MODEL MATEMATIKA KINETIKA PADA PROSES PIROLISIS MINYAK NYAMPLUNG DALAM MENGHASILKAN BIOFUEL Riri Sadiana, Novi Laura Indrayani Prodi Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Islam “45” Bekasi Email:
[email protected]
Abstrak Perlunya pendekatan matematis dan simulasi model dalam penelitian yang berbasis laboratorium dapat mengurangi biaya dan resiko kesalahan lain saat pengujian di lakukan. Selain itu, hasil simulasi dapat dijadikan pedoman untuk menentukan keputusan pada langkah yang akan diterapkan kemudian dalam penelitian. Pada penelitian reaksi pirolisis minyak nyamplung dalam menghasilkan biofue sebagai bahan bakar (energi) alternatifl, diterapkan beberapa asumsi yang dikembangkan dan kemudian dibentuk suatu model matematika kinetika pada reaksi tersebut. Minyak nyamplung (Cny ) dalam proses produksinya menghasilkan minyak produksi (Cp )dan gas buang/coke (Cg ). Hasil analisis ∗ model tersebut diperoleh titik ekuilbrium produksi E ∗ ≔ (Cny , Cp∗ , Cg∗ ). Hasil simulasi menunjukan bahwa adanya periodesasi dari proses reaksi yag terjadi. Kata kunci: Model Matematika, minyak nyamplung, pirolisis, bio-bensin 1. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Pengembangan bahan bakar nabati telah menjadi perhatian para peneliti dalam beberapa tahun terakhir,seiring dengan berkurangnya pasokan bahan bakar konvensional dan meningkatnya kesadaran lingkungan. Minyak nyamplung merupakan salah satu bahan baku bahan bakar nabati yang terbarukan, berkesinambungan dan ramah lingkungan. Pada penelitian ini, dilakukan konversi minyak nyamplung menjadi bahan bakar nabati melalui proses pirolisis. Tujuan penelitian ini adalah membuat bahan bakar nabati yang memiliki fraksi hidrocarbon mendekati bensin dari minyak nyamplung dengan katalis karbon berpori. Pirolisis minyak nyamplung dilakukan secara batch dalam reaktor fixed bed yang terbuat dari kuarsa. Proses pirolisis dilakukan secara termal (nonkatalitik) dan katalitik. Sebelum proses pirolisis dimulai, gas nitrogen dialirkan ke dalam sistem selama 1 jam. Setelah temperatur yang diinginkan tercapai, minyak nyamplung dialirkan melewati tumpukan katalis karbon berpori. Pirolisis dijalankan pada temperatur 350, 400, 450 dan 500oC. Karbon berpori yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari polimer resorcinol phenol formaldehyde ethylene glycol (RPFEG) yang memiliki struktur dominan mesopori dan mikropori. Hasil cair ditentukan berdasarkan simulasi model 355
lump. Karbon berpori memiliki kemampuan sebagai katalis pada pirolisis katalitik minyak nyamplung dengan selektivitas terhadap produk dengan fraksi bensin. Pirolisis minyak nyamplung dengan temperatur 350-500 oC menghasilkan produk yang setara fraksi bensin, minyak tanah dan diesel. Yield bensin dengan katalis karbon RPFEG mesopori lebih baik dari pada dengan karbon RPFEG mikopori dan non-katalis. Yield relatif bensin optimal diperoleh pada temperatur 350 oC dengan katalis karbon RPFEG 2. Model kinetika reaksi didekati dengan hasil maksimal. Dari hasil analisis data diperoleh nilai konstanta dalam persamaan Arrhenius didapatkan nilai A= 6,780 jam-1 dan Ea = 16,426 kJ/mol.[1] Pada reaksi pirolisis minyak nyamplung dalam menghasilkan biofuel dapat diterapkan dan diperoleh suatu model matematika kinetika reaksi tersebut. Model matematika yang dibuat megacu pada beberapa asumsi yang mengacu pada penelitian yang telah dilakukan pada reaksi pirolisis minyak nyamplung menjadi biofuel. 1.2 Tujuan Penelitian Secara umum tujuan dari penelitian ini adalah membuat bahan bakar alternatif yang mendekati salah satu fraksi minyak bumi bensin dari minyak nyamplung dengan bantuan katalis karbon berpori. Adapun tujuan khusus penelitian ini adalah memperoleh model matematika kinetika reaksi pirolisi minyak nyamplung menjadi biofuel. 2. Formulasi Model Model Matematika Model matematika kinetika reaksi pirolisis minyak nyamplung menjadi biofuel yang dikonstruksi dalam penelitian ini menggunakan pendekatan epidemiologi. Hal ini dimaksudkan bahwa kinetika reaksi pirolisis minyak nyamplung menjadi biofuel dapat diasumsikan sebagai sesuatu yang berproses menyebar dan dalam prosesnya dapat dipelajari semisal penyakit. Pemodelan yang dilakukan menggunakan struktur kompartemen dan digunakan beberapa istilah yang mungkin tergolong baru namun dapat ditemukan padanannya dalam pemodelan di bidang epidemiologi. Adapun pemodelan ini mengacu pada pemodelan yang dilakukan oleh Malaysia [2] dan dengan asumsi: dari hasil pirolisis minyak nyamplung (𝐶𝑛𝑦 ) dengan menggunakan katalis karbon berpori 𝑅𝑃𝐹𝐸𝐺 dapat menghasilkan Biofuel sebagai produk utama 𝐶𝑝 dan produk samping berupa gas dan coke 𝐶𝑔 . Parameter laju reaksi dari 𝐶𝑛𝑦 menjadi 𝐶𝑝 sebesar 𝑘1 , parameter laju reaksi dari 𝐶𝑛𝑦 menjadi 𝐶𝑔 sebesar 𝑘2 , dan laju reaksi dari 𝐶𝑝 menjadi 𝐶𝑔 sebesar 𝑘3 . Asumsi lainnya mengacu pada penelitian yang telah dilakukan pada reaksi pirolisis minyak nyamplung menjadi biofuel. Secara lebih sederhana, alur reaksi pirolisis minyak nyamplung menjadi biofuel digambarkan sebagai berikut:
56
Gambar 1. Proses reaksi pirolisi minyak nyamplung menjadi biofuel
Model matematika kinetika reaksi pirolisis minyak nyamplung menjadi biofuel sebagai berikut: 𝑑𝐶𝑛𝑦 𝑑𝑡 𝑑𝐶𝑝 𝑑𝑡
= −∅ 𝑘1 𝐶𝑝𝑛 + 𝑘2 𝐶𝑔𝑛 , 𝑛 = ∅ 𝑘1 𝐶𝑛𝑦 − 𝑘3 𝐶𝑔𝑛 ,
(1) (2)
𝑑𝐶𝑔
𝑛 = ∅ 𝑘2 𝐶𝑛𝑦 + 𝑘3 𝐶𝑝𝑛 , (3) Dimana ∅ adalah rasio laju reaksi proses dan order reaksi 𝑛. 𝑑𝑆 Dengan memisalkan = 𝑆 (pada kasus 𝐶𝑛𝑦 , 𝐶𝑝 , 𝐶𝑔 ) dan 𝑛 = 1, maka 𝑑𝑡 diperoleh: 𝐶𝑛𝑦 = −∅ 𝑘1 𝐶𝑝 + 𝑘2 𝐶𝑔 , (4) 𝐶𝑝 = ∅ 𝑘1 𝐶𝑛𝑦 − 𝑘3 𝐶𝑔 , (5) 𝑑𝑡
𝐶𝑔 = ∅ 𝑘2 𝐶𝑛𝑦 + 𝑘3 𝐶𝑝 ,
(6)
3. Analisis Model dan Simulasi Numerik Untuk memecahkan masalah model matematika kinematika reaksi pirolisis minyak nyamplung menjadi biofuel, dimana keadaan reaksi secara terus menerus mengalami penyebaran dan perubahan, maka ditentukan 𝐸 ∗ sebagai titik ekuilibrium proses reaksi. Sehingga 𝐸 ∗ = (𝐶𝑛𝑦 ∗ , 𝐶𝑝 ∗ , 𝐶𝑔∗ ). Dengan menyelesaiakan 𝐶𝑛𝑦 = 𝐶𝑝 = 𝐶𝑔 = 0 dimana bahan mentah nyamplung 100% atau 𝑘
𝑘
𝐶𝑛𝑦 ∗ = 1, dari persamaan (4), (5), dan (6) diperoleh 𝐶𝑝∗ = − 𝑘2 dan 𝐶𝑔∗ = 𝑘1 . 3
3
Perolehan nilai 𝐶𝑝∗ yang bergantung pada nilai parameter 𝑘2 dan 𝑘3 menunjukan bahwa untuk nilai
𝑘2 𝑘3
> 0 yang cukup besar, maka perolehan hasil 𝐶𝑝∗ akan
semakin kecil. Sehingga, untuk memperoleh hasil maksimal pada 𝐶𝑝∗ diperlukan suatu langkah untuk menekan laju reaksi 𝑘2 .
57
Setelah menginput beberapa nilai paramater untuk temeratur 350-500 oC, diperoleh hasil seperti pada gambar berikut: v 1.0 c ny t
Cny ( t )
0.8 cp t
0.6
cg t
0.4 0.2 0.0
0
2
4
6
8
10
t
Gambar 2. Grafik fungsi model matematika kinetika reaksi pirolisis minyak nyamlung menjadi biofuel
Hasil simulasi numerik yang terlihat pada gambar 2, menunjukan bahwa saat memasuki jam ke-3, volume 𝐶𝑛𝑦 telah bereaksi secara total menjadi 𝐶𝑝 yang mencapai volume 80% samapai dengan 90% dan volum 𝐶𝑔 mencapai 10% samapai dengan 20%. Pada gambar 2. Terlihat bahwa grafik fungsi model kinetika reaksi pirolisis minyak nyamplung menjadi biofuel terdapat unsure periodic. Pada saat 𝑡 waktu reaksi mencapai 3 jam, prolehan 𝐶𝑝 mencapai volume maksimal dan setelah mencapai 5 jam mencapai titik 0. Hal yang menarik adalah setelah memasuki fase jam ke-7, proses reaksi pirolisis minyak nyamplung menjadi biofuel, seleruh unsure memeadat kembali menjadi 𝐶𝑛𝑦 . Fenomena seperti ini perlu dijadikan pedoman pengamatan lebih lanjut di laboratorium. 4. Simpulan Berdasarkan pada asumsi yang telah dibuat, berikut adalah suatu model matematika kinetika reaksi pirolisis minyak nyamplung menjadi biofuel: 𝐶𝑛𝑦 = −∅ 𝑘1 𝐶𝑝 + 𝑘2 𝐶𝑔 𝐶𝑝 = ∅ 𝑘1 𝐶𝑛𝑦 − 𝑘3 𝐶𝑔 𝐶𝑔 = ∅ 𝑘2 𝐶𝑛𝑦 + 𝑘3 𝐶𝑝 Dimana ∅ adalah rasio laju reaksi proses. Model tersebut diperoleh penyelesaian berupa titik ekuilibrium 𝐸 ∗ = (𝐶𝑛𝑦 ∗ , 𝐶𝑝 ∗ , 𝐶g∗ ).
58
Daftar Pustaka [1] Hale, J. and Kocak, H. (1991), Dynamic and bifurcations. New York: Springer-Verlag. [2] Novi Laura Indrayani., (2014), Reaksi pirolisis minyak nyamplung menjadi Biofuel. Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. [3] Nurjannah, Roesyadi, A. dan Prajitno, D. H., (2010), Konversi Katalitik Minyak Sawit untuk Menghasilkan Biofuel Meng-gunakan Silika Alumina dan HZSM-5 Sintesis, Reaktor, 13(1), 37–43. [4] Perko, L. (1996), Differential equation and dynamical systems. New York: Springer [5] Warastuti, Sri., 2013, “Pirolisis Minyak Jarak Pagar menggunakan Katalis Karbon Berpori”, Tesis, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
59
