Topik UtamaIntensifikasi Proses Reaktor: Bioreaktor

Pervaporasi 4

Pertimbangan Teknis Spray Method sebagai

Reaktor untuk Produksi Partikel 7

Riset Proses Separasi di Korea Selatan 13

Studi KasusCara Praktis Mendesain Reaktor

Menggunakan Microsoft Excel 22

Desain Dasar Kolom Distilasi Zeotrop dan

Azeotrop pada Equilibrium Stages (bagian 2) 33

IklanCognoscente 21

PEBE 32

2

Editor

Zulfan Adi PutraUniversiti Teknologi PETRONAS, Tronoh

Editor Utama

Asep Bayu Dani NandiyantoUniversitas Pendidikan Indonesia,

Bandung

Editor

Muhammad Roil BiladUniversiti Teknologi PETRONAS, Tronoh

Editor

Oki MurazaKing Fahd University of Petroleum and

Minerals, Dhahran

Editor

Riezqa AndikaYeungnam University, Gyeongsan

Editor

Teguh KurniawanUniversitas Sultan Ageng Tirtayasa,

Serang

Editor

3

EditorialReaktor adalah unit operasi paling utamadalam pabrik kimia dimana reaksi kimiaberlangsung. Desain dan kinerja suatu reaktorsangat menentukan produktivitas suatu pabrikkimia. Unit operasi sebelum reaktor didesainuntuk memenuhi kriteria kebutuhan reaktan(seperti kemurnian, ketiadaan racun yangmenghambat reaksi, dan lain-lain). Sistemutilitas (penunjang) salah satunya jugadidesain agar mampu mendukung reaksi didalam reaktor (misalnya, sistem pemanas ataupendingin untuk menjaga reaksi pada kondisiisotermal). Lalu setelah unit reaktor, unit-unitpemisahan didesain agar mampumenghasilkan produk akhir dari keluaranreaktor.

Mengingat pentingnya reaktor, kamimengangkat tema reaktor pada edisi. Artikel-artikel yang ada membahas berbagai aspekreaktor dalam pabrik kimia. Artikel pertamamenunjukkan konsep desain dalam prosesintensifikasi reaktor dengan mengombinasikanfermentor dan pervaporasi. Artikel keduasecara detail mendiskusikan pertimbangan-pertimbangan teknis ketika menggunakanmetode spray sebagai reaktor untuk produksipartikel. Artikel keempat menunjukkanprosedur rinci mendesain reaktor denganbantuan Ms. Excel tanpa harus bergantungpada software mahal seperti (Matlab). Ulasanmengenai riset proses separasi di Korea (artikelke-3) berusaha menunjukkan bagaimanasuatu proses dikembangkan sebelumdiimplementasikan dalam skala besar. Artikelterakhir merupakan lanjutan dari artikel edisisebelumnya mengenai desain kolom azeotrop.

Selamat membaca!

Muhammad Roil Bilad

Editor

4

Topik Utama

Intensifikasi Proses Reaktor:

Bioreaktor Pervaporasi

reproduksi (penggandaan), etanol (fasa

cair dan larut dalam air) dan karbon

dioksida (CO2, gas).

Pada proses linier (tanpa intensifikasi,

Gambar 1A), CO2 dibuang sebagai

produk samping, sementara fasa cair

diumpankan ke unit pemisahan (biasanya

kolom distilasi) dimana etanol menguap,

akibat tekanan uap lebih rendah (titik didih

lebih rendah dari air) dan air tetap dalam

fasa cair (di bawah kolom). Produk uap

etanol di bagian atas kolom kemudian

dikondensasikan sebagai produk. Proses

linear ini biasanya dilakukan secara curah

(batch), dan produktivitas dihambat oleh

konsentrasi produk yang tinggi. Akibatnya,

perolehan produk terhadap reaktan juga

rendah. Proses curah juga lebih kompleks

karena melibatkan siklus operasi fermentor

yang rumit (persiapan bibit, sterilisasi

fermentor, perlu tanki penampungan

produk, dan lain-lain).

Bioreaktor Pervaporasi

Kelemahan-kelemahan pada proses linear

d i a t a s d a p a t d i a t a s i d e n g a n

mengintensifkan proses, yaitu dengan

mengkombinas ikan fermentor dan

pervaporator menjadi satu kesatuan kerja

yang integral. Fermentor memiliki fungsi

sama, namun kini diintegrasikan dengan

unit pemisahan. Pervaporator adalah

Muhammad Roil Bilad

Universiti Teknologi PETRONAS

Intensifikasi proses secara formaldiperkenalkan sebagai suatu konsep dandiaplikasikan dalam perancangan pabrikoleh David Reay dan Colin Ramshaw padatahun 70-80an. Intensifikasi proses saat itucukup revolusioner. Intensifikasi dapatmeminimalkan ukuran unit operasi,meningkatkan efisiensi, mengurangijumlah unit dan lain-lain. Bayangkansebuah reaktor yang diintegrasi denganproses pemisahan, dimana secara simultanproduk murni secara kontinu dikeluarkan,sementara reaktan yang belum bereaksitertahan hingga habis bereaksi. Proses inisecara dramatis meningkatkan perolehanproduk (yield) terhadap reaktan. Untukmemberikan sedikit gambaran mengenaiarti penting intensifikasi proses, penerapanintensifikais proses dalam bioreaktorpervaporasi (intergasi antara fermentordengan pervaporator) akan dideskripsikanberikut.

Proses Standar (linier tanpa intensifikasi)

Fermentor adalah istilah untuk reaktoryang melibatkan reaksi fermentasi, baik selhidup atau enzim. Salah satu penggunanfermentor dalam proses kimia adalahproduksi etanol menggunakan ragi. Ragisecara anaerobik (hampa oksigen) padatekanan atmosfer menkonversi sumberkabon (biasanya gula atau hidrolisatselulosa, air dan nutrisi) untuk respirasi,

5

keuntungan, antara lain: (1) reaksi dapat

dilaksanakan secara kontinu (produk

dipanen terus-menerus), (2) proses lebih

sederhana (tidak melibatkan siklus operasi

fermentor yang rumit), (3) perolehan

produk lebih tinggi karena biomassa tetap

tertahan di fermentor dan reaktan

(umpan) yang belum dikonsumsi ragi

masih tertahan, (4) fermentasi tidak

terhambat oleh akumulasi etanol di dalam

kaldu, dan lain-lain. Konfigurasi

pervaporator yang terletak di luar ini masih

memerlukan pompa sirkulasi. Konfigurasi

ini masih bisa diintensifkan lagi dengan

merendam membran di dalam fermentor

(Gambar 1C), yang disebut juga

konfigurasi internal. Pada konfigurasi

internal pompa sirkulasi tidak diperlukan

lagi.

istilah unit operasi dimana proses

pervaporasi terjadi. Pervaporasi adalah

proses pemisahan membran yang

memungkinkan pemisahan etanol secara

spesifik dari kaldu fermentasi. Tidak seperti

distilasi, pervaporasi dapat bekerja pada

suhu rendah sama dengan suhu optimal

fermentor. Pemisahan dipicu oleh

perbedaan tekanan uap parsial antara air

dan etanol. Biasanya sisi produk

dioperasikan pada tekanan vakum.

Sebagai unit terpisah (Gambar 1B) kaldu

fe rmen t a s i d i s i r k u l a s i k an ke u n i t

pervaporasi dimana etanol disisihkan

sebagai produk (masih bercampur sedikit

air), kemudian keluarannya dikembalikan

kembali ke fermentor. Integrasi fermentor-

pervaporator ini memberikan banyak

Gambar 1. Proses linier (tanpa intensifikasi) untuk produksi etanol

menggunakan proses fermentasi (A). Intensifikasi proses: kombinasi fermentor

dan pervaporator sebagai dua unit terpisah (B), dan kombinasi fermentor

dengan pervaporator dalam satu unit integral (C).

6

Muhammad Roil Bilad kini

bekerja sebagai asistan

professor di Universiti

Teknologi PETRONAS

(UTP) Malaysia sejak Mei

2016. Sebelum itu, dia

bekerja sebagai peneliti di

beberapa universitas: Nanyang

Technological University Singapura (2015-

2016), Masdar Institute of Science and

Technology Uni Emirat Arab (2013-2015)

dan KU Leuven Belgia (2012-2013). Dia

menyelesaikan meraih gelar PhD-nya di

KU Leuven Belgia, M.sc dari UTP dan

Sarjana Tenik dari Institut Teknologi

Bandung.

Penelitian MR Bilad berkutat pada

teknologi membran, mulai dari sintesis,

teknik karakterisasi, studi tentang

penyumbatan (fouling) dan

penanggulangannya, termasuk juga

desain modul dan desain proses. Aplikasi

utama yang ditargetkan adalah untuk

pengolahan air dan air limbah, termasuk

untuk desalinasi air laut. Sejak bergabung

dengan UTP, MR Bilad sedang berusaha

membangun riset dibidang yang sama.

Dari hasil risetnya, MR Bilad telah

mempublikasikan 37 jurnal ilmiah, 3 paten

dan lebih dari 25 kali mempresentasikan

risetnya di konferensi internasional. MR

Bilad bisa dihubungi melaui email:

mroil.bilad@utp.edu.my.

Tentu saja, proses integrasi ini tidak bisa

berlangsung terus-menerus. Sebagian

biomassa yang terakumulasi juga harus

dibuang. Arus pembuangan dari

fermentor ini juga berfungsi mencegah

terakumulasinya produk metabolism set

tertentu yang dapat menghambat

fermentasi etanol. Namun, melalui

intensifikasi proses, berbagai hambatan

pada proses linear dapat diatasi.

Intensifikasi Lanjut

Intensifikasi proses kini merupakan sesuatu

yang integral dalam merancang pabrik

kimia. Salah satu unit operasi pemisahan

yang sering digunakan adalah membran,

seperti dalam bioreaktor membran untuk

pengolhan air limbah dan pada bioreaktor

membrane enzimatik untuk produksi

glukosa dari pati. Tujuan utama

intensifikasi proses adalah untuk

mengoptimalkan keseluruhan proses

dengan memenuhi semua kriteria desain

yang ada. Beberapa pengembangan

lanjut intensifikasi proses antara lain: (1)

integrasi panas (heat integration) yang

bertujuan meminimalkan penyediaan

panas, misalnya dengan jaringan alat

penukar panas (heat exchanger network),

(2) desain berkelanjutan

(sustainable/green design) bertujuan

meminimalkan limbah berbahaya dan

menerapkan proses yang aman terhadap

lingkungan, (3) minimasi buangan limbah

cair (zero liquid discharge), dan lain-lain.

7

Topik Utama

Pertimbangan Teknis Spray Method sebagai Reaktor untuk Produksi Partikel

Secara ringkasnya, Gambar 1b, 1c, dan 1d

adalah ilustrasi berbagai alat yang

digunakan dalam proses aerosolisasi,

pengeringan, dan penangkapan partikel

[2].

Aerosolisasi

Aerosoliasi, atau terkadang disebut

sebagai atomization, adalah suatu cara

untuk merubah cairan menjadi bentuk

aerosol (droplet) [3]. Aerosol yang

terbentuk ukurannya berbeda-beda, dan

ini bergantung pada jenis alat untuk

proses aerosolisasi [2].

Pada sistem tradisional, sistem aerosolisasi

dapat dicapai dengan menggunakan

suhu tinggi. Hal ini dapat kita kenali secara

sederhana pada saat kita memasak air,

dimana uap air akan pergi ke udara dan

kemudian, terbentuk uap putih. Uap putih

tersebut adalah aerosol yang terbentuk

[2].

N a m u n , p a d a i n d u s t r i , p r o s e s

menggunakan sistem suhu seperti di atas

tidak dapat digunakan. Hal ini disebabkan

suhu berhubungan dengan cost yang

harus dikeluarkan [4]. Oleh karena itu,

beberapa cara yang biasanya digunakan

adalah menggunakan driving force yang

dapat berupa tekanan, gaya sentrifugal,

e l e t r o s t a t i k , d a n u l t r a s o n i k .

Asep Bayu Dani Nandiyanto

Universitas Pendidikan Indonesia

Spray method adalah salah satu cara yangmenjanjikan untuk digunakan sebagaimedia untuk memproduksi partikel. [1]Prinsip spray reactor adalah mengubahbahan baku yang berupa cairan menjadibentuk powder, melalui kombinasiaerosolisasi (pengubahan cairan menjadiaerosol) dan pengeringan (drying) [2].

Saat ini, spray method adalah salah satumetode yang dipercaya dalam industri.Bahkan, pengguna alat spray di industri didunia sudah mencapai 15,000 buah padatahun 2009 [2]. Apabila dijumlahkandengan jumlah alat spray pada skalalaboratorium, saat ini jumlah alat spraybisa mencapai lebih dari 30,000 buah.

Dalam tulisan ini, akan dibahas mengenaiperalatan reaktor apa saja yangdibutuhkan untuk membuat sistemperalatan spray. Walaupun spray methodsudah dikenal dalam berbagai macamjenis (seperti spray-pyrolysis, spray-drying,flame-spray, low-pressure, dan electro-spray), prinsip kerja alat ini adalah sama[2].

Peralatan spray method

Ilustrasi mekanisme spray method dapatdilihat pada Gambar 1a. Selanjutnya,sistem peralatan dalam spray dapat dilihatp a d a G a m b a r 1 b , 1 c , d a n 1 d .

8

Gambar 1. Mekanisme pembentukan partikel dalam metode spray (a)

dan beberapa peralatan yang digunakan, meliputi peralatan untuk

aerosolisasi (b), pengeringan (c), dan penangkapan partikel (b) [2].

9

yang terlibat dalam proses aerosolisasi

dapat dilihat pada Tabel 1.

Pengeringan

Setelah proses aerosoliasi, tahap

selanjutnya adalah proses pengeringan.

Pada tahap ini, sebagian besar pelarut

(biasanya air) akan diuapkan [6]. Beberapa

peralatan yang biasa digunakan dalam

proses pengeringan, seperti pengeringan

langsung dengan menggunakan api

(dikenal dengan istilah flame),

pengeringan dengan metode difusi, dan

pengeringan dengan pemanas elektrik [2].

Bahkan ada juga yang menggunakan

proses pengeringan melalui proses kontak

dengan gas panas. Peralatan yang

digunakan untuk proses pengeringan

dapat dilihat pada Gambar 1c.

Pada sistem pengeringan, droplet yang

dihasilkan akan dialirkan ke dalam reaktor

pengering dengan menggunakan aliran

gas pembawa (carrier gas). Gas pembawa

yang digunakan biasanya berupa udara,

gas inert (seperti nitrogen, argon, helium,

dan sebagainya), gas panas, dan steam.

Proses pemilihan gas pembawa

bergantung dari jenis zat kimia yang akan

dihasilkan/diproduksi [2].

Dalam proses pengeringan, beberapa hal

harus diperhatikan, khususnya temperatur

minimum yang digunakan (TG).

Temperatur minimum dapat didekati

sesuai dengan persamaan Antoine (7).

Dengan menggunakan sistem drivingforce ini, kita mengenal beberapa jenis

converter untuk aerosolisasi, yaitu rotarydisk, two-fluid nozzle, dan ultrasonicnebulizer, dimana jenis peralatan ini dapat

menghasilkan ukuran droplet masing-

masing sebesar >200; antara 10 dan

1,000; serta antara 1 dan 10 µm [2].

Sebagai catatan, 1 µm setara dengan satu

per sejuta meter. Beberapa peralatan yang

digunakan dalam proses aerosolisasi dapat

dilihat pada Gambar 1b.

Namun, sebagai tambahan, ukuran

droplet yang dihasilkan oleh peralatan

tersebut juga bergantung pada sifat

material bahan cairan yang akan

diaerosolisasi. Sifat fisika kimia yang

biasanya berhubungan dengan ukuran

droplet adalah surface tension (),

viskositas (), densitas () [5].

Adapun ukuran yang bisa dihasilkan

bergantung pada sistem empiris sebagai

berikut [2].

D imana Dd ada lah drop le t yang

dihas i l kan . Se lan jutnya, K f adalah

konstanta alat yang berhubungan

dengan tipe alat yang digunakan, berupa

gaya centrifugal, frekuensi dari alat,

tekanan, dan laju alir carrier gas. Q dan n

masing-masing adalah laju alir cairan yang

dimasukkan dan konstanta laju alirnya.

Simbol a, b, dan c masing-masing adalah

konstanta dari densitas, surface tension,

dan viskositas. Secara empiris, konstanta

cban

fd QKD ...

3

2

1 log KTK

TKT G

m

b

wb

10

Catatan: ∗nilai dikalkulasi ulang dari Hewitt et al.

Tipe Atomizer Referensi Power Parameters

n a b c

Air-shear nozzles

Lorenzetto

dan Lefebvre

−1.93 −0.37 0.33 –

Jasuja 0.80 −0.40 0.45 0.80

Hewitt 0.10 – 2.40 −0.59

Spinning discs Walton dan

Prewitt

0.50 – 1.00 0.50

Oyama et al. 0.50 0.30 0.30 0.30

Fraser et al. 0.40 −0.30 0.30 0.10

Ryley 0.66 0.41 −0.88 −1.01

Dombrowski

dan Lloyd

1.55 0.93 1.22 0.22

Kayano dan

Kamiya

1.01 0.19 0.95 1.34

Tanasawa et

al.

0.60 0.34 1.00 0.50

Frost 1.24 0.80 0.95 0.82

Sanderson∗

0.33 0.15 0.15 0.15

Kinnersley∗

0.88 0.72 0.72 0.72

Hewitt 0.20 – – –

Rotary cage atomizers

Parkin dan

Siddiqui

0.85 0.68 0.68 0.68

Hewitt

(N < 5500)

0.12 – – –

Hewitt

(N > 5500)

0.03 – 1.62 0.26

Ultrasonic nebulizer

Lang – −0.67 0.33

Mochida 0.14 −0.35 0.35 0.30

Rajian dan

Pandit

0.21 −0.27 0.11 0.17

Tabel 1. Parameter yang digunakan dalam proses aerosolisasi [2].

11

edisi sebelumnya [9], maka sistem

peralatan yang digunakan tidak akan

dibahas di sini. Secara ringkasnya,

spesifikasi proses penangkapan partikel

yang digunakan dapat dilihat pada Tabel

2.

Tabel 2. Spesifikasi peralatan dalam proses

penangkapan partikel [2].

dimana Twb dan Tb masing-masing adalah

temperatur wet bulb dan boiling cairan.

Selanjutnya, simbol K1, K2, K3, dan m

masing-masing adalah konstanta Antoine.

Selain temperatur, hal lain yang harus

diperhatikan adalah waktu proses [8].

Waktu proses minimum (t) untuk

mengonversi satu buah droplet menjadi

satu buah partikel dapat ditulis sebagai:

dimana Cm, Co, dan τD masing-masing

adalah konsentrasi yang diinginkan pada

partikel akhir/produk, konsentrasi awal

cairan, dan waktu maksimum untuk

mengeringkan droplet [5]. Selanjutnya, τD

dapat diestimasi dari droplet diameter

awal (Dd) dari proses aerosolisasi and laju

evaporasi ():

Nilai harus diintegrasi dan dapat

diprediksi dari persamaan Peclet (Pe),

dimana persamaan ini bergantung pada

jumlah difusi [2]:

Proses penangkapan partikel

Dalam tahap ini, proses penangkapan

partikel dilakukan dengan menggunakan

alat-alat yang ditampilkan pada Gambar

1c . N amun , k a ren a pemb ahas an

mengenai baga imana cara untuk

menangkap partikel sudah dijelaskan di

2

3

1

D

om

tCC

2

dD D

DPe

8

12

6. Sembiring, B. (2009). Pengaruhkonsentrasi bahan pengisi dan carapengeringan terhadap mutu ekstrakkering sambiloto. Bul. Littro, 20(2),173-181.

7. Widayat, W., Haidar, M. H., Cahyono,B., Ngadiwiyana, N., Nurdiana, L., &Satriadi, H. (2014). Proses DestilasiVakum Pada Minyak Cengkeh padaTekanan Vakum: Simulasi danEksperimen. In Prosiding SeminarNasional Rekayasa Kimia dan Proses2013 (No. E. 17, pp. 1-6)

8. Pujihastuti, I. (2009). TeknologiPengawetan Buah Tomat DenganMetode Freeze Drying. METANA,6(01).

9. Nandiyanto, A.B.D. (2016).Pengembangan Proses PenangkapanPartikulat di Udara, Majalah TeknikKimia Indonesia, 2(1), 16-18.

A s e p B a y u D a n iN a n d i y a n t o a d a l a hseorang asisten profesor diDepar temen K imia diUniversi tas PendidikanI n d o n e s i a ( U P I ) .Ketertarikannya di bidang

riset tentang teknologi partikel dannanomaterial telah membawanyamengunjungi berbagai pusat riset tentangnanoteknologi di berbagai belahan duniadan beberapa penghargaan internasionalseperti SCEJ Award (Society of ChemicalEngineers Japan) for Outstanding YoungResearcher pada tahun 2014 dan jugaGeorge Klinzing Award dari AmericanInstitute of Chemical Engineers (AIChE).Asep mendapatkan gelar Sarjana Teknikdari Departemen Teknik Kimia InstitutTeknologi Bandung, dan gelar master dandoktoral dari Hiroshima University.

Referensi

1. Hayati, S. N., Herdian, H., Damayanti,

E., Istiqomah, L., & Julendra, H. (2013).

Profil asam amino ekstrak cacing

tanah (LUMBRICUS RUBELLUS)

Terenkapsulasi dengan metode spray

drying. Jurnal Teknologi Indonesia

(JTI), 34(Khusus).

2. Nandiyanto, A. B. D., & Okuyama, K.

(2011). Progress in developing spray-

drying methods for the production of

controlled morphology particles:

From the nanometer to

submicrometer size ranges. Advanced

Powder Technology, 22(1), 1-19.

3. Sari, F. A. (2015). Uji stabilitas fisik

mikroenkapsulasi ekstrak buah pare

(Momordica charantia L.) dengan

variasi bahan penyalut amilum dan

selulosa mikrokristal dalam sediaan

kapsul.

http://eprints.uns.ac.id/17531/

(diambil 2 Juli 2016)

4. Wahyudi, J., A Wibowo, W., A Rais, Y.,

& Kusumawardani, A. (2011,

February). Pengaruh suhu terhadap

kadar glukosa terbentuk dan

konstanta kecepatan reaksi pada

hidrolisa kulit pisang. In Prosiding

Seminar Nasional Teknik Kimia

“Kejuangan” 2011.

5. Pramitasari, D. (2010). Penambahan

ekstrak jahe (zingiber officinale rosc.)

dalam pembuatan susu kedelai

bubuk instan dengan metode spray

drying: komposisi kimia, sifat sensoris

dan aktivitas antioksidan (Doctoral

dissertation, Universitas Sebelas

Maret). http://eprints.uns.ac.id/7635/

(diambil 2 Juli 2016)

13

Topik Utama

Riset Proses Separasi di

Korea Selatantemperatur reaksi. Proses separasi

umumnya mengambil bagian paling

besar dalam sebuah proses industri,

sebagai contoh dalam industri petrokimia,

90% unit proses yang ada merupakan

proses separasi. Terdapat beberapa alat

yang biasanya digunakan untuk proses

separasi di industri. Beberapa diantaranya

adalah ekstraktor, kolom distilasi, dan

pemisahan dengan membran.

Perkembangan riset lebih jauh dari

beberapa alat tersebut termasuk

aplikasinya, terutama di Korea Selatan,

akan dijelaskan lebih jauh dalam tulisan ini.

Ekstraksi Lithium dari Air Laut

Lithium adalah bahan baku utama dalam

pembuatan baterai. Ada berbagai jenis

baterai sekunder yang saat ini secara

komersial telah diproduksi. Baterai jenis

l ithium lebih superior dibandingkan

dengan baterai jenis lainnya, sehingga

riset yang dilakukan saat ini lebih banyak

diarahkan pada material tersebut. Lithium

adalah metal yang paling ringan dan

memiliki potensial elektrokimia yang paling

tinggi dibandingkan dengan logam

lainnya. Baterai berbasis lithium cukup

menjanjikan karena dapat memberikan

kapasitas jenis (specific capacity) sebesar

3600 Ah/kg. Saat ini, produksi dunia tidak

mencukupi untuk memenuhi permintaan

lithium yang makin meningkat. Saat ini,

Gregorius Rionugroho Harvianto

& Riezqa Andika

Process Systems Design and Control Lab.Yeungnam University

Ada dua hal yang mendasari ilmu teknikkimia. Pertama adalah reaksi dan yangkedua adalah separasi atau pemisahan.Umumnya di dalam sebuah proses, suatuproduk, kecap misalnya, kedua haltersebut adalah hal yang fundamental.Untuk memproduksi kecap, diperlukanfermentasi kedelai, yang merupakan reaksitanpa adanya oksigen. Selanjutnya, prosesfiltrasi, yang merupakan proses separasiantara partikel padat (ampas kedelai) danfluida (kecap).

Di industri yang bersifat lebih kompleks,reaksi dan separasi juga menjadi hal yangfundamental. Perbedaan mendasardengan proses sederhana adalahpenggunaan alat-alat yang berukurancukup besar dan mempunyai kriteriatertentu.

Alat yang digunakan sebagai wadahtempat terjadinya reaksi disebut denganreaktor. Reaktor di industri pada umumnyaberbentuk tangki (contohnya CSTR;continuous stirred tank reactor) atau pipa(contohnya PFR; plug flow reactor).Desain dari masing-masing reaktord i p e n g a r u h i o l e h b e b e r a p a h a ld ian taranya la ju reaks i dan juga

14

tepat, (3) pretreatment untuk

menghilangkan ion pengganggu, (4)

ekstraktan yang tepat untuk meningkatkan

efisiensi, (5) kondisi operasi seperti tekanan

dan suhu yang optimal, dan tidak boros

energi, dan (6) umur penggunaan solvent

dan adsorbent. Hal-hal tersebut yang

menjadi daya tarik bagi peneliti-peneliti di

dunia dalam pengembangan teknologi ini

kedepannya.

Pada hakikatnya, kehidupan masyarakat

Indonesia tidak akan terpisah dari

pesatnya perkembangan teknologi yang

ada. Namun, permasalahan yang terjadi

adalah pada umumnya masyarakat

Indonesia hanya bertindak sebagai

konsumen dengan adanya banyak

produk-produk asing yang diimpor secara

terus menerus seperti Alkaline, Samsung,

LG, Lenovo, Sony, dan lain-lain. Positifnya,

terkhusus untuk produk-produk elektronik

yang menggunakan baterai, akhir-akhir ini

sudah mulai banyak bermunculan produk

Cile dan Bolivia adalah produsen

terpenting lithium. Sayangnya,

penambangan lithium dalam jumlah besar

akan menyebabkan dampak ekologi yang

merugikan. Penelitian terkini menunjukkan

banyak logam-logam terlarut dalam air

laut, salah satunya adalah lithium.

Konsentrasi lithium dalam air laut

mencapai 0.17 ppm.

Berdasarkan studi literatur, terdapat tiga

teknologi yang cukup berkembang dalam

pengembangan ekstraksi lithium dari air

laut. Rangkuman teknologi yang

berkembang dijabarkan dalam Tabel 1. Ke

depannya teknologi yang menjanjikan

untuk dikaji lebih dalam adalah kombinasi

ekstraksi dengan solvent dan adsorpsi.

Kombinasi ini diharapkan dapat

mengurangi waktu ekstraksi dengan

selektivitas yang tinggi. Ada beberapa

faktor yang mempengaruhi efektivitas dari

teknologi ini, yaitu : (1) pemilihan solvent

yang tepat, (2) pemilihan adsorbent yang

Gambar 1. Diagram alir proses separasi lithium dari air laut.

15

baik jika Indonesia dapat memanfaatkan

air laut sebagai sumber utama lithium. Hal

ini sangat baik untuk diterapkan di

Indonesia. Terdapat dua pabrik yang

sudah memulai untuk produksi baterai

dalam negeri, yaitu PT Nirpress, Tbk di

Bogor dan PT Selatan Jadi Jaya di Sidoarjo.

Jepang dan Korea telah mengaplikasikan

teknologi ekstraksi lithium ini secara nyata

pada skala mini plant. Jepang sudah

s e l a n g k a h l e b i h m a j u d e n g a n

rakitan dalam negeri seperti Advan, BYON,

Forsa, Axioo, Zyrex, Betrix, Spirit. Faktanya,

ketersediaan spare part masih harus

diimpor dari Cina, Jepang ataupun Korea

Selatan. Sehingga, dengan ketersediaan

lithium sebagai bahan baku utama baterai

dalam produk tersebut akan memberikan

k e u n t u n g a n t e r s e n d i r i d a l a m

perkembangan industri baterai nasional.

Apl ikasi industr i masa depan yang

menjanj ikan membutuhkan l i thium

sebagai bahan bakunya. Alangkah lebih

Tabel 1. Rangkuman teknologi dalam pengembangan ekstraksi lithium ion dari air laut

(dari berbagai sumber).

Ekstraksi dengan Solvent Adsorpsi Co-Precipitation

Efisiensi tinggi Efisiensi tinggi, stabilitas

kimia yang tinggi, selektivitas

tinggi

Efisiensi rendah

(beberapa ion ikut

sebagai presipitan)

Cukup mahal

(menggunakan solvent

sebagai pelarut)

Cukup mahal

(menggunakan adsorbent

sebagai penyerap)

Paling murah

Sederhana, efektif di suhu

ruangan

Cukup kompleks dengan

suhu dan tekanan tinggi

Paling sederhana

Waktu ekstraksi yang

singkat

Waktu penyerapan yang lama Waktu presipitasi

cukup lama

Stripping cukup mudah /

Pemurnian dilakukan

dengan menggunakan

larutan asam

Pada tahap pemurnian

membutuhkan unit operasi

yang lebih kompleks

Solvent dapat di-recycle,

adanya ekstraktan yang

dapat meningkatkan

efisiensi

Regenerasi adsorbent

membutuhkan uap pada suhu

dan tekanan yang tinggi

Adanya limbah

kimia dalam bentuk

sludge

16

lithium dalam negeri. Kerjasama antara

peneliti baik dari pihak pusat penelitian,

maupun kampus harus dilakukan untuk

mempercepat pengembangan teknologi

ini.

3. Pembangunan mini-plant

Setelah teknologi terbaik terpilih,

pembangunan mini-plant diperlukan

untuk melihat kelayakan teknologi

tersebut diimplementasi pada skala pabrik.

4. Kajian keberlanjutan program dan

analisa ekonomi

Berdasarkan mini-plant yang sudah

terbangun, kajian-kajian akan

keberlanjutan plant ini dari sisi

pembangunan, kebutuhan, ekonomis

sangat diperlukan.

5. Scale-up untuk skala pabrik

Pada tahap ini, pabrik ekstraksi lithium dari

air laut dapat dibangun dan dijalankan

dengan mengacu pada hasil riset dan

pengembangan mini plant yang telah

dirancang sebelumnya. SDM dari berbagai

multi disiplin dibutuhkan dalam skala

pabrik.

mengintegrasikan kombinasi ekstraksi

solvent dengan adsorpsi dalam ekstraksi

lithium dari air laut.

Terdapat lima tahap utama yang harus

dilakukan dalam pengembangan

teknologi ini di Indonesia sehingga dapat

menyediakan kebutuhan lithium dalam

negeri. Tahapan-tahapan tersebut

meliputi:

1. Pencarian sumber lithium

Hal ini bertujuan untuk mencari sumber

air yang memiliki kandungan lithium

terbesar. Analisa ini tidak terbatas hanya

pada sumber air laut, namun juga air

danau, ataupun air limbah. Selain itu,

sumber lithium juga bisa didapatkan dari

recycle baterai lithium yang sudah tidak

terpakai.

2. Pengembangan teknologi ekstraksi

Terdapat banyak teknologi yang dapat

diterapkan dalam ekstraksi lithium air laut.

Penemuan akan teknologi tepat guna

yang siap dikembangkan menjadi penting

dalam tahapan pengembangan produksi

Gambar 2. Rangkaian instrumentasi ekstraksi lengkap dengan peralatan analisa di

Pukyong National University.

17

konfigurasi dan teknik yang diajukan

tersebut, dividing-wall column (DWC) dan

mechanical vapor recompression (MVR)

merupakan konfigurasi distilasi maju yang

paling banyak diteliti dan digunakan di

industri (well proven technology).

Dividing-Wall Column (DWC)

DWC adalah sebuah konfigurasi distilasi

yang digunakan untuk memisahkan

campuran multikomponen. DWC

merupakan penyatuan dua kolom distilasi

gabungan termal sederhana (simplethermally coupled distillation columns)menjadi satu kolom dengan

menambahkan dinding vertikal di dalam

kolom. Prafraksionator (kolom semu

pertama tempat masuknya umpan)

melakukan pemisahan antara produk

paling ringan dan paling berat kemudian

kedua produk tersebut memasuki kolom

utama dan memisahkan komponen

dengan titik didih pertengahan yang akan

dialirkan melalui aliran samping (sidestream). Hal ini memberikan

penghematan energi rata-rata sebesar 25-

30% dengan menghindari remixingeffects. Selain itu, DWC juga memberikan

biaya kapital yang lebih rendah dan juga

kebutuhan lahan yang lebih sedikit jika

dibandingkan dengan distilasi

konvensional. Meskipun demikian,

pengaplikasian DWC terbatas oleh satu

tekanan operasi di dalam kolom distilasi.

Pengapl ikas ian DWC pertama kal i

d i l akuk an o le h BASF SE , sebu ah

perusahaan kimia yang berpusat di

Ludwigshafen, Jerman, pada tahun 1985

dan semenjak saat itu pengaplikasian

Advanced Distillation

Pengembangan penelitian di bidang

sistem energi terutama di industri terfokus

pada proses distilasi. Saat ini di dunia,

penelitian mengenai distilasi terpusat di

beberapa universitas seperti University of

Manchester (Inggris), Yeungnam

University (Korea Selatan), Norwegian

University of Science and Technology

(Norwegia), Delft University of Technology

(Belanda), dan University of Zagreb

(Kroasia). Distilasi merupakan salah satu

teknologi separasi termal penting yang

telah diaplikasikan di industri kimia dan

petrokimia. Namun demikian, distilasi

memiliki masalah klasik yakni memiliki

efisiensi termodinamika yang rendah

sehingga membutuhkan energi dalam

jumlah yang cukup besar.

Di negara berkembang seperti Indonesia,

optimisasi konvensional seperti pencarian

dan penggunaan nilai optimum untuk

jumlah stage atau tray, reflux ratio, dan

lokasi masuk feed digunakan untuk

mengurangi penggunaan energi.

Dengan optimasi ini, distilasi diperkirakan

masih mengambil bagian sekitar 50% dari

biaya produksi sebuah pabrik. Oleh karena

itu, perbaikan lebih lanjut dalam hal

pengurangan konsumsi energi akan

memberikan keuntungan yang besar. Di

industri, perbaikan efisiensi energi berarti

keuntungan dalam hal ini uang karena

akan mengurangi biaya operasi.

Banyak konfigurasi dan teknik yang

diajukan untuk mengurangi penggunaan

energi di proses distilasi seperti yang dapat

dilihat di Gambar 3 dan 4. Dari beberapa

18

yang rendah, distilasi masih banyak

digunakan selama dekade belakangan ini.

Telah banyak penelitian dan

pengembangan untuk memperbaiki

masalah efisiensi energi yang dimiliki

distilasi dan salah satu yang paling

teknologi yang berkembang adalah heatpump.

MVR merupakan salah satu konfigurasi

heat pump yang paling sering digunakan

oleh industri. MVR biasanya digunakan

untuk memisahkan dua komponen yang

DWC oleh industri terus meningkat

drastishingga saat ini. Saat ini, arah

penelitian DWC adalah pengembangan

fungsinya untuk separasi ekstraktif,

azeotropik dan reaktif.

Mechanical Vapor Recompression (MVR)

S e p e r t i y a n g d i k e t a h u i , d i s t i l a s i

membutuhkan jumlah energi yang sangat

besar saat beroperasi untuk mengubah

fasa cair ke fasa gas (di reboiler) dan juga

mengubah fasa gas kembali ke fasa cair di

kondenser. Meskipun memiliki efisiensi

Gambar 3. Contoh-contoh konfigurasi dan teknik distilasi.

19

konfigurasi MVR dan DWC. Dari artikel

ilmiah yang telah diterbitkan dan juga

aplikasi konfigurasi MVR dan DWC di

industri di luar negeri dapat dilihat di Tabel

2 beberapa proses yang cocok untuk

pengaplikasian konfigurasi MVR dan

DWC. Jika melihat proses-proses tersebut,

industri di Indonesia juga dapat

menerapkan konfigurasi MVR dan DWC di

beberapa pabrik seperti yang dapat dilihat

di Tabel 3.

Perkiraan dampak jika kedua teknologi ini

diterapkan di Indonesia adalah sebagai

berikut:

• Pengurangan impor bahan bakar fosil

• Peningkatan daya saing industri

nasional

• Pengurangan frekuensi pemadaman

listrik di beberapa daerah terutama

daerah industri

• Harga produk turunan kimia dan

petrokimia yang lebih terjangkau

• Udara yang lebih bersih dan sehat

dekat (close boiling point components).Pada konfigurasi MVR, produk atas kolom

yang masih dalam fasa gas dinaikkan

tekanan dan temperaturnya oleh

kompresor yang nantinya akan digunakan

sebagai media pemanas pengganti

reboiler. Dengan ini konfigurasi MVR

menghemat satu heat exchanger jika

dibandingkan dengan distilasi

konvensional. Selain itu, MVR juga

menghemat energi yang dibutuhkan

untuk mendinginkan produk atas kolom.

Hal ini secara langsung memanfaatkan

kalor laten (kalor kondensasi) dan kalor

sensibel yang biasanya terbuang di distilasi

konvensional. Pada umumnya konfigurasi

MVR dapat menghemat lebih dari 50%

energi jika dibandingkan dengan distilasi

konvensional.

Pengaplikasian penelitian di Indonesia dan

perkiraan dampaknya

Indonesia memiliki beragam industri yang

m e m u n g k i n k a n p e n g a p l i k a s i a n

Gambar 4. Konfigurasi dari kolom distilasi konvensional (a), DWC (b), dan MVR (c).

20

MVR DWC

Propana - propilena Dehidrasi asam asetat n-butana - i-butana 1butena - n-butane Benzena - toluena Metanol - air

Metanol - gliserol Purifikasi triklorosilana Purifikasi dimetil eter (DME) Deetanasi dan depropanisasi Separasi benzena-toluena

xilena (BTX)

Tabel 2. Proses tipikal untuk pengaplikasian MVR dan DWC berdasarkan penelitian dan

aplikasi industri.

Tabel 3. Kemungkin penerapan konfigurasi MVR dan DWC di industri Indonesia.

Proses Konfigurasi Lokasi dan Perusahaan

Produksi etilena dan

polipropilena(separasi propana-

propilena)

MVRTuban, Tuban Petrochemical

Industries

Produksi monomer dan polimer

(separasi 1butena-butadiena)MVR Cilegon, Chandra Asri

Produksi biodiesel (separasi metanol

dan gliserol)DWC

Dumai (3 pabrik) dan Gresik (4

pabrik), Wilmar Bioenergi Indonesia

Produksi monomer dan polimer

(separasi BTX)DWC Cilegon, Chandra Asri

Produksi paraxylene (separasi BTX) DWCTuban, Tuban Petrochemical

Industries

Gambar 5. Peralatan distilasi dan suasana lab di Yeungnam University.

21

Riezqa Andika adalah

seorang research assistantdan juga kandidat doktor

di Yeungnam University,

Korea Selatan. Selain itu,

penulis merupakan Chief

Operating Officer di

Cognoscente. Bidang penelitian yang

ditekuni adalah intensifikasi proses

termasuk distilasi dan syngas treatmentprocess.

Gregorius Rionugroho

H a r v i a n t o a d a l a h

seorang research assistantdan juga kandidat doktor

di Yeungnam University,

Korea Selatan. Selain itu,

penulis merupakan Chief

Financing Officer di Cognoscente. Penulis

menamatkan studi masternya di Pukyong

National University. Bidang penelitian

yang ditekuni termasuk membran dan

juga hybrid distillation.

22

Studi Kasus

Cara Praktis Mendesain Reaktor

Menggunakan Microsoft Excel

Studi Kasus

Terdapat reaktan A dan B untuk

menhasilkan produk C. Dari hasil

eksperimen di lab, kimiawan mengatakan

bahwa konstanta reaksinya adalah k1.

Reaksinya cukup sederhana, dengan fasa,

tekanan dan temperatur tertentu. Tiga

informasi terakhir diabaikan saja untuk

contoh sederhana ini. Akan tetapi, para

kimiawan mewanti-wanti para insinyur

kimia bahwa tidak hanya reaksi tersebut

yang terjadi. Ada dua reaksi lainnya, yaitu

B akan menjadi E (limbah), dan C akan

bereaksi lanjut dengan A menjadi produk

D (produk samping yang kurang bernilai).

Informasi tambahan dari kimiawan adalah

reaksi-reaksi tersebut memiliki orde 1 untuk

setiap reaktannya. Nilai konstanta-

konstanta reaksi tersebut (pada kondisi

optimum yang diinginkan) adalah sebesar

0.1 m3/(mol.s), 0.005 1/s, 0.02 m3/(mol/s),

dan 0.01 1/s, untuk k1, k2, k3, dan k4,

secara berurutan. Pertanyaan yang

muncul dalam rangka mendesain proses

ini adalah seperti apakah konfigurasi

reaktor yang baik untuk reaksi ini?

Zulfan Adi Putra

Universiti Teknologi PETRONAS

Pendahuluan

Reaksi kimia adalah bagian utama di

industri proses. Suatu reaksi kimia

dilakukan untuk mengubah suatu bahan

baku menjadi bahan lain yang memiliki

nilai jual yang lebih tinggi. Dalam

kenyataannya, reaksi yang terjadi juga

mengikutkan reaksi-reaksi lain yang tidak

diinginkan. Seperti terbentuknya produk

yang tidak bernilai (byproduct), limbah

(waste), atau mungkin juga produk yang

bernilai (produk samping atau coproduct).

Bagaimana suatu reaksi berlangsung

disebut sebagai kinetika reaksi.

Pengetahuan tentang kinetika reaksi ini

sangatlah penting sebagai dasar untuk

mendesain tempat berlangsungnya reaksi

tersebut, alias reaktor. Dalam tulisan kali ini,

penulis akan dipaparkan bagaimana

informasi kinetika reaksi diolah

menggunakan Ms. Excel dan aplikasinya

dalam mendesain reaktor di dunia industri.

Ms. Excel dipilih karena ketersediaannya

berbagai instansi dibandingkan dengan

software mewah (sophisticated) seperti

Matlab. Selain itu, diharapkan pembaca

mendapatkan “feeling” atau ide dari

perhitungan-perhitungan sederhana yang

bisa dilakukan di Ms. Excel.

23

rentang kondisi operasi yang diizinkan;

dan lain sebagainya adalah langkah

penting yang harus dilakukan.

Kembali ke persamaan kinetika reaksi,

persamaan-persamaan kinetika reaksinya

cukup sederhana dan dituliskan dari

komponen A sampai ke E. Subscriptmenunjukkan komponen yang terlibat

dan superscript menunjukkan kondisi akhir

(f) atau awal (i). Untuk setiap komponen,

persamaan diferensialnya dituliskan

terlebih dahulu (persamaan (1), (4), (7),

(10), dan (13)). Kemudian, karena kita

berurusan dengan Ms. Excel, maka

persamaan diferensial tersebut didekati

dengan linearisasi terhadap ∆t

(persamaan (2), (5), (8), (11), dan (14)).

Terakhir, persamaan linearisasi ini diutak-

atik sehingga konsentrasi setiap

komponen dapat dihitung (persamaan

(3), (6), (9), (12), dan (15)).

Persamaan-persamaan (3), (6), (9), (12),

dan (15) ini ditulis di Ms. Excel dengan

menggunakan ∆t = 1 s. Boleh dibuat lebih

detail (∆t < 1 s), yang berarti akan

memerlukan perhitungan yang lebih

banyak lagi. Jika dibuat lebih kasar (∆t > 1

s), tergantung dari data hasil eksperimen,

hasil perhitungan bisa melenceng dari

data, karena linearisasi persamaan

tersebut.

Se be lum me nu l i s k an per s am aan -

persamaan tersebut di Ms. Excel, pastikan

bahwa perhitungan iteratif di Ms. Excel

telah dipilih (lihat Gambar 1). Hal ini

disebabkan oleh persamaan-persamaan

t e r s e b u t m e m e r l u k an i n p u t d a r i

Langkah pertama dalam menyelesaikan

permasalahan ini adalah membuat

persamaan-persamaan kinetikanya.

𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑡= −𝑘1𝐶𝐴𝐶𝐵 − 𝑘3𝐶𝐴𝐶𝐶 + 𝑘4𝐶𝐷 ......... (1)

𝐶𝐴𝑓−𝐶𝐴

𝑖

∆𝑡= −𝑘1𝐶𝐴

𝑓𝐶𝐵𝑓− 𝑘3𝐶𝐴

𝑓𝐶𝐶𝑓+ 𝑘4𝐶𝐷

𝑓. (2)

𝐶𝐴𝑓=

𝐶𝐴𝑖 +𝑘4𝐶𝐷

𝑓∆𝑡

1+ 𝑘1𝐶𝐵𝑓+𝑘3𝐶𝐶

𝑓∆𝑡

.................................... (3)

𝑑𝐶𝐵

𝑑𝑡= −𝑘1𝐶𝐴𝐶𝐵 − 𝑘2𝐶𝐵 ............................... (4)

𝐶𝐵𝑓−𝐶𝐵

𝑖

∆𝑡= −𝑘1𝐶𝐴

𝑓𝐶𝐵𝑓− 𝑘2𝐶𝐵

𝑓......................... (5)

𝐶𝐵𝑓=

𝐶𝐵𝑖

1+ 𝑘1𝐶𝐴𝑓+𝑘2 ∆𝑡

......................................... (6)

𝑑𝐶𝐶

𝑑𝑡= 𝑘1𝐶𝐴𝐶𝐵 − 𝑘3𝐶𝐴𝐶𝐶 + 𝑘4𝐶𝐷 ............. (7)

𝐶𝐶𝑓−𝐶𝐶

𝑖

∆𝑡= 𝑘1𝐶𝐴

𝑓𝐶𝐵𝑓− 𝑘3𝐶𝐴

𝑓𝐶𝐶𝑓+ 𝑘4𝐶𝐷

𝑓..... (8)

𝐶𝐶𝑓=

𝐶𝐶𝑖+𝑘1𝐶𝐴

𝑓𝐶𝐵𝑓∆𝑡+𝑘4𝐶𝐷

𝑓∆𝑡

1+ 𝑘3𝐶𝐴𝑓∆𝑡

............................. (9)

𝑑𝐶𝐷

𝑑𝑡= 𝑘3𝐶𝐴𝐶𝐵 − 𝑘4𝐶𝐷 ................................ (10)

𝐶𝐷𝑓−𝐶𝐷

𝑖

∆𝑡= 𝑘3𝐶𝐴

𝑓𝐶𝐵𝑓− 𝑘4𝐶𝐷

𝑓......................... (11)

𝐶𝐷𝑓=

𝐶𝐷𝑖 +𝑘3𝐶𝐴

𝑓𝐶𝐵𝑓∆𝑡

1+ 𝑘4 ∆𝑡......................................... (12)

𝑑𝐶𝐸

𝑑𝑡= 𝑘2𝐶𝐵 ...................................................... (13)

𝐶𝐸𝑓−𝐶𝐸

𝑖

∆𝑡= 𝑘2𝐶𝐵

𝑓................................................. (14)

𝐶𝐵𝑓= 𝐶𝐸

𝑖 + 𝑘2𝐶𝐵𝑓∆𝑡 ...................................... (15)

Sebelum membuat persamaan kinetika

reaksi , brainstorming bersama para

kimiawan mengenai kenapa reaksi pada

kondisi ini; apakah kondisi ini sudah

optimum dari segi selektivitas, konversi,

kondisi reaksi dan katalis; seberapa luas

24

sederhananya dapat dilihat di Gambar 4.

Namun, apakah desain reaktor ini sudah

merupakan desain yang optimal?

Insight dari reaksi-reaksi yang terlibat

Jika kita perhatikan kembali reaksi-reaksi

yang terlibat dengan lebih seksama, maka

dapat diambil beberapa pengamatan

sebagai berikut:

1. Semakin besar konsentrasi reaktan A

dan B, maka laju reaksi

pembentukkan C akan semakin cepat.

Tentunya ini adalah situasi yang

diinginkan. Gambar 3 menunjukkan

bahwa B, karena konsentrasi awalnya

yang lebih kecil, akan lebih dulu habis

bereaksi. Akibatnya C tidak terbentuk

lagi. Bagaimana jika B ditambahkan

ketika konsentrasinya telah rendah.

Katakanlah ketika B mencapai 0.1

mol/m3, ditambahkan B lagi menjadi

0.5 mol/m3. Apa yang akan terjadi

dengan C dan juga produk lainnya?

Perhatikan di sini, pada praktiknya di

dunia industri, secara historis-

psikologis, nilai B yang 0.5 mol/m3

telah menjadi nilai “sakti” tanpa dasar.

persamaan-persamaan lainnya. Tanpa

sebab yang jelas, kimiawan kita ini

selalu menggunakan kondisi awal CA,i =

1 mol/m3, dan CB,i = 0.5 mol/m3. Untuk

saat ini, kita gunakan saja data-data

yang ada, dan didapatlah hasil

perhitungan seperti di Gambar 2

Hasil perhitungan ini sampai pada 100

s ditunjukkan di Gambar 3 yang akan

dijadikan base-case. Jika melihat

gambar ini, terlihat bahwa produk C

(CC,f) mengalami titik maksimum (~ 0.33

mol/m3) pada sekitar 35 s. Dengan hasil

in i , k i ta dapat dengan bangga

menunjukkan ke pihak manajemen

bahwa kita akan mendesain reaktor

dengan waktu tinggal sekitar 35 s.

Dengan kapasitas yang diinginkan,

maka ukuran reaktor pun dapat

dihitung. Hasil ini didukung oleh data

dari para kimiawan dan perhitungan

para insinyur. Produk limbah E sekitar

0.03 mol/m3 dan produk samping D

sekitar 0.06 mol/m3. Setelah reaktor

akan ada unit pemisahan dan

reaktan (A dan B) yang tidak habis

Gambar 1. Perhitungan interatif dipilih (lingkaran berwarna merah).

25

Gambar 2. Contoh perhitungan di Ms. Excel dengan data dan persamaan yang ada

(ditunjukkan hanya sampai 10 s).

Gambar 3. Hasil perhitungan kinetika reaksi.

26

Gambar 5. Konsentrasi B dikembalikan ke konsentrasi semula (0.5 mol/m3) setiap kali

mencapai 0.1 mol/m3 (pilihan 1).

Gambar 4. Skema proses base-case.

27

terintegrasi dengan suatu unit

pemisahan. Contohnya dalam praktik

adalah reactive distillation column,reactive extraction, atau membranereactor.

Perhatikan di sini bahwa telah ada

beberapa pilihan desain reaktor hanya

dengan melihat reaksi-reaksi yang terjadi.

Jika ketiga pilihan tersebut di atas dihitung

dengan Ms. Excel, maka akan didapatkan

hasil pada Gambar 5, Gambar 6, dan

Gambar 7 untuk pilihan 1, 2 dan 3 secara

berurutan. Semua pilihan ini dibandingkan

dengan base-case (Gambar 3), di mana

waktu tinggalnya dibuat tetap (~35 s)

sebagai perbandingan. Skema proses

untuk pilihan 3 dapat dilihat di Gambar 8.

Untuk mempermudah perhitungan

contoh sederhana ini, C yang diambil

bersamaan dengan berlangsungnya

reaksi (prod. C) tetap menggunakan unit

konsentrasi mol/m3 karena ukuran

reaktornya belum dihitung.

Dari ketiga pilihan ini ternyata penurunan

konsentrasi B dan juga sekaligus

pengambilan C tidak memberikan

keuntungan bagi produksi C. Hanya

menurunkan produksi D dan E jika

dibandingkan dengan pilihan 1 (Gambar

5). Sementara itu, jika konsentrasi B dijaga

pada konsentrasi awalnya (0.5 mol/m3),

hasilnya justru lebih baik untuk produksi C

(C ~ 0.49 mol/m3). Pada praktiknya akan

ada perhitungan untung-rugi yang

melibatkan komponen-komponen ini.

Akan tetapi, untuk mempermudah

ilustrasi, analisis dibatasi sampai pada

konsentrasi komponen-komponen saja.

2. Jika pilihan di atas diambil, ternyata

jika konsentrasi B membesar, maka

limbah E akan juga ikut membesar.

Situasi ini tentunya tidak diinginkan.

Bagaimana jika kita menurunkan

konsentrasi B dari 0.5 mol/m3 ke 0.2

mol/m3, dan kita tetap menambahkan

B ke 0.2 mol/m3 setiap kali B

mencapai 0.1 mol/m3.

Apakah yang akan terjadi? Perhatikan

di sini bahwa dengan dua pilihan ini

kita akan memiliki reaktor dengan B

yang ditambahkan pada waktu-waktu

tinggal tertentu.

2. Jika diperhatikan kembali reaksi-

reaksinya dengan seksama, seiring

dengan meningkatnya konsentrasi C

(akibat dari dua pilihan di atas), maka

laju reaksi pembentukkan D (produk

kurang bernilai) juga akan semakin

cepat. Ini ditunjukkan dengan

konsentrasi C yang menurun setelah

35 s di Gambar 3. C akan terus

menurun sampai akhirnya reaksi ini

mengalami kesetimbangan.

Dikarenakan reaksi ini adalah reaksi

kesetimbangan, maka jika kita ambil C

selagi reaksinya berlangsung, maka D

yang terbentuk pasti akan bereaksi

menjadi C. Akibatnya banyak produk

C yang terbentuk.

Di sini dapat dipahami bahwa tidak

hanya reaktor akan memiliki fitur

penambahan B secara berkala, akan

tetapi juga pemisahan C secara

simultan dari reaktor. Dengan ini, kita

telah memilih untuk melakukan

intensifikasi proses reaktor yang

28

Gambar 6. Konsentrasi B diturunkan ke 0.2 mol/m3 dan dikembalikan setiap kali

mencapai 0.1 mol/m3 (pilihan 2)

Gambar 7. C diambil dari reaktor (Prod. C) secara bersamaan dengan berlangsungnya

reaksi (pilihan 3).

29

Gambar 9. Konsentrasi B dikembalikan ke 0.5 mol/m3 dan ditambahkan secara berkala,

dengan C diambil secara bersamaan.

Gambar 8. Reaktor yang terintegrasi dengan unit pemisahan dengan fitur penambahan B

pada lokasi-lokasi tertentu.

30

Desain Akhir

Jika diperhatikan kembali reaksi-reaksi

yang terlibat dengan lebih seksama,

sepertinya kita melupakan satu hal. Laju

produksi C juga akan membesar jika

konsentrasi A dinaikkan. Meskipun dengan

ini maka produk samping D akan juga

meningkat. Akan tetapi, karena reaksi ke D

merupakan reaksi bolak-balik, maka

produk D nantinya akan bisa dikembalikan

ke reaktor untuk menghasilkan A dan C

lagi. Gambar 10 menunjukkan hasil

produksi C yang meningkat tajam

(demikian juga produk samping D), jika

konsentrasi A dinaikkan sepuluh kali lipat

(tidak ditunjukkan pada gambar karena

skala). Produksi C secara keseluruhan

mencapai sekitar 0.96 + 0.58 = 1.54

mol/m3. Desain prosesnya kurang lebih di

Gambar 11.

Bagaimanapun juga, kedua situasi ini

tidak diinginkan. Bagaimana jika kita

gabungkan pilihan 1 dan 3, yang

berarti C tetap diambil secara

bersamaan, dan konsentrasi B dinaikkan

ke nilai “sakti” tadi (0.5 mol/m3)?

Hasilnya terlihat di Gambar 9. Dengan

pilihan ini, total produksi C akan sebesar

kurang lebih 0.42 mol/m3. Ini di dapat

dari 0.17 mol/m3 (C yang diambil atau

prod. C) tambah 0.35 mol/m3 (C

keluaran reaktor bersama komponen

lain). Hasil ini (dengan desain reaktor

yang sudah mewah) malah tidak lebih

baik dari pilihan 1, dengan C sekitar

0.49 mol/m3 dan konsentrasi D dan E

yang kurang lebih sama.

Apakah dengan ini berarti tidak ada

cara lain yang dapat menaikkan

produksi C?

Gambar 10. Hasil desain reaktor dengan konsentrasi A tinggi, B ditambahkan secara

berkala, dan C diambil secara bersamaan.

31

Zulfan Adi Putra

bekerja sebagai

konsultan desain proses,

engineering dan

teknologi, dan pernah

bekerja di beberapa

perusahaan kimia seperti

AkzoNobel, SABIC, Momentive (Hexion),

DSM, dan SC Johnson. Berbagai tipe

proyek yang pernah ditangani meliputi uji

kelayakan, desain proses konseptual, basicengineering, optimasi pabrik,

debottlenecking, dan process engineeringsupport. Terkait dengan teknik reaksi kimia,

penulis pernah terlibat dalam mendesain

dan mengevaluasi beberapa reaktor

industri seperti reaktor fluidisasi (sirkulasi

dan bubbling) dan reaktor packed bed.

Penulis memegang gelar PDEng dari

Technische Universiteit Eindhoven.

Penutup

Desain terakhir ini memang belumlah

optimal. Masih diperlukan perhitungan

untung-rugi, ukuran reaktor, jenis unit

pemisahannya (melibatkan sifat

fisik/kimia komponen-komponen yang

ada), kompleksitas proses pemisahan,

dan lain sebagainya. Desain reaktor

akan melibatkan diskusi lebih jauh

dengan para kimiawan dan para ahli

unit operasi (reaktor, unit pemisahan),

dan juga akan berdasarkan

perhitungan yang lebih detail dengan

software yang lebih mewah

(sophisticated), jika diperlukan.

Seperti tujuan awalnya, mudah-

mudahan artikel ini dapat memberikan

gambaran dan “feeling” bagaimana

reaktor didesain dari informasi kinetik

reaksi. Juga bagaimana mendapatkan

“feeling” tersebut dengan perhitungan

sederhana lewat Ms. Excel.

Gambar 11. Desain reaktor dari pilihan terakhir

32

33

Studi Kasus

Desain Dasar Kolom Zeotrop dan

Azeotrop pada Equilibrium Stages (bagian 2)

distillation curve [13]. Metode lebih lanjut

seperti boundary value method (BVM)

[14], rectification body method [15], dan

shortest separation lines [16] dapat

menyelesaikan masalah azeotrop secara

konseptual. Secara umum, untuk

memisahkan campuran azeotrop dapat

digunakan pressure swing distillation,

azeotropic distillation, extractive distillationatau metode distilasi hybrid.

1. Pressure swing distillation

Ada acuan dasar sebelum melakukan

desain kolom distilasi untuk campuran

azeptrop. Ketika mencoba untuk

memisahkan campuran azeotrop untuk

dua komponen, kita harus melakukan

investigasi adanya kemungkinan

menggunakan sistem dua kolom pada

tekanan berbeda tanpa komponen

tambahan yang ditambah. Sebagai

contoh, aseton dan metanol dengan

komposisi 50%:50% pada umpan, pada

Gambar 3 pada tekanan 1 bar, terdapat

titik azeotrop di sekitar xAseton = 0,75.

Namun, jika tekanan dinaikkan menjadi 10

bar, profil komposisi liquid aseton akan

berubah seperti Gambar 4. Pada tekanan

10 bar, terdapat azetrop di sekitar xAseton =

0,38. Sehingga desain secara konsep

dapat di lakukan seperti pada Gambar 5

dan 6.

Yus Donald Chaniago

Process Systems Design and Control Lab.

Yeungnam University

Kondisi azeotrope

Deviasi nilai koefiesien aktivitas liquid (γ)

yang kurang atau lebih dari 1 dapat

menyebabkan campuran menjadi

azeotrop. Pengertian azeotrop berasal dari

Yunani kuno yang di pahami sebagai

“mendidihkan sesuatu yang tak berubah”.

Berarti komposisi uap yang terjadi memiliki

komposisi yang sama dengan liquid. Ketika

fenomena ini terjadi di kolom distilasi, tidak

ada lagi perubahan komposisi pada liquiddan uap dari tray ke tray. Maka, azeotrop

juga dapat disebut sebagai batas distilasi

(distillation boundary).

Masalah dasar dari desain dist i las i

azeotropik adalah relat ive volati l i tycampuran yang tidak konstan, sehingga

metode approximate seperti FUG atau

metode klasik McCabe-Thiele tidak dapat

d i g u n a k an u n t u k m e n y e l e s a i k a n

permasalahan azeotrop. Namun, suatu

metode approximate dikembangkan dari

hubungan y1-x1 dari persamaan relativevolatility dapat menyelesaikan masalah

azeotrop untuk dua komponen [11].

Metode leb i h l an ju t un tuk mu l t i

komponen adalah metode ternary mapdengan konsep residue curve [12] dan

34

Gambar 4. Komposisi profil liquid aseton dalam fraksi mol di campuran aseton-metanol 10

bar dimana terdapat daerah azeotrop (panah merah).

Gambar 3. Komposisi profil liquid aseton dalam fraksi mol di campuran aseton-metanol 1

bar dimana terdapat daerah azeotrop (panah merah).

T-xy diagram for ACETONE/METHANOL

Liquid/vapor mole fraction, ACETONE

Tem

pera

ture

, C

0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 0.400 0.425 0.450 0.475 0.500 0.525 0.550 0.575 0.600 0.625 0.650 0.675 0.700 0.725 0.750 0.775 0.800 0.825 0.850 0.875 0.900 0.925 0.950 0.975 1.00054.5

55.0

55.5

56.0

56.5

57.0

57.5

58.0

58.5

59.0

59.5

60.0

60.5

61.0

61.5

62.0

62.5

63.0

63.5

64.0

64.5

x 1.0 bar

y 1.0 bar

T-xy diagram for ACETONE/METHANOL

Liquid/vapor mole fraction, ACETONE

Tem

pera

ture

, C

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00133.5

134.0

134.5

135.0

135.5

136.0

136.5

137.0

137.5

138.0

138.5

139.0

139.5

140.0

140.5

141.0

141.5

142.0

142.5

143.0

x 10.0 bar

y 10.0 bar

35

Gambar 6. Konsep desain pada kolom 2 pada tekanan 10 bar).

Gambar 5. Konsep desain pada kolom 1 pada tekanan 1 bar.

36

menggunakan konsep residue curve pada

Gambar 8.

Pada peta ternary di Gambar 8, setiap titik

di ujung sudut segitiga adalah komposisi

murni setiap komponen. Garis warna biru

muda yang mengarah ke setiap sudut

segitiga adalah residue curve. Terdapat

batas distilasi atau distillation boundaryyang digambarkan dengan garis warna

hijau yang memiliki panah mengarah ke

setiap titik azeotrop (64,92 ˚C ; 69,49 ˚C ;

78,15 ˚C) pada sisi segitiga peta ternary.

Garis batas distilasi tersebut adalah

pembatas dimana pemisahan tidak dapat

terjadi atau tidak dapat dilanjutkan kembali

ke bagian lain di peta ternary. Sebagai

contoh, jika umpan terdapat di titik A,

pada pemisahan distilasi secara normal

(tanpa pemisahan liquid-liquid).

Pemisahan hanya bisa mendapatkan

cyclohexane murni, sedangkan untuk

etanol dan air tidak dapat dipisahkan

dengan kemurnian tinggi, dikarenakan

adanya pembatas (distillation boundary).

Untuk mendapatkan hasil secara detail

dan rigorous, dapat digunakan program

simulasi seperti Aspen Plus seperti yang

ditunjukkan di Gambar 7.

2. Azeotropic distillation

Ketika tekanan tidak berpengaruh di

komposisi VLE karena tidak sensitifnya

kondisi azetrop terhadap tekanan, secara

umum j i ka memungk inkan , maka

pemisahan dilakukan pada azeotropicdistillation. Terdapat dua tipe azeotrop,

yaitu homogeneus dan heterogeneous.

Distilasi homogenous azeotropic adalah

distilasi dimana entrainer (komponen

tambahan) mengubah relative volatilitydari azeotrop tanpa menyebabkan fasa

liquid liquid terpisah. Sedangkan distilasi

heterogenous azeotropic adalah distilasi

dimana entrainer mengubah relativevolatility dan menyebabkan pemisahan

p ad a f a s a l i q u i d . Un t u k m e l i ha t

kemungkian pemisahan pada campuran

azeotrop dan batasan-batasan pemisahan,

dapat dilihat di peta ternary dengan

Gambar 7. Simulasi pressure swing distillation menggunkan Aspen Plus.

37

Gambar 9. Peta campuran ternary beserta titik azeotrope dan fasa liquid-liquid.

Gambar 8. Contoh binary dan ternary azeotrope yang melibatkan ethanol, cyclohexane,

dan air.

38

bagaimana memecahkan batas azeotrop,

metode dasarnya digambarkan pada

Gambar 10.

Pada Gambar 10, F1 yang merupakan

komposisi umpan awal yang terdiri dari 50

% mol IPA dan 50 % mol air dipindahkan

ke posisi D1 atau produk atas kolom

distilasi pertama, sehingga produk distilasi

(D1) terdiri dari 70 % mol IPA dan produk

bawah terdiri lebih dari 99 % mol air. Pada

kolom dist i las i pertama, komposis i

maksimum untuk IPA adalah 0,7 fraksi mol

dikarenakan adanya rintangan azeotropik

yang terdapat di campuran IPA+air.

Selanjutnya, memasuki kolom kedua,

d i t am b ahk an k emb a l i k om po n en

cyclohexane sampai mencapai titik F2, dan

produk bawah dari kolom distilasi kedua

adalah IPA dengan konsentrasi kemurnian

Dibutuhkan teknik khusus untuk

memisahkan campuran azeotrop pada

distilasi azeotropik. Sebagai contoh yang

cukup penting, pemisahan isopropylalcohol (IPA), air dan cyclohexane. Di

campuran ini, cyclohexane bertindak

sebagai entrainer dan profil peta ternary-

nya dapat dilihat pada Gambar 9.

Terdapat tiga titik binary azeotrop dan fasa

liquid-liquid sehingga pemisahan ini harus

d i l a ku k an men gg un ak an d i s t i l a s i

heterogenous azeotropic. Secara konsep,

dibutuhkan hanya dua kolom untuk

mendapatkan IPA dengan kemurnian

tinggi tanpa memperdulikan untuk

mendapatkan kembali cyclohexane. Tentu,

cara seperti ini tidak dapat digunakan

secara praktis karena kehilangan banyak

entrainer. Namun, untuk mengetahui

Gambar 10. Metode dasar memecah azeotrop.

39

16. Lucia, A., Amale, A. Taylor, R.

Distillation pinch points and more.

Computer and Chemical Engineering

32, 2008.

17. Chien, I.L., Zeng, K.L., Chao, H.Y.,

Design and Control of a Complete

Heterogeneous Azeotropic Distillation

Column System. Ind. Eng. Chem. Res.

2004.

Yus Donald Chaniago

adalah doktor di bidang

Teknik Kimia dari

Yeungnam University,

Korea Selatan. Saat ini, Yus

menjabat CTO dari

Cognoscente. Yus

menerima gelar sarjana dan magisternya

dari Universitas Sriwijaya. Bidang

penelitian yang digelutinya saat ini adalah

perancangan desain dan optimasi kolom

distilasi

yang tinggi, sedangkan produk atas kolomkedua adalah campuran antaraIPA+air+cyclohexane yang masih bisadilanjutkan ke proses selanjutnya.

Adapun, untuk medapatkan proses yanglebih efisien dan bernilai ekonomis,dibutuhkan kajian yang lebih detail dandibutuhkan keahlian tertentu. Proses yanglebih efisien dengan menggunakan tigakolom atau dengan dua kolom denganmemanfaatkan pemisah fasa liquid-liquiduntuk mendapatkan kembali cyclohexane[17].

Referensi

11. Doherty, M.F., Anderson, N.J., AnApproximate Model for BinaryAzeotropic Distillation Design.Chemical Engineering Science vol 39,1984.

12. Doherty, M.F., Caldarola, G., Designand Synthesis of HomogeneousAzeotropic distillaions. 3. TheSequencing of Columns forAzeotropic and Extractive Distillations.Ind. Eng. Chem. Fundam. 1985, 24,474-485.

13. Stichmair, J.G., Distillaion: Principlesand Practices. Wiley

14. Levy, S., & Doherty, M., A simple exactmethod for calculating tangent pinchpoints in multicomponent nonidealmixtures by bifurcation theory. Chem.Eng. Sci., 41, 3155. 1986.

15. Bausa, J., Watzdorf, R. V., &Marquardt, W., Shortcut methods fornonideal multicomponent distillation:1. simple columns. AIChE J., 44, 2181.1988.