Simulasi Proses Dehidrasi Etanol Dengan Kolom Distilasi .
Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia “Kejuangan”Pengembangan Teknologi Kimia untuk Pengolahan Sumber Daya Alam IndonesiaYogyakarta, 26 Januari 2010ISSN 1693 – 4393Simulasi Proses Dehidrasi Etanol dengan Kolom Distilasi AzeotropMenggunakan IsooktanBudi H. Bisowarno, Buana Girisuta, Philip Wijaya, Anggraeni YunitaJurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik ParahyanganJalan Ciumbuleuit No. 94, Bandung 40141 Telp 022 2032700AbstractSustainable and more environmentally friendly energy resources are necessary for the industry andtransportation development. Bio-ethanol has several advantages compared to the fossil fuel. For theproduction of fuel grade bio-ethanol, its characteristic is mainly determined by the dehydration process.Azeotropic distillation can be employed to separate azeotrop mixture of ethanol-water by addingextraneous mass-separating agent called entrainer. In this research, the selection of operating condition ofdistillation column for ethanol dehydration process with isooctane is simulated using ChemCad SimulationSoftware. Reboiler duty and reflux ratio are varied to obtain fuel grade bio-ethanol. Based on the steadystate simulation results, output multiplicity is revealed in this azeotropic distillation process. It is found thatthe alternation of feed condition can trigger steady state transition. In addition, the optimum operatingcondition should be optimized to obtain the fuel grade bioethanol.Keywords: azeotropic distillation; dehydration; isooctane; reboiler duty; reflux ratio.PendahuluanSeiring kemajuan bidang industri dan transportasi,konsumsi bahan bakar minyak bumi semakinmeningkat. Akibatnya, persediaan minyak bumi didunia makin lama makin menipis. Perkiraan tentangpenurunan produk minyak bumi pada masa yang akandatang dan ketergantungan yang besar terhadapsumber energi minyak bumi, mendorong penelitiandan pengembangan sumber energi alternatif daribahan-bahan alam yang jumlahnya melimpah danbersifat terbarukan (renewable natural resources).Bioetanol merupakan salah satu sumber energialternatif yang sangat prospektif untuk dikembangkandi Indonesia sebagai bahan bakar substitutif ataupunaditif bahan bakar fosil yang digunakan selama ini,yaitu bensin, karena terbuat dari bahan baku alamyang dapat diperbarui dan bersifat lebih ramahlingkungan.Salah satu persoalan dalam proses pembuatanbioetanol berkaitan dengan pemurniannya, karenaterbentuk campuran azeotrop etanol-air yang tidakdapat dipisahkan dengan proses distilasi biasa. Olehkarena itu, metode lain diperlukan untuk memisahkancampuran azeotrop etanol-air. Pada penelitian ini,distilasi azeotrop digunakan untuk mendapatkan bioethanol murni dari campuran azeotropnya. Dalamdistilasi azeotrop, pemisahan dapat terjadi denganpenambahan entrainer, yaitu suatu zat yang berperanmengubah volatilitas relatif komponen kunci. Padapenelitian ini, entrainer yang digunakan adalahisooktan.Penelitian dilakukan dengan konstruksi model,validasi model, dan simulasi proses distilasi azeotropdengan bantuan ChemCad Simulation Softwaresehingga dapat diketahui konfigurasi kolom dankondisi operasi optimum untuk menghasilkan etanolyang memenuhi standar bahan bakar (fuel gradeethanol), yaitu etanol dengan kemurnian 99,5%.Landasan TeoriEtanol dapat diperoleh dari berbagai cara, yaknihidrasi etilen, fermentasi glukosa atau sebagai hasilsamping dari kegiatan industri. Namun, kadar etanolyang dihasilkan dari proses ini belum memenuhisyarat sebagai bahan bakar kendaraan bermotor, yakni99,5% sehingga diperlukan suatu proses untukmeningkatkan kemurnian etanol tersebut. Masalahyang timbul pada proses pemurnian ini adalah etanolakan membentuk azeotrop dengan air pada temperatur78,15 C pada konsentrasi 95,6% berat (97,2%volume) sehingga tidak dapat dipisahkan melaluiproses distilasi biasa.Bioetanol merupakan etanol yang dihasilkan melaluiproses fermentasi glukosa yang berasal dari biomassayang mengandung komponen pati atau selulosa,seperti singkong, molase (tetes tebu), jagung, sagu,atau gliserol (Hambali dkk., 2007)Bioetanol dapat dimanfaatkan sebagai substitusibahan bakar minyak untuk motor berbahan bakarbensin. Sebagai bahan pensubstitusi bensin, bioetanoldapat diaplikasikan dalam bentuk murni (E100) ataucampuran (gasohol), misalnya 10% bioetanoldicampur dengan 90% bensin (disebut E10).Beberapa keunggulan bioetanol dari bensin, antaralain: terbuat dari bahan alami yang jumlahnyamelimpah dan oleh karenanya bersifat terbarukan,F09 - 1
lebih ramah lingkungan dan tingkat emisi gas rumahkaca yang dihasilkan lebih rendah, karena bioetanolmemiliki research octane number (RON) yang lebihtinggi (108,6) daripada bensin (88), yang berartibahwa efisiensi pembakaran yang dihasilkan lebihtinggi.Meskipun proses pembuatan bioetanol relatifmudah, namun kemurnian bioetanol yang dihasilkandari proses fermentasi pada umumnya hanya berkisarantara 11,5-12,5% (Elvers, 2008). Kemurnian dapatditingkatkan hingga 95% melalui proses distilasibertahap. Namun, bahan bakar bioetanol (fuel gradeethanol) harus memiliki kemurnian tidak kurang dari99,5% sehingga diperlukan proses pemurnianalternatif, antara lain: distilasi azeotrop, distilasiekstraktif, atau adsorpsi dengan molecular sieve. Padapenelitian ini, distilasi azeotrop akan dipelajari.Distilasi azeotrop digunakan untuk campuran yangsulit dipisahkan melalui proses distilasi biasa, karenamembentuk azeotrop, di mana komposisi komponen difasa uap maupun cair tidak berubah lagi olehpemanasan (Widagdo dan Seader, 1996). Prosesnyadilakukan dengan penambahan extraneous massseparating agent yang dikenal sebagai entrainer kedalam campuran azeotrop sehingga entrainer akanmembentuk azeotrop terner dengan kedua komponenkunci tersebut. Entrainer harus memenuhi syarat:murah dan mudah diperoleh, stabil secara kimia (tidakreaktif selama pemisahan berlangsung), tidak korosif,tidak beracun, memiliki panas penguapan yangrendah, viskositas rendah untuk memberikan efisiensitinggi pada tray (Treybal, 1981). Pada penelitian ini,entrainer yang digunakan adalah isooktan. Denganpenambahan isooktan, etanol-air-isooktan akanmembentuk satu heteroazeotrop tiga komponen dantiga azeotrop biner (2 homogen dan 1 heterogen)lainnya. Keberadaan isooktan ini akan menyebabkanair menjadi lebih volatil sehingga dapat dipisahkandari etanol, karena terbentuk azeotrop terner dengantitik didih rendah (68,72oC). Azeotrop terner (etanolair-isooktan) keluar sebagai produk atas, sedangkanetanol yang lebih murni keluar sebagai produk bawah(Gomis, 2003).MetodologiPenelitian ini diawali dengan mempelajari pustakatentang bioetanol serta ChemCAD simulator softwareyang digunakan. Selanjutnya, pembuatan modeldilakukan sesuai dengan eksperimen yang dilakukanoleh Cairns dan Furzer (1990) yang melakukanpemisahan etanol dan air dengan menambahkan suatucampuran yang terdiri dari 11 isomer oktan. Data yangdigunakan untuk memvalidasi model disajikan padaTabel 1, dengan diagram alir proses ditampilkan padaGambar 1.Tabel 1. Kondisi Operasi dan Konfigurasi Kolom ProsesDehidrasi Etanol Cairns dan Furzer (1990)Kondisi OperasiReflux ratio10Pressure drop perstage (kPa)0.5Konfigurasi KolomJumlah tahappada azeotropic30columnJumlah tahappada stripping20columnTray umpanmasuk pada4azeotropiccolumnGambar 1. Diagram alir proses dehidrasi etanol denganisooktanSetelah model divalidasi dengan data literatur,simulasi dilakukan dengan memvariasikan beberapavariabel proses, yaitu:1. Variasi kondisi operasi, dalam hal ini tekanan,rasio refluks, beban reboiler pada kolom distilasiazeotrop, dengan kondisi umpan tetap.2. Variasi kondisi umpan, dalam hal ini temperaturdan komposisi umpan.3. Variasi konfigurasi kolom, yaiti posisi umpanmasuk campuran azeotrop pada kolom distilasiazeotrop.Dari berbagai variasi tersebut, kondisi operasioptimum kolom distilasi azeotrop ditentukan, di manadihasilkan etanol dengan kemurnian yang memenuhisyarat sebagai bahan bakar (99,5%).Hasil dan PembahasanPenelitian diawali dengan pembuatan modelberdasarkan model yang telah oleh Cairns dan Furzer(1990). Data-data termodinamik semua komponenmurni dan campuran biner yang terlibat dalam reaksitersebut telah tersedia di ChemCad 6.0.1, sedangkandata kondisi operasi dan konfigurasi kedua kolom distilasiF09 - 2
mengikuti data dari literatur. Model termodinamika yangdigunakan dalam proses ini adalah UNIFAC. Konseprancangan kolom distilasi untuk model prosesdiperlihatkan pada Gambar 2. Ada 2 kolom distilasidalam rancangan proses tersebut, yakni azeotropiccolumn dan stripping column. Konfigurasi kolom dankondisi operasi kedua kolom tersebut dapat dilihatpada Tabel 2.Umpan yang berupa campuran etanol-air masuk keazeotropic column pada tahap ke-4. Produk atas dariazeotropic column dicampur dengan produk atas daristripping column, kemudian dilakukan pemisahanantara fasa yang banyak mengandung entrainerdengan fasa yang sedikit mengandung entrainer. Fasayang banyak mengandung entrainer diumpankankembali ke azeotropic column dengan penambahanmake-up isooktan murni, sementara fasa yang sedikitmengandung entrainer diumpankan ke strippingcolumn. Produk bawah azeotropic column diharapkanberupa etanol murni, sedangkan produk bawahstripping column diharapkan mengandung sedikitisooktan.Selanjutnya, model proses yang telah dibuatdivalidasi dengan menggunakan data kondisi operasi,konfigurasi kolom dan umpan yang berasal dariliteratur. Hasil yang diperoleh dari tahap validasi iniberupa profil temperatur serta profil komposisikomponen di fasa cair (dapat dilihat pada Gambar 3(a)dan 4(a)). Kedua profil tersebut dibandingkan denganprofil pada literatur (dapat dilihat pada Gambar 3(b)dan 4(b)).Gambar 3(a). Profil temperatur sepanjang kolom azeotrop(validasi)Gambar 3(b). Profil temperatur sepanjang kolom azeotrop(literatur)Gambar 2. Rancangan kolom distilasi untuk model prosesdari literaturTabel 2. Konfigurasi Kolom dan Kondisi Operasi KolomDistilasi pada Model Proses LiteraturKolomJumlah tahapRasio refluksTekanan ataskolom (kPa)Pressure 1510Etanol pada produk bawah hasil validasi modelsama dengan hasil yang diperoleh dari literatur (xEtOH 0,99995). Tetapi, profil komposisi terdapatperbedaan pada tahap 11 (hasil validasi) dengan tahap24 (literatur) dihitung dari bagian atas kolom.Perbedaan ini disebabkan oleh harga reboiler dutyyang tidak diketahui pasti dari literatur sehingga padasetiap tahap di dalam kolom terdapat perbedaanjumlah vapor dan liquid-nya. Kemungkinan lainadalah adanya internal-state multiplicity dimana nilaiinput dan output yang sama tetapi dengan nilaiinternal yang berbeda, seperti ditunjukkan denganprofil tempratur sepanjang kolom distilasi azeotrop.F09 - 3
Gambar 5(a). Profil komposisi kompoen di fasa cairsepanjang kolom (solusi pertama)Gambar 4(a). Profil komposisi komponen di fasa cairsepanjang kolom (validasi)Gambar 5(b). Profil komposisi kompoen di fasa cairsepanjang kolom (solusi kedua)Gambar 4(b). Profil komposisi komponen di fasa cairsepanjang kolom (literatur)Di tahap validasi, pada kondisi operasi (tekanan dantemperatur) dan laju umpan yang sama, kolomdistilasi azeotrop menghasilkan produk bawah etanoldengan dua harga kemurnian yang berbeda. Untuksolusi pertama, fraksi mol etanol ditetapkan sehinggadapat diperoleh etanol dengan kemurnian yang sangattinggi (99,995%). Akan tetapi, untuk solusi kedua,saat harga reboiler duty dispesifikasi sama denganharga pada solusi pertama, etanol yang diperolehhanya memiliki kemurnian 89,83%. Fenomena inidisebut output multiplicity. Perbedaan hasil inidipengaruhi oleh estimasi kondisi awal pada saatmelakukan simulasi, yang ditunjukkan pada profilkomposisi komponen di fasa cair sepanjang kolom(Gambar 5(a) dan 5(b)). Hal ini menunjukkan bahwacara mencapai kondisi input (dalam hal ini, reboilerduty) menentukan hasil kemurnian etanol.Fenomena output multiplicity ini disebabkan padasolusi kedua, fasa cair di dekanter tidak terpisahmenjadi 2 lapisan sebagaimana mestinya sehinggatidak dapat memecah azeotrop. Berdasarkan hasilsimulasi tersebut, diperkirakan adanya pengaruhtemperatur pada produk atas dari azeotropic columndan stripping column yang berada di atasheteroazeotropic temperature. Hal ini dapat dijelaskandengan bantuan kurva residu seperti diperlihatkanpada Gambar 6.ZGambar 6. Kurva residu untuk etanol-air-isooktan(Gomis, 2003)F09 - 4
Titik Z merupakan titik ternary azeotrope. Apabilatitik tersebut tidak berada di dalam binodial plot (garismelengkung), maka campuran tidak dapat terpisahmenjadi dua fasa. Dengan demikian, akan ada salahsatu alur yang tidak memiliki laju alir sehinggadistilasi tidak berjalan dengan baik. Oleh karena itu,diperlukan strategi start-up sehingga heteroazeotropictemperature dapat tercapai.Berdasarkan hasil simulasi, process design danprogram simulasi untuk menemukan multiplesolutions sangat sulit, karena:1. Azeotropic column sulit converge bahkan untuksatu solusi.2. Multiple solutions hanya muncul pada daerahyang terbatas.3. Multiple solutions dapat ditemukan pada programdengan mengganti perkiraan awal dari profilkomposisi.4. Pemilihan koefisien aktifitas dan parameter yangberinteraksi menjadi sangat penting.Multiplicity tidak hanya terjadi dalam simulasi,namun juga nyata terjadi dalam skala industri.Peristiwa ini dapat dimanfaatkan oleh praktisi pabrikunuk memperoleh produk dengan kemurnian lebihtinggi dengan kondisi operasi yang lebihmenguntungkan. Dalam prakteknya, telah diketahuibahwa beberapa fluktuasi tinggi di profil suhu dapatterjadi dan mempengaruhi variasi konsentrasi diproduk bawah.Proses simulasi selanjutnya dilakukan denganflowsheet di mana dihasilkan etanol dengan kemurnian99,995%. Variasi yang dilakukan, antara lain:1. Kondisi operasi: reboiler duty dan reflux ratio.2. Kondisi umpan: laju alir dan temperatur.3. Konfigurasi kolom: feed tray location.Pengaruh kondisi operasi terhadap kemurnianetanolHasil simulasi yang menunjukkan profil pengaruhreboiler duty dan reflux ratio terhadap kemurnianetanol diperlihatkan pada Gambar 7-8.Kedua Gambar menunjukkan bahwa kemurnianetanol akan semakin tinggi, seiring dengan semakinbesarnya reboiler duty dan reflux ratio. Terlihat pulabahwa pada harga reboiler duty dan reflux ratio yangpaling kecil pun, kemurnian etanol yang dihasilkansudah memenuhi standar untuk digunakan sebagaibahan bakar. Dengan demikian, tidak diperlukanutilitas panas yang terlalu besar, sehingga dapatmenghemat biaya modal (capital cost).Gambar 7. Pengaruh reboiler duty terhadap kemurnian etanolGambar 8. Pengaruh reflux ratio terhadap kemurnian etanolPengaruh kondisi umpan terhadap kemurnianetanolHasil simulasi pengaruh temperatur dan laju alirumpan diperlihatkan pada Gambar 9 dan 10.Hasil simulasi memperlihatkan kecenderungansemakin meningkatnya kemurnian etanol seiringdengan semakin tinggi temperatur umpan. Namunpada batas tertentu, yakni di atas 33 C, hasil simulasimenunjukkan fraksi mol etanol yang diperolehmenurun secara drastis dan berpindah ke solusi kedua.Sebenarnya, pada temperatur kamar (25oC) pun,kemurnian etanol yang dihasilkan sudah memenuhistandar bahan bakar sehinggga tidak diperlukan prosespemanasan awal (preheating) umpan dan biayaoperasi pun dapat ditekan.Gambar 9. Pengaruh temperatur umpan terhadap kemurnianetanolF09 - 5
Kemurnian etanol yang diperoleh pada tahap 4-18menunjukkan standar minimum sebagai biofuel dapattercapai. Simulasi dilanjutkan untuk melihat pengaruhposisi masuk umpan yang semakin dekat denganproduk, yakni di atas tahap 20, dan menunjukkan hasilbahwa feed location yang semakin dekat dengan posisikeluar produk akan menyebabkan simulasi menjadierror. Hal ini juga terjadi apabila posisi umpan masuktersebut berdekatan dengan tempat masuk entrainer(tahap 1 dari atas kolom). Hasil tersebut menunjukkanbahwa posisi umpan masuk terbaik adalah pada tahapke 10 agar diperoleh etanol yang paling murni.Gambar 10. Pengaruh laju alir umpan terhadap kemurnianetanolKesimpulan1.Gambar 10 menunjukkan bahwa apabila laju alirumpan semakin besar maka etanol yang diperolehsemakin berkurang kemurniannya. Hal ini disebabkanpenambahan laju alir dilakukan pada harga reboilerduty yang konstan. Selain itu, jumlah make-upentrainer kurang mencukupi sehingga terjadipeningkatan jumlah liquid maupun vapor yang beradadalam kolom. Apabila laju alir umpan diperbesarmelebihi 1%, maka fraksi mol akan turun drastis.Hasil yang didapat akan berpindah ke solusi kedua,yakni fraksi mol etanol hanya berkisar 0,88 – 0,9.Hasil simulasi menunjukkan bahwa perubahankondisi umpan sangat berpengaruh terhadapkemurnian etanol yang diperoleh. Kemurnian etanolbisa menurun drastis karena dekanter tidak mampumembagi cairan menjadi dua fasa.Pengaruh konfigurasi kolom terhadap kemurnianetanolSebelum kolom distilasi direalisasikan, posisiumpan masuk sebaiknya diketahui terlebih dahuluuntuk menghemat biaya. Dari hasil simulasi, yangditunjukkan oleh Gambar 11, terlihat bahwa posisiumpan masuk berpengaruh terhadap kemurnian etanolyang dihasilkan.2.3.4.5.6.Pemurnian etanol dapat dilakukan dengan distilasiazeotrop.Fenomena output multiplicity ditemukan dalamproses pemurnian etanol dengan distilasiazeotrop.Pencapaian temperatur heteroazeotrop menjadihal yang sangat penting.Kemurnian etanol optimum dapat dicapai dengannilai reboiler duty 19 MJ/s dan reflux ratio 8.Perubahan kecil pada kondisi umpan sangatberpengaruh terhadap kemurnian etanol.Untuk kolom distilasi azeotrop 20 tahap, posisiumpan masuk terbaik adalah pada tahap ke-10.Daftar Pustaka1.2.3.4.5.6.7.Gambar 11. Pengaruh feed location terhadap kemurnianetanolF09 - 6Cairns,B.P., Furzer,I. A., 1990, MulticomponentThree-Phase Azeotropic Distillation. 3. ModernThermodynamic Models and Multiple Solutions,Ind. Eng. Chem. Res., 29, 1383-1395.Elvers, B., 2008, Handbook of Fuels EnergySources for Transportation, Wiley-VCH VerlagGmbH & Co. KGaA, Germany.Gomis,V., Ruiz,F., Asensi, J.C., Font, A., 2003,Application of Isooctane to the Dehydration ofEthanol. Design of a Column Sequence To ObtainAbsolute Ethanol by Heterogeneous AzeotropicDistillation, Ind. Eng. Chem. Res., 42, 140-144.Hambali, E., Mujdalipah, S., Tambunan, A.H.,Pattiwiri, A.W., Hendroko, R, 2007, TeknologiBioenergi, AgroMedia Pustaka, Jakarta.Seader, J.D., Henley, E.J., 2006, SeparationProcess Principles, 2nd ed., John Wiley&SonsInc., USA.Widagdo, S., Seader, W.D., 1996, AzeotropicDistilation, AIChE Journal, 42, 1, 96-130.Treybal, R.E., 1981, Mass Transfer Operation, 3rded., Mc. Graw-Hill Book Company, USA.
Dehidrasi Etanol Cairns dan Furzer (1990) Kondisi Operasi Konfigurasi Kolom Reflux ratio 10 Jumlah tahap pada azeotropic column 30 Pressure drop per stage (kPa) 0.5 Jumlah tahap pada stripping column 20 Tray umpan masuk pada azeotropic column 4 G
dehidrasi ringan sedang yang dijaring oleh skor dehidrasi WHO modifikasi “UNHAS” adalah tidak berbeda bila dibandingkan dengan penilaian dehidrasi WHO (p 0,864). Nilai kappa 0,45. Tabel 4 menunjukkan kesesuaian penilaian pasien dehidrasi berat dan bukan dehidrasi berat (dehidrasi
dehidrasi yang akan berdampak pada prestasinya, karena dehidrasi juga dapat menyebabkan atlet mudah mengalami kelelahan dan sulit berkonsentrasi sehingga mengakibatkan performa olahraga seorang atlet tidak optimal. Penelitian ini membahas tentang tingkat dehidrasi yang d
Dehidrasi dibagi menjadi dua jenis, yaitu:21 a. Dehidrasi isotonik Dehidrasi isotonik adalah kehilangan air lebih besar daripada kehilangan elektrolit. Dehidrasi jenis ini terjadi akibat adanya pemekatan cairan ekstraseluler. Cairan dari intraseluler akan memasuki ekstras
melakukan analisa proses dan teknis terhadap desain sebuah produk sederhana, khususnya tentang proses manufakturnya Materi Pokok Bahasan 1. Konsep Dasar Proses Manufaktur 2. Material Teknik 3. Pemrosesan Logam: Proses Permesinan (Konvensional & Non-Konvensional), Proses Penyambungan, Proses Perlakuan Panas, Proses Pengecoran 4.
Reaksi dehidrasi di atas berjalan dengan rumit, dimana reaksi gula dengan asam sulfat pekat membentuk karbon melibatkan pembentukan ikatan karbon-karbon. Reaksi ini didorong oleh reaksi eksotermik antara asam sulfat
Pada dehidrasi berat terjadi defisit cairan sama dengan atau lebih dari 10% berat badan (Yusuf, 2012). Evaluasi klinis pada umumnya difokuskan pada penilaian keparahan dehidrasi serta identifikasi penyebab berdasarkan riwayat dan temuan klinis. Kegagalan menegakkan diagnosis dehidr
dan 12-- % balita mengalami dehidrasi. Dehidrasi terjadi karena usus bekerja tidak sempurna sehingga sebagian air dan zat-zat yang terlarut di dalamnya dibuang bersama tinja sampai akhirnya tubuh kekurangan cairan. Dehidrasi yang tidak diimbangi dengan rehidrasi yang adekuat
ACCOUNTING 0452/12 Paper 1 October/November 2019 1 hour 45 minutes Candidates answer on the Question Paper. No Additional Materials are required. READ THESE INSTRUCTIONS FIRST Write your centre number, candidate number and name on all the work you hand in. Write in dark blue or black pen. You may use an HB pencil for any diagrams or graphs. Do not use staples, paper clips, glue or correction .
