8

BAB II

STUDI KELAYAKAN AWAL

2.1 Seleksi Proses

Dalam pembuatan light olefin terdapat tiga tahapan proses yang akan dilakukan,

yaitu proses gasifikasi yang berasal dari batu bara, pembuatan metanol, dan pembuatan

Methanol To Olefin. Sebelum memproduksi gas carbon, metanol, dan olefin dilakukan

seleksi proses untuk menghasilkan produk yang diinginkan.

2.1.1 Gasifikasi

Gasifikasi adalah proses suatu proses perubahan bahan bakar padat secara

termokimia menjadi suatu gas, di mana udara yang diperlukan lebih rendah daripada

udara yang digunakan untuk proses pembakaran. Media yang biasanya digunakan pada

proses gasifikasi ialah udara dan uap. Produk yang dihasilkan dapat dikategorikan

menjadi tiga bagian utama, yaitu padatan, cairan (termasuk gas yang dapat

dikondensasikan) dan gas permanen. Proses gasifikasi dalam pabrik ini sangat

dibutuhkan untuk mengubah batu bara menjadi bahan gas yang dapat digunakan dalam

proses selanjutnya. Proses gasifikasi pada dasarnya merupakan proses oksidasi gas

hasil pirolisa pada suhu sekitar 150oC – 900oC , diikuti dengan proses oksidasi gas hasil

pirolisa pada suhu 900oC – 1.400oC, serta proses reduksi pada suhu 600oC – 900oC.

Pada proses pirolisa dan reduksi proses ini berlangsung dalam reaktor gasifikasi terjadi

dengan menggunakan panas yang diperoleh dari proses oksidasi. Proses gasifikasi batu

bara berlangsung dalam keadaan kekurangan oksigen. Dalam hal ini, gasifikasi batu

bara dipahami sebagai reaksi oksidasi parsial batu bara menghasilkan campuran gas

yang masih dapat dioksidasi lebih lanjut (bahan bakar).

Dari proses gasifikasi batu bara ini, diperoleh campuran beberapa macam gas.

Komponen bahan bakar dalam gas batu bara adalah H2 dan CO. Kandungan CO dalam

batu bara 15 – 30% , sedangkan nilai dari H2 sebesar 10 – 20%. Dalam proses gasifikasi

9

terdapat beberapa teknologi yang dapat digunakan, teknologi yang biasa digunakan

dapat disajikan pada tabel 2.1 berikut.

Tabel 2.1 Teknologi Gasifikasi Batu Bara

No. Licensor Cara Kontak Kondisi

Operasi

Yield (%)

1. Lurgi Fix Bed T = 1.000oC

P = 20-30 atm

< 95

2. Winkler Fluidized Bed T = 800-

9.000oC

P = atmosferik

< 95

3. Kopper Totzek Entrained

Phase

T = 1.500 –

1.700oC

P = atmosferik

95

4. Otto-Rummel Molten Bath T = 1.400 –

1.700oC

P = atmosferik

< 95

(Hafan, 2013)

2.1.2 H2S Removal

H2S (hydrogen sulfida) merupakan senyawa yang sangat beracun, senyawa ini

dapat menimbulkan gangguan pada mata, hidung dan tenggorokan pada konsentrasi

yang rendah (5 ppm) dan dapat menjadi mematikan pada konsentrasi di atas 1000 ppm.

H2S juga termasuk kedalam senyawa yang bersifat korosif sehingga dapat merusak alat

dan juga meracuni katalis yang digunakan dalam proses. Oleh karena itu, proses

removal H2S sangat dibutuhkan dalam desain pabrik ini. Terdapat dua teknologi

removal H2S yang dapat diaplikasikan pada proses gasifikasi yaitu pelarut fisika dan

kimia. Karena proses gasifikasi yang akan dilakukan menggunakan tekanan yang tinggi

yaitu sekitar 12 bar. Maka akan digunakan pelarut fisika. Karena pelarut fisika lebih

banyak digunakan pada tekanan yang sangat tinggi.

10

Pelarut yang akan digunakan adalah pelarut Dimethyl Ether Pentaethylene

Glycol (DMEPG) dengan tingkat absorpsi H2S hampir mencapai 90%. Dengan

menggunakan alat berupa absorber dan stripper, maka kandungan H2S dapat dikurangi

secara siginifikan dengan proses ini.

2.1.3 Pembuatan Metanol (CH3OH)

A. Sintesis Metanol

Proses produksi metanol umumnya dapat menggunakan metode sintesis

metanol. Sintesis metanol dilakukan pada kisaran tekanan 50 – 80 bar dengan suhu

antara 200oC – 300oC yang ditutup oleh shell. Proses recycle sintesis gas yang belum

terkonversi, dapat dilakukan dalam proses sintesis metanol karena konversi reaksi

dibatasi oleh kesetimbanagan termodinamika.

Dalam proses sintesis metanol, terdapat reaksi hidrogenasi di dalamnya. Reaksi

hidrogenasi merupakan reaksi antara karbon dioksida dengan hidrogen yang dibantu

oleh adanya katalis di dalam reaksinya. Secara umum, reaksi sintesis metanol pada fase

gas dapat disajikan sebagai berikut :

CO2 (g) + 3H2 (g) → CH3OH (g) + H2O (g)

∆H300K = -49,16 kJ/mol

Reaksi di atas ialah reaksi eksotermis dan terjadi penurunan mol dan volume. Untuk

mencapai konversi yang tinggi, maka sesuai dengan prinsip kesetimbangan, maka

proses yang dipilih ialah dengan tekanan tinggi dan suhu yang rendah. Dari hal

tersebut, diperlukan proses optimasi suhu agar didapatkan konversi yang tinggi

sehingga menghasilkan produk yang sesuai dengan kebutuhan pabrik.

Dari proses ini, digunakan berbagai macam katalis. Katalis yang biasa

digunakan merupakan katalis yang berbasis logam, selain mudah untuk didapatkan

katalis yang berbasis logam juga lebih murah serta memiliki aktivitas katalis yang

tinggi. Tabel 2.2 merupakan daftar katalis yang biasanya digunakan dalam proses

sintesis metanol.

11

Tabel 2.2 Katalis yang Digunakan dalam Proses Sintesis Metanol

No. Jenis Katalis Hasil Referensi

1. Cu/ZnO/Al2O3/ZrO2 Konversi CO

mencapai 38,5%

dengan katalis

Cu/ZnO/Al2O3/ZrO2

pada suhu 250oC.

Nilai selektivitas

yang dihasilkan

sebesar 94,1%.

(Lim, 2009)

2. Ni/Ce-Zr-O Konversi mencapai

49,66% dengan katalis Ce-Zre-

O pada suhu 750oC. Ni/Ce-Zre-

O katalis melakukan

aktivitas tinggi, stabilitas dan

selektivitas di konversi CO2

menjadi CO pada suhu tinggi.

(Feng-man Sun,

2015)

3. CuO-ZnO-ZrO2 Katalis CuO-ZnO-ZrO2

yang dibuat dengan 1,0%

(T.Phongamwong,

2017)

berat silika menunjukkan

peningkatan metanol. Aktivitas

sintesis CO2 dikonversi menjadi

metanol didapatkan hasil 5,0%

pada suhu 240oC.

4. CuO/ZnO/Al2O3 Katalis CuO/ZnO/Al2O3 pada

pembuatan metanol

menghasilkan produksi CO2 dan

metanol dengan konversi

berturut-turut 50% dan 103%.

(Samimi, 2017)

12

Tabel 2.3 Katalis yang Digunakan dalam Proses Sintesis Metanol (Lanjutan)

5. Zeolite Alam Derajat konversi CO2 tertinggi,

yaitu sebesar 92% dicapai pada

penggunaan katalis zeolite

alam dan temperature reaksi

500oC

(Samsyudin,2018)

13

Selain berbagai macam katalis yang digunakan, terdapat beberapa proses pembentukkan metanol dengan parameter tekanan.

Adapun perbandingan proses-proses tersebut, disajikan pada tabel 2.4.

Tabel 2.4 Perbandingan Proses Sintesis Metanol

No. Spesifikasi ICI Lurgi MGC Kellog Nissui Topsoe

1. Kondisi

Operasi :

Tekanan

(bar)

Suhu (oC)

50-100

220-260

40-100

220-260

50-150

200-280

100-150

200-280

100-200

200-280

2. Reaktor :

- Jenis

- Jumlah

Quench

1

Shell & Tube

1

Annular

1

Adiabatis (aksial)

1

Adiabatis (radial)

14

Tabel 2.5 Perbandingan Proses Sintesis Metanol (Lanjutan)

3. Kelebihan Paling

banyak

digunakan

Efesiensi

termal dan

selektivitas

yang tinggi,

serta suhu lebih

stabil

Profil suhu ideal,

penggunaan

katalis sedikit.

Kecepatan dan

kapasitas produksi

tinggi

Kecepatan dan

kapasitas

produksi tinggi

4. Kekurangan Efesiensi

termal

rendah,

dapat

terjadi

kerusakan

katalis

Penggunaan

kapasitas yang

terbatas

Terlalu rumit dan

memakan biaya

tinggi

Tingginya kondisi

operasi,

menurunkan

selektivitas

Tingginya kondisi

operasi,

menurunkan

selektivitas

15

2.1.3 Proses Methanol to Olefin (MTO)

Metanol yang akan digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan light

olefin ini merupakan komponen yang sangat sensitif terhadap katalis karena

aktifitasnya yang tinggi. Untuk mendapatkan prouk hidrokarbon berupa light olefin

dengan proses katalisasi dengan zeolit bersifat asam yang kemudian disebut dengan

proses MTO. Walaupun reaktan yang digunakan memiliki susunan molekul yang kecil

dan sederhana, tetapi reaksi untuk mendapatkan produk hidrokarbon ini sangat rumit

dengan hasil produk yang sangat bervariasi dari pemakaian katalis zeolit yang berbeda.

Proses MTO adalah reaksi autokatalitik dimana pada saat awal pembentukan dari

sejumlah kecil produk akan menuntun ke peningkatan konversi metanol hingga periode

produksi yang efisien tercapai. Proses MTO terdiri dari tiga kategori reaksi yaitu: 1)

Pembentukan dimetil eter (DME), 2) Pembentukan rantai awal C – C, dan 3) konversi

produk utama yaitu berupa light olefin ke produk olefin yang lebih tinggi. Secara

keseluruhan, stoikiometri dari proses MTO adalah sebagai berikut :

CH3OH ➔ [CH2] + H2O

Dimana CH2 adalah komposisi rata rata dari produk hidrokarbon. Secara lebih detail,

langkah langkah dari reaksi utama proses MTO ini adalah sebagai berikut

2CH3OH ↔ CH3OCH3 ➔ Light Olefin ➔ Higher Olefin + n/iso – paraffin +

aromatics + Naphthenes

Telah disebutkan bahwa proses MTO adalah proses yang sangat bergantung

pada katalis yang digunakan. Hingga saat ini, terdapat dua katalis yang umum

digunakan untuk proses MTO ini. Perbandingan dari kedua katalis tersebut dapat

dilihat pada Tabel 2.6.

Tabel 2.6 Perbandingan Katalis dalam Proses MTO

Parameter SAPO-34 ZSM-5

Suhu operasi (oC) 550 500 – 550

Tekanan (atm) 1 0.1 – 0.4

WHSV (h-1) 5-7 1

Konversi (%) 100 100

16

Tabel 2.7 Perbandingan Katalis dalam Proses MTO (Lanjutan)

Selektivitas Etilena (%) 50-60 27-32

Selektivitas Propilena (%) 20-25 36-41

2.2 Deskripsi Proses

Proses produksi diawali dengan proses pengecilan ukuran batubara berjenis

sub-bituminus untuk selanjutnya digunakan dalam proses gasifikasi untuk

menghasilkan synthetic gas (syngas). Batubara dialirkan dari loading site menuju ke

crusher untuk pengecilan ukuran dari batubara. Batubara yang telah dikecilkan begitu

juga dengan steam dan oksigen kemudian dialirkan menuju reaktor berjenis fluidized

bed dengan suhu operasi sekitar 800-900oC dan tekanan maksimum 12 bar. Gas yang

dihasilkan kemudian masuk ke dalam cyclone untuk membersihkan gas hasil gasifikasi

dari partikel partikel batubara halus yang mungkin masih tersisa.

Syngas yang dihasilkan para proses gasifikasi ini masih mengandung senyawa

H2S yang sangat berbahaya baik bagi manusia dan lingkungan maupun unit operasi.

Syngas ini dibersihkan melalui kolom absorber untuk dibersihkan dari senyawa H2S

dengan menggunakan physical solvent berupa SELEXOL. Syngas yang telah bersih

kemudian akan keluar pada bagian atas kolom absorber sedangkan SELEXOL yang

telah mengabsorb H2S akan diregenerasi melalui kolom stripper agar dapat digunakan

kembali.

Syngas yang telah dibersihkan kemudian akan disintesis dengan hidrogen untuk

mendapakan metanol dengan menggunakan reaktor fixed bed tubular dengan suhu

sekitar 200 – 300oC dan tekanan sekitar 50-80 bar dengan menggunakan katalis CuO

– ZnO – ZrO2. Metanol yang dihasilkan kemudian masuk ke proses separasi berupa

kolom distilasi untuk mendapatkan metanol dengan kemurnian yang lebih tinggi.

Metanol yang dihasilkan kemudian masuk kedalam proses MTO yang

menggunakan reaktor fluidized bed dengan suhu operasi 550oC dan tekanan 1 atm

dengan menggunakan katalis SAPO-34 agar selektivitas etilena yang dihasilkan lebih

tinggi dari propilena. Produk campuran yang dihasilkan kemudian melewati proses

17

pemisahan untuk menghilangkan kandungan air, metana dan CO2. Kemudian melewati

tahap pemisahan selanjutnya untuk memisahkan produk etilena dengan propilena

sehingga didapatkan produk etilena dan propilena dengan kemurnian yang tinggi.

2.3 Spesifikasi Bahan dan Produk

2.3.1 Bahan Baku Utama

Untuk memproduksi Light Olefin, bahan baku utama yang dibutuhkan yaitu

batu bara, air (H2O), oksigen (O2)

A. Batu Bara

Batu bara merupakan bahan bakar fosil yang diciptakan dari sisa – sisa tanaman

yang hidup dan mati sekitar 100 – 400 juta tahun yang lalu, struktur utama yang

tersusun dalam batuan ini merupakan senyawa – senyawa aromatik dan

hidroaromatik (Bhutto, 2013). Kandungan serta sifat yang dimiliki oleh batu

bara ini, disajikan dalam tabel 2.8 sebagai berikut.

Tabel 2.8 Spesifikasi Batu Bara

Sifat – Sifat Fisis Satuan Nilai

Rumus Molekul C75H5O20

Titik Nyala oC >200

Titik Leleh oC 30 - 180

Suhu Penyalaan

Otomatis

oC >500

Massa Jenis kg/m3 1.1 – 1.5

Kalor Btu/lb 8.300 – 13.000

H2O % 23,4

Fixed Carbon % 37,01

Volatile Matter % 43,10

Ash % 3,77

Moisture Content % 16,11

(KPC, 2019)

18

B. Air (H2O)

Air (H2O) merupakan senyawa kimia yang terdiri dari dua atom hidrogen dan

satu atom oksigen. Nama air mengacu pada keadaan cair senyawa, air juga

membentuk cairan superkritis. Spesifikasi yang dimiliki oleh air, disajikan

dalam tabel 2.9 berikut.

Tabel 2.9 Spesifikasi Air (H2O)

Sifat – Sifat Fisik Satuan Nilai

Rumus Molekul H2O

Berat Molekul g/mol 18

Warna Tidak Berwarna

pH 7

Titik Didih oC 100

Titik Leleh oC 0

Viskositas cP 1,002

Suhu Kritis oC 374,1

Tekanan Kritis atm 218,3

Tekanan Uap mm Hg 17,535

Massa Jenis g/ml 0,99823

(MSDS, 2012)

C. Oksigen (O2)

Oksigen ialah elemen non-logam yang merupakan gas yang mengandung dua

atom oksigen. Dalam pabrik yang akan dirancang oksigen berperan sebagai

pemacu agar proses pembakaran dapat terjadi. Adapun tabel 2.10 yang telah

disajikan merupakan spesifikasi dari oksigen.

19

Tabel 2.10 Spesifikasi Oksigen

Sifat – Sifat Fisik Satuan Nilai

Rumus Molekul O2

Berat Molekul 32

Spesifik Volume saat

suhu 20oC

ml/g 755

Titik Didih pada tekanan

1 atm

oC 183

Massa Jenis saat 1 atm

dan 20oC

kg/m3 1,33

Warna Tidak Berwarna

(MSDS, 2017)

2.3.2 Produk Utama

Dalam pra-rancangan pabrik light olefin produk utama yang dihasilkan dalam

proses ini ialah etilena, propilena dan butena. Berikut merupakan spesifikasi dari

produk yang dihasilkan.

A. Etilena (C2H4)

Etilena merupakan senyawa organic yang paling sederhana, dikenal sebagai

alkena yang mengandung ikatan ganda karbon – karbon. Etilena digunakan

sebagai perantara dalam industry kimia dan juga digunakan untuk produksi

plastik. Spesifikasi etilena disajikan pada tabel 2.11 sebagai berikut.

Tabel 2.11 Spesifikasi Etilena (C2H4)

Sifat – Sifat Fisik Satuan Nilai

Rumus Molekul C2H4

Warna Tidak Berwarna

Titik Leleh oC -169,15

Titik Didih oC -103,77

Suhu Kritis oC 9,95

20

Tabel 2.12 Spesifikasi Etilena (C2H4) (Lanjutan)

Titik Nyala oC -135,85

Spesifik Volume ft3/lb 13,8007

Massa Jenis Gas lb/ft3 0,07246

Kelarutan g/l 0,13

(MSDS, 2018)

B. Propilena (C3H6)

Propilena merupakan salah satu hidrokarbon yang masuk dalam kelompok

olefin yang memiliki banyak kegunaan pada industry kimia. Propilena banyak

digunakan sebagai gas bahan bakar oksigen berkecepatan tinggi, industry kimia

serta pabrik pembuatan plastik. Spesifikasi propilena disajikan dalam tabel 2.13

sebagai berikut.

Tabel 2.13 Spesifikasi Propilena (C3H6)

Sifat – Sifat Fisik Satuan Nilai

Rumus Molekul C3H6

Titik Beku oC -185,25

Titik Didih oC -47,7

Titik Nyala oC -107,8

Suhu Kritis oC 91,8

Tekanan Uap saat

21,1oC

atm 1

Massa Jenis saat 20oC g/cm3 0,5139

(MSDS, 2018)

C. Butana (C4H10)

Butena merupakan senyawa alkena yang tergolong hidrokarbon tidak jenuh

yang mengandung satu ikatan rangkap dua diantara dua atom C yang berurutan.

Spesifikasi butena disajikan dalam tabel 2.14 sebagai berikut.

21

Tabel 2.14 Spesifikasi Butana (C4H10)

Sifat – Sifat Fisik Satuan Nilai

Rumus Molekul C4H8

Massa Molekul g/mol 58,14

Warna Tidak Berwarna

Titik Leleh oC -138

Titik Didih oC -0,5

Suhu Kritis oC 151,82

Tekanan Uap kPa 242,65

Massa Jenis saat 20oC kg/m3 2,544

(MSDS, 2019)