i
PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN PELUMAS DASAR SINTETIS DARI MINYAK JARAK PAGAR (Jatropha curcas L.) MELALUI MODIFIKASI KIMIAWI
Ratri Ariatmi Nugrahani
SEKOLAH PASCA SARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
ii
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar Sintetis dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Juni 2008
Ratri Ariatmi Nugrahani NIM F361040161
iii
ABSTRACT RATRI ARIATMI NUGRAHANI. Process Design for the Production of Synthetic Lubricant Base Fluid from Chemically Modified Jatropha curcas L. Oil. Under direction of DJUMALI MANGUNWIDJAJA, ANI SURYANI, MACHFUD, and R. SUDRADJAT.
At present, the demand of the mineral oil has increased, but the supply has decreased. This condition has pushed the production of synthetic lubricant from vegetable oil as base fluid. Although the price of vegetable oil – lubricant base fluid are more expensive than mineral oil but vegetable oil are renewable raw materials that possess certain excellent frictional properties e.g. good lubricity, low volatility, high viscosity index, solvency for lubricant additives, and easy miscibility with other fluids, etc. Some uses of vegetable oil in the lubricant application are as synthetic additive, transmission fluid, two-stroke engine oil, hydraulic fluid and grease. The consumption of vegetable oil for lubricant are 8 million kilograms per year. The large markets are engine oil, gear oil, hydraulic fluid and industrial fluid. Synthetic lubricant base fluid was prepared by chemical modification of Jatropha curcas oil. The result of the research were parameters for process design of modification Jatropha curcas oil as base fluid, so it could be used for selected equipment in the commercial scale, modeling, simulation, and financial analysis. The objective of this research gained design process, reaction kinetic parameters and thermodynamic parameters, product with characteristics that were desired, product with good oxidation stability, the good performance of synthetic lubricant for automotive machine, so proved that the process to be technically feasible and gained the optimum production capacity for minimum total cost and analyze the financial of production base fluid at optimum capacity, so proved that the process to be financially feasible. The result of physical-chemical properties analysis described that Jatropha curcas oil was compatible for lubricant base fluid, but it must be modified to increase their performances. Lubricant base fluid from Jatropha curcas oil would be applied for automotive. The selection of process route by heuristic rule was based on some consideration. In this research, the route of process was carried out by in situ epoxydation, hydroxylation of epoxidized curcas oil with alcohol (methyl alcohol) and heterogenous catalyst, acetylation of polyol used acetic acid anhydride and heterogenous catalyst. The result of canonical analysis used Response Surface Method showed that the optimum oxyrane number (maximum) was 5.1%, at temperature of 70° C, sulfuric acid catalyst concentration 1%(w/w), and mol ratio of reactants of 1:5.9. The rate constant and reaction rate model for epoxydation of curcas oil was found 7 ( −23.45 / RT ) 7 ( −23.45 / RT ) l / mol . sec ond i.e. k = 4.32.10 e and rE = 4.32.10 e (CB 0 − CE ) . Activation energy (E) for epoxydation was found i.e 23.44 kcal/mol. Thermodynamic parameters such as entalphy (ΔHR) for epoxydation was 23.44 kcal / mol.
iv The result of canonic analysis used Response Surface Method showed that the optimum oxyrane number (minimum) was 0.77%, at temperature of 60° C, bentonite (catalyst) concentration of 1.5% (w/w), dan mol ratio of reactants of 1:13. The rate constant and reaction rate model for hydroxylation of epoxidised curcas oil was found i.e k ' = 0.93 e ( −10.69 / RT ) l/mol second and rE = 0.93 e( −10.69 / RT )CE , respectively. Activation energy (E) for hydroxylation of epoxy was found i.e 10.69 kcal/gmol. Thermodynamic parameters such as entalphy (ΔHR) for hydroxylation was found i.e 10.01 kcal / mol The acetylation to polyol curcas oil used acetic acid anhydride was carried out with ratio of reactants of 10 : 1 (v/v), bentonite (catalyst) concentration of 2 % (w/w), and temperature of 90° C. Activation energy (E) for acetylation of polyol was found i.e 1.4122 kcal/mol. The rate constant and reaction rate model for esterification of polyol curcas oil was found i.e k ' = 0 .54 e (1412 .20 / RT ) l/mol second and rP = 0.54 e(1412.203 / RT )CP , respectively. Thermodynamic parameters such as entalphy (ΔHR) was found i.e 0.6909 kcal/gmol. The result of physical-chemical characterization to acetylated polyol showed that modified jatropha curcas oil, improved physical and chemical properties as lubricant base fluid, so subtituted mineral base fluid. Performance test to the oxydation stability of based fluid showed that the change of viscosity and acid number acetylated polyol was less than curcas oil, epoxy, and polyol. The result of modified jatropha curcas oil lubricant based fluid and commersial lubricant formula show that the change of metal content at ratio acetylated polyol : commersial lubricant = 1 : 4 and used time 100 hour was at least. The optimization of production capacity to minimum production cost was carried out by numerical method, and the result of optimimum production was 167.281 ton/year. The result of financial analysis for the production of lubricant based fluid at optimum capacity was NPV of Rp 1 518 271 684.81,-, IRR of 25.09%, PBP of 3.62 year, and Net B/C of 1.36. On the basis of financial calculation, sensitivity analysis was carried out. Prices of product and material were found to be the most significant factors affecting the financial viability. Process design for the production of synthetic lubricant base fluid through chemically modified Jatropha curcas L. Oil i.e. epoxydation, hydroxylation, and esterification and used the suitable equipment at optimum capacity proved to be technically feasible and had financial feasibility. Keywords: design process, lubricant base fluid, jatropha curcas oil, epoxy, polyol, and acetylation.
v
RINGKASAN RATRI ARIATMI NUGRAHANI. Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar
Sintetis dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha Curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi. Dibimbing oleh DJUMALI MANGUNWIDJAJA, ANI SURYANI, MACHFUD, dan R. SUDRADJAT.
Saat ini kebutuhan minyak bumi meningkat, sedangkan persediaannya makin menipis. Keadaan ini memacu produksi pelumas sintetis dari minyak nabati sebagai bahan dasar alternatif dalam pembuatan pelumas. Meskipun harga pelumas dasar nabati ini lebih mahal daripada minyak mineral, namun minyak ini merupakan bahan terbarukan yang mempunyai sifat friksi yang unggul, sebagai contoh, pelumasan baik, volatilitas rendah, indek viskositas tinggi, kelarutan untuk aditif pelumas tinggi, dan mudah larut dalam fluida lain. Beberapa kegunaan minyak nabati di dalam aplikasi pelumas yaitu sebagai aditif minyak sintetis, fluida transmisi, minyak motor 2 tak, minyak hidraulik, dan gemuk. Konsumsi minyak nabati untuk pelumas adalah sebesar 8 juta kilogram per tahun. Pasar terbesar adalah pelumas mesin, pelumas roda otomotif, mesin hidraulik dan mesin industri. Pelumas dasar sintetis dibuat dengan memodifikasi minyak jarak pagar secara kimiawi. Hasil dari penelitian ini adalah parameter-parameter untuk perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar, sehingga dapat digunakan untuk memilih peralatan pada skala komersial, pemodelan dan simulasi, serta analisis finansial. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan rancangan proses, parameter kinetika reaksi dan termodinamika pada proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar, produk dengan karakterisasi yang diinginkan dan evaluasi kinerja ketahanan terhadap oksidasi pelumas dasar & formula pelumas sintetis pada mesin otomotif, sehingga didapatkan kelayakan rancangan proses secara teknis, selanjutnya dilakukan optimasi kapasitas produksi untuk mendapatkan total biaya minimum, dan analisis kelayakan finansial produksi pelumas dasar pada skala optimum tersebut untuk mendapatkan kelayakan rancangan proses secara finansial. Hasil analisis sifat fisik dan kimia menyatakan bahwa minyak jarak pagar memenuhi persyaratan sebagai pelumas dasar, tetapi masih perlu modifikasi untuk memperbaiki kemampuannya. Pelumas dasar minyak jarak pagar ini akan diaplikasikan pada kendaraan bermotor. Pemilihan jalur proses dengan aturan heuristik didasarkan pada beberapa pertimbangan. Pada penelitian ini dilakukan sintesis dengan jalur proses pembuatan epoksi secara in situ, hidroksilasi terhadap epoksi menggunakan alkohol (metanol) dengan katalis padat, asetilasi terhadap poliol, menggunakan asam asetat anhidrat dengan katalis padat. Hasil analisis dengan menggunakan metoda respon permukaan menunjukkan nilai oksiran optimum (maksimum) adalah 5.1 % yang terjadi pada suhu reaksi 70° C, konsentrasi katalis asam sulfat pekat 1% w/w, dan nisbah mol pereaksi 1 : 5.9. Tetapan dan model laju reaksi epoksidasi adalah: k = 4 .32 .10 7 e ( −23 .45 / RT ) l/mol detik dan rE = 4.32.107 e( −23.45 / RT ) (CB 0 − CE ) . Energi aktivasi epoksidasi minyak jarak pagar (E)
vi adalah sebesar 23.45 kkal/mol. Parameter termodinamika seperti entalpi reaksi (ΔHR) adalah sebesar 23.44 kkal / gmol. Hasil analisis kanonik dengan metoda respon permukaaan menunjukkan nilai bilangan oksiran optimum (minimum) adalah 0.77% yang terjadi pada suhu reaksi 60°C, konsentrasi katalis bentonit 1.5% (w/w), dan nisbah mol pereaksi 1:13. Tetapan dan model laju reaksi hidroksilasi terhadap epoksi adalah k ' = 0.93 e ( − 10.69 / RT ) l/mol detik; rE = 0.93 e( −10.69 / RT )CE ; Energi aktivasi hidroksilasi adalah 10.69 kkal/gmol. Parameter termodinamika yaitu entalpi reaksi (ΔHR) adalah sebesar 10.01kkal / mol Proses asetilasi poliol minyak jarak pagar dengan menggunakan asam asetat anhidrat, dilakukan pada nisbah volume poliol : asam asetat anhidrat = 10 : 1, konsentrasi katalis bentonit 2 % (w/w), waktu reaksi total 40 menit dengan suhu 90° C. Hasil perhitungan energi aktivasi (E) adalah sebesar 1.41 kkal / gmol. Persamaan tetapan dan model laju reaksi asetilasi terhadap poliol minyak jarak pagar adalah k ' = 0 .54 e (1.41220 / RT ) l/mol detik, rP = 0.54 e(1.412.20 / RT )CP . Harga entalpi reaksi (ΔHR) adalah 0.69 kkal/gmol. Hasil karakterisasi sifat fisik dan kimia terhadap hasil asetilasi poliol, menunjukkan bahwa modifikasi minyak jarak pagar memperbaiki sifat fisik dan kimia sebagai pelumas dasar, sehingga dapat digunakan untuk mensubstitusi pelumas dasar mineral. Hasil pengujian kinerja pelumas dasar terhadap kestabilan oksidasi menunjukkan bahwa perubahan viskositas dan bilangan asam poliolester terendah dibandingkan dengan yang lainnya (minyak jarak pagar, epoksi, dan poliol). Hasil pengujian kinerja formulasi pelumas dasar dengan pelumas komersial, menunjukkan bahwa besarnya perubahan kandungan logam pada komposisi campuran poliol terasetilasi : pelumas komersial = 1 : 4 dengan waktu pemakaian 100 jam rendah. Optimasi kapasitas produksi untuk mendapatkan biaya produksi minimum dilakukan dengan metoda numeris, dan hasil optimasi menunjukkan kapasitas produksi optimum adalah sebesar 167.281 ton/tahun. Hasil analisis finansial NPV produksi pelumas dasar pada kapasitas optimum adalah Rp Rp 1 518 271 684.81,-, IRR 25.09%, PBP 3.62 tahun, dan Net B/C 1.36. Berdasarkan pada perhitungan finansial, dilakukan analisis sensitivitas sehingga dihasilkan bahwa harga bahan pembantu dan harga jual produk merupakan faktor yang sangat berpengaruh terhadap kelayakan finansial. Perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar menjadi pelumas dasar sintetis melalui jalur proses epoksidasi, hidroksilasi, dan esterifikasi dengan menggunakan rangkaian alat yang sesuai pada kapasitas optimum, dinyatakan layak secara teknis dan finansial. Kata kunci : perancangan proses, pelumas dasar, minyak jarak pagar, epoksi, poliol, asetilasi.
vii
© Hak cipta milik IPB, tahun 2008 Hak cipta dilindungi 1.
2.
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB
viii
PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN PELUMAS DASAR SINTETIS DARI MINYAK JARAK PAGAR (Jatropha curcas L.) MELALUI MODIFIKASI KIMIAWI
Ratri Ariatmi Nugrahani
Disertasi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor Pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCA SARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
ix Judul Disertasi
: Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar Sintetis dari
Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi Nama
: Ratri Ariatmi Nugrahani
NIM
: F361040161
Program Studi
: Teknologi Industri Pertanian
Disetujui, Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Ani Suryani, DEA Anggota
Prof. Dr. Djumali Mangunwidjaja, DEA Ketua
Dr. Ir. Machfud, MS.
Prof. Riset. Dr. R. Sudradjat MSc
Anggota
Anggota
Diketahui,
Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. Irawadi Jamaran
Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS
Tanggal Ujian : 16- Juli-2008
Tanggal Lulus :
x
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga Disertasi yang berjudul Perancangan Proses Pembuatan Pelumas Dasar Sintetis dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha curcas L.) melalui Modifikasi Kimiawi ini berhasil
diselesaikan.
Selama menyelesaikan penelitian dan penulisan disertasi ini penulis
mendapatkan bantuan dari berbagai pihak, sehingga dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Dr. Djumali Mangunwidjaja, DEA., selaku Ketua Komisi Pembimbing, Prof. Riset. Dr. R. Sudradjat, Dr. Ir. Ani Suryani, DEA. dan Dr. Ir. Machfud, MS. selaku anggota Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran dan kritik. Pak Nandang dan Pak Katmono, laboran dan teknisi laboratorium Kimia Universitas Jayabaya, yang telah membantu penelitian di laboratorium. Rekan-rekan di TIP yang membantu penyelesaian penelitian ini. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada suami, anakanakku tercinta, ibu, bapak, kakak dan adik atas semua bantuan material maupun spiritual, pengorbanan, doa, dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi perkembangan industri hilir jarak pagar di Indonesia.
Bogor, Juli 2008
Ratri Ariatmi Nugrahani
xi
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Yogyakarta pada tanggal 30-April-1969, sebagai anak kedua dari tiga bersaudara pasangan Mayjen TNI (Purn). Ir. Suratman, MBA dan dr. Ridarasmi Suratman. Menikah dengan Drs. Prastyo Wasis Prabowo, Akt, MM., penulis dikaruniai dua orang putri yakni Nurin Amalia Pramudani (13) dan Nadira Riska Maulina (11). Penulis menempuh pendidikan dasar hingga sarjana di Yogyakarta. Setelah lulus dari SMAN I Yogyakarta pada tahun 1987, penulis melanjutkan pendidikan di Teknik Kimia UGM, Yogyakarta. Penulis lulus dari Teknik Kimia tahun 1992, 1993 penulis bekerja di
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Jayabaya,
Jakarta. Pada tahun 1998 penulis melanjutkan sekolah S2 pada jurusan Teknik Kimia, Universitas Indonesia, Jakarta, dengan beasiswa BPPS. Selanjutnya pada tahun 2004 penulis memperoleh kesempatan untuk melanjutkan pendidikan dengan beasiswa BPPS (On going) pada Program Doktor Teknologi Industri Pertanian, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Pada tahun 1994-2006 penulis diberi amanah untuk menjadi Kepala Laboratorium Kimia Fisika dan bulan November 2006 sampai dengan April 2007, penulis diberi kesempatan untuk menjadi Pembantu Dekan II, di Fakultas Teknologi Industri, Universitas Jayabaya, Jakarta.
xii
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ……………………………………………………………
xv
DAFTAR GAMBAR …………………………………………………………
xviii
DAFTAR LAMPIRAN .....................................................................................
xxii
PENDAHULUAN…………...............………………………………………..
1
Latar Belakang………………………………………………...............
1
Tujuan Penelitian……………………………………………...............
4
Ruang Lingkup……………………………………………..................
4
TINJAUAN PUSTAKA……………………………………............................
6
Tanaman Jarak Pagar……………………………………………..........
6
Minyak Jarak Pagar…....………………………………………….........
9
Pelumas ............………………………………………..........................
11
Beberapa penelitian proses pembuatan oleokimia sebagai pelumas dasar..............................................................................
15
Standar Pelumas......................................................................................
22
Dampak Minyak Pelumas Nabati terhadap lingkungan ………............
24
Epoksidasi..............................................................................................
25
Perancangan Proses........................................................................................29 Sintesis....................................................................................................
32
Analisis dan Pemodelan.........................................................................
33
Optimasi Proses…………………………………………….. ..............
40
Reaksi Katalitik......................................................................................
42
Analisis Kelayakan Finansial....………………………………………...
52
METODOLOGI PENELITIAN.........................................................................
53
Kerangka Pemikiran ...............................................................................
53
Tempat dan Waktu Penelitian..………………………………... ...... ....
56
Bahan dan Alat…………………………………………………............
56
Metoda Penelitian………………………………………………............
56
HASIL DAN PEMBAHASAN ..........................................................................
84
Sintesis Proses.........................................................................................
84
xiii Pemilihan Bahan Baku.…………………………….....................
84
Pemilihan Produk...........................................................................
95
Pemilihan Proses............................................................................. 96 Proses Modifikasi Minyak Jarak Pagar........................................................ 107 Proses Epoksidasi.............................................................................. 107 Penelitian Pendahuluan untuk menentukan kisaran kondisi operasi Epoksidasi............................................................... 107 Perpindahan massa katalis H2SO4 dalam pereaksi H2O2........109 Model kinetika reaksi epoksidasi........................................ 109 Perhitungan Waktu curah ideal pada proses epoksidasi minyak jarak pagar.............................................................. 113 Proses Hidroksilasi.......................................................................... 114 Pemilihan jenis dan jumlah katalis padat............................ 114 Penelitian Pendahuluan penentuan kisaran kondisi operasi hidroksilasi…........................................................... 117 Perpindahan massa metanol dalam katalis bentonit............. 119 Model kinetika reaksi hidroksilasi ...................................... 119 Perhitungan waktu curah ideal pada proses hidroksilasi pembukaan cincin oksiran dengan metanol.......................... 124 Proses Asetilasi.............................................................................
125
Penelitian Pendahuluan ....................................................
125
Model kinetika reaksi asetilasi..........................................
127
Perhitungan waktu curah ideal pada proses asetilasi terhadap poliol...................................................................
130
Karakteristik Minyak Jarak Pagar dan Modifikasinya sebagai Pelumas dasar................................................................................. 131 Pengaruh modifikasi minyak jarak pagar terhadap sifat fisik dan kimia...........................................................
131
Hasil pengujian gugus fungsi menggunakan FTIR dan pengujian struktur kimia menggunakan NMR................... 134
xiv
Pengujian Kinerja..........................................................................
138
Kestabilan Oksidasi ..........................................................
138
Analisis Penggunaan Pelumas Dasar................................
142
Pencampuran Pelumas Dasar dan Aditif............................... 143 Pengujian kinerja pada mesin otomotif.............................
143
Diagram blok Proses.....................................................................
145
Neraca Massa di setiap alat..........................................................
148
Neraca Massa Proses Epoksidasi.....................................
148
Neraca Massa Proses Hidroksilasi...................................
149
Neraca Massa Proses Asetilasi........................................
150
Neraca energi di setiap alat...........................................................
152
Neraca energi Proses Epoksidasi......................................
152
Neraca energi Proses Hidroksilasi....................................
153
Neraca energi Proses Asetilasi.......................................
154
Integrasi Proses .........................................................................
155
Optimasi Kapasitas Produksi Pelumas Dasar.............................................. 159 Analisis Kelayakan finansial hasil perancangan proses pada kapasitas optimum..........................................................................................................161 Hasil Analisis sensitifitas………………………………………… 165 Kelayakan jalur proses modifikasi minyak jarak pagar menjadi pelumas dasar...............................................................................................................165 KESIMPULAN DAN SARAN...............................................................
166
Kesimpulan...................................................................................
166
Saran......……...........……………………………………... ........
169
DAFTAR PUSTAKA.....………………………………………………
170
LAMPIRAN ....……………………………………………………......
176
xv
DAFTAR TABEL Halaman
1
Tabel 1 Komposisi kimia inti, kulit, dan daging biji jarak pagar.................. 9
2
Jenis Asam Lemak dan Sifat Fisik - Kimiawi Minyak Jarak Pagar………………………….….…………….................
10
3
Pelumas Poliolester Icematic SW 68 NU-CALGON……..………..........
21
4
Klasifikasi Viskositas SAE untuk pelumasan roda gigi otomotif.............
22
5
Klasifikasi pelumas berdasarkan standar API...........................................
23
6
Hasil uji biodegradabilitas pelumas dasar.................................................
24
7
Perbandingan identifikasi mineral oil (PAO), HVI, Minyak Nabati (Minyak Jarak Castor)...............................................................................
29
8
Jenis-jenis bahan katalis............................................................................
45
9
Keasaman katalis heterogen......................................................................
46
10
Rancangan percobaan proses produksi poliol dari epoksi minyak jarak pagar....................................................................................
11
62
Rancangan percobaan proses produksi poliol dari epoksi minyak jarak pagar, dengan respon bilangan oksiran dan bilangan hidroksil........
68
12
Data rendemen minyak jarak pagar...........................................................
84
13
Perbandingan sifat fisik beberapa minyak nabati dan mineral.................... 85
14
Kandungan asam lemak tidak jenuh yang ada dalam beberapa minyak nabati............................................................................................... 90
15
Sifat Fisik dan Kimia Minyak Jarak Pagar sebagai pelumas dasar.............. 94
16
Pereaksi yang digunakan dalam proses modifikasi minyak jarak pagar..... 98
17
Perpindahan Massa katalis H2SO4 dalam H2O2........................................... 109
18
Data Konversi (%) minyak jarak pagar menjadi epoksi.............................. 110
19
Hasil perhitungan nilai k (tetapan laju reaksi) epoksidasi........................... 111
20
Pengaruh penambahan katalis terhadap penurunan bilangan oksiran, Waktu reaksi 2 jam, suhu 50°C, nisbah mol pereaksi 1: 1 v/v, oksiran awal = 4.7%...................................................................................... 114
xvi 21
Data penurunan bilangan oksiran pada proses hidroksilasi. Bahan epoksi dari minyak jarak pagar: BA =11, Oksiran =5.043. nisbah mol epoksi : metanol =1 : 13............................................................................... 120
22
Data perubahan konsentrasi Oksiran pada suhu proses 50°C................................................................................................... 120
23
Data perubahan konsentrasi Oksiran pada suhu proses 60°C .................................................................................................. 121
24
Data perubahan konsentrasi Oksiran pada suhu proses 65°C................................................................................................... 122
25
Hasil perhitungan nilai k (tetapan laju reaksi) hidroksilasi dengan metanol menggunakan regresi linier................................................. 123
26
Data perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol................................127
27
Tetapan laju reaksi asetilasi dengan menggunakan asam asetat anhidrat......128
28
Sifat Fisik dan kimia Minyak Jarak, Epoksi, Poliol, dan Asetilasi Poliol..... 131
29
Sifat Fisik Pelumas Mesin (Minyak Baru) dengan standar SAE.................. 133
30
Indeks viskositas pada suhu 100°C...............................................................142
31
Pengujian kinerja berbagai % campuran pelumas dasar dan pelumas komersial pada mesin otomotif (motor 2 tak) selama 100 jam…………………….. 144
32
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pengeringan (OV-1).................. 148
33
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pengepresan (PR-01)................ 148
34
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Epoksidasi..................... 148
35
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Netralisasi.................................149
36
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi............................... 149
37
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Hidroksilasi................... 149
38
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi Poliol........................150
39
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pemisahan Sisa Butanol...........150
40
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Asetilasi........................ 150
41
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pemisahan Katalis.....................151
42
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Netralisasi.................................151
43
Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi.................................151
xvii 44
Neraca Energi di Pemanas bahan sebelum Proses Epoksidasi (HE-01)....... 152
45
Neraca Energi di Pemanas bahan sebelum Proses Epoksidasi (HE-02)........152
46
Neraca Energi pada saat Proses Epoksidasi………………………............... 152
47
Neraca Energi pada saat Netraliser……………………………………....... 153
48
Neraca Energi di Pemanas sebelum Proses Hidroksilasi (HE-03)................ 153
49
Neraca Energi pada saat Proses Hidroksilasi....................………………… 153
50
Neraca Energi pada saat Pemisahan Alkohol…………………………….....154
51
Neraca Energi pada saat Pendinginan Produk Poliol…………….…………154
52
Neraca Energi di Pemanas sebelum Proses Asetilasi....…….....……………154
53
Neraca Energi pada saat Proses Asetilasi…..........………………………… 154
54
Neraca Energi pada saat Netralisasi…………………………………………155
55
Neraca Energi pada saat Pendinginan produk asetilasi poliol........................155
xviii
DAFTAR GAMBAR Halaman
1
Bagian-bagian tanaman Jatropha curcas …………………….................. 7
2
Pemanfaatan tanaman jarak pagar……………………............. ................. 8
3
Tanaman jarak pagar.................................................................................... 10
4
Biji jarak pagar............................................................................................. 10
5
Tiga komponen penyusun pelumas mesin……………………................... 12
6
Sintesis monoester dari trigliserida dengan rantai pendek ……................. 16
7
Skema umum di-ester.................................................................................. 16
8
Reaksi pembentukan Asam Perasetat………………………….................. 17
9
Reaksi Epoksidasi terhadap ikatan rangkap aromatik membentuk oksiran ……………………………………………................ 17
10
Reaksi Transesterifikasi metil ester minyak sawit dengan menggunakan TMP.................................................................................... 18
11
Skema reaksi pembukaan cincin diikuti dengan transesterifikasi epoksi minyak dengan Guerbet alkohol....................................................
20
12
Sintesis dihidroksilasi minyak kedelai dari ESBO dan HClO4................... 20
13
Reaksi dihidroksilasi minyak kedelai dengan asetat anhidrat, butirat anhidrat, dan heksanoat anhidrat....................................................
20
14
Klasifikasi pelumas berdasarkan standar API...........................................
23
15
Reaksi pembentukan gugus Oksiran .........................................................
26
16
Reaksi pembentukan perasida....................................................................
26
17
Reaksi pembukaan cincin oksiran........................................................ .....
27
18
Pembukaan cincin oksiran................................................................. ........ 28
19
Model proses perancangan .................................................... .................... 30
20
Tahap dalam perancangan proses kimia (Seider et al. 1999)..................... 31
xix 21
Perancangan proses melalui tahapan analisis sistem proses......................... 32
22
Sintesis Proses Kimia.................................................................................... 33
23
Skema aliran pemodelan matematik................................................... ....... 35
24
Prinsip kesetimbangan dalam suatu formulasi umum.................................. 35
25
Sistem reaktor curah............…………………………………………......... 38
26
Jalur reaksi katalitis...................................................................................... 43
27
Struktur silika alumina................................................................................. 47
28
Langkah-langkah pada reaksi katalitis padat............................................... 48
29
Kerangka Pemikiran perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar ............................................................. .......... 55
30
Tahapan penelitian ....................................................................................... 57
31
Tahapan penelitian perancangan proses....................................................... 58
32
Diagram Alir Kegiatan Penelitian Perancangan proses............................
33
Viskositas dan indeks viskositas pelumas dasar…………………….. ....... 87
34
Titik nyala dan Titik Tuang pelumas dasar................................................. 88
35
Densitas beberapa pelumas dasar......................................................... ....... 89
36
Bilangan asam beberapa pelumas dasar............................................... ....... 91
37
Hasil uji gugus fungsi menggunakan FTIR minyak jarak pagar................... 92
38
Hasil Uji GC Minyak Jarak Pagar................................................................. 93
39
Modifikasi Minyak Jarak Pagar dengan jalur Epoksidasi –
60
Pembukaan cincin oksiran (hidroksilasi) – Esterifikasi................................ 100 40
Modifikasi Minyak Jarak Pagar dengan jalur epoksidasi-pembukaan cincin oksiran (Alkohol Guerbet)-Transesterifikasi / Asetilasi.................... 102
41
Reaksi esterifikasi terhadap asam oleat............................................... ........ 103
42
Reaksi epoksidasi terhadap metil ester........................................................ 103
43
Reaksi hidrolisis terhadap epoksi metil ester ............................................. 103
44
Reaksi esterifikasi / asetilasi ........................................................................ 104
45
Reaksi transesterifikasi metil ester minyak nabati dengan
xx menggunakan TMP...................................................................................... 104 46
Respon Permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari nisbah mol pereaksi (x1) dan konsentrasi katalis (%)(x2)........................107
47
Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari nisbah mol pereaksi (x1) dan dan suhu (x3) ..........................................108
48
Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari konsentrasi katalis, % (x2) dan suhu (x3)............................................... 108
49
Hubungan –ln (1-XA) vs t ............................................................................. 111
50
Pengaruh katalis terhadap penurunan bilangan oksiran proses Hidroksilasi.................................................................................................. 115
51
Pengaruh bentonit pada penurunan bilangan oksiran proses Hidroksilasi................................................................................................... 116
52
Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi suhu (x1) dan konsentrasi katalis (x2) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi.....................................................................................
53
117
Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi suhu (x1) dan nisbah mol pereaksi (x3) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi...................................................................................
54
118
Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi konsentrasi katalis (x2) dan nisbah mol pereaksi (x3) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi............................................................ 118
55
Perpindahan massa katalis bentonit.............................................................. 119
56
Perubahan konsentrasi Hidroksil dan Oksiran pada hidroksilasi 50°C....... 121
57
Perubahan konsentrasi Hidroksil dan Oksiran pada hidroksilasi 60°C....... 121
58
Perubahan konsentrasi Hidroksil dan Oksiran pada hidroksilasi 70°C...... 122
59
Perubahan Bilangan Hidroksil pada proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi ............................................................................................
60
125
Penambahan Volume poliol pada asam asetat anhidrat terhadap bilangan asam............................................................................................
126
61
Penambahan poliol terhadap rendemen asetilasi poliol................................ 127
62
Perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol 90°C............................. 128
xxi 63
Perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol 80°C...........................
64
Hasil pengujian gugus fungsi pada minyak jarak pagar
128
menggunakan FTIR.................................................................................... 134 65
Hasil pengujian struktur kimia pada minyak jarak pagar menggunakan NMR..................................................................................... 134
66
Hasil pengujian gugus fungsi pada epoksi minyak jarak pagar menggunakan FTIR..................................................................................... 135
67
Hasil pengujian struktur kimia epoksi jarak pagar menggunakan NMR .....136
68
Hasil pengujian gugus fungsi pada poliol jarak pagar menggunakan FTIR136
69
Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR..... 137
70
Hasil pengujian gugus fungsi pada poliol jarak pagar menggunakan FTIR137
71
Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR ..... 138
72
Rangkaian alat pengujian stabilitas oksidasi.............................................. 139
73
Hasil pengujian kestabilan oksidasi terhadap viskositas pelumas dasar...... 139
74
Hasil pengujian kestabilan oksidasi terhadap bilangan asam pelumas dasar.141
75
Komponen Pelumas : pelumas dasar dan aditif........................................
76
Komponen Pelumas : pelumas dasar (petroleum & sintetis) dan
143
aditif..........................................................................................................
143
77
Diagram Blok Unit Proses Epoksidasi......................................................
145
78
Diagram Blok Unit Proses Hidroksilasi....................................................
146
79
Diagram Blok Unit Proses Asetilasi..........................................................
147
80
PEFD Modifikasi Minyak Jarak Pagar....................................................... 156
81
Hasil simulasi proses menggunakan program Hysis pada jalur proses epoksidasi-hidroksilasi-asetilasi.................................................................. 157
82
Hasil simulasi proses menggunakan program Hysis pada jalur proses esterifikasi-epoksidasi-hidroksilasi.............................................................. 158
83
Biaya Variabel Fungsi Kapasitas Produksi...............................................
160
84
Kurva Total Biaya Fungsi Kapasitas Produksi..........................................
160
xxii
DAFTAR LAMPIRAN Halaman
1
Prosedur analisa asam lemak, epoksi minyak, poliol, poliolester dan uji pelumas..................................................................
176
2
Kebutuhan Pelumas di tiap propinsi di Indonesia tahun 2003............
183
3
Indeks viskositas minimum beberapa pelumas dengan angka viskositas SAE.....................................................................................
184
4
Tingkat viskositas pelumas motor (SAE J 300 March 1982)..............
184
5
Klasifikasi pelumas industri menurut ISO (ASTM 2422)...................
185
6
Pemakaian serta Nilai pelumas menurut kode industri, 2003.............
186
7
Hasil percobaan proses epoksidasi minyak jarak pagar waktu
8
proses 1 jam, volum minyak jarak pagar 10 ml...................................
187
Penelitian Pendahuluan Epoksidasi.....................................................
187
8.1
Analisis Bilangan Oksiran Epoksi Minyak Jarak Pagar..........
187
Optimasi kondisi operasi epoksidasi ......................................
188
Proses Epoksidasi………………………….....……………………...
188
9.1
Perhitungan Transfer Massa katalis H2SO4 dalam H2O2.........
188
9.2
Hasil analisis statistika persamaan transfer massa katalis
8.2 9
Nilai Estimasi, Standar Deviasi dan Nilai t
H2SO4 dalam H2O2...................................................................
189
9.3
Perhitungan laju reaksi Epoksidasi..........................................
189
9.4
Perhitungan Konversi reaksi Epoksidasi.................................
190
9.4.1 Data bilangan oksiran pada percobaan kinetika
9.5
reaksi epoksidasi............................................................
191
9.4.2 Konversi reaksi pada 65°C, 70°C, dan 75°C.................
191
Perhitungan data kinetika dan termodinamika reaksi Epoksidasi.................................................................................
192
9.5.1 Hasil perhitungan ln (CB0/(CB0-CE))..............................
192
9.5.2 Hasil regresi linier............................................................
192
9.5.3 Nilai tetapan laju reaksi pada 65°C, 70°C, dan 75°C...
193
xxiii 10
Perhitungan Waktu curah ideal epoksidasi.......................................
195
11
Pemilihan Jenis katalis dan konsentrasi katalis pada reaksi hidroksilasi
195
11.1
Penurunan oksiran pada hidroksilasi dengan katalis padat dan cair...................................................................................
195
11.2. Hasil analisis statistika terhadap persamaan yang menghubungkan antara perubahan bilangan oksiran pada reaksi hidroksilasi epoksi jarak pagar dengan katalis padat (bentonit).
196
12
Hasil percobaan proses hidroksilasi epoksi jarak pagar waktu 2 jam.....
197
13
Penelitian Pendahuluan Hidroksilasi.......................................................
197
13.1
Bilangan Oksiran Epoksi Minyak Jarak Pagar...........................
197
Optimasi kondisi Operasi hidroksilasi........................................
198
Proses Hidroksilasi..…………………………………………………...
198
14.1
198
13.2 14
Nilai Estimasi, Standar Deviasi dan Nilai t Analisis
Perhitungan Perpindahan Massa Metanol dalam Bentonit......... +
+
14.2
Tabel [H ]1-[H ]2........................................................................
198
14.3
Perhitungan persamaan laju reaksi hidroksilasi..........................
199
14.4
Hidroksilasi dengan Metanol......................................................
200
14.4.1 Perhitungan konversi reaksi hidroksilasi........................
200
14.4.2 Perhitungan data kinetika dan termodinamika reaksi hidroksilasi...........................................................
201
14.4.3 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t pada 50°C .....................................................................
202
14.4.4 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t pada 60°C…..................................................................
202
14.4.5 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t
15
pada 70°C .....................................................................
203
14.4.6 Nilai tetapan laju reaksi 50°C, 60°C, dan 70°C.............
203
14.4.7. Pengujian model t curah hidroksilasi..............................
204
Penelitian Pendahuluan Asetilasi Poliol..................................................
205
15.1 Perubahan Bilangan Hidroksil pada proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi ...............................................................
205
xxiv 15.2 Perbandingan Volume Poliol dan Asam asetat anhidrat
16
pada asetilasi poliol.........................................................................
205
15.3 Rendemen dihitung setelah netralisasi.............................................
205
Proses Asetilasi……………………………………………………........
206
16.1
Perhitungan perubahan konsentrasi dan konversi poliol pada asetilasi poliol......................................................................
206
16.2
Perhitungan persamaan laju reaksi asetilasi.................................
206
16.3
Perhitungan data kinetika dan termodinamika reaksi asetilasi.....
207
16.4
Hasil regresi linier kurva ln (CP0/CP) vs t pada 80°C ..................
208
16.5
Hasil regresi linier kurva ln (CP0/CP) vs t pada 90°C ..................
208
16.6
Nilai tetapan laju reaksi 90°C, dan 80°C......................................
209
16.7
Pengujian model t curah asetilasi.................................................
210
17
Perhitungan pemurnian produk…………………………………………
210
18
Gambar Foto Rangkaian Alat Pengujian Stabilitas.................................
211
19
Hasil Pengujian Kestabilan Oksidasi.......................................................
211
19.1
Pengaruh Waktu Oksidasi terhadap Viskositas Pelumas Dasar (cP) pada 100°C...........................................................................
19.2
Pengaruh Waktu Oksidasi terhadap Bilangan Asam Pelumas Dasar pada 100 °C.......................................................................
19.3
214
Hasil Regresi data perubahan bilangan asam MJP pada Uji kestabilan oksidasi…………………………………………...
19.6
212
Analisis Keragaman pengaruh kestabilan oksidasi pada bilangan asam……………………………………………………
19.5
211
Analisis Keragaman pengaruh kestabilan oksidasi pada viskositas.............................................................................
19.4
211
216
Hasil Regresi data perubahan bilangan asam APJP pada Uji kestabilan oksidasi…………………………....………..
217
20
Neraca Massa....…………………………………………………………
217
21
Neraca Energi……………………………………………………………
220
22
Optimasi Kapasitas Produksi...................................................................
223
23
Analisis Kelayakan Finansial pada kapasitas optimum..………………..
224
xxv 23.1 Proyeksi Laba Rugi………………………………………………… 224 23.2 Arus Kas Penerimaan dan Pengeluaran (Cash Flow)……………… 225 23.3 Analisis Kelayakan Finansial………………………………………
226
23.4 Analisis Sensitifitas........................................................................... 227
