17 III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan pada minggu ke III April 007 sampai dengan minggu ke IV Juni 007 untuk proses produksi non-katalitik, bertempat di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, FATETA IPB, Leuwikoppo. 3. Alat dan Bahan Penelitian 3..1 Alat Alat yang diteliti untuk mendapatkan data proses produksi biodiesel nonkatalitik adalah prototipe reaktor kolom gelembung (bubble column reactor) yang dirancang oleh Department of Global Agricultural Sciences The University of Tokyo, Jepang (Lampiran ). Data prototipe tersebut telah dilengkapi dengan peralatan ukur dan kendali yang diperlukan. Data proses produksi biodiesel secara katalitik diperoleh dari Balai Rekayasa Desain dan Sistem Teknologi BPPT Serpong sesuai dengan rancangan peralatan yang dimiliki oleh institusi tersebut (Lampiran 4). 3.. Bahan Bahan yang digunakan adalah: a. Bahan baku utama pembuatan biodiesel, yaitu minyak sawit (Crude Palm oil) b. Bahan baku pembantu, yaitu metanol 3.3 Prosedur Penelitian 3.3.1 Alur Pelaksanaan Penelitian Alur penelitian dapat dilihat pada Gambar 5. Tahapan pertama penelitian adalah mempelajari proses reaksi pada produksi biodiesel katalitik dan nonkatalitik. Melalui tahapan ini, dilakukan penetapan parameter yang akan diamati dan dibutuhkan dalam perhitungan energi dan eksergi.
18 Gambar 5 Alur pelaksanaan penelitian proses produksi biodiesel katalitik dan non-katalitik Penetapan alur proses dilakukan untuk mengetahui keseimbangan massa dan energi pada tiap proses produksi baik secara katalitik maupun non-katalitik. Data primer diperoleh dari penelitian pada produksi biodiesel non-katalitik skala
19 laboratorium, sedangkan data sekunder diperoleh dari Balai Rekayasa Desain dan Sistem Teknologi BPPT Serpong pada produksi biodiesel katalitik dengan skala produksi 1 ton biodiesel per bacth. Perbesaran skala dan modifikasi pada proses produksi biodiesel nonkatalitik dilakukan dari skala laborium menjadi skala 1 ton/jam produksi biodesel dengan menggunakan konsep stokionometri. Berat molekul dari TG terlebih dahulu dihitung berdasar komposisi asam yang terkandung dalam minyak dapat dilihat pada Lampiran 1. Selanjutnya, energi dan eksergi dihitung untuk menentukan besar rasio energi dan energi yang butuhkan untuk memproduksi per kilogram biodiesel, serta efisiensi eksergi dan eksergi yang hilang dari kedua proses ini. Berdasarkan hasil perhitungan energi dan eksergi tersebut dilakukan analisis dan pembahasan pada kedua proses produksi biodiesel tersebut, dan disimpulkan proses mana yang terbaik. 3.3. Parameter Penelitian Parameter utama yang digunakan dalam penelitian adalah : 1. Rasio energi proses produksi biodiesel, semakin besar rasio energi maka akan semakin baik proses produksinya.. Efisiensi eksergi, semakin besar efisiensi eksergi suatu stasiun semakin baik sistem disain proses tersebut. 3.3.3 Data Penelitian Data yang diperlukan dalam penelitian adalah : 1. Suhu minyak, metanol dan produk pada setiap stasiun : T ( o C). Tekanan pada setiap stasiun : P i (Pa) 3. Laju massa minyak, metanol dan produk : m (kg/jam atau kg/batch) 4. Daya putar pompa dan elektromotor untuk minyak, metanol dan produk : P (Watt) 5. Waktu proses setiap stasiun : t (jam)
0 3.3.4 Analisis Data 3.3.4.1 Analisis Energi Energi yang dianalisis pada proses produksi biodiesel secara katalitik maupun non-katalitik terdiri dari energi panas dan energi listrik. Energi panas merupakan energi yang digunakan untuk memanaskan bahan umpan dan produk yang dihasilkan. Energi yang terbentuk pada proses reaksi eksoterm di reaktor diperhitungkan sebagai energi input. Energi listrik pada penelitian ini adalah energi yang dipakai pompa, dan elektromotor lainnya. Pada proses produksi skala laboratorium non-katalitik energi pemanasan yang dibutuhkan berasal dari energi listrik, tetapi dalam penelitian ini energi yang dibutuhkan baik pemanasan bahan umpan maupun produk dihitung berdasarkan teori bukan pengukuran langsung, demikian juga untuk skala 1 ton. Pada penelitian ini kandungan energi NaOH (katalis) tidak diperhitungkan dengan asumsi dapat didaur ulang. Pers. yang digunakan untuk menghitung energi pemanasan metanol, TG, ME, dan GL serta katalis adalah seperti Pers. (3.1), dimana m merupakan laju aliran massa (kg/s), c p adalah panas jenis bahan (kj/kg o C) dan dt adalah perubahan suhu ( o C). Q T T1 m c p dt... (3.1) Selama metanol berubah fase dari cair ke gas, besarnya energi dapat dihitung berdasarkan Pers. (3.), dimana h fg adalah panas penguapan (kj/kg), dw adalah massa bahan yang berubah fase (kg), sedangkan dt adalah perubahan waktu selama proses produksi (s). Q t t1 h fg dw dt... (3.) Perubahan fase metanol dari liquid ke gas terjadi jika suhu dalam sistem di atas 65 o C. Perubahan fase metanol, ME dan GL terjadi dengan memperhitungkan nilai panas laten metanol, sehingga total energi yang dibutuhkan dapat dihitung dengan Pers. (3.3). Q T T1 m c p dt t t1 h fg dw dt Tg Tg1 m c p dt... (3.3)
1 Jumlah minyak, metanol yang bereaksi dan gliserol (GL) serta biodiesel yang dihasilkan dapat dihitung secara stokionometri berdasarkan Pers. (3.4). TG + 3 CH 3 OH 3 ME + GL...(3.4) Energi listrik yang dikonsumsi pada saat pengolahan biodiesel dapat dinyatakan dengan Pers. (3.5), dimana P adalah daya listrik yang digunakan baik pompa maupun elektromotor selama proses produksi biodiesel. Q t t1 P dt... (3.5) Rasio energi (R E ) dapat dihitung dengan Pers. (3.6), dimana R E adalah rasio energi, E out adalah energi output (kj), E c adalah kandungan energi (energy content) bahan baku yang digunakan (MeOH dan minyak) dalam kj/kg, sedangkan E proses adalah energi panas yang digunakan untuk menaikkan suhu proses (kj). R E E c E out E proses... (3.6) E in = E c + E proses... (3.7) E c = E MeOH + E oil... (3.8) E proses = E listrik + E panas... (3.9) E out =E FAME... (3.10) Energi output (E out ) merupakan kandungan energi biodiesel tanpa memperhitungkan energi gliserol dan sabun sebagai produk sampingan. 3.3.4. Analisis Eksergi Analisis eksergi hanya dilakukan pada proses produksi non-katalitik yang sudah dimodifikasi dan proses produksi secara katalitik. Analisis eksergi dilakukan dalam empat langkah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Langkah pertama adalah menetapkan batas sistem melalui diagram aliran proses produksi biodiesel yang akan dianalisis, dengan menentukan input/output dan produk sampingan dari sistem. Dalam mendefinisikan batas sistem, faktor-faktor seperti bahan baku, energi alat pengangkut (pompa), bagan input/output dan tahapan pre-treatment harus ditetapkan sebelum menggambar proses diagram alir.
Penetapan batas sistem melalui gambar diagram alir proses produksi biodiesel katalitik dan non-katalitik yang sudah dimodifikasi Pembagian sistem proses menjadi satuansatuan operasi perhitungan keseimbangan massa dan menormalkan proses terhadap kapasitas 1 ton/jam produksi biodiesel Perhitungan eksergi setiap proses produksi katalitik dan non-katalitik yang sudah dimodifikasi Gambar 6 Langkah-langkah proses analisis eksergi Langkah kedua adalah membagi sistem menjadi satuan-satuan operasi. Kondisi setiap unit operasi didefinisikan sebagai unit dari proses dengan penetapan kondisi spesifik kerja untuk reaksi seperti evaporation dan separation. Kondisi kerja didefinisikan pada setiap unit operasi yang meliputi waktu, tekanan, dan suhu. Langkah ketiga adalah menghitung dan membuat keseimbangan massa dan menormalkan proses terhadap kapasitas produksi 1 ton untuk perbandingan fasilitas yang digunakan. Langkah terakhir adalah menghitung eksergi setiap bahan, eksergi proses dan eksergi utilities. Standar eksergi kimia dari tiap elemen yang ikut berperan dalam reaksi dapat dihitung dengan Pers. (3.11) (Bejan et al., 1996).
3 e chf g F ae b a g 4 chco b e O a g chh O l CO b g H O b a e 4 To, P l o cho... (3.11) Energi bebas Gibbs bahan ( g F ) pembentukan dapat dihitung dengan Pers. Van Krevelen dan Chermin (1951) dalam Dragon Technology., Inc 00 seperti yang ditunjukkan pada Pers. (3.1). Perhitungan dilakukan dengan cara menjumlahkan semua nilai energi bebas Gibbs tiap grup komponen penyusun TG, FFA dan biodiesel ( g FKC ). Unsur penyusun CPO diasumsikan sebagai metil karbon dari rantainya. Hasil pengukuran tiap komponen memiliki deviasi rata-rata lebih kecil dari 0.5 kkal/mole. g = Σ g...(3.1) F FKC Utilities pada penelitian ini didefinisikan sebagai energi listrik dan elektromotor yang digunakan pada proses produksi secara katalitik saat dilakukan pengadukan. Biasanya, jumlah energi dalam unit eksergi (kj), didefinisikan dari koefisien konversi eksergi. Eksergi dari listrik diasumsikan 1.00, sehingga 1 kj energi listrik setara dengan 1 kj eksergi (Talens et al., 006). eksergi proses penguapan (air menjadi steam) dihitung berdasarkan Pers. (3.13). Eksergi kimia dari steam (58 kj/kg) (Szargut et al., 1988 dalam Talens et al., 006). Pada umumnya, eksergi fisika dapat dirumuskan dengan Pers. (3.14). Pada penelitian ini eksergi steam tidak dihitung, karena energi yang dianalisis adalah energi langsung. e e steam ph e e... (3.13) ch ph h h T s s... (3.14) o o o Eksergi setiap stasiun dapat ditulis seperti Pers. (3.15), dimana e ch adalah standar eksergi kimia (kj/ kg) dan e ph adalah standar fisika kimia (kj/ kg). E me m ph e ch... (3.15)