BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangPengaruh pressure drop di dalam reaktor bisa menjadi kunci atau menentukan berhasil tidaknya operasi suatu reaktor. Pada reaksi fasa cair, reaktan tidak memengaruhi secara signifikan (yang berarti) terhadap perubahan tekanan total sistem di dalam reaktor. Hal ini mengakibatkan, pengaruh pressure drop (beda tekan) terhadap laju reaksi dapat diabaikan saat menghitung atau menentukan volume reaktor yang diperlukan untuk mencapai konversi tertentu. Hal ini berbeda apabila reaksinya dalam fase gas, konsentrasi dari zat yang terlibat dalam reaksi menentukan atau sangat berpengaruh terhadap besarnya tekanan total sistem. Sehingga, diperlukan perhitungan yang lebih teliti tentang pengaruh pressure drop terhadap laju reaksinya.Pada proses dehidrasi methanol menjadi DME (Dimetil Ether), diperlukan pressure drop yang sesuai agar proses dalam reaktor dapat berjalan dengan baik. Maka dari itu, diperlukan data pressure drop dari persamaan perancangan reaktor isothermal.

1.2 Tujuan Tujuan dari pembuatan laporan ini adalah untuk menghitung pressure drop pada reaktor isothermal untuk menghasilkan DME (Dimetil Ether) dengan proses dehidrasi methanol menggunakan perhitungan secara numerik, yakni melalui software MATLAB.

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

2.1 Dimetil EterDimetil Eter (DME) adalah senyawa eter yang paling sederhana dengan rumus kimia CH3OCH3. Dikenal juga sebagai methyl ether atau wood ether. DME merupakan gas tak berwarna yang telah banyak digunakan dalam pemakaian sistem pendinginan. Jika DME dioksidasi yang terjadi adalah dekomposisi menjadi bentuk metanol dan formaldehid. DME termasuk bahan kimia tidak beracun, senyawa yang tidak mengandung unsur Sulfur (S) dan Nitrogen (N), sehingga memungkinkan emisi SOx, NOx, particulate matter, dan jelaga yang jauh lebih rendah dari solar. DME tidak bersifat korosif terhadap metal (Mayers, 1982).

Tabel 2.1 Sifat- sifat fisik Dimetil EterSifat fisikNilai

Rumus molekulCH3OCH3

Berat molekul56,069 kg/mol

Titik beku-138,5C

Titik didih (pada 760 mmHg)-24,7C

Densitas (pada 20C)677 kg/mol

Indeks bias, pada (-42,5C)1,3441

Specific gravity cairan 0,661 (pada 20C)

Flash point (pada wadah tertutup)-42F

Panas pembakaran347,6 kkal/mol

Panas spesifik (pada -27,68C)0,5351 kkal/mol

Panas pembentukan (gas)-43,3 kal/g

Panas laten (gas), (pada -24,68C)111,64 kal/g

Kelarutan dalam air (pada 1 atm)34 %berat

Kelarutan air dalam DME (1 atm)7 %berat

Fase, 25C, 1 atmGas

Temperatur kritis400 K

Tekanan kritis53,7 bar abs

Sifat kimia dimetil eter : 1. Dimetil eter bereaksi dengan karbon monoksida dan air menjadi asam dengan katalisator Col.CH3OCH3 + H2O +CO 2CH3COOH2. Bereaksi dengan sulfur trioksida membentuk dimetil eter CH3OCH3 +SO3 (CH3)2SO43. Dengan hidrogen sulfit dengan bantuan katalisator tungsten sulfit (WS2) membentuk dimetil sulfit CH3OCH3 + H2S CH3SCH3- + H2O4. Dengan reaksi oksidasi dimetil eter akan menghasilkan formaldehid. CH3OCH3 + O2 2CH2O + H2O(Ketta, 1990)

2.2 Penggunaan DMEDME dikenal sebagai propellant dalam bentuk aerosol yang banyak digunakan sebagai salah satu bahan pendorong dalam industri parfum, obat pembasmi nyamuk, foam (sabun pencukur kumis bagi pria), pengharum ruangan, colognes, hair sprays, personal care mousses, antiperspirants, room air fresheners, industri coating dan otomotif. Sekarang ini DME sedang diproyeksikan untuk dijadikan salah satu sumber bahan bakar alternatif ramah lingkungan yang nantinya akan menggantikan LPG, LNG, dan bahan bakar diesel (Anonim, 2008). Dimetil Eter termasuk salah satu bahan bakar alternatif yang ramah lingkungan. DME dapat digunakan sebagai bahan bakar yang bebas dari sulfur untuk mesin diesel tanpa pembentukan partikulat dan rendah emisi NOx jika dibandingkan dengan minyak dan gas. DME juga memiliki sifat yang sama dengan propana dan butana, senyawa pembentuk LPG, sehingga DME dapat didistribusikan dan disimpan menggunakan teknologi penanganan LPG dan DME dapat digunakan sebagai pengganti LPG. DME juga dapat digunakan sebagai aerosol propellant untuk menggantikan chloroflourocarbon, yang diketahui dapat merusak lapisan ozon di atmosfer. DME juga merupakan bahan kimia intermediet yang penting dalam produksi bahan kimia seperti etilen, dimetil sulfat, dan metal asetet (Hermansyah, 2010).

2.3 Proses Pembuatan DMEDimetil eter diproduksi secara garis besar melalui dua tahap. Pertama, hidrokarbon (misal dari natural gas) menjadi synthesis gas. Synthesis gas kombinasi dari karbon monoksida dan hydrogen. Dari synthesis gas tersebut baru diproses lebih lanjut menjadi DME (Dimetil eter), baik dengan pembuatan methanol dan memurnikannya terlebih dahulu (proses konvesional) bisa disebut two step process, atau secara langsung dalam satu tahap sekaligus bisa disebut one step process. Bahan mentah utama secara keseluruhan dalam proses pembuatan DME adalah natural gas. Berikut adalah reaksi-reaksi yang terlibat:

REAKSIPERSAMAAN REAKSIH(kJ/mol)Oksidasi ParsialCH4 + 0.5O2 CO + 2H2 -36,0

Steam Reforming CH4 + H2O CO + 3H2 206,0Gas/Water ShiftCO + H2O CO2 +H2 -40,9Methanol synthesisCO + 2H3 CH3OH -50,1Methanol synthesis CO2 + 3H2 CH3OH + H2O -50,1Dehidrasi Methanol2CH3OH CH3OCH3 + H2O -23,3DME direct synthesis4H2 + 2CO CH3OCH3 + H2O

Teknologi sintesis gas komersial yang sekarang dipakai diantaranya adalah steam methane reforming, oksidasi parsial, autothermal reforming, dan combined reforming. Teknologi yang sedang dikembangkan adalah compact reformer dan membrane keramik.Katalis paling berperan dalam teknologi synthesis DME. Katalis yang tersedia sekarang adalah katalis yang dirancang spesifik untuk bahan mentah atau feedstock, bukan katalis yang general. Katalis untuk feedstock syngas yang dikonversi langsung menjadi DME, atau katalis dari methanol untuk proses dehidrasi, semuanya berbeda karena disuplai dan dipatenkan oleh perusahaan licensor masing-masing teknologi proses sintesis DME.Katalis yang digunakan pada proses konvensional atau two step processes dan reaksi gas/water shift adalah copper based (menggunakan bahan dasar tembaga). Peningkatan temperature yang cepat akan menurunkan aktivitas katalis sehingga suhu dalam reaktor perlu dijaga secara cermat. Tipe katalis lain yang bisa digunakan untuk dehidrasi methanol adalah -alumina atau silica alumina.Teknologi reaktor yang sekarang dipakai untuk two step processes adalah menggunakan reaktor fixed bed catalytic investement. Sistem yang dipakai dalam teknologi proses ini relative sederhana dan sudah dipakai sangat luas. Pada one step (direct process), sintesis DME memerlukan sistem dual katalis yang berperan sebagai katalis sintesis methanol dan katalis dehidrasi methanol dimana katalis terletak pada single unit, dan biasanya menggunakan fluidized bed reactor. Pada one step (direct process) biasanya dilengkapi dengan unit gasifikasi dan reforming untuk mendapatkan syngas dari biomasa atau batu bara. Proses ini termasuk baru, karena paten yang tersedia belum lama dipatenkan. Berikut merupakan perbandingan one step dan two step rocesses :

Gambar 1. Perbandingan Proses Pembuatan DME

Tabel 2.2 Perbandingan Proses Direct dan DehydrationBAB IIIPEMBAHASAN

3.1 Proses Pembuatan DME (Dimetil Eter)Pada bahasan ini, metode yang digunakan untuk menghasilkan DME (Dimetil Eter) adalah dengan menggunakan metode dehidrasi methanol. Dimana reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :2CH3OH(g) (CH3)2O(g) + H2O(l)Bahan baku yang digunakan adalah methanol, DME, dan air, dengan masing-masing laju alirnya adalah 323 kmol/h, 1,5 kmol/h, dan 3,8 kmol/h. Reaksi berlangsung dalam fase gas menggunakan fixed bed reactor, dengan data reaktor adalah sebagai berikut:65

Gambar 2. Reaktor Fixed Bed Kondisi Operasi :Suhu: 250C Tekanan: 14,7 BarFase: Gas Katalisator :Katalis: Al2O3.SiO2 (alumina silica/zeolit)Bentuk: SilinderDensity: 2500 kg/m3 (asumsi) Kinetika Reaksi :-rm = k x Pmethanol k = ko.exp [-Eo/RT]Dimana: rm : kecepatan reaksi methanol (kmol/m3.jam)k : konstanta kecepatan reaksiko : frekuensi tumbukan = 1,21 x 106 kmol/m3cat.jam.kPaEo : energi aktivasi = 80,48 kj/kmolR : konstanta gas ideal = 8,314 m3.kPa/kmol.KT : suhu operasi, KPmethanol : partial pressure of methanol (kPa) = Cm x R x T

3.2 Persamaan Perancangan = rm =

Diketahui dari data awal bahwa laju alir methanol adalah sebesar 323 kmol/h. Diasumsikan bahwa dalam reaktor tersebut terdapat 1000 tube, sehingga laju alir methanol pada setiap tube adalah 0,323 kmol/h. Untuk memenuhi persamaan perancangan tersebut, maka diperlukan data partial pressure of methanol agar kecepatan reaksi dapat diketahui. Dimana Pmethanol didapat dari persamaan berikut :Pmethanol = Cm x R x TCm = Dimana : Cmo didapatkan dari laju alir methanol dibagi laju alir total, Cmo = ymo x Po/RT ymo adalah laju alir methanol dibagi dengan laju alir total = Fmo/Fto = ymo x (-2 +1 +1) = 0 (berdasarkan persamaan reaksi) P/Po = ySehingga didapatkan persamaan :rm = Cmo(1-x) y RT

3.3 Persamaan Pressure Drop =

Dimana untuk mendapatkan , maka diperlukan persamaan sebagai berikut: = = + 1.75 G

G = superficial mass velocity = Fmo/Ac = porositas = 0,40 (asumsi)Ac = 0,01414 ft2 (data diambil dari contoh 4-6 buku foggler)gc = 4,17 x 108 lbm.ft/lbf.h2 = 0,0421 lbm/ft3 (pada suhu udara 250C) = 0,0673 lbm/ft.h Dp = diameter partikel = 0,0208 ft (data diambil dari contoh 4-6 buku foggler)

3.4 Perhitungan Secara Numerik Dengan Menggunakan MATLAB Setelah mendapatkan persamaan-persamaan diatas, maka dilakukan input data dan juga persamaan pada M-File baru didalam MATLAB, seperti gambar berikut :

Gambar 3. Input data dan persamaan pada M-FileAdapun terdapat data sebesar 0,0015 kg catalis adalah berdasarkan perhitungan dengan menggunakan persamaan pressure drop secara analitik pada subbab 3.3 diatas (perhitungan terlampir pada lampiran).M-File tersebut lalu diberi nama DME.m. Setelah itu, dibuat satu M-File baru lagi untuk menjalankan file DME.m tersebut agar h(1) dan h(2) dapat terdefinisikan.

Gambar 4. M-File run_DME.mPada gambar diatas, w menunjukkan lebar x yang diinginkan dan h0 menunjukkan tinggi y yang diinginkan agar dapat mengetahui titik pertemuan dua grafik pada plot yang akan dibuat. Selanjutnya M-File ini diberi nama run_DME.m agar file DME.m yang telah dibuat diawal dapat dijalankan dan hasilnya adalah sebagai berikut :

Gambar 5. Grafik yang dihasilkanPada figure 1 tersebut, didapatkan dua grafik yang berwarna biru dan hijau dimana grafik yang berwarna biru menunjukkan dX/dW dan grafik yang berwarna hijau menunjukkan dy/dW. Setelah itu, mengklik data cursor untuk mengetahui W (weight) katalis yang didapatkan apabila xm atau methanol yang terkonversi adalah sebesar 80 %. Grafik diatas menunjukkan bahwa pada konversi sebesar 80 % (yang ditunjukkan oleh nilai Y pada gambar), maka didapatkan berat atau W sebesar 85 kg katalis. Sehingga apabila terdapat 1000 tube pada reaktor, maka didapatkan Wtotal sebesar 85.000 kg katalis. Lalu untuk mengetahui pressure drop yang didapatkan dari proses tersebut, nilai X sebesar 85 pada gambar digunakan untuk mengetahui nilai Y pada grafik pressure drop seperti pada gambar berikut :

Gambar 6. Y pada grafik hijau digunakan untuk mengetahui nilai pressure dropPada grafik diatas didapatkan nilai Y sebesar 0,9382 apabila berat katalis yang didapatkan adalah 85 kg. Apabila y = P/Po, maka akan didapatkan P = 0,9382 x 14,7 Bar = 13,8 Bar. Sehingga, .

BAB IVKESIMPULAN

Dari perhitungan yang dilakukan dengan menggunakan MATLAB, maka didapatkan:1. 2. Berat katalis yang dibutuhkan dalam setiap tube adalah 85 Kg3. Berat Total katalis yang dibutuhkan pada proses Dehidrasi Methanol tersebut adalah sebesar 85.000 kg

LAMPIRANPERHITUNGAN

A. Mencari nilai

= + 1.75 G

Fmo = 0,323 32 2,20462 = 22,787 lbm/h G = = = 1611,528 lbm/ft.h = + 1.75 x 1611,528 = 13,73 lbf/ft3 = 0,006486 atm/ft = 2,156 kPa/m

B. Mencari nilai

=

Po = 14,7 Bar = 14,7 x 100 kPa Ac = 0,01414 ft2 = 1,314 x 10-3 m2 = = 0,0015 /kgcat

TUGAS TEKNIK REAKSI KIMIA 1

OlehTheresia Leyster Gurusinga2312142003

UNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANIFAKULTAS TEKNIKJURUSAN TEKNIK KIMIA2014