purification process of ethanol using Aspen Plus. The feed is mixture of ethanol and water from conventional distillation and the entrainer is ethylene glycol. The variations that were done are re-boiler load, reflux ratio and feed quantity. These variations were done until reached the minimum purity of ethanol 99,5% and used the least energy consumption. Changes of operation conditions could make the process more efficient. The result shows to get the purity of ethanol by 99,5%, feed can be increased by 200 kmol/h, feed temperature can be reduced, so that feed would not have been put in azeotrope conditions. Feed composition itself was not taking effect significantly to the purity of ethanol, so that product from distillation can be put in directly to DWC system. On pre-fractionator column, less reflux ratio, less purity of ethanol, and less ethylene glycol was gotten. On DWC column, changes on reflux ratio and boiler load was not give effect on ethanol purity, but more on purity of water, ethylene glycol and yield of ethanol. Keywords: ethanol, Distillation, DWC

2 PENDAHULUAN Sekarang ini, persediaan minyak bumi di dunia semakin lama semakin menipis, sedangkan kebutuhan bahan bakar minyak bumi sebagai sumber energi terus meningkat sejalan dengan perkembangan kegiatan industri dan transportasi. Untuk tetap dapat memenuhi kebutuhan energi tersebut, dunia industri dan transportasi memerlukan bahan bakar alternatif yang sifatnya dapat diperbaharui (renewable) dan lebih ramah lingkungan. adalah salah satu bahan bakar terbarukan yang memberikan kontribusi besar untuk mengurangi penggunaan minyak bumi di dunia. dapat diperoleh dari hasil proses fermentasi yang disebut sebagai bioetanol. Namun sayangnya, produksi bioetanol tidaklah mudah dan menggunakan proses-proses yang kompleks. Kompleksitas proses ini menjelaskan bahwa produksi bioetanol memerlukan biaya tinggi dan alasan bahan bakar bioetanol belum dapat menjadi bahan bakar utama menggantikan bahan bakar fosil yang produksinya lebih murah. Indonesia, yang merupakan negara tropis, memiliki ketersediaan bahan baku bioetanol yang melimpah sehingga menjadikannya produk yang prospektif untuk dikembangkan lebih lanjut. yang digunakan untuk transportasi memiliki kemurnian minimum sebesar 99,5%-mol atau 99,7%-massa. Oleh karena itu, pengembangan teknologi yang hemat biaya untuk produksi bahan bakar bioetanol adalah prioritas bagi banyak pusat penelitian, universitas dan perusahaan swasta, dan bahkan bagi pemerintah. Persoalan dalam proses pembuatan etanol berkaitan dengan pemurniannya karena terbentuk campuran azeotrop etanol-air yang tidak dapat dipisahkan dengan proses distilasi biasa. Salah satu proses alternatif yang dapat menjadi solusi bagi permasalahan tersebut adalah proses distilasi ekstraktif. Distilasi ekstraktif yaitu distilasi dengan penambahan entrainer bersifat lebih tidak mudah menguap dari zat yang akan dipisahkan sehingga kebanyakan terikut sebagai produk bawah (residu). Proses distilasi ekstraktif dapat dilakukan dengan penambahan dividing wall column (DWC) atau tidak. Salah satu keunggulan penambahan DWC ini adalah agar produk yang didapat memiliki kemurnian yang tinggi. Selain itu, dengan penggunaan DWC konsumsi energi yang didapat akan menjadi lebih kecil. Pemodelan dan simulasi proses distilasi ekstraktif dilakukan dengan bantuan Aspen Plus yang merupakan simulator proses tunak (steady-state). Dengan bantuan simulator ini, penentuan entrainer serta kondisi operasi untuk pemurnian etanol akan jauh lebih cepat dan ekonomis. METODE PENELITIAN Studi Literatur dan Simulator Aspen Plus Program simulasi yang digunakan untuk memodelkan sistem ini adalah Aspen Plus yang dapat digunakan untuk berbagai operasi teknik kimia. Aspen Plus dapat menggambarkan sifat termodinamika campuran etanol-air dalam keadaan steady state. Pemilihan simulator yang akan digunakan ini didasarkan pada tiga hal, yaitu kemudahan penggunaan simulator, ketersediaan sifat-sifat fisik dan kimia yang lengkap dari senyawa-senyawa kimia yang akan disimulasikan dalam simulator, dan license resmi simulator Aspen Plus yang dimiliki Universitas Katolik Parahyangan. Pembuatan Model Model distilasi ekstraktif secara kontinu yang dibuat pada tahap awal penelitian adalah model yang selanjutnya akan digunakan saat validasi. Model termodinamika yang digunakan pada penelitian ini adalah model NRTL. Sementara pada model column digunakan RadFrac. RadFrac adalah model dengan perhitungan eksak untuk semua jenis pemisahan uap dan cair

3 dalam kolom bertingkat (fraksinasi), model ini dapat digunakan untuk simulasi absorpsi, absorpsi dengan reboiler, stripping, stripping dengan reboiler, distilasi ekstraktif dan distilasi azeotropik. RadFrac cocok untuk sistem dengan tiga fasa, sistem pemisahan yang menggunakan boiler, dan sistem dengan sifat yang non-ideal. Pemilihan model ini juga disesuaikan dengan literatur yang ada, sehingga diharapkan dapat mempermudah saat validasi model. Jika model ini telah valid selanjutnya akan digunakan untuk mensimulasikan proses untuk mendapatkan kondisi optimum dari proses.diagram alir proses pemurnian bioetanol pada proses distilasi ekstraktif menggunakan DWC akan disajikan pada gambar 1 (kiri). Gambar 1 Diagram Alir Proses Pemurnian dengan Distilasi Ekstraktif secara aktual (kiri) dan untuk proses simulasi (kanan) Tabel 1 Data input untuk proses validasi Parameter Desain Nilai Unit Reflux ratio pre-fractionator 0,27 kmol/kmol Number of stages pre-fractionator 16 - Feed stage pre-fractionator 13 - Feed stage of extractive agent 3 - Reflux ratio DWC 0,2 kmol/kmol Number of stages DWC 20 - Stage of the interconnection Liq Stage of the interconnection Vap Interconnection liquid flow 291 kmol/h Interconnection vapor flow 86 kmol/h Feed flowrate of ethanol 85 kmol/h Feed flowrate of water 15 kmol/h Feed flowrate of extractive agent 190 kmol/h Heat duty pre-fractionator 0 kw Heat duty DWC 1819,52 kw Total heat duty 1819,52 kw Operating pressure pre-fractionator 1 Bar Operating pressure DWC 1 Bar

4 Pada pembuatan model perlu diperoleh data-data dari studi literatur, hal ini akan berperan dalam proses validasi sehingga dapat dilakukan proses variasi selanjutnya. Tabel 1 menunjukkan data-data input pada pembuatan model. Validasi Model Validasi model dilakukan dengan membandingkan hasil yang didapat dari pembuatan model dengan hasil yang didapat dari literatur. Dalam proses validasi, input dan kondisi proses yang digunakan haruslah sama dengan literatur. Apabila hasil permodelan masih jauh dari literatur, maka perlu dilakukan modifikasi terhadap model, tetapi modifikasi yang digunakan adalah parameter-parameter yang tidak diketahui/ tidak ada sebelemnya dalam data-data yang akan digunakan untuk validasi. Apabila model yang dibuat telah mendekati dengan hasil dari literatur, maka model yang dibuat telah valid dan dapat digunakan untuk simulasi. Berikut ini adalah hasil output yang didapat dari literatur : Tabel 2 Hasil output dari literatur Parameter Desain Nilai Unit Ethanol recovery 99.8 % Water recovery 99.1 % Ethylene glycol recovery 99.9 % Purity of ethanol recovered 99.8/99.84 wt%/mol% Purity of water by-product 97.64/99.07 wt%/mol% Purity of ethylene glycol (recycled) 99.98/99.93 wt%/mol% Gambar 2 Profil Komposisi pada Distilasi Ekstraktif dengan DWC Simulasi Proses Simulasi proses hanya dapat dilakukan jika model yang dibangun telah cukup akurat mendekati keadaan aktualnya yang didapat dari literatur, dengan kata lain model tersebut telah valid. Dengan simulasi ini, diharapkan kajian terhadap kasus pemurnian bioetanol dengan proses distilasi ekstraktif menggunakan DWC dapat menjadi lebih efisien.

5 Komposisi (fraksi mol) HASIL DAN PEMBAHASAN Pemodelan dan Validasi Pada tahap awal, pemodelan dilakukan dengan membuat kolom distilasi ekstraktif beserta alur alur yang masuk dan keluar kolom sesuai dengan literatur. Kondisi operasi dan konfigurasi kolom dimasukkan sesuai dengan data validasi. Gambar 3 Rancangan kolom distilasi ekstraktif dengan DWC Kurva Komposisi -Air-Etilen Glikol vs Tahap tahap air etilen glikol etanol - DWC air - DWC etilen glikol - DWC Gambar 4 Profil Komposisi pada Distilasi Ekstraktif dengan DWC pada proses validasi Proses Simulasi Variasi Laju Alir Umpan Jumlah umpan yang divariasikan yaitu dari kmol/hr dengan selisih 20 kmol/hr pada variabel/ kondisi operasi yang lainnya dipertahankan tetap. Pengaruh dari jumlah umpan terhadap produk dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3ini menunjukkan bahwa pada peningkatan laju alir umpan, kemurnian etanol cenderung mengalami penurunan meskipun jumlahnya kecil. Batas maksimum dari umpan yang dapat di suplai adalah sebesar 200 kmol/hr, dimana persen kemurnian etanol yang didapat adalah sebesar 99,6 % mol. Tanpa mengubah kondisi operasi proses, target kemurnian etanol minimal 99,5 % didapat dengan menambah jumlah

6 umpan sampai 200 kmol/hr atau 2x lipat lebih besar dari jumlah umpan semula. Pada kondisi operasi tetap, jumlah umpan akan berpengaruh terhadap jumlah etanol yang menguap. Laju alir Tabel 3 Hasil kemurnian dan yield produk dari variasi laju alir umpan (%mol) Air Persen Kemurnian etilen glikol (%mol) Yield 20 99,82% 19,17% 100% 99,20% 40 95,90% 33,29% 100% 99,99% 60 93,74% 48,88% 100% 99,99% 80 95,26% 76,15% 100% 99,99% ,83% 99,21% 99,96% 99,86% ,83% 98,50% 99,09% 99,76% ,82% 97.,79% 98,19% 99,67% ,79% 97,02% 97,26% 99,58% ,73% 96,17% 96,30% 99,49% ,63% 95,19% 95,31% 99,40% ,48% 94,01% 94,29% 99,29% ,27% 92,54% 93,24% 99,17% Variasi Komposisi Umpan Komposisi Tabel 4 Hasil kemurnian dan yield produk dari variasi komposisi umpan (%mol) Air Persen Kemurnian Etilen Glikol Yield 0,85 99,83% 99,21% 99,96% 99,86% 0,80 99,83% 4,84% 86,01% 45,95% 0,75 99,82% 6,08% 85,12% 47,85% 0,70 99,82% 7,32% 84,19% 50,04% 0,65 99,82% 8,59% 83,20% 52,58% 0,60 99,82% 9,88% 82,18% 55,54% 0,55 99,82% 11,23% 81,14% 59,05% 0,50 99,82% 13,44% 80,10% 63,18% 0,45 99,82% 32,93% 79,99% 66,14% 0,40 99,82% 49,47% 79,87% 69,06% 0,35 99,82% 63,11% 79,76% 71,94% 0,30 99,82% 73,93% 79,67% 74,70% 0,25 99,82% 82,38% 79,60% 77,48% 0,20 99,82% 88,94% 79,55% 80,62% 0,15 99,81% 94,05% 79,52% 84,79% 0,10 99,81% 98,07% 79,51% 91,92%

7 Pada simulasi ini, komposisi umpan diubah-ubah untuk mengetahui pengaruhnya. Komposisi umpan mula-mula adalah sebesar 0,85. Komposisi umpan divariasikan dari dengan selisih setiap variasi sebesar 0,05. Dari variasi ini, ingin diketahui apakah umpan masukan dapat memiliki komposisi tidak pada azeotropnya untuk mendapatkan kemurnian tinggi pada produk keluaran. Berdasarkan Tabel 4, komposisi umpan diturunkan menyebabkan kemurnian,etanol akan mengalami penurunan, meskipun pada komposisi etanol 0,1 masih diperoleh kemurnian etanol lebih tinggi dari target kemurnian minimum. Sementara Tabel 4.3 menunjukkan penuruna komposisi umpan mempengaruhi kemurnian etanol dan kemurnian komponen lain. Dapat dilihat bahwa kemurnian etilen glikol cenderung mengalami penurunan. Sementara itu kemurnian air sempat mengalami penurunan yang signifikan, lalu akan naik lagi seiring penurunan komposisi umpan. Variasi Temperatur Umpan Temperatur umpan masukan mula-mula pada literatur adalah sebesar C. Temperatur umpan divariasikan dari C dengan selisih temperatur sebesar 10 0C tiap variasi. Salah satu tujuan dari variasi ini adalah ingin diketahui apakah pada temperatur yang lebih rendah dapat didapat target kemurnian etanol yang diinginkan. Pengaruh dari temperatur umpan terhadap kemurnian produk dan yield etanol dapat dilihat pada Tabel 5. Tabel 5 Hasil kemurnian dan yield produk dari variasi temperatur umpan Temperatur (C) Persen kemurnian (%mol) air Persen Kemurnian Etilen Glikol Yield 30 99,82% 3,44% 84,25% 31,34% 40 99,82% 3,48% 84,79% 33,89% 50 99,82% 3,51% 85,33% 36,50% 60 99,82% 3,55% 85,88% 39,19% 70 99,82% 3,59% 86,42% 41,95% 78 99,83% 99,21% 99,96% 99,86% 90 97,28% 93,72% 100,00% 99,98% Tabel 5 menunjukkan bahwa perubahan temperatur menjadi lebih rendah tidak menyebabkan penurunan yang signifikan. Hal itu dapat dilihat dari masih tercapainya target kemurnian meskipun temperatur sudah diturunkan sampai 300C. Akan tetapi bila temperatur dinaikkan sampai 900C, maka kemurnian etanol akan langsung mengalami penurunan yang signifikan. Dengan temperatur umpan yang dapat dimasukkan pada suhu rendah, maka tidak perlu ada energi yang perlu ditambahkan untuk menaikkan temperatur umpan. Variasi Rasio Refluks Kolom Prefractionator (R1) Rasio refluks pada percobaan ini dibagi menjadi 2, yaitu rasio refluks pada kolom prefractionator dan pada kolom DWC. Simulasi ini untuk mengetahui pengaruh rasio refluks pada kolom pre-fractionator terhadap kemurnian etanol. Oleh karena itu rasio refluks pada DWC dan variabel lainnya dibuat tetap. Rasio refluks mula-mula pada kolom pre-fractionator adalah sebesar 0,27. Variasi rasio refluks dilakukan dari rentang 0,05-0,6 dengan selisih 0,05 setiap variasinya. Pada simulasi ini komposisi umpan yang digunakan adalah 0,6 agar

8 pengaruh rasio refluks dapat dilihat lebih jelas. Untuk mengetahui pengaruh rasio refluks dari kolom pre-fractionator dapat dilihat dari Tabel 6. Tabel 6 Hasil kemurnian dan yield produk dari variasi rasio refluks (R1) Rasio Refluks (R1) (mol/mol) Air Persen Kemurnian Etilen Glikol Yield (% mol) 0,05 99,49% 10,26% 82,81% 64,76% 0,10 99,67% 10,17% 82,68% 62,63% 0,20 99,78% 9,99% 82,38% 58,29% 0,27 99,82% 9,88% 82,18% 55,54% 0,30 99,84% 9,84% 82,10% 54,43% 0,40 99,87% 9,72% 81,84% 51,03% 0,50 99,89% 9,62% 81,60% 48,01% 0,60 99,90% 9,53% 81,36% 45,32% Dari Tabel 4.5 dapat dilihat bahwa penurunan rasio refluks akan menambah kemurnian dari produk. Begitu juga sebaliknya, ketika rasio refluks dinaikkan, kemurnian produk justru akan menurun. Selain itu perubahan rasio refluks juga akan berpengaruh terhadap yield etanol yang didapatkan. Semakin besar rasio refluks, yield etanol yang didapatkan akan semakin sedikit, begitu juga sebaliknya.. KESIMPULAN Proses simulasi dapat dilakukan setelah flowsheet model yang dibuat telah valid dengan yang ada pada literatur. Variasi-variasi yang dilakukan berpengaruh terhadap kemurnian produk. Semakin besar laju alir umpan, kemurnian etanol, air dan etilen glikol semakin kecil. Semakin kecil komposisi umpan etanol -air, kemurnian etilen glikol semakin kecil. semakin kecil rasio refluks kemurnian etanol dan etilen glikol semakin kecil, tetapi kemurnian air dan yield etanol semakin besar. SARAN Untuk penelitian lanjutan, dapat dilakukan recycle untuk entrainer dari produk dan dapat dilakukan variasi entrainer pada umpan masukkan. UCAPAN TERIMA KASIH Terima Kasih disampaikan kepada Bapak Budi Husodo Bisowarno atas bimbingannya selama penelitian ini berlangsung. DAFTAR PUSTAKA Hambali, E., et al., Teknologi Bioenergi. 2007, Jakarta: Agro Media Pustaka. Elvers, B., Handbook of Fuels. 2008, Germany: WILEYVCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Bisowarno, B.H.,et al., (2010), Simulasi Proses Dehidrasi dengan Kolom Distilasi Azeotrop Menggunakan Isooktan. Bisowarno, B.H., et al., (2010), Simulasi Kolom Distilasi Ekstraktif untuk Proses Dehidrasi Menggunakan Etilen Glikol - Gliserol.

9 Humprey, J.L. and G.E.K. II, Separation Process Technology. 1997, USA: McGraw-Hill Anonim. Extractive Distillation. 2009; Available from: Doherty, M.F. and M.F. Malone, Conceptual Design of Distillation Systems. 2001, USA: McGraw-Hill. Luyben, W.L., Distillation Design and Control Using Aspen Simulation. 2006, Canada: John wiley & Sons, Inc.,Hoboken. Carlos, A.C. and Oscar, J.S., 2007, Fuel ethanol production: Process design trends and integration opportunities, Bioresource Technology, 98 (12), pp