PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN PELUMAS DASAR SINTETIS DARI MINYAK JARAK PAGAR (Jatropha curcas L.) MELALUI MODIFIKASI KIMIAWI

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


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


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

1

PENDAHULUAN Latar Belakang

Fungsi utama pelumas (oli) adalah mencegah terjadinya friksi dan keausan (wear) antara dua bidang atau permukaan yang bersinggungan, memperpanjang usia pakai mesin, dan fungsi yang lainnya adalah membantu perpindahan panas, mencegah korosi. Formulasi pelumas yang banyak digunakan adalah terdiri dari 70-90% pelumas dasar yang dicampur dengan bahan aditif untuk memodifikasi dan memperbaiki sifat-sifat alamiahnya (yaitu stabilitas terhadap oksidasi, hidrolisis, suhu, viskositas, indeks viskositas, dan korosi). Pelumas dasar yang paling banyak digunakan adalah minyak mineral yaitu campuran dari beberapa jenis hidrokarbon minyak bumi, minyak nabati, dan minyak sintetis, baik yang berasal dari minyak bumi maupun minyak nabati (Askew 2004). Pada awalnya, pelumas yang banyak digunakan adalah minyak mineral. Sampai dengan pertengahan abad-19 hampir seluruh pelumas menggunakan minyak dan lemak hewani atau nabati. Selanjutnya digunakan minyak mineral yang dimurnikan sebagai pelumas dasar karena mempunyai ketahanan termal dan oksidasi yang lebih baik dibandingkan dengan minyak nabati atau hewani. Dengan perkembangan teknologi, minyak mineral yang dimurnikan tidak mampu melayani mesin-mesin dengan teknologi baru, maka perlu ditambahkan aditif untuk mendapatkan sifat yang diinginkan. Teknologi aditif ini berkembang sejak awal tahun 1950 (Gunstone 1998). Langkah selanjutnya adalah menggunakan pelumas dari bahan kimia yang mempunyai kemampuan lebih unggul dibandingkan dengan minyak mineral yang dimurnikan dalam semua sifat dasar. Maka muncul pelumas sintetis yang mempunyai sifat lebih unggul dibandingkan dengan minyak konvensional. Beberapa jenis pelumas dasar sintetis yang banyak digunakan adalah diester, fosfat ester, ester silikat, glikol polialkilena, silikon, khlor & fluor hidrokarbon, polialkilglikol, polialfaolefin, dan poliolester (POE). Harga pelumas dasar sintetis ini lebih mahal, tetapi dewasa ini lebih banyak digunakan karena umur pemakaian lebih lama, mengurangi konsumsi oli, mempunyai spesifikasi yang dibutuhkan pemakai, pengoperasian lebih aman dan sifat-sifatnya dapat diprediksi karena karakteristik

2 produknya seragam (Mulyana 2003). Pemakaian pelumas di Indonesia adalah untuk mesin-mesin industri, kendaraan bermotor, perkapalan, alat-alat berat, mesin pertanian, pertambangan dan berbagai pelumasan mesin yang lainnya. Jumlah pemakaian pelumas di Indonesia adalah sebesar 226.24 juta ton (BPS 2003). Sampai dengan saat ini penyediaan dan pelayanan pelumas, berdasarkan Keppres RI Nomor 21 Tahun 2001 pada Bab I Pasal 1 Ayat 2 , dinyatakan bahwa “Penyediaan dan Pelayanan Pelumas adalah kegiatan untuk menghasilkan pelumas dengan cara pabrikasi pelumas (blending), pengolahan pelumas bekas, impor pelumas dan pemasarannya” dan pada Bab III Pasal 6 Ayat 1 “ Dalam rangka memenuhi kebutuhan pelumas di dalam negeri, perusahaan dapat mengimpor pelumas berdasarkan ketentuan peraturan perundang-undangan”. 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 hasil biosintetis ini lebih mahal daripada minyak mineral, namun minyak ini mempunyai sifat unggul dalam stabilitas termal, sifat alir, indek viskositas, dan stabilitas penguapan. Oleh karena itu pelumas dasar hasil biosintetis akan memberikan kinerja yang baik dibandingkan dengan minyak mineral dan bahan bakunya dapat terbarukan. Banyak minyak nabati yang digunakan dalam aplikasi pelumas, misalnya sebagai aditif minyak sintetis, fluida transmisi, minyak motor 2 tak, minyak hidraulik, dan gemuk. Konsumsi minyak nabati Amerika Serikat untuk pelumas adalah sebesar 8 juta kilogram per tahun. Konsumsi ini merupakan 9% dari total penggunaan minyak nabati untuk industri. Pasar ini mengkonsumsi 9.66 milyar liter minyak mineral dimurnikan per tahun untuk kebutuhan pelumas. Kira-kira 3.9 milyar liter digunakan untuk minyak motor 4 tak (Johnson 1990). Total kebutuhan pelumas di Jerman pada tahun 1998 kira-kira 1 juta ton per tahun, segmen pasar terbesar adalah minyak mesin dan minyak roda gigi otomotif, yaitu sebesar 450 000 ton per tahun, dan selanjutnya kebutuhan yang lain adalah untuk mesin hidraulik dan mesin industri (Willing 2001). Peningkatan penggunaan produk-produk ramah lingkungan seperti produk-produk pelumas terjadi karena kerasnya peraturan pemerintah dan meningkatnya ketertarikan masyarakat pada lingkungan yang bebas polusi (Adhvaryu 2002). Sebagian besar

3 pelumas yang berasal dari petroleum bersifat toksik terhadap lingkungan. Minyak nabati dengan kandungan oleat tinggi mempunyai potensi untuk mensubstitusi minyak pelumas dasar konvensional dari minyak mineral dan ester sintetis (Adhvaryu 2005). Minyak nabati sebagai pelumas mempunyai sifat yang lebih baik dibandingkan dengan pelumas dasar dari minyak mineral, karena minyak nabati bersifat bisa terdegradasi dan nontoksik, tetapi pada sisi yang lain minyak nabati mempunyai stabilitas oksidasi dan ketahanan korosi yang rendah (Adhvaryu 2005). Adanya ikatan rangkap C=C mengakibatkan minyak bersifat labil, maka perlu ditambahkan bahan aditif atau dilakukan pengolahan terhadap minyak nabati untuk meningkatkan stabilitas oksidasinya. Beberapa usaha yang dilakukan untuk meningkatkan stabilitas oksidasi adalah dengan melakukan modifikasi minyak kedelai menjadi epoksi minyak kedelai dan alkohol polihidrat (Hwang 2003), melakukan transesterifikasi terhadap trimetilolpropan dan metil ester kanola (Adhvaryu 2002). Alkohol polihidrat (poliol) dapat dibuat dengan membuka cincin epoksi minyak menggunakan katalis asam, seperti asam–asam mineral: asa Minyak nabati yang banyak digunakan sebagai pelumas dasar adalah minyak biji bunga matahari dengan kandungan asam oleat tinggi, tetapi stabilitas terhadap oksidasinya rendah karena adanya ikatan rangkap C=C. Jenis minyak nabati lain yang biasa digunakan adalah minyak jarak castor, minyak kelapa sawit, dan minyak kedelai. Beberapa kelebihan penggunaan pelumas dasar biosintetis adalah rendahnya emisi karena rentang titik didih tinggi dan kandungan toksinnya rendah (Askew 2004). Pada penelitian ini telah dilakukan perancangan proses modifikasi secara kimiawi terhadap minyak jarak pagar (Jatropha curcas. L), sebagai upaya meningkatkan stabilitasnya. Tanaman jarak terdiri dari dua jenis, yaitu jarak pagar (Jatropha curcas. L) dan tanaman jarak dalam atau jarak kepyar (Ricinus communis. L). Tanaman jarak termasuk ke dalam famili euphorbiaceae dengan ciri tumbuhan yaitu dapat tumbuh dengan cepat, kuat serta tahan terhadap musim panas (Guibitz 1999). Pemilihan tanaman jarak pagar sebagai sumber bahan baku pada penelitian ini adalah untuk meningkatkan nilai tambah biji jarak pagar, tingginya kandungan minyak pada biji dan merupakan non-drying oil atau semi-drying oil, sehingga sifat pelumasannya baik (Thomsen 1951). Disamping itu minyak jarak pagar bukan komoditi untuk keperluan pangan karena mengandung racun, sedangkan beberapa jenis minyak

4 yang lain bersaing penggunaannya untuk keperluan pangan, seperti minyak kedelai, minyak sawit, dan sebagainya. Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar (Jatropha curcas. L) sebagai pelumas dasar. Penelitian ini diharapkan dapat membantu pihak-pihak yang berkepentingan dalam pengembangan industri pelumas dasar, seperti pemerintah sebagai pembuat kebijakan, investor, pedagang, petani, maupun eksportir dan Indonesia pada umumnya sehingga dihasilkan nilai tambah komoditas jarak pagar yang menguntungkan semua pihak yang terlibat.

Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar, yaitu mendapatkan jalur proses terbaik sehingga dapat menghasilkan produk dengan karakteristik sesuai dengan yang diinginkan, mendapatkan produk dengan kinerja ketahanan terhadap oksidasi dan mendapatkan produk dengan kinerja formula pelumas sintetis pada mesin otomotif yang baik, mendapatkan kondisi operasi proses terbaik, mendapatkan parameter kinetika reaksi dan termodinamika proses modifikasi dan mendapatkan kapasitas produksi optimum, sehingga dapat digunakan untuk mengetahui kelayakan proses baik secara teknis maupun finansial dan mendapatkan Process Engineering Flow Diagram (PEFD) modifikasi minyak jarak pagar.

Ruang Lingkup Untuk mendapatkan hasil yang jelas dan terarah, maka ruang lingkup pada penelitian ini adalah sebagai berikut:

1.

Sintesis Proses, meliputi : a. Pemilihan bahan baku, produk, dan jalur proses b. Proses modifikasi minyak parak pagar c. Melakukan identifikasi dan karakterisasi minyak jarak pagar dan hasil modifikasinya

5 d. Mengevaluasi kinerja pelumas dasar, meliputi evaluasi kinerja ketahanan terhadap oksidasi dan evaluasi kinerja formula pelumas sintetis pada mesin otomotif. e. Integrasi rancangan proses dalam bentuk blok diagram

2.

Analisis atau Pemodelan dan Simulasi, meliputi : mendapatkan pemodelan laju reaksi,

mendapatkan

parameter

kinetika

dan

parameter

termodinamika.

Melakukan penyusunan neraca massa dan neraca energi untuk mengetahui distribusi produk maupun kebutuhan energi pada semua aliran proses, sehingga bisa digunakan untuk simulasi produk pada skala yang berbeda.

3.

Optimasi, meliputi penyusunan model matematis dari fungsi obyektif yang akan dioptimasikan yaitu kapasitas produksi, melakukan optimasi kapasitas produksi untuk mendapatkan total biaya minimum.

4.

Penentuan kelayakan baik secara teknis maupun finansial dan pembuatan Process Engineering Flow Diagram (PEFD) pada proses modifikasi minyak jarak pagar. .

6

TINJAUAN PUSTAKA Tanaman Jarak Pagar

Tanaman jarak pagar atau Jatropha curcas L. atau physic nut, merupakan tanaman semak atau pohon dengan ketinggian 2-5 meter, batang penuh tonjolan bekas daun gugur, cabang pohon menyebar, ranting pendek, daun tunggal, getah putih keruh. Bunga tanaman jarak pagar berwarna hijau kekuningan, buah bulat kecil berwarna hijau berdiameter 3-4 cm dan biji berwarna hitam 2-4 buah dan termasuk famili euphorbia. Kelompok Jatropha mempunyai kira-kira 170 species. Nama Jatropha berasal dari jatrós (doctor), trophé (food), yang digunakan untuk keperluan medis. Curcas adalah nama lain dari physic nut. Tanaman jarak pagar dapat tumbuh baik pada daerah dengan ketinggian 500 m suhu 20-28º°C dengan curah hujan 300-1000 mm per tahun. Jarak tanam adalah 2 x 2 m, 2.5 x 2.5 m, atau 3 x 3 m untuk kerapatan tanaman 2 500, 1 600 atau 1 111 per hektar. Tanaman dipanen dengan hasil 2-3 ton biji per hektar (Henning 1990).

Karakteristik fisika dan kimia biji jarak pagar mengandung berbagai macam senyawa kimia seperti sukrosa, rafinosa, stakiosa, glukosa, fruktosa, galaktosa protein, minyak (50-60%), toxal burnin curcin yang berbahaya dan asam oleat dan linoleat dalam jumlah besar (Duke & Atchley 1983). Kandungan minyak dalam biji jarak pada umumnya, yaitu sekitar 40% - 45% (Hambali et al. 2006)

7

Gambar 1 Bagian-bagian tanaman Jatropha curcas L.: batang yang berbunga (1), bunga betina (2), bunga betina yang terbuka (3), bunga jantan (4), bunga jantan yang terbuka (5), buah (6), buah dengan arah longitudinal (7), dan biji (8) (de Padua 1999).

Di Indonesia tanaman jarak pagar banyak terdapat di daerah Purwodadi, Jawa Tengah dan telah dibudidayakan dengan baik di Nusa Tenggara Barat. Secara umum pemanfaatan tanaman jarak pagar (Jatropha curcas L) dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

8

Jatropha curcas L.

DAUN

• Pengendalian Erosi • Tanaman Pagar • Kayu Bakar • Pelindung Tanaman

BUAH

LATEKS

• Pengembangan ulat sutera • Obat-obatan • Zat anti radang • Insektisida • Pakan Ternak (Varietas Non toksik)

TEMPURUNG BIJI

• Protease penyembuh luka (Kurkaina) • Obat-obatan BIJI

BUNGKIL BUAH • Pupuk

• Material bakaran • Biogas • Pakan ternak

Gambar 2 Pemanfaatan tanaman jarak pagar Diadaptasi dari Guibitz 1999.

KULIT BUAH

• Material Bakaran • Pupuk Hijau • Produksi Biogas

MINYAK BIJI • Produksi Sabun • Bahan bakar • Insektisida, Obat-obatan • Oleokimia : metil ester, epoksi, poliol, poliuretan

9 Minyak Jarak Pagar Minyak jarak pagar mengandung racun (ester forbol) yang membuat minyak ini tidak dapat digunakan sebagai minyak makan (Sudradjat et al 2004). Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk memperoleh minyak jarak pagar adalah dengan ekstraksi biji jarak pagar (press). Untuk menghambat kerja enzim yang dapat menghidrolisis minyak sehingga membentuk asam lemak bebas, sebelum diekstraksi biji jarak pagar dikeringkan dengan cara dioven atau dikukus terlebih dahulu. Ekstraksi minyak jarak pagar dapat dilakukan dengan cara lain, seperti ekstraksi menggunakan pelarut organik, pelarut air masing-masing dengan yield 98% dan 38%, cara lain menggunakan enzim protease didapatkan yield sebesar 98% (Guibitz 1999). Komposisi kimia biji jarak pada bagian inti, kulit, dan daging dapat dilihat pada Tabel 1 di bawah ini : Tabel 1 Komposisi kimia inti, kulit, dan daging biji jarak pagar Inti

Kulit

Daging

Bahan kering (%)

94.2-96.9

89.8-90.4

100

Protein (%)

22.2-27.2

4.3-4.5

56.4-63.8

Lipid (%)

56.8-58.4

0.5-1.4

1.0-1.5

Abu (%)

3.6-4.3

2.8-6.1

9.6-10.4

Energy MJ/kg

30.5-31.1

19.3-19.5

18.0-18.3

Minyak jarak pagar hasil ekstraksi dianalisis sifat fisiko-kimianya, misal kekentalan, kandungan asam lemak bebas, kadar air, komposisi asam lemak, kadar air, bilangan penyabunan dan bilangan iod. Hasil analisis sifat fisiko-kimia minyak jarak pagar seperti ditunjukkan pada Tabel 2.

10 Tabel 2 Jenis asam lemak dan sifat fisik-kimiawi minyak jarak pagar Jenis Asam Lemak

Komposisi, %

Asam oleat

35-64

Asam linoleat

19-42

Asam palmitat

12-17

Asam stearat

5-10

Rendemen, %

40-50

Sifat Minyak

Nilai

Bilangan penyabunan (mg KOH/g)

183-191

Bilangan iod (mg I /g minyak)

96-99

Kerapatan (densitas) (g/ml)

0.919-0.924

Indeks bias pd 40°C

55-56

Sumber : Sudradjat 2004

Gambar 3 Tanaman jarak pagar

Gambar 4 Biji jarak pagar

11 Manfaat minyak jarak pagar Biji jarak pagar mengandung minyak dalam jumlah tinggi. Minyak jarak pagar dapat digunakan untuk menggantikan kerosene dan diesel dan sebagai pengganti kayu bakar. Minyak ini dapat juga digunakan sebagai pelumas, bahan baku sabun dan lilin. Jika dicampur dengan oksida besi dapat digunakan sebagai varnish. Minyak semi drying ini dapat menggantikan bahan bakar diesel (Augustus et al 2002).

Pelumas Pelumas atau Oli Pelumas atau oli merupakan cairan yang menentukan kemampuan kerja mesin dan kendaraan bermotor. Pelumas merupakan bahan yang mampu mengurangi gesekan antara dua komponen. Pelumas dibagi dalam dua bagian, yaitu pelumas cair dan pelumas pasta, yang disebut dengan gemuk atau grease. Oli atau pelumas cenderung dipergunakan pada bagian yang memerlukan fungsi lain selain pelumasan, sebagai pendingin bagianbagian yang dilumasi, atau sebagai pembawa kotoran bagian-bagian mesin. Adapun gemuk dipergunakan untuk bagian-bagian yang memerlukan pelumasan dengan kekentalan tinggi. Pelumas dalam pemakaiannya lebih membutuhkan perhatian, yaitu harus diganti secara berkala. Setiap mesin atau bagian kendaraan memerlukan pelumas dengan spesifikasi tertentu, disamping itu pelumas juga harus mengandung bahan-bahan tertentu yang dapat mendukung tugasnya (Nugroho 2005). Komposisi pelumas mesin umumnya terdiri dari 3 komponen dan 75%-nya merupakan pelumas dasar (Gambar 5).

12

Pelumas dasar, 75 %

Peningkat Indeks Viskositas (VI) 5 %

Bahan Tambahan 20%

Memberikan sifatsifat pelumasan

Memberikan sifat Multigrade

Meningkatkan kinerja dan sifat pelumas dasar

Ketiga komponen ini dicampur Gambar 5 Tiga komponen penyusun pelumas mesin (Gerard 2000). Pelumas Dasar Pelumas dasar adalah sejenis minyak atau campuran minyak yang dapat digunakan sebagai bahan dasar pelumas. Pada formulasi pelumas, 70-90 % campuran merupakan minyak pelumas dasar dan ditambah dengan bahan aditif untuk meningkatkan sifat-sifatnya. Pelumas dasar dapat dikelompokkan menjadi 3 (tiga) (Askew 2004) : Minyak Mineral. Merupakan satu jenis minyak yang banyak digunakan pada saat ini. Pelumas dasar ini merupakan hidrokarbon yang mengalami serangkaian proses pemurnian dan dapat digolongkan menjadi empat jenis, yaitu parafin, olefin, naftanik dan aromatik. Kandungan lain di dalam minyak mineral adalah sulfur, nitrogen dan logam. Keunggulan penggunaan minyak mineral sebagai pelumas dasar adalah:

(1) Harga

murah (2) Daerah suhu operasi lebar, meliputi seluruh pemakaian dalam industri, mesinmesin transportasi, alat-alat berat lain, (3) Penambahan bahan aditif dapat meningkatkan mutu dan kinerja, (4) Tidak merusak bantalan (5) Stabil selama penyimpanan (La Puppung 1986). Kebutuhan minyak mineral meningkat, sedangkan persediaan minyak bumi di dunia menipis karena bersifat tidak terbarukan. Minyak bumi bersifat tidak terdegradasi karena mengandung senyawa aromatik dan racun.

13 Minyak Nabati. Pelumas dasar yang berasal dari minyak nabati, misalnya minyak kedelai, minyak sawit, minyak kelapa, minyak biji bunga matahari dan minyak biji jarak. Jika minyak nabati dibandingkan dengan minyak mineral sebagai minyak pelumas dasar, terdapat beberapa keunggulan, yaitu tingginya kemampuan pelumasan, tingginya indeks viskositas, rendahnya kehilangan minyak karena penguapan, tingginya kemampuan terdegradasi dan rendahnya kandungan racun. Minyak nabati sebagai pelumas dasar mempunyai keterbatasan, yaitu rendahnya stabilitas termal, hidrolitik, dan oksidatif, karena mengandung asam lemak tidak jenuh. Kelemahan ini dapat diatasi dengan memodifikasi minyak tersebut dengan menambahkan bahan aditif (USB 1997). Usaha yang telah dilakukan untuk meningkatkan stabilitas oksidasi adalah melakukan modifikasi minyak kedelai menjadi epoksi dan alkohol polihidrat (Hwang 2003), melakukan transesterifikasi trimetilolpropan dan metil ester kanola (Adhvaryu 2002). Minyak Sintetis. Pelumas sintetis adalah pelumas yang dibuat dengan proses kimiawi dengan menggabungkan beberapa bahan aditif. Pada awalnya, pelumas yang digunakan pada kendaraan tempo dulu adalah berasal dari minyak bumi, pada perkembangannya tidak mampu melayani mesin-mesin dengan teknologi tinggi maka dilakukan penambahan bahan aditif. Selanjutnya, hasil penelitian menunjukkan bahwa pelumas konvensional dari minyak bumi yang telah ditambah dengan bahan aditif, tidak mampu mendukung kinerja mesin baru, maka dilakukan penggantian dengan bahan lain yang bukan berasal dari minyak bumi. Bahan ini merupakan bahan kimia yang memiliki kemampuan lebih unggul daripada minyak mineral dalam semua sifat dasar yang diperlukan, maka terbentuklah pelumas sintetis (Nugroho 2005). Pelumas sintetis dapat dikelompokkan dalam dua kelas, yaitu ester organik dan hidrokarbon yang diolah secara sintetis, baik yang berasal dari petrokimia maupun oleokimia. Beberapa pelumas dasar sintetis adalah polialfaolefin (PAO), ester sintetis, seperti monoester, diester, esterphtalat, poliolester (POE), dan ester kompleks dan polialkilenglikol (PAG), yaitu polimer petrokimia hasil reaksi antara etilen oksida dan propilen oksida (Askew 2004).

14 Ester merupakan salah satu jenis minyak sintetis yang sangat luas pemakaiannya, misalnya gemuk, minyak gigi persneling, minyak kompresor, dan sebagai minyak hidraulik yang tahan terbakar dan ramah lingkungan. Ester yang saat ini banyak digunakan sebagai pelumas digolongkan menjadi 3 (tiga) kelompok (Eastwood 2005) : 1 ester dari petrokimia. Keuntungan ester dari petrokimia adalah ketahanannya pada kondisi operasi suhu tinggi, kesesuaiannya untuk digunakan pada lingkungan dengan suhu rendah. Ester merupakan salah satu pilihan untuk pelumas viskositas rendah. 2 minyak atau lemak alami. Minyak nabati yang paling banyak digunakan sebagai pelumas mesin adalah minyak kanola dan minyak biji bunga matahari. Kelemahan minyak nabati adalah rendahnya ketahanan terhadap oksidasi, kurangnya sifat alir pada suhu rendah, keuntungan teknis adalah sifat pelumasannya yang sangat baik. 3

ester dari oleokimia. Ester sintetis yang diturunkan dari bahan baku oleokimia adalah yang paling baik dibandingkan dengan ketiga kelompok ester, biasanya merupakan suatu produk hasil reaksi dari alkohol petrokimia dengan satu atau lebih oleokimia yang diturunkan dari asam lemak.

Bahan Aditif Pelumas Aditif Pelumas adalah suatu substansi yang akan mempengaruhi karakteristik pelumas dasar minyak mineral atau minyak sintetis, yaitu: 1

Sebagai pendingin yang baik dan/atau pentransfer panas.

2

Mencegah keausan.

3

Mencegah oksidasi.

4

Mengendalikan endapan. Jumlah aditif bervariasi antara 10% (untuk minyak hidraulik) dan 40% (minyak

motor atau roda gigi). Beberapa bahan aditif dapat meningkatkan sifat fisik pelumas dasar (viskositas) dan juga sifat kimia.

15 Pengelompokkan bahan aditif industri adalah : 1

Inhibitor oksidasi atau antioksidan.

2

Aditif untuk memperbaiki indek viskositas.

3

Detergen dan dispersansi.

4

Aditif anti busa.

5

Inhibitor korosi.

6

Aditif tekanan ekstrim.

7

Pengemulsi.

Beberapa penelitian proses pembuatan oleokimia atau modifikasi kimiawi minyak pada pembuatan pelumas dasar sintetis Perkembangan ester sintetis sebagai pelumas dimulai pada tahun 1930 di Amerika Serikat dan Jerman. Diester dan poliolester dikembangkan di Jerman dan pertama kali digunakan sebagai pelumas turbin pesawat terbang. Keuntungannya adalah sifat pada suhu rendahnya baik dan tahan terhadap oksidasi termal. Sejak 1960, industri penerbangan telah menggunakan neopentil poliolester sebagai pelumas mesin jet. Sifat pentingnya adalah tercapainya sifat fleksibel (kimia & fisik) dengan adanya perubahan struktur kimia dari bahan awal, seperti panjang rantai cabang, jumlah atom karbon, dan tipe alkohol. Ester minyak motor sintetis yang pertama kali masuk di pasaran pada tahun 1977 adalah polialfaolefin (PAO). Ester sintetis yang digunakan sebagai minyak dasar mesin 2 tak yaitu neopentil poliol, pertama kali masuk pasar pada tahun 1982. Poliolester dari asam lemak diproduksi dari reaksi alkohol polihidrat (poliol) dan asam mono dan dikarboksilat. Contoh Poliol yang digunakan sebagai bahan baku poliolester adalah: Trimetilol propan (TMP), Neopentilglikol (NPG), Pentaeritritol (PE), ditrimetilolpropan (di-TMP), dan di-Pentaeritritol (di-PE), yang paling banyak digunakan adalah TMP. Poliol rantai panjang dan bercabang akan mempengaruhi sifat ester. Viskositas dan titik tuang akan meningkat dengan semakin panjangnya rantai karbon. Asam-asam yang digunakan dalam sintesis poliolester dapat berupa asam rantai pendek, panjang, jenuh, tidak jenuh, lurus, dan bercabang.

16

O CH2-O-C -R1 l O CH-O-C -R2 + 3 R4 –OH l O CH2-O-C -R3 Trigliserida

Katalis

Alkohol Rantai Pendek

CH2-OH I 3 R4-O-C-O-R13 + CH -OH I CH2-OH Ester

Gliserol

Gambar 6 Sintesis monoester dari trigliserida dengan alkohol rantai pendek. Katalis : NaOH, KOH 0,6 % (v/v) dari total pereaksi. Waktu : beberapa menit sampai dengan beberapa jam, tergantung pada jenis alkohol dan suhu. Minyak mesin hidraulik berbasis minyak nabati mempunyai titik nyala tinggi, indek viskositas tinggi dan karakteristik keausan baik (Carceller 1977). 2 ROH + HOOC-(CH2)n-COOH

⇔

RO-CO-(CH2)n-CO-OR + H2O

Asam dikarboksilat

HO-(CH2)n-OH + 2 RCOOH Diol

Diester ⇔

Asam Karboksilat

R-CO-O-(CH2)n-O-CO-R + H2O Diester

Gambar 7 Skema umum di-ester (Carceller 1977). Menurut Mulyana (2003), mengingat menipisnya sumber minyak bumi, perlu dipikirkan untuk membuat minyak pelumas dari bahan yang terbarukan, misalnya metil ester. Karena rantai C senyawa metil ester masih terlalu pendek perlu diperpanjang agar memenuhi viskositas yang disyaratkan dan lebih stabil dengan menghilangkan gugus karboksilat dan ikatan rangkapnya. Reaksi-reaksi yang terjadi pada produksi poliolester : 1

Metanolisis, yaitu reaksi pembentukan ester dengan mereaksikan asam dan alkohol menghasilkan ester (metil ester) dan air. Esterifikasi dilakukan dengan mereaksikan asam oleat dengan metanol menghasilkan ester oleat dan air. Reaksi dijalankan pada suhu 60-70º C dengan katalisator H2SO4.

17 2

Pembuatan Asam perasetat yang diperlukan untuk membawa oksigen aktif dari fase air ke fase minyak. Nisbah mol asam asetat : asam peroksida = 25:75 pada suhu kamar, mekanisme reaksi yang terjadi adalah (Yadaf & Satoskar 1997) CH3COOH

+

H2O2

Asam perasetat

Gambar 8 Reaksi pembentukan Asam perasetat 3 Epoksidasi adalah pembentukan tiga eter siklik (oksiran), karena reaksi antara perasida (peroksida) dan hidrogen peroksida dengan olefinik dan ikatan rangkap aromatik. Senyawa epoksi dikarakterisasi dengan kelompok oksiran yang dibentuk oleh oksidasi suatu olefin atau ikatan rangkap aromatik. RO2H C=C

O C - C

Gambar 9 Reaksi epoksidasi terhadap ikatan rangkap aromatik membentuk oksiran (Kirk & Othmer 1995). 4 Hidrolisis dilakukan untuk menghilangkan kandungan air pada poliolester, karena apabila kandungan air terlalu banyak akan mengakibatkan terjadinya emulsi. Menurut Schnur (2003), Poliolester dapat diproduksi dengan mereaksikan alkohol dan asam lemak, dengan katalis dibutilin diasetat, tin oksalat, atau asam fosfat, yang dimasukkan ke dalam labu berpengaduk dilengkapi dengan kondenser. Komposisi reaksi adalah asam lemak berlebih 15% terhadap alkohol, jumlah katalis 0.02% - 0.1% berat asam lemak dan alkohol. Campuran dipanaskan sampai dengan 220º C-230º C. Menurut Yunus et al. (2003), Poliolester berbahan baku sawit merupakan pelumas dasar yang bisa terdegradasi. Sintesis ester trimetilolpropan (TMP) minyak biji sawit dihasilkan dari transesterifikasi metil ester biji sawit dengan TMP menggunakan natrium metoksida sebagai katalis. Konversi triester TMP biji sawit yang dihasilkan adalah sebesar 98 %, pada tekanan 20 mbar, suhu 130° C. Sifat pelumas dasar tanpa aditif adalah viskositas pada 40° C dalam kisaran 39.7 – 49.7 cSt, titik tuang -1º C – 1° C. Sifat kimia

18 dan pelumasan dapat dibandingkan terhadap TMP ester minyak nabati komersial. Reaksi yang terjadi adalah : O CH2OH

CH2- O –C-R O

CH3CH2 C-CH2OH + 3RCOOCH3

CH3CH2C-CH2-O-C-R

+ 3CH3OH

O CH2OH TMP

CH2- O –C-R PKOME

Triester

Metanol

Gambar 10 Reaksi transesterifikasi metil ester minyak sawit dengan menggunakan TMP. R = kelompok alkil , C6 – C20 Dari

http://www.wipo.int/cgi diketahui bahwa invensi yang muncul saat ini

berhubungan dengan metoda untuk pembuatan oleokimia poliol sebagai pelumas dasar menggunakan katalis asam. Poliol dapat dibuat dengan membuka cincin epoksi minyak menggunakan katalis asam, asam sulfat, asam fosfat, asam hidroklorida, asam organik, seperti asam sulfonat. Katalis cair dapat digantikan dengan katalis asam padat seperti lempung (montmorilonnit). Keuntungan menggunakan katalis padat adalah dapat diambil kembali, didaur ulang dan digunakan kembali, dan sisa alkohol dapat digunakan kembali. Poliol dapat diproduksi dari petroleum, tetapi poliol yang dibuat dari minyak oleokimia lebih disukai karena berasal dari sumber terbarukan. Minyak oleokimia diproduksi dari minyak sawit, minyak jarak, minyak kacang, minyak kanola, minyak biji kapuk, minyak kedelai, dan minyak biji bunga matahari. Molekul minyak oleokimia harus ditransformasikan secara kimia untuk memasukkan gugus hidroksil. Sebagai contoh, minyak kedelai tidak mengandung gugus hidroksil, tetapi mengandung 4.6 ikatan

19 rangkap per molekul. Bagian tidak jenuh molekul minyak nabati dapat dikonversikan menjadi gugus hidroksil. Oleokimia poliol dapat dibuat dengan yield tinggi yaitu 85% 95% menggunakan proses sebagai berikut: bahan-bahan epoksi minyak nabati (epoksi minyak kedelai mengandung kira-kira 6,8% oksigen oksiran), alkohol (156.25 g metanol), dan katalis (12.5 g lempung Retrol F-20) dicampur di dalam 500 ml labu dengan pendingin balik dan pengaduk. Reaktor dipanaskan sampai dengan 65 °C, campuran diaduk sampai dengan reaksi sempurna selama 2 jam. Menurut Hwang & Erhan (2005), minyak nabati bersifat bisa terdegradasi dapat digunakan sebagai pelumas dasar ramah lingkungan. Sifat pelumasannya baik tetapi stabilitas oksidasinya rendah. Untuk memperbaiki sifat-sifat minyak nabati maka direaksikan antara epoksi minyak kedelai dengan alkohol Guerbet ( C-12, C-14, C-16, dan C-18) dengan katalis H2SO4. Pelumas dasar sintetis mempunyai ketahanan oksidasi yang sama dengan minyak mineral dan lebih kecil dibandingkan dengan Polialphaolefin (PAO) dan diisododekil. Reaksi yang terjadi disajikan pada Gambar 11. Menurut Adhvaryu et al. (2005), perkembangan dan penggunaan pelumas dasar bio dalam sektor industri dan otomotif meningkat dengan cepat karena sifat tidak beracun dan bisa terdegradasi, tidak seperti minyak mineral. Pelumas dasar sintetis dengan stabilitas yang baik dibuat dengan memodifikasi secara kimiawi terhadap epoksi minyak kedelai (ESBO). Reaksi modifikasi dilakukan dengan 2 tahapan proses, yaitu sintesis dihidroksilasi minyak kedelai dari ESBO dan HClO4, dilanjutkan reaksi dengan asetat anhidrat, butirat asetat, atau heksanoat asetat, dan produk yang dihasilkan adalah dihidroksilasi (Gambar 12 dan Gambar 13)

20

Gambar 11 Skema reaksi pembukaan cincin oksiran dan transesterifikasi epoksi minyak kedelai (Lathi & Mattiasson 2006).

Gambar 12 Sintesis dihidroksilasi minyak kedelai dari ESBO dan HClO4 (Adhvaryu et al. 2005),

Gambar 13 Reaksi dihidroksilasi minyak kedelai menghasilkan alkoksilasi triasilgliserol.

21 Hasil penelitian Lathi & Mattiasson (2006) menyatakan bahwa proses produksi pelumas dasar yang bisa terdegradasi dari epoksi minyak nabati dengan titik tuang terendah dilakukan dengan menggunakan resin kation sebagai katalis. Pada proses ini, terjadi 2 tahap reaksi yaitu alkoholisis dilanjutkan dengan esterifikasi terhadap gugus hidroksil hasil reaksi tahap satu. Reaksi pembukaan cincin epoksi minyak kedelai dengan menggunakan berbagai alkohol, seperti n-butanol, iso-amil alkohol dan 2 etilheksanol dilakukan dengan adanya katalis Amberlist 15. Identifikasi produk dilakukan dengan menggunakan IR dan NMR. Titik tuang produk berada pada kisaran -5 sampai -15° C. Tahapan proses yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah membuat poliol dari epoksi minyak menggunakan metanol dan butanol dengan katalis padat (lempung alam, bentonit), dilanjutkan dengan tahapan asetilasi menggunakan asam asetat anhidrat dengan katalis bentonit untuk menghasilkan pelumas dasar dengan stabilitas oksidasi yang tinggi. Contoh Produk Poliolester Komersial Houghton International mengembangkan minyak mesin hidraulik Cosmolubric B-230 yang diturunkan dari minyak nabati dengan tambahan bahan aditif untuk mencegah korosi, passivasi logam, dan oksidasi. Sifat fisik pelumas adalah indeks viskositas 214, ASTM titik nyala 495º F, dan ASTM titik api 610º F, dan fluida ini melewati uji korosi ASTM D-665 A (Adams 2000). Tabel 3 Pelumas Poliolester Icematic SW68 Nu-Calgon Penampakan / Bau

Jernih, Larutan tidak berwarna, aroma petroleum

Titik Didih

>500 °F

Gravitasi spesifik

0.98

Kelarutan dalam air

Tidak larut

Sumber : Material Safety Data Sheet Polyolester Lubricants

22 Standar pelumas Menurut Gawrilow (2003), pelumas diklasifikasikan ke dalam 2 golongan : 1

Pelumas mesin: minyak mesin diesel , minyak diesel (otomotif, minyak stasioner, kereta api, kapal, kapal terbang), dan minyak mesin 2 tak.

2

Pelumas bukan mesin: fluida transmisi, meringankan putaran roda kemudi (power steering), peredam kejut (shock absorber), hidraulik, fluida kerja logam, dan gemuk. Berbagai kelompok klasifikasi kinerja pelumas yang dapat digunakan sebagai

standar adalah sebagai berikut. 1 Society of Automotive Engineers (SAE), yaitu klasifikasi pelumas mesin menurut tingkat kekentalannya pada 100°C dan beberapa suhu rendah, tergantung dari tingkat kekentalannya (SAE). Viskositas pada suhu tinggi berhubungan dengan tingkat konsumsi pelumas dan karakteristik keausan. Kekentalan suhu rendah digunakan untuk memprediksi kemudahan start dan kinerja pelumasan pada suhu rendah. Pelumas dengan indek viskositas tinggi kurang sensitif terhadap perubahan suhu. Contoh klasifikasi viskositas SAE pada roda gigi otomotif terdapat pada Tabel 4. Tabel 4 Klasifikasi Viskositas SAE pelumasan roda gigi otomotif Tingkat SAE

Suhu Maksimum untuk viskositas 150.000 Cp

Viskositas cSt , 100°C

°C

Min

Max

70 W

-55

4.1

-

75 W

-40

4.1

-

80 W

-26

7.0

-

85 W

-12

11.0

-

90

-

13.5

< 24.0

140

-

24.0

<41.0

250

-

41.0

-

Sumber : Pertamina (1999).

23 2 API (American Petroleum Institute). Klasifikasi kinerja pelumas untuk mesin bensin menggunakan simbol S (SA – SJ), klasifikasi kinerja dari mesin diesel dengan simbol C (CA- CG) (Nugroho 2005). Pengelompokan pelumas dasar API terdapat pada Tabel 5 dan Gambar 14 di bawah ini : Tabel 5 Klasifikasi pelumas berdasarkan standar API API Group

I II III IV

Kandungan Sulphur Wt, % > 0.03 < 0.03 < 0.03

Karateristik Pelumas Dasar Kejenuhan Molekul Wt, % < 90 > 90 > 90 Polialfa Olefin

Metode Indeks Kekentalan VI 80 – 119 80 – 119 120 +

Proses Pembuatan

Pemurnian Biasa Proses Hidro Proses Hidro lanjut Oligomerisasi

Gambar 14 Klasifikasi pelumas berdasarkan standar API (Lubricant technical service). 3 JASO (Japanese Automobile Standard Organization) 4 ILSAC (International Lubricant Standard and Approval Commite) (Newman 2003) Pengujian pelumas dasar. Beberapa pengujian terhadap pelumas dasar adalah : penampakan, densitas, warna, viskositas, indeks viskositas, titik nyala, titik tuang, dan kandungan abu. (Caines & Haycock 1996).

24 Dampak Minyak Pelumas Nabati Terhadap Lingkungan Menurut Eastwood (2005), terdapat beberapa kriteria untuk memilih minyak pelumas dasar di dalam penggunaannya sebagai minyak mesin hidraulik. Pemilihan biasanya didasarkan pada beberapa aspek, viskositas, kestabilan termal dan oksidasi, , biodegradabilitas, dan tahan api. Menurut Johnson (1990), beberapa permasalahan fisik dan lingkungan dapat diatasi dengan menggunakan minyak motor nabati. Minyak kanola mempunyai keunggulan sifat pada titik nyala, titik bakar, indeks viskositas, dan bisa terdegradasi. Permasalahan penggunaan minyak nabati adalah rendahnya stabilitas oksidasi. Poliolester bersifat terdegradasi 90%, sifat pelumasan baik, stabilitas baik pada suhu rendah dan tinggi. Indeks viskositas di atas 150, titik nyala 530º F - 550º F, titik bakar 600º F - 615º F, tahan api anhidrous, sehingga dapat digunakan di atas 3000 psi. (Adams 2000). Ester oleokimia merupakan formula terbaik dan digunakan sebagai minyak hidraulik. Formula oleokimia ini dapat terbarukan dan memiliki kinerja yang tinggi, sehingga menguntungkan bagi lingkungan, komunitas pertanian dan konsumen (Eastwood 2005). Tabel 6 Hasil uji biodegradabilitas pelumas dasar Produk

CEC L-33-A-93

Modifikasi Sturm

(21 hari)

(28 hari)

Minyak mineral

15% - 75%

5%-50%

Ester Sintetis

> 55%

>40%

Minyak nabati

> 90%

> 70%

Sumber : Gawrilow 2003

Biodegradabilitas minyak dan cara pengujian.

Menurut

Eisentraeger

et.al.

2002,

pelumas

sebaiknya

stabil

selama

penggunaannya pada kondisi yang berbeda. Perubahan sifat fisik dan kimia pelumas terjadi karena penggunaannya. Biodegradabilitas adalah aspek penting yang perlu

25 dipertimbangkan sebagai dampak terhadap lingkungan. Metoda standar untuk menguji biodegradabilitas adalah metoda OECD (OECD 1992) and metoda standar ISO (ISO/TR 15462 1997). Pelumas terdiri dari pelumas dasar dan aditif. Minyak mineral, minyak rapeseed, ester sintetis, dan senyawa organik lain digunakan sebagai pelumas dasar. Konsentrasi aditif biasanya di bawah 10% (w/w). Pengujian minyak hidraulik dari minyak kanola yang digunakan pada mesin pertanian dengan menggunakan CEC-test dan Zahn–Wellens-test, Headspace test dengan GC-TCD mengkarakterisasi biodegradabilitas pelumas dasar ester sintetis dan oleokimia. Sumber lain menyatakan bahwa pelumas perlu diuji biodegradabilitas dan toksisitasnya, diinginkan pelumas tidak bersifat toksik dan dapat terdegradasi. Pengujian toksisitas meliputi: uji toksisitas, uji fitotoksisitas dan uji toksisitas algal. Pada tiap-tiap kasus no-observed-effect-concentration (NOEC); nilai konsentrasi tertinggi tanpa memberikan pengaruh adalah sebesar 2000, 1000 dan 1000 mg/L. Pengujian biodegradabilitas menggunakan uji biochemical oxygen demand (BOD) dan chemical oxygen demand (COD). Jika rasio BOD5/COD 0.5 atau lebih berarti mudah terbiodegradasi. (Lathi & Mattiasson 2006).

Epoksidasi Epoksida Epoksida merupakan salah satu jenis dari eter (ROR). Eter memiliki ikatan yang mirip dengan air dan bersifat polar. Eter dapat bersifat rantai terbuka maupun siklik. Bila besar cincin (termasuk oksigen) lima anggota atau lebih, maka sifat eter itu mirip dengan eter rantai terbuka padanannya. Epoksida lebih reaktif daripada eter lain karena ukuran cincin lebih kecil (Fessenden 1999).

Reaksi Epoksidasi Epoksidasi adalah pembentukan eter siklik tiga anggota (oksiran), merupakan reaksi antara perasida dan hidrogen peroksida dengan olefin dan ikatan rangkap aromatik. Reaksi yang terjadi melalui 2 tahap, yaitu reaksi oksidasi asam menjadi asam peroksida alkena oleh asam peroksida (Kirk & Othmer 1982). Reaksi epoksidasi dapat dilakukan dengan pereaksi asam perasetat dan asam performat.

26 1

Asam Perasetat dibuat dari oksidasi asetaldehid oleh hidrogen peroksida

2

Asam Performat dibuat dari oksidasi formaldehid

Meskipun ada beberapa jalur untuk pembuatan perasida, tetapi yang penting adalah : 1

Asam perasetat preformed (Oksidasi udara terhadap asetaldehid)

2

Asam performat insitu

Proses Epoksidasi dapat dibagi dalam 2 jenis dasar yaitu pembentukan perasida in situ dan perasida preformed. Komposisi dan kinerja produk dipengaruhi oleh kosolven, substrat olefin dan katalis yang dipilih, metoda penambahan komponen dan pengolahan setelah epoksidasi. Reaksi yang terjadi pada asam perasetat preformed terlihat pada Gambar 15 dibawah ini. O

O H2CCOOH + RHC = CHR

⇔

O

RCH - CHR + CH3COH

Gambar 15 Reaksi pembentukan gugus Oksiran.

Proses insitu lebih aman dibandingkan dengan proses perasida preformed. Hidrogen peroksida dan asam organik bereaksi dengan adanya katalis asam membentuk perasida terlihat pada Gambar 16. O

O

RCOH + H2O2

⇔ RCOOH + H2O

Gambar 16 Reaksi pembentukan perasida.

Untuk

mencegah

reaksi

eksotermik

yang

tidak

terkontrol

dan

untuk

mengoptimalkan epoksidasi, larutan peroksida ditambahkan sedikit demi sedikit dengan pengadukan. Epoksidasi bersifat reversibel dan ada reaksi samping, maka sebaiknya dilakukan pada suhu dan waktu untuk mencapai tingkat oksidasi yang diinginkan.

27 Pembukaan Cincin Oksiran

Suatu cincin epoksida, seperti cincin siklopropana, tidak dapat memiliki sudut ikatan sp3 sebesar 109º, sudut antar inti hanya 60°, sesuai dengan persyaratan cincin tiga anggota. Orbital yang membentuk ikatan cincin tidak dapat mencapai tumpang-tindih maksimal; oleh karena itu cincin epoksida mengalami terikan. Polaritas ikatan – ikatan C-O, bersama dengan cincin ini, mengakibatkan reaktivitas tinggi. Pembukaan cincin tiga anggota menghasilkan produk yang lebih stabil dan berenergi yang lebih rendah. Reaksi khas epoksida adalah reaksi pembukaan cincin, yang dapat berlangsung pada suasana asam ataupun basa (Karina 2005). Berikut ini beberapa reaksi pembukaan cincin oksiran: CH3COOH

HO OOCCH2 RCHCHR

H2O O

H+

HO OH RCHCHR

RHC - CHR

O RCCH2R

CH3COOOH HO OOOCCH2 RCHCHR H2O2

HO OOH

RCHCHR Gambar 17 Reaksi pembukaan cincin oksiran (Kirk & Othmer 1982).

Pembukaan cincin oksiran secara katalitik, dengan adanya donor hidrogen atau air, seperti alkohol, diol, dan amina, akan memasukkan gugus hidroksil ke dalam ikatan asam lemak seperti pada Gambar 18 dibawah ini (Dahlke et al. 1995):

28 O

X Katalis, HX

RCH-CHR

RCH-CHR

OH

X : -OH ; -O-R; O-R-H; -O-Ar

Gambar 18 Pembukaan cincin oksiran.

Stabilitas terhadap Oksidasi

Oksidasi merupakan faktor utama yang membatasi umur pemakaian pelumas. Semua pelumas akan teroksidasi bila diserang oksigen dalam jumlah yang cukup banyak. Oksidasi yang terjadi tergantung pada faktor-faktor seperti suhu, katalis, oksigen, kontaminan, dan waktu. Oksidasi minyak adalah proses oksidasi terhadap minyak, terdiri atas tiga tahap yaitu tahap inisiasi, minyak akan bereaksi dengan oksigen membentuk radikal bebas, tahap propagasi, radikal bebas ini akan bereaksi dengan oksigen dan minyak pelumas membentuk hidroperoksida. Hidroperoksida terdekomposisi membentuk radikal bebas dan komponen alkohol, keton, dan asam karboksilat. Asam karboksilat menyerang logam membentuk logam karboksilat, mempercepat oksidasi. Bila pelumas teroksidasi, oksigen akan bereaksi dengan molekul minyak lumas dan membentuk tiga jenis produk seperti asam, lumpur oksidasi dan deposit (Karina 2005). Asam yang terjadi menimbulkan korosi dan pengkaratan. Sedangkan lumpur oksidasi merupakan bahan yang tidak larut dalam minyak merupakan hasil polimerisasi molekul pelumas yang teroksidasi, terlihat dari meningkatnya kekentalan minyak dan menurunnya viskositas indeks. Jika oksidasi yang terjadi sangat berat, maka minyak akan menjadi sangat kental pada suhu yang rendah. Bila lumpur tidak terdispersi dengan baik akan mengakibatkan penyumbatan. Oksidasi minyak nabati sama dengan proses oksidasi hidrokarbon secara radikal bebas. Minyak nabati mempunyai ketahanan oksidasi rendah disebabkan karena adanya ikatan rangkap. Permulaan oksidasi minyak nabati karena adanya asam lemak dari berbagai asam lemak radikal bebas, yaitu karbon dan reaksi oksidasi berjalan lambat membentuk peroksi. Radikal peroksi dikonversi menjadi hidroperoksida melalui

29 termolisis atau reaksi dengan metal untuk membentuk alkoksi, peroksi dan radikal bebas karbon (Karina 2005).

Tabel 7 Perbandingan identifikasi mineral oil (PAO), HVI, dan minyak nabati No Sifat-sifat

PAO

POE

HVI

Minyak Nabati (Minyak jarak castor)

0,98

± 0,8965

0,950-0,975

76,7

Min 20,57

± 19,9

2-100

11,3

Min 4,39

±252

Indeks viscositas

125-40

-

80-120

Min 90

5

Titik tuang, °C

-50

-

0-20

-10—18

6

Titik nyala, °C

Min 220

285

Min 204

-

7

Volatilitas Noack, %

11-12

40

16-22

-

8

Stabilitas termal

Sangat baik

-

Sangat baik

Kurang

9

Stabilitas Oksidasi

Sangat baik

-

Sangat baik

Kurang

10

Kelarutan aditif

Sangat baik

-

Sangat baik

Kurang

2

1

Densitas, g/cm

2

Viskositas, 40 C,cSt

3

Viskositas 100C, cSt

4

-

Sumber : La pupung 1986, Karina 2005, dan Mulyana 2003.

Perancangan Proses Pengertian Perancangan Perancangan merupakan produk pengubahan suatu gagasan menjadi suatu bentuk perubahan dari kondisi yang ada ke dalam bentuk yang diinginkan, pengalihan raga (feature), spesifik dari suatu produk, proses atau sistem nyata ke atas kertas atau ke dalam komputer. Perancangan merupakan proses kreatif dan berdisiplin untuk pemecahan masalah mencakup pendefinisian masalah dan penyelesaiannya. Prinsip dan metodologi ilmiah dan seni, informasi teknis dan imaginasi digunakan untuk menentukan suatu struktur, mesin, proses, atau sistem baru yang memenuhi fungsi yang diinginkan dengan nilai ekonomis dan efisiensi tinggi. Dua macam perancangan, yaitu perancangan sintesis dan perancangan analitis. Perancangan analitik berdasarkan model matematika untuk menghasilkan rancangan optimal. Perancangan sintesis melibatkan invensi, perancangan

30 awal, dan analitik. Perancangan awal merupakan penciptaan produk, proses, atau sistem baru (Johnston 2000). Model perancangan terlihat pada Gambar 19. Invensi Sumber gagasan • Kreativitas • Penelitian pemasaran • Masukan pengguna • Produk pesaing • Bahan / komponen baru • Penelitian dasar • Masalah untuk dipecahkan • Tantangan • Kemampuan

Sketsa, Model, Paten Pengembangan Percobaan

Rancangan Prototipe dan spesifikasi Pengembangan Manufaktur Rancangan produk , peralatan

Inovasi tambahan , rancangan perbaikan

Matang

Produksi Pemasaran

Ilmu / Sains

Pengembangan bertahap

Penurunan/ pergantian

Inovasi

Gambar 19 Model proses perancangan (Johnston 2000). Perancangan Proses Perancangan merupakan salah satu kegiatan utama seorang insinyur dan melibatkan kegiatan kreatif. Oleh karena itu perancangan proses adalah kegiatan kreatif menciptakan gagasan untuk menghasilkan bahan baru atau meningkatkan nilai tambah, hasil yang di dapat adalah rancangan proses. Gagasan baru ini diperlukan untuk 1

Menghasilkan produk baru

2

Mengubah limbah menjadi produk yang berharga

3

Menciptakan bahan / produk yang sama sekali baru (bioproses)

4

Menemukan cara baru untuk memproduksi produk yang telah ada (katalis baru, alternatif bioproses)

5

Menerapkan teknologi baru (rekayasa genetik, sistem pakar)

6

Menggali bahan konstruksi baru (operasi pada suhu dan tekanan tinggi, polimer khusus) (Douglas 1988).

31 Prinsip perancangan dapat dilihat pada Gambar 20 dan 21 di bawah ini : Situasi langsung -Kesempatan Menilai permasalahan sederhana untuk menentukan tipe proses

Survei literatur

Database Permulaan

Proses penciptaan

Percobaan

Sintesis proses permulaan: reaksi, separasi, T-P perubahan operasi, Integrasi tugas, seleksi peralatan

Apakah ada keuntungan kasar?

tdk tolak

ya

Pengembangan

Sintesis proses rinci - Metode Algoritma

Menciptakan flowsheet proses

Sintesis separasi Integrasi proses

Analisis hukum / aturan

Integrasi panas dan tenaga Simulasi model kinetika

Kreasi data base detail Pengetesan PilotPlant Modifikasi

Penilaian kontrol : Sintesis kualitatif struktrul kontol, Analisis kontrol flowshet, simulasi dinamik

Apakah proses masih menjanjikan? Penilaian start up

tdk

ya

Rancangan detail, Estimasi biaya modal, analisis keuntungan, optimisasi tdk

• Analisis keamanan dan reabilitas • Pengetesan Pilot Plant

Apakah proses fisibel? Konstruksi Laporan perancangan proses Startup

Final rancangan : gambar peralatan, diagram perpipan, diagram instrumentasi, lay out peralatan, skala model konstruksi,

Operasi

Gambar 20. Tahap dalam perancangan proses kimia (Seider et al. 1999)

32

Sintesis (perancangan sistem)

Tujuan, Spesifikasi kebutuhan

Analisis / Pemodelan dan Simulasi

Sistem yang ada

Optimasi dan Evaluasi (Multiobjective)

Apakah properti sistem tercapai

tidak

ya Akhir perancangan proses Gambar 21 Perancangan proses melalui tahapan analisis sistem proses (Hartmann dan Kaplick 1990) Sintesis Sintesis suatu sistem adalah pengubahan input yang ada menjadi output, merupakan perancangan elemen kompleks, interkoneksi dan model fungsi. Sintesis proses meliputi jalur proses (sistem reaktor), unit/makro proses, kolom distilasi, sub atau parsial proses (pada tray kolom distilasi, lapisan katalis), elemen volum/mikro proses (butir katalis, gelembung gas), proses elementer (reaksi kimia, konduksi / konveksi massa dan energi) (Hartmann & Kaplick 1990). Tahapan sintesis proses yang dikemukakan oleh Rudd & Watson (1973) meliputi 1

Pemilihan jalur reaksi atau proses

2

Alokasi bahan atau pereaksi

3

Pertimbangan teknik pemisahan atau proses hilir

4

Pemilihan operasi pemisahan

33 5

Pemaduan atau integrasi rancangan 1 sampai 4. Metoda yang dapat digunakan dalam sintesis proses adalah kuantitatif (algoritma

dan prosedural) dan kualitatif dengan menggunakan heuristik (dari pengalaman). Sintesis proses merupakan metoda transformasi kimia maupun fisik, seperti Gambar 22 :

Bahan baku dan energi

Jalur reaksi

SINTESIS PROSES

SASARAN

STRUKTUR OPTIMUM PROSES KIMIA

Unit Operasi, alat dan mesin

Keamanan & Kontrol Struktur Kapasitas Ptoduk Biaya Kualitas Produk Dampak Lingkungan

Gambar 22 Sintesis Proses Kimia (Hartmann & Kaplick 1990). Analisis dan Pemodelan Analisis sistem adalah dekomposisi formal suatu proses menjadi konstituenkonstituennya dan investigasi berdasarkan tingkat hirarki yang berbeda. Analisis proses merupakan investigasi berdasarkan sain, teknis, dan ekonomis dari suatu sistem proses kimia. Tahapan umum yang dapat digunakan adalah : 1

Penentuan interaksi antara komponen sistem tunggal dan subsistemnya, sehingga akan memberikan dekomposisi yang sesuai

2

Penentuan elemen-elemen dan proses-proses penting

3

Penentuan parameter-parameter yang mempunyai pengaruh yang berarti dan penting dalam proses dan hubungan fungsional dari parameter-parameter proses

4

Penyelesaian dan pengecekan hipotesis mengenai siklus proses yang belum diselesaikan (pemodelan)

34 5

Penentuan parameter-parameter (data fisik-kimia, data kinetik dll) yang diperlukan untuk deskripsi kuantitatif proses-proses.

Model-model Proses Dasar-dasar. Model matematik menyatakan proses transformasi substansi, seperti hubungan fungsional antara variabel bebas dan tak bebas. Bentuk umum model matematik adalah: y = f(b,x). Pengembangan model matematis didasarkan pada 2 hal, yaitu: (1) berdasarkan teori fisik, misalnya neraca massa, neraca energi, termodinamika, kinetika reaksi kimia, yang dapat dikembangkan untuk beberapa ukuran sistem sekalipun sistem belum dikonstruksi; (2) berdasarkan deskripsi empiris, model ini digunakan jika model fisik tidak dapat dikembangkan karena batasan waktu dan sumber. Data input dan output diperlukan untuk mengetahui koefisien yang tidak diketahui dalam model lain. Penggolongan model secara teoritis maupun empiris, dapat juga didasarkan kepada: (1) linier-nonlinier; (2) steady state – unsteady state; (3) peubah kontinyu – diskret. Penyusunan model dibagi menjadi 4 fase: (1) mendefinisikan dan memformulasikan permasalahan; (2) analisis awal dan rinci; (3) evaluasi; (4) aplikasi interpretasi (Edgar & Himmelblau 2001).

35

Spesifikasi Formulasi masalah

Struktur obyek abstrak yang dimodelkan (alat, area)

Pemodelan matematik dari elemen-elemen

Sintesis keseluruhan model

Penentuan parameter model

Pengecekan model Tidak terpenuhi

Terpenuhi Kontrol Tujuan model ? algoritma

Penerapan model

Gambar 23 Skema aliran pemodelan matematik (Hartman & Kaplick 1990) Pembentukan Model Analitik. Metoda analitis suatu proses adalah deskripsi matematis yang dihasilkan dari dekomposisi keseluruhan proses menjadi proses-proses dasar, diikuti dengan sintesis deskripsi abstrak, yang merupakan hukum konservasi. Model analitis berdasarkan pada suatu pengetahuan tentang proses. Prinsip neraca atau konservasi untuk massa total, komponen, massa, dan energi penting dalam pembentukan model. Suatu proses transformasi substansi merupakan fenomena transformasi dan transportasi, yang terjadi secara simultan mengikuti persamaan di bawah ini : Perubahan jumlah suatu neraca fungsi waktu pada suatu ruang (volume)

=

Aliran input parameter neraca

-

Aliran output parameter neraca

+

Aliran sumber parameter neraca

Gambar 24 Prinsip kesetimbangan dalam suatu formulasi umum. Umumnya

model

mengandung

fungsi

obyektif,

dalam

proses

kimia

direpresentasikan dengan besaran fisikokimia, misalnya pada model makroskopis yang

36 diterapkan pada teknologi proses, perpindahan komponen, kinetika dan termodinamika, dengan parameter analisis koefisien perpindahan antar fase, tetapan kinetika, koefisien gesekan. Konsep dasar penyusunan model matematis berdasarkan pada beberapa perangkat teknik kimia (Sediawan 1997): 1 neraca massa total masukan − keluaran = akumulasi

Dalam tiap satuan waktu:

lajumasukan − lajukeluaran = lajuakumulasi Jika massa terdiri dari banyak komponen dan ada perubahan suatu komponen menjadi komponen lain, maka neraca massa komponen berbentuk seperti persamaan berikut ini :

lajumasukan − lajukeluaran + lajupembentukan − lajukehilangan = lajuakumulasi Dalam keadaan steady state (tidak dipengaruhi waktu ), akumulasi = 0 2 laju proses 2.1 perpindahan massa. Perpindahan massa A dalam medium B (fluida) didekati dengan Hukum Fick, yaitu perpindahan massa antar fasa satu lapisan, misalnya antara padatan dengan cairan atau gas.

N A = kc (C As − C A ) jika luas permukaan sulit dievaluasi

N A (massa /( waktuxvolum)) = kc a (C As − C A )

Keterangan :

37 NA = Perpindahan massa A/ waktu.luas CAs = Konsentrasi jenuh A dilarutan CA = Konsentrasi A dilarutan kc = tetapan perpindahan massa Perpindahan fasa antar dua lapisan, misalnya terjadi pada batas fasa cair-gas, atau cair-cair. Asumsi: tidak ada akumulasi A pada lapisan, dengan mengikuti hukum Henry : (C A1 )i = H (C A 2 )i Keterangan : (CA1)i = konsentrasi pada lapisan film H

= tetapan Henry

Tetapan perpindahan massa A dari fasa 1 ke fasa 2 dapat didekati dengan :

N A = kc1 (C A1 − (C A1 )i ) = kc2 (C A2 − (C A 2 )i ) 2.2 kinetika kimia. Bentuk persamaan laju reaksi yang paling sederhana adalah reaksi homogen sederhana : A + bB

Hasil adalah rA = k. CAm. CBn

Pembentukan Model Eksperimental. Pembentukan model eksperimental merupakan suatu metoda penyelesaian lain untuk mendapatkan model matematis. Metoda penyelesaian ini didasarkan pada interpretasi data eksperimen yang diturunkan dari obyek yang ada. Prosedur pembentukan model eksperimental tergantung pada cara mendapatkan data, signifikansi dinamika obyek, dan jenis fungsi model. Fungsi model dapat berupa hubungan linear atau nonlinear dari parameter-parameter model. Sifat dan kriteria optimasi rancangan percobaan harus dipertimbangan, hal ini dilakukan untuk menunjukkan bahwa pemilihan rancangan percobaan yang sesuai sangat berpengaruh pada hasil perhitungan model percobaan. Beberapa jenis rancangan

38 percobaan : rancangan faktor lengkap, rancangan faktor parsial, dan rancangan percobaan komposit Pada tahapan ini akan dilakukan analisis dan pemodelan untuk laju reaksi untuk reaksi epoksidasi, hidroksilasi dan asetilasi, serta pemodelan reaktor pengadukan ideal. Pemodelan yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah : 1 model makroskopis pengadukan ideal dengan mengabaikan neraca energi (Hartmann & Kaplick 1990). Neraca Massa A dalam reaktor curah :

input

Output

Gambar 25 Sistem reaktor curah.

lajumasukan − lajukeluaran − lajureaksi = lajuakumulasi

0 − 0 − V .rA =

dV .C A dt

C A = C A0 (1 − x A )

t = waktureaksi = ∫ dC A / rA Reaksi yang terjadi , misal : aA + bB ⇒ lC

-rA = dari data perubahan konsentrasi = k1 CAa CBb atau

aA + bB ⇔

-rA = dari data perubahan konsentrasi = k1 CAa CBb – k2 CCl

lC

39 Nilai k dan orde reaksi dicari dari data-data proses di laboratorium, yaitu data perubahan konsentrasi fungsi waktu pada beberapa suhu. 2 model persamaan laju reaksi, misal :

(− rA ) = −dC A / dt = k1C AaCBb

atau (− rA ) = −dC A / dt = k1C AaCBb − k2CC1

C A = C A0 (1 − X A )

(− d (C A0 (1 − X A )) = C

A0

dx = k1C AaCBb atau dt

(− d (C A0 (1 − X A )) = C

A0

dx = k1C AaCBb − k2Cc1 dt

dt

dt

Disamping mengetahui model persamaan laju reaksi, dilakukan juga analisis perpindahan massa antara pereaksi dan katalis padat untuk reaksi hidroksilasi dan esterifikasi. Perpindahan massa antar fasa satu film yaitu antara padatan dengan cairan N A = kc (C As − C A ) jika luas permukaan sulit dievaluasi N A (massa /( waktuxvolum)) = kc a (C As − C A ) (C A1 )i = H (C A 2 )i Keterangan : (CA1)i = konsentrasi pada lapisan film H

= tetapan Henry

Tetapan perpindahan massa A dari fasa 1 ke fasa 2 dapat didekati dengan : N A = kc1 (C A1 − (C A1 )i ) = kc2 (C A2 − (C A 2 )i )

40 Optimasi Proses Konsep Dasar

Optimasi adalah penggunaan suatu metoda untuk mendapatkan penyelesaian dengan biaya yang efektif dan efisien pada suatu permasalahan atau perancangan proses. Teknik ini merupakan perangkat kuantitatif dalam pembuatan suatu keputusan. Berbagai permasalahan dalam desain, konstruksi, operasi dan analisa pabrik dapat diselesaikan dengan optimasi. Optimasi meliputi optimasi sain, teknik, dan bisnis. Permasalahan teknik direpresentasikan dengan menggunakan beberapa persamaan atau dengan data eksperimen saja. Tujuan dari optimasi adalah untuk mendapatkan nilai peubah proses yang menghasilkan nilai terbaik dari kriteria kinerja yang ada. Optimasi dapat diterapkan pada berbagai proses dan pabrik kimia, misalnya: penentuan lahan terbaik untuk lokasi pabrik, jalur tangki untuk distribusi produk mentah dan dimurnikan, ukuran dan tata letak pipa, perancangan alat dan keseluruhan pabrik, penjadwalan, pemeliharaan dan penggantian alat, pengoperasian alat (reaktor, pipa, kolom, dan absorber). Tujuan melakukan optimasi adalah: jumlah produksi meningkat, biaya operasional rendah, biaya optimal dan energi minimum. Tahapan untuk menyelesaikan permasalahan optimasi adalah: (1) analisis proses dengan peubah proses dan karakteristik spesifik, (2) menentukan kriteria optimasi dan menentukan tujuan menggunakan peubah di atas sehingga menghasilkan model kinerja (model ekonomis), (3) menggunakan persamaan matematis, mengembangkan model proses atau alat yang sesuai berhubungan dengan peubah input-output proses dan koefisien terkait. Menggunakan batasan kesamaan dan ketidaksamaan dengan prinsip-prinsip neraca massa dan neraca energi, hubungan empiris, konsep implisit dan batasan luar. Melakukan identifikasi peubah bebas dan tak bebas, (4) jika formulasi masalah terlalu besar, pecahkan menjadi beberapa bagian dan sederhanakan tujuan dan model, (5) menggunakan teknik optimasi yang tepat untuk menyelesaikan model matematis masalah tersebut, (6) cek jawaban dan tentukan sensitivitas hasil terhadap perubahan koefisien dan asumsi yang digunakan.

41 Berbagai Teknik Optimasi

Penyelesaian umum problem optimasi pada model matematis menyangkut penyelesaian secara analitis atau grafis, baik yang digunakan untuk optimasi model satu peubah atau lebih dari satu peubah. Pada model satu peubah, penentuan kondisi optimum secara grafis didapatkan dari titik maksimum atau minimum kurva. Kemiringan kurva menunjukkan nilai nol pada titik optimum. Nilai optimum dapat juga ditentukan secara analitis dengan menurunkan persamaan respon CT terhadap peubah x sehingga nilai turunan pertama sama dengan nol, selanjutnya tentukan nilai x. Misalnya :

dCT c = a− 2 =0 dx x c x = ( )1 / 2 a

CT = peubah respon

x,y = peubah independen

Jika turunan kedua persamaan respon dievaluasi, maka titik minimum didapatkan jika turunan kedua bernilai lebih besar dari nol, titik maksimum jika turunan kedua bernilai lebih kecil dari nol. Pada model dua peubah, misalnya CT = f (x,y) dimana persamaan untuk CT adalah CT = ax + b /xy + cy + d, maka penyelesaian optimasi dapat dilakukan dengan cara : 1 grafis, yaitu hubungan antara CT,x, dan y ditunjukkan sebagai kurva tiga dimensi dengan nilai minimum/maksimum CT terjadi pada nilai optimum x dan y. Faktor yang akan dioptimasi diplot terhadap salah satu peubah bebas dan peubah lain (y) dipertahankan pada nilai yang tetap. 2 analitis, yaitu metode dimana nilai optimum x didapatkan pada titik dimana (∂CT/∂x)y=y memberikan nilai nol, begitu juga sebaliknya nilai optimum y didapatkan jika (∂CT/∂y)x=x memberikan nilai nol.

42 ⎛ ∂CT ⎞= a− b ⎜ ⎟ ∂ dx x2 y ⎝ ⎠

( )

⎛ ∂CT ⎞ =c− b ⎜ ⎟ ∂ dx xy 2 ⎝ ⎠

( )

Pada kondisi optimum kedua turunan parsial ini bernilai nol, maka :

( a)

x = cb

2

1 3

dan

( c)

y = ab

1 3

2

Beberapa metoda optimasi : Linier least square, Non linier least square dengan penyelesaian numeris menggunakan metode Newton, Quasi Newton, Secant, Golden Section, Hooke-Jeeves atau Simplex. Teknik matematik yang lain adalah dengan cara Lagrange, Steepest Ascent atau Descent, Response Surface. (Peters & Timmerhaus 1981; Edgar & Himmelblau 2001). Penyelesaian optimasi dapat dilakukan dengan paket program atau program yang dibuat sendiri menggunakan berbagai bahasa program misalnya Turbo basic, Visual basic, Delphi dan sebagainya Tahapan optimasi pada penelitian ini dilakukan terhadap sistem proses, yaitu untuk mendapatkan kapasitas optimum pada total biaya yang minimum Metoda optimasi yang digunakan adalah penyelesaian analitis atau numeris tergantung kompleksitas persamaan yang dihasilkan. Pada penelitian pendahuluan, untuk menentukan peubah yang berpengaruh pada reaksi dan menentukan kisaran kondisi operasi terbaik dilakukan dengan menggunakan RSM (Response Surface Method).

Reaksi Katalitik Konsep Dasar Reaksi Katalitik

Katalisator adalah suatu substansi yang dapat meningkatkan kecepatan, sehingga reaksi kimia dapat mencapai kesetimbangan, tanpa terlibat di dalam reaksi secara permanen. Karakteristik katalis: (1) berinteraksi dengan reaktan tetapi tidak berubah pada

43 akhir reaksi, (2) mempercepat kinetika reaksi dengan memberikan jalur molekul yang lebih rumit (Richardson 1989).

Gambar 26 Jalur reaksi katalitis (Satterfield 1991).

Kemampuan katalis untuk meningkatkan kecepatan reaksi terjadi dalam beberapa langkah, sehingga mengakibatkan penurunan energi aktivasi. Reaksi katalitis meliputi: (1) adsorbsi, (2) pembentukan dan pemutusan kompleks teraktivasi, (3) desorbsi.

Pengelompokkan Katalis

Pembagian katalis secara industri dan teori: (1) homogen, (2) heterogen, dan (3) enzim. Katalis Homogen. Katalis yang mempunyai fase yang sama dengan reaktan dan

dengan produk. Contoh reaksi dengan katalis homogen adalah hidrolisis ester dengan asam (cair-cair). Reaksi sangat spesifik dengan jumlah produk yang diinginkan tinggi. Kelemahan menggunakan katalis cair adalah hanya mudah untuk skala laboratorium, sulit dikomersialkan, operasi fase cair dibatasi kondisi suhu dan tekanan, sehingga membutuhkan peralatan yang kompleks dan diperlukan pemisahan antara produk dan katalis. Industri dengan katalis homogen terbatas antara lain pada industri bahan kimia, obat-obatan dan makanan, kecuali untuk produksi asam asetat, alkilasi olefin, dan hidroformilasi.

44 Katalis Heterogen. Reaktan dan katalis mempunyai fase yang berbeda,

umumnya katalis padat digunakan dengan reaktan gas dan cair atau keduanya. Mekanisme reaksi lebih kompleks yaitu : adsorpsi, reaksi permukaan, dan desorpsi. Keuntungan katalis heterogen adalah umum digunakan secara komersial, katalis padat mudah dipreparasi, konstruksi alat sederhana, kontrol bagus dan produk berkualitas tinggi. Katalis bisa dipisahkan dari produk dan bisa digunakan kembali. Katalis Enzim. Enzim adalah molekul protein ukuran koloidal, merupakan

katalis diantara homogen dan hetergen. Enzim merupakan pendorong untuk reaksi biokimia, karakterisasinya adalah efisiensi dan selektivitas. Sesuai digunakan untuk keperluan industri (Richardson 1989).

Pemilihan Katalis

Untuk suatu reaksi dapat dipakai lebih dari satu macam katalisator. Beberapa pertimbangan dalam pemilihan katalis: (1) umur panjang, sehingga dapat menghemat dana pembelian katalis baru, (2) harga katalisator murah, sehingga menghemat investasi (3) mudah atau tidaknya diregenerasi sehingga menghemat pembelian katalis baru, (4) tahan terhadap racun, sehingga umur akan panjang. Pemilihan katalis atau pengembangan katalis perlu pertimbangan untuk mendapatkan efektivitas dalam pemakaian. Jenis-jenis katalis heterogen adalah logam, oksida logam, dan asam (Richardson 1989). Poliol dapat dibuat dengan membuka cincin epoksi minyak menggunakan katalis asam, seperti asam–asam mineral: asam sulfat, asam fosfat, asam hidroklorida, asam organik, seperti asam sulfonat. Dalam pengembangannya katalis cair dapat digantikan dengan katalis asam padat seperti lempung, keuntungannya dapat diambil kembali, didaur ulang dan digunakan kembali, dan sisa alkohol dapat dipisahkan untuk digunakan kembali (http://www.wipo.int/cgi). Reaksi asetilasi terhadap poliol dengan menggunakan asam asetat anhidrat dapat dilakukan dengan menggunakan katalis resin kation (Lathi dan Mattiasson 2006). Berbagai jenis bahan katalis dapat dilihat pada Tabel 8 di bawah ini.

45 Tabel 8 Jenis-jenis bahan katalis Jenis

Kondisi

Contoh

Logam

Terdispersi

Rendah: Pt/Al2O3, Ru/SiO2 ; Tinggi: Ni/Al2O3

Berpori

Raney : Ni, Co, Fe-Al2O3-K2O

Bulk

Pt, Ag

Campuran Logam

Terdispersi

(Pt-Re, Ni-Cu, Pt-Au)/Al2O3

Oksida

Tunggal

Al2O3, Cr2O3, V2O5

Ganda

SiO2-Al2O3, TiO2-Al2O3

Komplek

CuCr2O4, Bi2MoO6

Sulfida

Terdispersi

MoS2/Al2O3,WS2/Al2O2

Asam

Ganda

SiO2-Al2O3

Kristal

Zeolit

Tanah liat alam

Montmorillonite

Asam Promotor

SbF5, HF

Terdispersi

CaO, MgO, K2O, Na2O

Basa

Sumber : Richardson 1989

Logam, Metal: Konduktor, katalis untuk reaksi hidrogenasi, karena logam

mengadsorpsi hidrogen dengan disosiasi dan ikatan yang tidak terlalu kuat. Termasuk di dalamnya group VIII (Fe,Co,Ni dan metal kelompok Platina, Cu). Pada reaksi terjadi : disosiasi hidrogen, hidrogen diatomik, dan adsorbsi kimia hidrogen Oksida, Sulfida: Semikonduktor, katalis untuk reaksi oksidasi, dengan menyerap

oksigen, logam diubah menjadi oksida, termasuk di dalamnya kelompok : Ru, Rh, Pd, Ir, Pt. Oksigen lebih mudah diserap oleh logam daripada oleh hidrogen, ikatan lebih kuat. Pada katalis dehidrogenasi, oksigen diikat kuat dan oksida direduksi menjadi logam dan hidrogen pada suhu reaksi. Oksida yang sesuai untuk reaksi oksidasi parsial tidak sesuai untuk dehidrogenasi. Asam: Macam-macam katalis asam adalah (1) Oksida tunggal: Al2O3 dan SiO2

(2) Lempung alam, (3) Campuran Oksida , SiO2-Al2O3, dan (4) Zeolit. Banyak digunakan pada perengkahan, perengkahan hidro, isomerisasi, reforming katalitik, polimerisasi, hidrasi.

46 Tabel 9 Keasaman katalis heterogen Katalis

pKa

SiO-Al2O3

< - 8.2

Lempung Montmorillonit

-5.6 sampai -8.2

Lempung Kaolinite

-5.6 sampai -8.2

γ- Al2O3

+3.3 sampai -5.6

SiO-MgO

+3.5 sampai -2.5

SiO2

-2.0

TiO2

+6.8 sampai +1.5

MgAl2O4

>7.0

CaO

>7.0

MgO

>7.0

Sumber : Richardson 1989

Macam-macam katalis asam padat Alumina (Al2O3). Originalitas dari bagian asam digambarkan dengan γ-Al2O3,

yang sering digunakan sebagai penyokong. Alumina dipreparasi sebagai oksida hidrous dan diaktifkan dengan kalsinasi pada suhu 300° C, peristiwa yang terjadi adalah: Dehidrasi oksida hidrous memberikan permukaan yang mengandung Lewis site berlaku sebagai aseptor elektron, H2O yang cukup akan menciptakan Bronsted site berlaku sebagai donor proton. Lempung (Clay) Alam. Lempung (Clay) alam seperti montmorillonit merupakan

senyawa kompleks dari tetrahedra SiO4 dan AlO4. Tanah liat alam juga mengandung sejumlah kecil MgO dan Fe2O3, yang diasamkan dengan asam sulfat, dapat juga dilakukan dengan menambahkan proton untuk meningkatkan nilai pKa dari -3.0 menjadi -8.2. Tanah liat ini merupakan katalis untuk perengkahan pertama yang digunakan dalam tumpukan katalis diam (fixed) dan bergerak (moving bed) (Richardson 1989). Pada invensi pembuatan oleokimia poliol sebagai pelumas dasar, direaksikan oleokimia epoksi minyak dengan alkohol menggunakan katalis asam lempung alam. Lempung yang digunakan dapat disaring untuk diambil kembali, didaur ulang dan

47 digunakan kembali. Tanah liat yang biasa digunakan dalam proses adalah tanah liat yang sudah diaktifasi dengan asam. Tanah liat yang banyak digunakan adalah sub-bentonit atau

bentonit

aktifasi,

yang

sebagian

besar

terdiri

dari

montmorillonit

(http://www.wipo.int/cgi)

Silika-Alumina. Oksida tunggal seperti Al2O3 dan SiO2 lebih sedikit

keasamaannya dibandingkan dengan kombinasi antara keduanya. Banyak material dengan keasaman tinggi, merupakan aluminosilikat, seperti terlihat pada struktur berikut ini : H

H H+

O

O Al3+

O

H+ O

O

Si4+

Gambar 27 Struktur Silika-Alumina. Si4+ menggantikan tetrahedral Al3+ dengan pusat lebih elektropositif sehingga melemahkan ikatan O-H dan meningkatkan keasaman. Ion silikon dan aluminium dicampur. Katalis silika alumina sesuai untuk perengkahan katalitik terfluidisasi.

Zeolit. Zeolit seperti tanah liat dan katalis sintetis SiO-Al2O3 merupakan

aluminosilikat, mempunyai tiga properti yang membuatnya menjadi unik. Pertama, merupakan kristal dengan struktur yang baik. Bidang kerja aluminasilikat mendekati pori-pori dimana akses untuk ke pori-pori terdapat dalam berbagai ukuran, melalui jaringan terbuka yang berkisar antara 0.3 sampai 1.0 nm dalam diameter. Ukuran dan bentuk pori menentukan molekul mana yang masuk ke pori. Zeolit mempunyai kemampuan selektivitas ukuran dan bentuk. Kedua, ion yang masuk pori-pori secara mudah ditukar dengan sejumlah besar ion lain. Ion ini menghasilkan elektrostatik yang besar atau gaya polar sepanjang dimensi pori yang kecil. Pertukaran distribusi elektron dalam group hidroksil bisa menghasilkan keasaman 104 kali lebih besar daripada SiO2Al2O3. Ketiga, ion yang masuk ke pori-pori melalui pertukaran ion telah memisahkan

48 aktivitas miliknya sehingga peluang katalis untuk berfungsi ganda, keasaman dan aktivitas lainnya bisa diwujudkan.

Mekanisme Reaksi Katalitis Heterogen

Proses

perpindahan mempengaruhi laju perpindahan massa dan panas total

diantara fluida dan padatan atau bagian dalam pori padatan. Mekanisme gerakan molekul ke dalam katalis, bereaksi dan menghasilkan produk, bergerak kembali ke aliran fluida: (1) perpindahan reaktan dari aliran utama ke permukaan katalis padat, (2) perpindahan reaktan dalam pori katalis, (3) adsorpsi reaktan pada komponen aktif katalis, (4) reaksi kimia permukaan diantara atom atau molekul yang teradsorpsi, (5) desorpsi produk, (6) perpindahan produk dalam pori katalis kembali ke permukaan partikel, (7) perpindahan produk dari permukaan partikel kembali ke aliran fluida utama.

Gambar 28 Langkah–langkah pada reaksi katalis padat (Froment 1990).

Kinetika Reaksi

Kinetika kimia adalah: ilmu yang mempelajari laju reaksi kimia secara kuantitatif serta faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi kimia tersebut. Pada kinetika kimia selain mempelajari laju reaksi juga mempelajari: (1) mekanisme reaksi, yaitu perubahan struktur atom dalam molekul zat peraksi selama reaksi berlangsung untuk membentuk zat hasil reaksi (produk reaksi), (2) menentukan tetapan laju reaksi, (3) pengaruh peubahpeubah pada laju reaksi. Dalam kaitannya dengan perancangan proses, kinetika reaksi mempunyai beberapa fungsi utama, yaitu: (1) menentukan/membuktikan mekanisme reaksi kimia, (2)

49 mengumpulkan data percobaan untuk laju reaksi, (3) mengkorelasikan data percobaan secara matematis atau membuat suatu persamaan matematik untuk mewakili data percobaan, (4) merancang reaktor yang sesuai, (5) menetapkan kondisi operasi, cara pengontrolan dan alat-alat bantunya. Laju reaksi

Laju reaksi didefinisikan sebagai perubahan pereaksi ataupun produk dalam satu satuan reaksi. Selain itu laju reaksi didefinisikan juga sebagai laju berkurangnya konsentrasi suatu pereaksi atau laju bertambahnya suatu produk. Untuk suatu sistem reaksi seperti : a A + b B + ... → p P + q Q Data yang diperlukan pada perhitungan desain suatu reaktor adalah laju berlangsungnya reaksi ( ri ). Persamaan laju reaksi untuk komponen A adalah :

(− rA ) = dN A Vdt =

molAterbentuk = f (T , komposisi) (volumfluida)( waktu )

(-rA ) adalah persamaan laju reaksi yang menyatakan hubungan antara rA dan C, pada umumnya diperoleh berdasarkan hasil analisis data percobaan dan mekanisme reaksi. Model matematika persamaan laju reaksi yang diperoleh berdasarkan mekanisme reaksinya mendekati kebenaran, hal ini dilakukan untuk mengatasi kesulitan menurunkan model-model matematik sederhana yang didasarkan atas data-data percobaan pada suatu kondisi operasi tertentu. Model persamaan kinetika sederhana yang sering dipakai dan menyatakan hubungan antara laju reaksi dan besaran-besaran fisik T (suhu) dan C (konsentrasi) adalah :

(− rA ) = k (T )C AaCBb k CA , CB

= tetapan laju reaksi (fungsi dari suhu) = konsentrasi A dan B di dalam larutan

a

= orde reaksi terhadap A

b

= orde reaksi terhadap B

50 Tetapan Arheinus

Tetapan laju reaksi dinyatakan dengan Hukum Arrheinus (Levenspiel 1972) : k = k0e − E / RT k0 = faktor frekuensi tumbukan R = tetapan gas ideal T = suhu E = energi aktivasi reaksi Berdasarkan perhitungan desain reaktor yang sering digunakan maka persamaan laju reaksi dibedakan atas 2 tipe yaitu: (1) reaksi sederhana (single reaction), (2) reaksi kompleks (multiple reaction). Laju reaksi tidak dapat diukur secara langsung, tetapi melalui pengukuran jumlah salah satu komponen reaksi pada setiap saat dengan cara sebagai berikut: (1) mengukur konsentrasi, (2) mengukur sifat - sifat fisis (daya hantar listrik, indeks bias dan viskositas), (3) mengukur perubahan teknik pada sistem yang mempunyai volume tetap, (4) mengukur perubahan volume pada sistem yang mempunyai tekanan tetap. Pada umumnya untuk percobaan digunakan reaktor curah dengan kondisi operasi volume dan suhu tetap, hal ini memudahkan untuk diinterpretasikan. Persamaan laju reaksi bisa diperoleh dengan menggunakan 3 metode analisis data percobaan yaitu: (1) metode integral, (2) metode diferensial, dan (3) metode isolasi.

Penentuan Orde Reaksi

Tujuan analisis data kinetik adalah: untuk mendapatkan nilai orde reaksi dan tetapan laju reaksi (Levenspiel 1977). Berdasarkan perhitungan desain reaktor, maka persamaan laju reaksi dibedakan atas 2 tipe yaitu: (1) reaksi sederhana (single reaction): searah (irreversibel) dan bolak-balik (reversibel), (2) reaksi kompleks (multiple reaction). Pada reaksi searah (irreversibel), persamaan kecepatan reaksi tergantung pada orde reaksi .

51 1 reaksi orde 0 − rA = −

A → produk. Persamaan laju reaksi : dC A = k0 dt

Persamaan diintegralkan dengan batas antara CA0 (mula-mula) dengan cA (waktu t)

∫

CA

CA 0

t

− dC A = − ∫ k0 dt , sehingga didapat hasil integrasi adalah cA = cA0 – ko 0

2 reaksi orde 1, yaitu reaksi yang lajunya berbanding lurus terhadap konsentrasi reaktan A → produk. Persamaan laju reaksi : −

dC A = k1.C A , jika diintegralkan didapat : k1 = 1 ln C A 0 t CA dt

3 reaksi orde 2, reaksi orde 2 ada 2 tipe : (i) reaktan awal sama (ii) reaktan awal berbeda (i) 2 A

→ produk

− dC A

= k2 .C A2

dt

(ii) A + B → produk − dC A

dt

= k 2 .C A .CB

Tetapan Kesetimbangan

Kondisi kesetimbangan terjadi jika laju reaksi mendekati nol dan dinyatakan dengan hukum aksi massa : A + B

K =

k2 C C = C D k2 C AC B

C + D dCc

dt

= k1C ACB − k2CC CD

52 Entalpi Reaksi (ΔH) dan Entropi Reaksi (ΔS)

Entalpi reaksi pada kondisi standar dapat menunjukkan bahwa reaksi berlangsung eksotermis atau endotermis. Hal ini dapat dihitung dengan menggunakan: 1 entalpi pembentukan atau menggunakan konstanta kesetimbangan:

ln K = −ΔH ° /( RT ) + ΔS ° / R 2 persamaan teori keadaan transisi (Levenspiel 1972) ln A − E

RT

= ln (k BT / h ) − ΔH

RT

+ ΔS

R

ΔH = E (1 − Δn) RT ΔS

R

= ln( A /(k BT / h) − ( E − ΔH ) / RT

Keterangan : kB

: tetapan Boltzmann, 1.3 x 10-16 erg/K

h

: tetapan Planck, 6.63 x 10-27 erg.det

ΔH, ΔS, Δn

: entalpi, entropi, molekularitas

Analisis Kelayakan Finansial

Pada umumnya aspek yang paling diperhitungkan dalam menentukan kelayakan produksi adalah aspek finansial. Analisis finansial dapat digunakan untuk memperkirakan keuntungan dari produksi yang direncanakan. Berdasarkan hal tersebut maka pada penelitian ini akan dilakukan analisis kelayakan finansial skala ekonomis. Kajian analisis finansial industri poliol terasetilasi berbahan dasar minyak jarak pagar meliputi NPV (Net Present Value), IRR (Internal Rate of Return), Net B/C (Net Benefit Cost), (PBP) Payback Period dan melakukan analisis sensitifitas (Gray 1986).

53

METODOLOGI PENELITIAN Kerangka Pemikiran Saat ini kebutuhan akan minyak bumi meningkat, sedangkan persediaannya makin menipis. Salah satu produk yang menggunakan bahan baku minyak bumi adalah pelumas. Keadaan ini memacu produksi pelumas dasar dari minyak nabati sebagai bahan dasar alternatif dalam pembuatan pelumas. Meskipun harga pelumas dasar ini lebih mahal daripada minyak mineral, namun pelumas dasar ini mempunyai sifat unggul dalam sifat friksi atau sifat pelumasannya, rendahnya volatilitas pelumas, tingginya indek viskositas, tingginya kelarutan untuk bahan aditif dan kemudahannya untuk saling larut dengan fluida lain. Banyak minyak nabati yang digunakan di dalam aplikasi pelumas, misalnya sebagai aditif pelumas sintetis, minyak mesin transmisi, pelumas motor 2 tak, pelumas hidraulik, dan gemuk. Konsumsi minyak nabati Amerika Serikat untuk pelumas adalah sebesar 8 juta kilogram per tahun. Konsumsi ini merupakan 9% dari total penggunaan minyak nabati untuk industri (Johnson 1990). Pasar ini mengkonsumsi 9.66 milyar liter minyak mineral yang telah dimurnikan per tahun untuk kebutuhan pelumas. Kira-kira 3.9 milyar liter digunakan untuk pelumas motor 4 tak (Johnson 1990). Total kebutuhan pelumas di Jerman kira-kira 1 juta ton per tahun (1998), segmen pasar terbesar adalah pelumas mesin dan pelumas roda gigi otomotif yaitu sebesar 450 000 ton per tahun, dan selanjutnya kebutuhan yang lain adalah untuk mesin hidraulik dan mesin industri (Willing 2001). Penggunaan minyak nabati sebagai pelumas dasar mempunyai kelemahan karena adanya ikatan rangkap C=C, sehingga mengakibatkan rendahnya stabilitas termal dan oksidasi. Bahan baku minyak nabati yang akan digunakan sebagai pelumas dasar dipilih dari beberapa alternatif minyak nabati. Pada penelitian ini akan dilakukan perancangan proses, yang merupakan proses kreatif dan berdisiplin untuk pemecahan masalah mencakup pendefinisian masalah dan penyelesaiannya. Prinsip dan metodologi ilmiah dan seni, informasi teknis dan imaginasi, yang digunakan untuk menentukan suatu struktur, mesin, proses, atau sistem baru yang memenuhi fungsi yang diinginkan dengan nilai ekonomis dan efisiensi tinggi Perancangan proses yang dihasilkan adalah

54 perancangan proses modifikasi secara kimiawi terhadap minyak jarak pagar (Jatropha curcas. L) untuk meningkatkan stabilitasnya, yaitu dengan melakukan reaksi esterifikasi terhadap poliol (alkohol polihidrat) minyak jarak pagar dengan katalis padat (bentonit). Pemilihan tanaman jarak pagar sebagai sumber bahan baku pada penelitian ini adalah untuk meningkatkan nilai tambah biji jarak pagar, tingginya kandungan minyak pada biji dan merupakan non-drying oil atau semi-drying oil, sehingga sifat pelumasannya baik. Disamping itu minyak jarak pagar bukan komoditi pangan karena mengandung racun, sedangkan beberapa jenis minyak yang lain bersaing penggunaannya untuk keperluan pangan. Salah satu pemanfaatan minyak biji jarak pagar adalah sebagai bahan baku pembuatan biodisel. Selain memacu pemanfaatan minyak biji jarak pagar sebagai pengganti Bahan Bakar Minyak (BBM), minyak ini juga dimanfaatkan untuk menjadi pelumas dasar yang diharapkan dapat memberikan alternatif produk yang mempunyai nilai tambah tinggi. Pada perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar, dilakukan seluruh tahapan yang harus dilalui, antara lain pemilihan jalur proses dan peralatan untuk menetapkan jalur proses yang efisien. Tahapan sintesis proses berdasarkan jalur yang dipilih dilakukan untuk mendapatkan kondisi proses terbaik. Uji kinerja pelumas dasar dan formulasinya dilakukan untuk mengetahui karakteristik produk. Analisis kinetika dan pemodelan dilakukan untuk memberikan hasil rancangan berupa data-data proses produksi pelumas dasar dan dapat digunakan untuk pemilihan alat pada skala komersial dan simulasi. Optimasi sistem produksi pelumas dasar untuk mendapatkan kapasitas optimum sehingga diperoleh biaya produksi minimum. Perancangan proses ini dilakukan sampai dengan pembuatan diagram blok proses dan diintegrasikan dalam bentuk Process Engineering Flow Diagram (PEFD) dengan menggunakan jalur proses yang dinyatakan layak secara teknis maupun finansial. Manfaat perancangan proses yang dihasilkan diharapkan dapat digunakan oleh pihak-pihak yang terkait, seperti investor, peneliti, industri kecil terkait, petani, pemerintah, dan pihak-pihak lain dalam pendirian industri pelumas dasar dari minyak jarak pagar. Kerangka pikir perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar disajikan pada Gambar 29.

55

Kegiatan

Luaran

1. Pemilihan jalur proses dan alat pemroses 2. Proses Epoksidasi,Hidroksilasi, Asetilasi 3. Optimasi proses 4. Karakterisasi produk dan uji kinerja 5. Pemodelan kinetika reaksi 6. Pembuatan blok diagram, penyusunan NM dan NE, penentuan alat 7. Optimasi kapasitas produksi 8. Pembuatan PEFD. 9. Penentuan kelayakan proses secara teknis dan finansial

1. Produk 2. Jalur Proses / Blok Diagram 3. Kondisi Proses dan Operasi terbaik 4. Karakteristik, Identifikasi produk 5. Hasil Uji Kinerja 6. Parameter Kinetika dan Termodinamika 7. Alat dan komposisi tiap aliran 8. Kapasitas Produksi Optimum 9. Kelayakan proses secara teknis dan

Tujuan

PEFD Mendapatkan rancangan proses produksi pelumas dasar berbahan baku minyak jarak pagar

Gambar 29 Kerangka Pemikiran perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar menjadi pelumas dasar.

56 Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Kimia dan Energi, Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan, Bogor dan di Laboratorium Kimia Universitas Jayabaya, Jakarta. Beberapa pengujian dilakukan di Balai Besar Industri Agro-Bogor, LAPANJakarta, dan Pro-Lab Jakarta. Waktu penelitian dilaksanakan pada bulan Maret 2006 sampai dengan September 2007.

Bahan dan Alat Bahan baku yang digunakan dalam penelitian awal adalah biji Jarak Pagar (Jatropha curcas.L) asal Kebumen, Nusa Tenggara Barat dan Lampung, diperoleh dari Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan Bogor. Sedangkan untuk keperluan pemrosesan digunakan biji Jarak Pagar (Jatropha curcas.L) asal Nusa Tenggara Barat. Bahan kimia yang dipergunakan terdiri dari asam asetat glasial 99%, hidrogen peroksida 50%, natrium hidrogen karbonat, natrium sulfat, asam sulfat encer 1%, larutan hidrogen bromida 47%, kristal violet, butanol, metanol, parafin, piridin, asam asetat anhidrat, katalis bentonit dan aquades. Alat-alat yang digunakan untuk memperoleh minyak jarak pagar terdiri dari oven dan kempa hidrolik. Pada proses epoksidasi diperlukan alat labu leher tiga, dilengkapi dengan pengaduk, termometer, pengaduk dengan pemanasan, batang magnet, gelas ukur, pipet volumetrik, erlenmeyer, dan gelas piala. Pada proses hidroksilasi dan esterifikasi dibutuhkan labu dengan pendingin balik. Alat uji stabilitas terhadap oksidasi.

Metode Penelitian Penelitian ini meliputi beberapa tahapan kegiatan dapat dilihat pada Gambar 30

57

Pemilihan Bahan baku & Jalur reaksi

Pemilihan satuan operasi dan alat SINTESIS Analisis Kelayakan teknis

ANALISIS PEMODELAN KINETIKA TERMODINAMIKA

SASARAN

OPTIMASI KAPASITAS PRODUKSI

Analisis Kelayakan finansial pada kapasitas optimum

Gambar 30 Tahapan penelitian.

Penelitian perancangan proses ini mengikuti teori teori Seider et al 1999 dan tahap analisis / pemodelan mengikuti teori Hartmann et al 1990. TAHAP I : Pemilihan bahan baku dan jalur proses Pada tahap awal penelitian perancangan proses ini dilakukan pemilihan beberapa alternatif jalur proses dan alat pemroses. Bahan baku dan produk ditetapkan berdasarkan beberapa pertimbangan. Pemilihan proses dan alat proses meliputi: pemilihan jalur reaksi atau proses; kebutuhan bahan atau pereaksi; pertimbangan teknik pemisahan atau proses hilir. Metoda pemilihan yang digunakan berdasarkan aturan heuristik (kaidah umum) terhadap jalur proses dan teknik pemisahan. Pemilihan jalur proses atau proses ini adalah dengan jalan membandingkan beberapa proses (bahan baku, hasil samping, kondisi operasi, katalitis-non katalitis, jika reaksi katalitis menggunakan katalis homogen atau heterogen). Secara garis besar tahapan penelitian perancangan proses seperti pada Gambar 31 berikut ini.

58 I. Sintesis Proses

II. Analisis / Pemodelan : Kinetika reaksi, laju reaksi, total biaya

III. Optimasi kapasitas produksi

Akhir Perancangan Proses

Gambar 31 Tahapan penelitian perancangan proses.

Secara rinci tahapan penelitian perancangan proses selanjutnya meliputi: perlakuan pendahuluan terhadap biji jarak pagar, proses pengambilan minyak jarak, proses epoksidasi minyak jarak, proses hidroksilasi, proses asetilasi, karakterisasi atau uji sifat fisikokimia minyak jarak pagar dan hasil modifikasinya, uji stabilitas oksidasi, uji kinerja formulasi pelumas pada motor 2 tak. Tahap berikutnya adalah pemodelan dan optimasi kapasitas produksi. Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 32.

TAHAP 2 : Proses Epoksidasi, Hidroksilasi, dan Asetilasi Pada proses pembuatan produk dengan menggunakan bahan baku dan jalur proses yang telah dipilih, akan diperoleh kondisi operasi terbaik. Peubah proses yang digunakan adalah suhu, nisbah mol pereaksi, dan konsentrasi katalis (%).

Pengambilan minyak jarak pagar. Minyak jarak pagar diekstrak dari bijinya dengan cara terbaik yaitu untuk memperoleh kualitas minyak jarak yang jernih, kadar kotoran yang rendah, bilangan asam yang rendah dan kadar air yang rendah. Biji jarak

59 yang masih ada tempurungnya terlebih dahulu dioven selama 1 jam, kemudian dikupas untuk memisahkan tempurung dari bijinya, daging bijinya digiling sampai halus dan secepatnya dipres dingin menggunakan alat pres hidrolik manual (20 ton). Analisis yang dilakukan terhadap minyak jarak pagar yaitu : 1

komposisi asam lemak dengan menggunakan Gas-Chromatography (GC) dan menentukan gugus fungsi yang terdapat dalam senyawa menggunakan Fourier Transfer Infra Red (FTIR), dan penentuan struktur menggunakan NuclearMagnetic Resonance (NMR). Ikatan kimia dalam suatu senyawa akan mengabsorb energi infra merah pada frekuensi tertentu (panjang gelombang tertentu) dan menentukan struktur molekul organik.

2

analisis minyak jarak pagar tanpa aditif terdiri dari analisis sifat kimia (bilangan iod, bilangan penyabunan, kadar air, bilangan asam), analisis sifat fisik (titik nyala, titik tuang, densitas, viskositas pada 40° C dan 100° C, indeks viskositas dan indeks bias)

3

analisis ketahanan terhadap oksidasi dari minyak jarak pagar pada waktu oksidasi tertentu.

60

Biji Jarak Pagar

Pengambilan Minyak Jarak Dengan perlakuan awal dioven dan pengepresan hidraulik pada suhu ruang Analisis sifat fisiko kimia, GC, dan FTIR Minyak Jarak

Penentuan kondisi proses epoksidasi minyak jarak pagar meggunakan katalis H2SO4. Variasi peubah : suhu º C, nisbah pereaksi, konsentrasi katalis (%).

TAHAP

Proses

Karakterisasi Produk

Karakterisasi : bilangan oksiran. Analisa sifat fisiko kimia, GC, dan FTIR Penentuan kondisi proses hidroksilasi /pembentukan poliol (katalis Bentonit). Variasi peubah: Suhu ºC; nisbah mol pereaksi; konsentrasi katalis (%).

Karakterisasi : bilangan hidroksil, oksiran. Analisa sifat fisiko kimia, GC dan FTIR Proses asetilasi poliol dengan katalis bentonit Karakterisasi : bilangan hidroksil. Analisa sifat fisiko kimia, dan FTIR Uji stabilitas oksidasi minyak jarak, epoksi , poliol, asetilasi poliol

TAHAP Uji Kinerja Uji kinerja formula pelumas pada mesin otomotif (sifat fisikokimia, analisis logam)

TAHAP

Pemodelan

Pembuatan model laju reaksi dan kinetika reaksi proses epoksidasi, hidroksilasi, asetilasi

Optimasi kapasitas produksi untuk mendapatkan biaya minimum

TAHAP

Optimasi Analisis finansial produksi pelumas dasar (NPV, IRR, Net B/C, dan PBP) skala optimum

Penentuan kelayakan jalur proses modifikasi minyak jarak pagar secara teknis dan finansial

Gambar 32 Diagram alir kegiatan penelitian perancangan proses.

61 Proses epoksidasi minyak jarak. Proses epoksidasi minyak jarak pagar terdiri dari: 1 penelitian pendahuluan epoksidasi. Mula-mula minyak jarak pagar, asam asetat 99% dimasukkan ke dalam labu leher tiga. Hidrogen peroksida (H2O2) 50% dan katalis H2SO4 encer 1% dimasukkan secara bertetes-tetes ke dalam labu leher tiga. Campuran dipanaskan selama 2 jam sambil diaduk dengan menggunakan pengaduk magnetik. Pengadukan dilakukan agar minyak terdispersi secara sempurna. Produk epoksidasi selanjutnya dinetralisasi untuk menghilangkan sisa asam dan didinginkan dengan menggunakan larutan jenuh natrium hidrogen karbonat (NaHCO3). Beberapa mililiter (ml) air suling ditambahkan untuk mencuci sisa asam. Campuran dimasukkan ke dalam labu pemisah dan dikocok, untuk memisahkan sisa air. Lapisan air yang berada di bagian bawah corong pisah dikeluarkan. Pada penelitian ini dilakukan uji pengaruh suhu reaksi, rasio (nisbah) pereaksi, dan konsentrasi katalis (% (v/v)). Pada pembuatan epoksi minyak jarak pagar, suhu reaksi yang akan digunakan 53° C-87° C, nisbah mol pereaksi (hidrogen peroksida : asam asetat) = 1:5.4 – 1: 6.2, dan konsentrasi katalis 0.5%-1.84% (v/v). Analisis terhadap produk yang dihasilkan menggunakan bilangan oksiran. Tahapan kegiatan selanjutnya bertujuan menguji keandalan model hubungan antara respon dan peubah-peubah proses serta untuk mengoptimasi respon pada proses produksi epoksi dari minyak jarak pagar skala laboratorium. Hasil yang diharapkan adalah mendapatkan suhu, konsentrasi katalis (%) dan nisbah mol pereaksi terbaik. Disain eksperimen dan optimasi peubah proses yang berpengaruh dilakukan dengan menggunakan Response Surface Method (RSM) (Montgomery 1998). Rancangan percobaan produksi epoksi dari minyak jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 10 di bawah ini

62 Tabel 10 Rancangan percobaan proses produksi epoksi dari minyak jarak pagar Run

X1 Suhu

1 2 3 4 5 6 7 8 9

-1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 0

X2 Konsentrasi katalis -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 0

X3 Nisbah Pereaksi -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 0

10

0

0

0

11

0

0

0

12

0

0

0

13

-1.682

0

0

14

+1.682

0

0

15

0

-1.682

0

16

0

+1.682

0

17

0

0

-1.682

18

0

0

+1.682

Respon (Bilangan Oksiran)

Analisis yang dilakukan terhadap epoksi minyak jarak pagar yaitu: 1

komposisi asam lemak dengan menggunakan Gas-Chromatography (GC) dan menentukan gugus fungsi yang terdapat dalam senyawa menggunakan Fourier Transfer Infra Red (FTIR), dan penentuan struktur menggunakan Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Ikatan kimia dalam suatu senyawa akan mengabsorb energi infra merah pada frekuensi tertentu (panjang gelombang tertentu) dan menentukan struktur molekul organik.

2

analisis epoksi minyak jarak pagar tanpa aditif, terdiri dari analisis sifat kimia (bilangan iod, bilangan penyabunan, kadar air, bilangan asam) dan analisa sifat fisik (titik nyala, titik tuang, densitas, viskositas pada 40° C dan 100° C, indeks viskositas dan indeks bias)

3

analisis ketahanan terhadap oksidasi dari epoksi minyak jarak pagar

63 2

perpindahan massa katalis H2SO4 dalam H2O2. Pada tahapan ini dilakukan analisis pengaruh waktu pencampuran terhadap perpindahan massa katalis dan pereaksi, yang ditunjukkan dengan kurva pengaruh waktu terhadap perpindahan massa katalis. Hasil pengolahan data pada tahap ini dapat digunakan untuk keperluan perancangan reaktor. Pada suatu reaksi katalitis, sebelum reaksi kimia terlebih dahulu terjadi perpindahan massa katalis ke dalam pereaksi. Perpindahan massa katalis cair H2SO4 (A) dalam pereaksi H2O2 (B). Tetapan perpindahan massa heterogen (kl) pereaksi H2O2 dalam katalis H2SO4. Zat A berpindah dari fasa I ke fasa II dengan laju :

N

A

(

( waktu

gmol )( volumcampu

ran /

) = K

X

a ( x a − x a* )

Data yang dibutuhkan adalah perubahan konsentrasi tiap satuan waktu. Persamaan matematis yang digunakan adalah : dN H 2O 2 / dt = kG (CH 2O 2 − CH 2O 2 s ) Keterangan: N H2O2

= perpindahan massa H2O2 / satuan waktu. luas

kc

= tetapan perpindahan massa

C H2O2

= konsentrasi A dilarutan

C H2O2S

= konsentrasi jenuh A di larutan

Pembuatan Poliol. Pembuatan Poliol dari epoksi minyak jarak pagar terdiri dari beberapa tahapan, yaitu : 1

pemilihan jenis dan jumlah katalis padat. Pemilihan jenis dan konsentrasi katalis yang harus ditambahkan dalam proses dilakukan dengan melakukan pencobaan untuk mendapatkan pengaruh katalis (jenis dan jumlah) pada penurunan bilangan oksiran reaksi hidroksilasi epoksi jarak pagar dengan metanol. Analisis terhadap data yang diperoleh adalah analisis keragaman, yaitu untuk mengetahui pengaruh jenis dan jumlah katalis yang ditambahkan terhadap penurunan bilangan oksiran pada pembukaan cincin oksiran

64 2 penelitian pendahuluan hidroksilasi. Penelitian pendahuluan dilakukan untuk mengetahui pengaruh suhu dan rasio pereaksi terhadap reaksi pembukaan cincin oksiran (poliol) dan perkiraan kisaran kondisi operasi terbaik. Pada pembuatan poliol minyak jarak pagar, suhu reaksi yang akan digunakan 43° C - 77° C, rasio mol pereaksi (hidrogen peroksida : asam asetat) = 1:7.3 – 1:14.8, dan konsentrasi katalis bentonit 0.66% - 2.33% (v/v). Poliol disintesis di dalam labu leher tiga 500 ml yang dilengkapi dengan pendingin balik. Mula-mula 30 ml epoksi minyak jarak pagar dicampur dengan metanol pada berbagai variasi perbandingan terhadap epoksi. Campuran dipanaskan pada beberapa variasi suhu. Campuran diendapkan untuk memisahkan katalis dengan campuran poliol dan metanol. Metanol dipisahkan dengan penguapan. Analisis yang dilakukan terhadap produk poliol adalah bilangan hidroksil dan analisis yang dilakukan terhadap sisa epoksi adalah bilangan oksiran. Tahapan kegiatan ini bertujuan menguji keandalan model hubungan antara respon dan peubah-peubah proses dan untuk mengoptimasi respon (bilangan oksiran dan/atau bilangan hidroksil) pada proses produksi poliol dari epoksi minyak jarak pagar pada skala laboratorium, sehingga didapatkan suhu, konsentrasi katalis dan nisbah pereaksi terbaik. Disain eksperimen dan analisis hasil optimasi peubah proses yang berpengaruh dilakukan dengan menggunakan Response Surface Method (RSM) (Montgomery 1998).

Optimasi proses Optimasi proses untuk mendapatlan kondisi operasi terbaik dilakukan dengan Response Surface Method (RSM). Metoda optimasi dengan menggunakan rancangan percobaan faktorial membuat data menjadi dalam bentuk ortogonal dan akan mencegah permasalahan dalam memperkirakan koefisien model Metoda ini menggunakan peubah yang relatif penting dan berpengaruh pada proses, sehingga didapatkan model yang efisien. Metoda optimasi ini menggunakan perencanaan yang sistematis, peubah berubah secara simultan pada satu waktu sehingga dapat mengurangi jumlah percobaan. Sifat ortogonal dari rancangan faktorial mengakibatkan pengujian statistik menjadi lebih efektif dan dapat memberikan perkiraan sum of square tiap-tiap peubah sebaik kombinasi peubah. Perkiraan koefisien model persamaan mempunyai variasi yang lebih rendah

65 dibandingkan dengan perancangan percobaan nonortogonal. (Montgomery et al, 1998). RSM dalah suatu kumpulan dari teknik statistika dan matematika yang berguna untuk menganalisis permasalahan tentang beberapa peubah bebas yang mempengaruhi peubah tak bebas atau respon, serta bertujuan mengoptimumkan respon itu. Metodologi permukaan respon dapat dipergunakan peneliti untuk: (1) mencari fungsi pendekatan yang cocok untuk meramalkan respon yang akan datang, (2) menentukan nilai–nilai dari peubah bebas yang mengoptimumkan respon. Pada dasarnya analisis permukaan respon adalah serupa dengan analisis regresi yaitu menggunakan prosedur pendugaan parameter fungsi respon berdasarkan metoda kuadrat terkecil (least square method) dan diperluas dengan menerapkan teknik matematik untuk menentukan titik–titik optimum agar dapat ditemukan respon yang optimum (maksimum atau minimum). Biasanya bentuk hubungan antara respon dan peubah bebas tidak diketahui. Maka langkah pertama dari metodologi permukaan respon adalah mencari suatu pendekatan yang cocok untuk menggambarkan hubungan fungsional yang tepat di antara respon Y dan sekumpulan peubah bebas yang dispesifikasikan. Pada tahap awal dirumuskan model regresi polinomial dengan ordo yang rendah (satu), merupakan regresi linier : Y = β 0 + β1 X 1 + β 2 X 2 + ....... + β b X b + ε Jika terdapat lengkungan dalam kurva, maka dapat dirumuskan model polinomial dengan derajat yang lebih tinggi, misalnya seperti model polinomial ordo kedua. Pada dasarnya Steepest Ascent Method (metoda dakian tercuram) merupakan suatu prosedur untuk mencari daerah respon maksimum. Prosedur untuk mencari respon minimum disebut dengan Steepest Descent Method (metoda turunan tercuram), keduanya merupakan prosedur efisien untuk mencari titik-titik optimum (maksimum atau minimum). Langkah-langkah prosedural metoda dakian tercuram adalah sebagai berikut: (1) menetapkan fungsi respon ordo pertama dalam suatu daerah yang dibatasi oleh peubah-peubah bebas (x1, x2......, xk). Pada tahap awal ini digunakan rancangan faktorial sederhana berukuran 2k untuk menduga koefisien–koefisien persamaan dengan menggunakan metoda kuadrat terkecil, (2) menetapkan lintasan dakian tercuram. Jika terdapat dua peubah bebas (x1,x2, k=2), maka respon dari kontur-kontur Y merupakan

66 sederet garis-garis paralel, (3) percobaan dilanjutkan sepanjang lintasan dakian tercuram itu, sampai tidak diperoleh lagi peningkatan respon yang diamati. Untuk menentukan kondisi yang dapat memaksimumkan hasil, digunakan dua peubah yang akan mempengaruhi hasil. Kondisi optimum sudah diketahui pada penelitian sebelumnya, maka akan dicari daerah operasi optimum dengan menggunakan metoda dakian tercuram. Selanjutnya ditetapkan daerah percobaan awal pada taraf kedua faktor. Untuk mengumpulkan data digunakan percobaan faktorial 2x2 atau 22 yang diperluas dengan 5 titik pusat, dimana titik pusat adalah titik optimum yang sudah diketahui pada penelitian sebelumnya apabila dinyatakan dalam peubah kode menjadi (X1 =0 , X2=0). Pengulangan pengamatan pada titik pusat dimaksudkan untuk menduga galat percobaan serta memeriksa ketepatan model ordo pertama. Untuk memudahkan proses komputasi guna menduga parameter model polinomial ordo pertama, maka dapat mengubah peubah asli W dan T ke dalam peubah kode X1 dan X2 yang saling ortogonal, bentuk perubahannya adalah :

X 1 = (W − Wopt )/ Dw X 2 = (T − Topt )/ DT

Wopt = W kondisi optimum ; DW = interval taraf W Topt = T kondisi optimum ; DT = interval taraf T Maka peubah asli W dan T dapat diubah ke dalam bentuk peubah kode X1 dan X2. Model ordo pertama yang dirumuskan adalah : Y = β 0 + β1 X 1 + β 2 X 2 + ε Y = respon ; X1 = kode peubah W ; X2 = kode peubah T Peubah X1 dan X2 bersifat ortogonal, dimana X1 = 0 , X2 = 0 maka proses pendugaan parameter model menjadi lebih mudah :

67 b0 = Y = (∑ Y )/ n b1 = (∑ X 1Y )/

(∑ X )

b2 = (∑ X 2Y )/

2 1

(∑ X ) 2 2

Selanjutnya perlu memeriksa keandalan model ordo pertama berdasarkan data percobaan, model ini cukup diandalkan bagi penetapan lintasan dakian tercuram. Untuk mengetahui kondisi optimum digunakan Analisis Ragam dengan paket program statistik. Tahapan selanjutnya dapat disusun fungsi respon ordo kedua dengan menggunakan Rancangan Komposit Pusat (RKP = Central Composite Design) untuk mengumpulkan data percobaan. Pada dasarnya RKP adalah rancangan faktorial 2k atau faktorial sebagian, dimana terdapat dua taraf dari setiap peubah yang diberi kode -1 dan +1 , serta diperluas dengan suatu matriks menggunakan nilai α. α = 2 k/4

; untuk ulangan penuh

α = 2 (k-1)/4

; untuk setengah ulangan

Sehingga RKP dipergunakan untuk menduga model ordo kedua yang dirumuskan sebagai berikut: Y = β 0 + β1 X 1 + β 2 X 2 + β11 X 12 + β 22 X 22 + β12 X 1 X 2 + ε Pengujian koefisien regresi dilakukan dengan Analisis Varian, ketepatan model ditentukan berdasarkan uji simpangan model, sedangkan kriteria lainnya seperti besaran R2 yang tinggi, uji persamaan regresi yang bersifat nyata, serta kriteria lainnya hanyalah bersifat mendukung. Suatu model dikatakan tepat dan cocok dengan suatu permasalahan apabila uji simpangan bersifat tidak nyata secara statistik, serta suatu model dikatakan tidak tepat untuk menerangkan suatu fenomena sistem apabila uji simpangan bersifat nyata secara statistik. Apabila model ini merupakan model yang tepat untuk menerangkan kasus percobaan ini, maka dapat ditentukan titik-titik yang dapat memaksimumkan fungsi respon dengan menerapkan konsep optimasi (kalkulus), dengan syarat perlu:

∂ Y / ∂ X1

68 = 0 dan ∂ Y / ∂ X2 = 0. Penyelesaian persamaan ini, akan memberikan titik stasioner X1 dan X2. Pada proses hidroksilasi, optimasi bertujuan untuk menentukan suhu, rasio alkohol dan epoksi dan konsentrasi katalis yang sesuai, sehingga menghasilkan respon bilangan oksiran terendah atau bilangan hidroksil tertinggi. Langkah-langkah yang dilakukan adalah sebagai berikut: 1 menentukan taraf –taraf faktor percobaan seperti terlihat pada Tabel 11 2 melakukan pengumpulan data percobaan berdasarkan matrik pengamatan 3 melakukan pengujian ordo satu, jika hasil pengujian menunjukkan berbeda nyata secara statistik maka dilanjutkan pembuatan model permukaan respon ordo dua 4 melakukan analisis regresi dan komputasi. Menentukan pendugaan hasil berdasarkan data yang dimiliki dan perhitungan nilai R2 5 melakukan pengujian ketepatan model.

Tabel 11 Rancangan percobaan proses produksi poliol dari epoksi minyak jarak pagar dengan respon bilangan oksiran dan bilangan hidroksil Run 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

X1 Suhu

17

-1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 0 0 0 0 0 0 -1.682 +1.682 0

18 19 20

0 0 0

16

X2 Konsentrasi katalis -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.682 +1.682 0 0

X3 Nisbah pereaksi -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 -1.682 +1.682

Respon (Bilangan Oksiran & Bilangan Hidroksil)

69 Analisis yang dilakukan terhadap poliol minyak jarak pagar yaitu : 1

komposisi asam lemak dengan menggunakan Gas-Chromatography (GC) dan menentukan gugus fungsi yang terdapat dalam senyawa menggunakan Fourier Transfer

Infra

Red

(FTIR),

dan

penentuan

struktur

menggunakan

NuclearMagnetic Resonance (NMR). Ikatan kimia dalam suatu senyawa akan mengabsorb energi infra merah pada frekuensi tertentu (panjang gelombang tertentu) dan menentukan struktur molekul organik. 2 analisis poliol minyak jarak pagar tanpa aditif, meliputi sifat kimia (bilangan iod, bilangan penyabunan, kadar air, bilangan asam), analisa sifat fisik (titik nyala, titik tuang, densitas, viskositas pada 40° C dan 100° C, indeks viskositas dan indek bias) 3 analisis ketahanan terhadap oksidasi dari poliol minyak jarak pagar pada waktu tertentu.

Perpindahan massa alkohol dalam katalis bentonit

Pada tahapan ini dilakukan analisis pengaruh waktu pencampuran terhadap perpindahan massa katalis dan pereaksi, yang ditunjukkan dengan kurva pengaruh waktu terhadap perpindahan massa. Hasil pengolahan data pada tahap ini digunakan untuk keperluan perancangan reaktor. Pada reaksi katalitis, sebelum terjadi reaki terlebih dahulu terjadi perpindahan massa katalis ke dalam pereaksi. Perpindahan massa metanol pada permukaan katalis bentonit. Data yang dibutuhkan adalah perubahan konsentrasi tiap satuan waktu. Persamaan matematis yang digunakan adalah : dN alkohol

dt

= kG (Calkohol − Calkohols )

Pembuatan Asetilasi Poliol. Asetilasi poliol disintesis di dalam labu leher tiga

500 ml pada suhu 90° C selama 30 menit. Pada tahapan ini akan dicari kinetika reaksi asetilasi. Mula-mula 60 ml poliol minyak jarak pagar, dicampur dengan asam asetat anhidrat 6 ml dan katalis bentonit 2% berat campuran reaksi. Campuran dipanaskan sampai dengan suhu 90° C dan sampel diambil untuk dianalisis bilangan hidroksil-nya setiap 5 menit. Campuran sampel dimasukkan ke dalam tabung reaksi untuk memisahkan endapan katalis dengan campuran asetilasi poliol yang dihasilkan dan sisa asam asetat

70 anhidrat. Asam tersisa dinetralisasi dengan natrium karbonat. Analisis yang dilakukan terhadap produk poliol terasetilasi adalah bilangan hidroksil dan bilangan asam. Analisis yang dilakukan terhadap asetilasi poliol minyak jarak pagar yaitu : 1

komposisi asam lemak dengan menggunakan Gas-Chromatography (GC) dan menentukan gugus fungsi yang terdapat dalam senyawa menggunakan Fourier Transfer Infra Red (FTIR), dan penentuan struktur menggunakan NuclearMagnetic Resonance (NMR). Ikatan kimia dalam suatu senyawa akan mengabsorb energi infra merah pada frekuensi tertentu (panjang gelombang tertentu) dan menentukan struktur molekul organik.

2

analisis asetilasi poliol minyak jarak pagar tanpa aditif. Analisis terdiri dari analisis sifat kimia (bilangan iod, bilangan penyabunan, kadar air, bilangan asam) dan analisa sifat fisik (titik nyala, titik tuang, densitas, viskositas pada 40°C dan 100°C, indeks viskositas dan indeks bias)

3

analisis ketahanan terhadap oksidasi dari asetilasi poliol minyak jarak pagar pada waktu tertentu

. TAHAP 3 : Analisis / Pemodelan

1 Analisis atau pemodelan terhadap kinetika reaksi epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi dilakukan untuk mendapatkan parameter kinetika reaksi, konversi, rendemen, parameter termodinamika. Metoda yang dilakukan adalah dengan mengolah data secara analitis terhadap hasil proses di laboratorium menggunakan persamaan neraca massa di reaktor. Hasil pengolahan data digunakan untuk perancangan reaktor. 2 Analisis atau pemodelan makroskopis reaktor pengadukan ideal. Perhitungan waktu curah ideal pada proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi.

Pemodelan laju reaksi dan penentuan parameter kinetika reaksi epoksidasi terhadap minyak jarak pagar. Proses pembuatan epoksi dengan kondisi terbaik

dilakukan untuk menentukan laju reaksi (–ra) pada tahapan epoksidasi minyak jarak pagar dengan katalis H2SO4, penentuan tetapan laju reaksi (k) dan parameter-parameter kinetika reaksi. Data percobaan yang dibutuhkan adalah perubahan bilangan oksiran sebelum dan sesudah proses epoksidasi dengan fungsi waktu proses. Contoh diambil setiap 30 menit

71 selama waktu proses tertentu dengan variasi suhu. Perhitungan laju reaksi dan tetapan laju reaksi dilakukan dengan menggunakan metoda analitis. Dari data percobaan dapat ditentukan: faktor frekuensi tumbukan (A), energi aktivasi (Ea), dan konversi (x). Data awal yang dibutuhkan adalah pH, bilangan asam, dan bilangan iod. 1 persamaan kinetika epoksidasi. Pada proses epoksidasi, yang mengontrol reaksi selama proses berlangsung adalah pembentukan asam perasetat (Rangarajan et al 1995). Mekanisme reaksi epoksidasi minyak terdiri dari beberapa tahapan : O

O

H2SO4

CH3- C- O-H + H2O2 Asam asetat (A)

H2O + CH3- C – O-O-H

Hidrogen peroksida (B)

Air (C)

1)

Asam perasetat (D)

O CH3 – O – C – C ~ C=C-..(R) O

O

CH2 – O – C - C ~C=C-..(R)

+

CH3- C – O-O-H

O CH3 - O – C - C ~C=C-..(R) Trigliserida (F) O

Asam Perasetat (D) O

CH3 – O – C – C ~ C - C-..(R) O

O

CH2 – O – C - C ~C - C-..(R) O

O +

CH3 – C- O-H

O

CH2 – O – C - C ~C - C-..(R) Epoksi minyak E

Asam Asetat A

2)

72 Persamaan kecepatan reaksi pembentukan asam perasetat dCD

dt

= k1C ACB − k2CDC F

3)

Persamaan kecepatan reaksi pembentukan epoksi minyak dCE dCD

dt

= k 2C D C F

dt

= k1C ACB − dCE

4)

dt

5)

Perubahan konsentrasi Asam perasetat terhadap waktu sangat kecil dibandingkan dengan perubahan konsentrasi trigliserida terepoksidasi, atau dCD/dt << CE/dt. Sehingga persamaan pembentukan epoksi minyak dCE

dt

= k1C A0CB

6)

CA0 = konsentrasi asam asetat mula-mula, gek L-1 Dari neraca massa diperoleh : CB = CB0 – CE

7)

CB0 = konsentrasi H2O2 mula-mula, gek L-1 dCE

dt

= k1C A0 (CB 0 − CE )

8)

Bila k1 CA0 = k’ dCE dCE

= k ' (CB 0 − CE )

9)

(CB 0 − CE ) = k ' dt

10)

dt

Persamaan 10) diintegrasikan, sehingga didapatkan persamaan : ln (C B 0 − C E )0 = k ' t CE

ln CB 0 − ln (CB 0 − CE ) = kt + C

73 ln⎛⎜ ⎝

CB 0

⎞

(CB 0 − CE )⎟⎠ = k ' t

11)

Y = a + bx

Persamaan ini merupakan persamaan linier dengan nilai k’ sebagai intersep garis tersebut. Dari hubungan nilai tetapan laju reaksi ln k’ dengan (1/T) diperoleh persamaan linier dengan nilai E/R sebagai kemiringan dan nilai ln A sebagai intersep. k ' = Ae

(

−E

RT

)

12)

ln k = ln A − E

RT

Keterangan : k : tetapan laju reaksi A: faktor frekuensi tumbukan E : energi aktivasi R : tetapan gas ideal, 1.987 kal/gmol K T : suhu

Harga entalpi reaksi (ΔHR) dan entropi (ΔS) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan teori keadaan transisi (Levenspiel 1972) sebagai berikut: ln A − E

RT

k T = ln ⎛⎜ B h ⎝

⎞ − ΔH + ΔS ⎟ RT R ⎠

ΔH = E − (1 − Δn )RT ΔS

⎛ ⎜ = ln ⎜ R ⎜⎜ ⎝

A

⎞ ⎟ ⎟ − (E − Δ H ) / RT ⎛ k BT ⎞ ⎟ ⎜ ⎟⎟ h ⎝ ⎠⎠

Keterangan : kB : tetapan Boltzmann, 1.3 x 10-16 erg/K h : tetapan Planck, 6.63 x 10-27 erg.detik ΔH: entalpi, panas reaksi ΔS : entropi Δn : molekularitas

74 2 perhitungan waktu curah ideal pada proses epoksidasi minyak jarak pagar. Neraca Massa dalam reaktor curah isotermal (endotermis/ eksotermis) digunakan untuk menentukan waktu curah ideal. Persamaan yang dihasilkan digunakan untuk menghitung waktu curah ideal dan selanjutnya dibandingkan dengan hasil percobaan di laboratorium.

Pemodelan Laju reaksi dan data Kinetika reaksi hidroksilasi terhadap epoksi minyak jarak pagar. Proses pembuatan poliol dengan kondisi optimum

dilakukan untuk menentukan laju reaksi pada tahapan hidroksilasi epoksi minyak jarak pagar dengan katalis padat, serta penentuan tetapan laju reaksi. Data percobaan yang dibutuhkan adalah perubahan bilangan hidroksil dan bilangan oksiran saat sebelum dan sesudah proses hidroksilasi dengan fungsi waktu proses. Contoh diambil setiap 30 menit selama waktu proses tertentu. Perhitungan laju reaksi dan tetapan laju reaksi dilakukan dengan menggunakan metoda analitis. Dalam percobaan ini dilakukan pengambilan data bilangan oksiran, pH, dan bilangan hidroksil pada proses pembukaan cincin oksiran, dengan variasi suhu. Data awal epoksi minyak yang dibutuhkan adalah pH, bilangan asam, bilangan iod, dan bilangan oksiran. Parameter kinetika meliputi nilai tetapan laju reaksi (k), faktor frekuensi tumbukan (A) dan energi aktivasi (EA) dapat ditentukan dengan mengolah data hasil percobaan di atas. Menentukan persamaan laju reaksi pembukaan cincin oksiran, yaitu menentukan orde reaksi maupun tipe reaksi (reversibel atau irreversibel).

1 persamaan kinetika hidroksilasi. Model yang didapatkan adalah model laju reaksi untuk asumsi reaksi orde 2 bolak-balik dan tidak bolak-balik. Penyelesaian persamaan laju reaksi menggunakan metoda integral. E+ M

P

Keterangan : CE

= konsentrasi epoksi minyak jarak pagar (bilangan oksiran)

CM

= konsentrasi metanol

CP

= konsentrasi poliol (bilangan hidroksil)

75 O

O

CH3 – O – C – C ~ C - C-..(R) O

O

CH2 – O – C - C ~C - C-..(R) O

+

CH3 –OH

O

CH2 – O – C - C ~C - C-..(R)

Epoksi minyak, E O

Metanol, M

OH OCH3

CH3 – O – C – C ~ C - C-..(R) O

OH OCH3

CH2 – O – C - C ~ C - C-..(R) O

OH OCH3

CH2 – O – C - C ~ C - C-..(R)

Poliol, P

(− rE ) = − dCE dt = k .CE .CM

, CM konstan sehingga persamaan menjadi :

(− rE ) = − dCE dt = k '.CE ..............................................................................................i) Stoikiometris : CE = CB 0 (1 − X E ) .........................................................................................................ii) CM = CM 0 − CM 0 X E .....................................................................................................iii)

Persamaan ii dan iii disubstitusi ke persamaan i dan diselesaikan secara analitis, sehingga didapatkan nilai k. Dengan cara yang sama dilakukan terhadap data pada suhu yang berbeda, sehingga didapatkan data k pada beberapa suhu, jika nilai k mendekati tetap pemisalan orde dan jenis reaksi sudah benar. Dari data k = f (T) bisa dihitung nilai A dan Ea Jika nilai k berbeda, maka pemisalan jenis reaksi belum benar.

76 2

perhitungan waktu curah ideal pada proses hidroksilasi terhadap epoksi minyak jarak pagar. Neraca Massa dalam reaktor curah isotermal (endotermis/ eksotermis) digunakan untuk menentukan waktu curah ideal. Persamaan yang dihasilkan digunakan untuk menghitung waktu curah ideal dan selanjutnya dibandingkan dengan hasil percobaan di laboratorium.

Pemodelan laju reaksi dan penentuan parameter kinetika reaksi asetilasi terhadap poliol minyak

jarak pagar. Persamaan reaksi asetilasi terhadap poliol

menggunakan asam asetat anhidrat adalah sebagai berikut: O

OH OCH3

CH3 – O – C – C ~ C - C-..(R) O

OH OCH3 Katalis Asam

CH2 – O – C - C ~C - C-..(R) O

OH OCH3 +

H+ (CH2CO)2O

CH2 – O – C - C ~C - C-..(R) Poliol

Asam asetat anhidrat

P

An O

OR’ OR

CH3 – O – C – C ~ C - C-..(R) O

OR’ OR

CH2 – O – C - C ~C - C-..(R) O

OR’ OR

+

CH3COOH

CH2 – O – C - C ~C - C-..(R) POE

AA

R = CH3 atau C2H5 ; R’ = COCH2

Tahapan penelitian proses pembuatan asetilasi poliol dilakukan untuk menentukan persamaan laju reaksi tahap esterifikasi poliol minyak jarak pagar dengan katalis padat dan penentuan tetapan laju reaksi. Data percobaan yang dibutuhkan adalah perubahan bilangan hidroksil saat sebelum dan sesudah proses hidroksilasi dengan fungsi waktu

77 proses. Contoh diambil setiap 5 menit selama waktu proses tertentu. Perhitungan kecepatan reaksi dan tetapan kecepatan reaksi dilakukan dengan menggunakan metoda analitis. Pada percobaan ini dilakukan pengambilan data bilangan hidroksil dengan variasi suhu. Data awal poliol minyak yang dibutuhkan adalah bilangan asam, bilangan oksiran dan bilangan hidroksil. 1 persamaan kinetika asetilasi. Persamaan reaksi asetilasi diasumsikan orde 2 dengan nisbah mol pereaksi tinggi, sehingga salah satu pereaksi bisa dianggap tetap.

(− r ) = − dC p

(r E ) =

p

dt

− dC

E

= kC pC An ; CAn tetap sehingga persamaan menjadi : dt

= k ' - rE = -dCE/ dt = k’. CE ...................................i)

Stoikiometris : CE = CE 0 (1 − X E ) ............................................................................................ii) CM = CM 0 − CM 0 X E ........................................................................................iii)

Persamaan ii dan iii disubstitusi ke persamaan i, persamaan yang dihasilkan diselesaikan secara analitis sehingga didapatkan nilai k. Dengan cara yang sama dilakukan terhadap data pada suhu yang berbeda, sehingga didapatkan data k pada beberapa suhu, jika nilai k mendekati tetap pemisalan orde dan jenis reaksi sudah benar. Dari data k = f (T) bisa dihitung nilai A dan E Jika nilai k sangat berbeda, maka pemisalan jenis reaksi tidak benar, maka dicoba pemisalan yang lain.

2 perhitungan waktu curah ideal pada proses asetilasi terhadap poliol minyak jarak pagar. Neraca Massa dalam reaktor curah isotermal (endotermis/ eksotermis) digunakan untuk menentukan waktu curah ideal. Persamaan yang dihasilkan digunakan untuk menghitung waktu curah ideal dan selanjutnya dibandingkan dengan hasil percobaan di laboratorium.

TAHAP 4 : Karakterisasi Produk

Pada minyak jarak pagar dan hasil modifikasinya: epoksi, poliol, dan asetilasi poliol dilakukan analisis sifat fisik, sifat kimia, penentuan gugus fungsi yang terdapat

78 dalam senyawa menggunakan FTIR, dan penentuan struktur menggunakan NMR. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui perubahan sifat fisik, kimia dan struktur molekulnya, sehingga bisa digunakan sebagai dasar analisis terhadap kemampuan hasil modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar.

TAHAP 5 : Pengujian kinerja formula pelumas

Kinerja pelumas dievaluasi dengan menggunakan 2 jenis pengujian, yaitu : Pengujian kinerja pelumas dasar - daya tahan terhadap oksidasi. Data yang

digunakan sebagai parameter respon pada pengujian kinerja pelumas dasar adalah kestabilan oksidasi. Pengaruh penambahan antioksidan dan modifikasi minyak terhadap kestabilan oksidasi dilakukan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap parameter bilangan asam dan viskositas. Prosedur pelaksanaan penelitian kestabilan oksidasi pelumas dasar adalah sebagai berikut: sampel minyak, epoksi, poliol dan asetilasi poliol masing-masing dimasukkan ke dalam rangkaian alat oksidasi kemudian dipanaskan pada suhu 100° C selama 3 jam, setiap 30 menit diambil sampel untuk diuji bilangan asam dan viskositas. Pada data hasil pengujian kinerja pelumas dasar terhadap kestabilan oksidasi dengan parameter bilangan asam dan viskositas, selanjutnya dilakukan analisis keragaman untuk mengetahui pengaruh oksidasi terhadap kedua parameter di atas.

Pengujian kinerja formulasi pelumas. Sebelum melakukan pengujian kinerja

formulasi pelumas, dilakukan analisis terhadap karakteristik pelumas dasar yang dihasilkan untuk mengetahui aplikasinya. Tahap selanjutnya adalah pencampuran antara pelumas dasar yang dihasilkan dengan pelumas komersial dengan perbandingan tertentu. Pengujian kinerja dilakukan dengan pencampuran pelumas dasar dari minyak jarak pagar dengan pelumas komersial dengan perbandingan tertentu. Mengevaluasi kinerja formula pelumas sintetis pada mesin otomotif setelah digunakan selama 100 jam. Pengujian dilakukan terhadap campuran pelumas sebelum digunakan dan sesudah digunakan selama waktu tertentu. Beberapa pengujian sifat/kinerja minyak pelumas digunakan pada mesin sepeda motor adalah sebagai berikut: 1 bilangan basa dalam mg KOH / g, dengan cara ASTM D2896 2 viskositas 40° C -100° C

79 3 indeks viskositas 4 kandungan air 5 titik tuang 6 titik nyala 7 analisis kandungan logam

TAHAP 6: Integrasi Proses

Pengintegrasian seluruh tahapan proses dari perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar menjadi pelumas dasar sehingga didapatkan produk yang sesuai dengan karakteristik yang diinginkan, dinyatakan dalam bentuk blok diagram dan PEFD (Process Engineering Flow Diagram) Data-data kinetika dari proses yang sudah dilakukan pada skala laboratorium digunakan untuk simulasi dengan menggunakan paket program Hysis. Jalur proses yang digunakan dibandingkan dengan hasil simulasi dari data percobaan pada penelitian yang sudah ada sebelumnya.

TAHAP 7: Penyusunan neraca massa di setiap tahapan proses

Penyusunan neraca massa di setiap alat pada tiap-tiap proses, baik pada reaktor maupun alat pemisah, dilakukan dengan menggunakan data aliran bahan hasil penelitian di laboratorium. Perhitungan selanjutnya dilakukan pada skala yang lebih besar. Hasil perhitungan ini digunakan untuk menentukan spesifikasi alat.

TAHAP 8 : Simulasi dan Optimasi Kapasitas Produksi untuk meminimumkan biaya produksi total per satuan produksi

Kapasitas produksi tergantung pada beberapa faktor, yaitu jumlah jam operasi per hari, per minggu, per bulan atau per tahun, beban alat, ketersediaan bahan. Pada tahapan ini akan dilakukan optimasi untuk menentukan kapasitas produksi ekonomis per tahun. Biaya produksi total per satuan waktu dibagi menjadi 2 (dua) kelompok, yaitu: biaya operasi (Variabel Cost) yang tergantung pada kapasitas produksi, misalnya tenaga kerja, bahan baku, utilitas, dan biaya organisasi (Fixed Cost) tidak tergantung pada kapasitas produksi.

80 Biaya Produksi total per satuan produksi (cT) merupakan total biaya dari biaya operasi dan biaya organisasi : cT = h + mP n +

Oc' P

CT = cT .P = ( h + mP n +

Oc ' ).P P

r = s − cT = s – h – mPn –Oc/P

R’ = rP=(s – h – mPn – Oc /P) P Keterangan : h + mPn

= biaya operasi per satuan produksi (Variabel Cost)

Oc

= biaya organisasi per satuan produksi (Fixed Cost)

cT

= biaya produksi total per satuan produksi

CT

= biaya produksi total per satuan waktu

P

= total satuan produksi per satuan waktu

m, n

= tetapan

r

= keuntungan

s

= harga penjualan per satuan produksi

Optimasi kapasitas produksi dilakukan untuk mendapatkan biaya per satuan produksi minimum. Penyelesaian optimasi dari hasil simulasi menggunakan persamaanpersamaan neraca massa, neraca energi, spesifikasi alat, data kinetika atau konversi dan lain sebagainya dengan program Hysis. Optimasi dapat diartikan sebagai suatu proses untuk mencari kondisi yang optimum, dalam arti yang paling menguntungkan. Optimasi bisa berupa maksimasi atau minimasi. Bila kita berhadapan dengan masalah keuntungan, keadaan optimum adalah keadaan yang memberikan keuntungan maksimum (maksimasi), sedangkan bila berhadapan dengan masalah pengeluaran/pengorbanan keadaan optimum adalah yang memberikan pengeluaran/pengorbanan minimum (minimal). Secara umum fungsi yang akan dimaksimumkan atau diminimumkan disebut fungsi obyektif, sedangkan hargaharga yang berpengaruh dan bisa dipilih disebut variabel (perubah). Secara analitis, nilai maksimum atau minimum dari suatu persamaan :

81 y = f (x) Dapat diperoleh pada harga x yang memenuhi y1 ( x ) = f 1 ( x ) = 0 Untuk fungsi yang sukar untuk diturunkan atau mempunyai turunan yang sukar dicari akarnya, proses optimasi dapat dilakukan secara numeris. Golden section merupakan salah satu cara optimasi numeris yang bisa dipakai untuk fungsi yang bersifat unimodal (Ruud and Watson, 1968). Kedua tipe optimasi, yaitu maksimasi dan minimasi dapat diselesaikan dengan cara ini. Misal dilakukan maksimasi terhadap persamaan

y = f (x) dalam interval

xa sampai xβ . Dipilih 2 titik untuk evaluasi, misalnya xp dan xq. Diharapkan dengan berdasar pada harga y pada 2 titik tersebut maka ada sebagaian interval yang dapat dieliminasi. Diharapkan pula bahwa pada evaluasi langkah selanjutnya, salah satu titik lama bisa dipakai lagi. Jadi hanya diperlukan 1 titik baru, misal titik P dan Q masingmasing berjarak l x interval awal dari titik B dan A. Dalam hal ini harga l akan dicari.

(x

Q

− xP )lama = (xP − x A )baru

Selanjutnya :

{1 − (1 − l )}(xB − x A )lama = (1 − l )(xB − xA )baru (2l − 1)(xB − x A )lama = (1 − l ).l.(xB − x A )lama 2l − 1 = 1 − (1)

2

(1)2 + l − 1 = 0 l=

5 −1 = ∞0,618 2

Kemungkinan-kemungkinan yang terjadi pada eliminasi dengan cara Golden Section adalah : Maksimasi : yP < yQ → x A = xP xP = xQ ; xβ = xβ xQ = dicari Yp > YQ → x A = x A

xβ = xQ ; xQ = xP

82 xP = dicari

Minimasi : YP < YQ → x A = x A xB = xQ ; xQ = xP xP = dicari

YP > YQ → x A = xP xP = xQ ; xB = xB xQ = dicari

TAHAP 9 : Analisis kelayakan finansial produksi pelumas dasar dari minyak jarak pagar melalui modifikasi kimiawi pada kapasitas optimum

Pengkajian dilakukan pada skala optimum dengan tujuan agar mengetahui bahwa jalur proses yang dipilih merupakan jalur yang dinyatakan layak secara finansial. Analisis kelayakan finansial dilakukan setelah ditentukan kapasitas optimum produksi asetilasi poliol terbaik (optimum). Biaya produksi dihitung berdasarkan konversi, biaya bahan baku, biaya bahan untuk proses, biaya air dan listrik yang dibutuhkan, biaya tenaga kerja, dan biaya tetap untuk proses tersebut. Kajian kelayakan jalur proses secara finansial untuk produksi asetilasi poliol dari minyak jarak pagar meliputi NPV (Net Present Value), IRR (Internal Rate of Return), Net B/C (Net Benefit Cost), (PBP) Payback Period dan analisis sensitifitas. 1

persamaan untuk menghitung NPV n

NPV = ∑ t =0

dengan :

Bt − Ct (1 + i )t

Bt

: benefit bruto pada tahun ke-t

Ct

: biaya bruto proyek pada tahun ke-t

i

: tingkat suku bunga

t

: lama investasi (t = 0, 1, 2, …, n)

2 persamaan untuk menghitung IRR i = i1 +

NPV1 (i2 − i1 ) NPV1 − NPV2

83 dengan :

NPV1 : nilai NPV yang positif NPV2 : nilai NPV yang negatif i

: IRR (%)

3 persamaan untuk menghitung Net B/C n

NetB / C =

Bt − Ct

∑ (1 + i ) t =0 n

t

Ct − Bt , untukBt − Ct 〈 0

∑ (1 + i )

t

t =0

dengan :Bt

3

, untukBt − Ct 〉 0

: benefit bruto pada tahun tertentu (t)

Ct

: biaya bruto pada tahun tertentu (t)

i

: tingkat bunga

n

: umur ekonomis proyek

persamaan untuk menghitung payback period

PBP =

I k

∑ (Rk − Ek ) i =0

dengan : Rk

: penerimaan pada tahun ke-k

Ek

: pengeluaran pada tahun ke-k

PBP : payback period I

: investasi

TAHAP 10 : Penentuan Kelayakan Proses Modifikasi Minyak Jarak Pagar

Luaran dari tahapan ini adalah penentuan kelayakan teknis dan finansial terhadap jalur proses yang ddigunakan untuk menghasilkan pelumas dasar dari minyak jarak pagar sesuai dengan spesifikasi produk yang diinginkan.

84

HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian tentang perancangan proses pembuatan pelumas dasar dari minyak jarak pagar ini, didasarkan pada besarnya kebutuhan pelumas di dalam negeri, dan menurut data BPS tahun 2003 sampai dengan saat ini pemenuhan kebutuhan masih dilakukan dengan cara mengimport pelumas dasar, seperti terlihat pada Lampiran 2. Sintesis Proses Tahapan sintesis proses meliputi pemilihan bahan baku, pemilihan produk, dan pemilihan jalur proses modifiksdi. Selanjutnya dilakukan proses modifikasi berdasarkan jalur proses yang sudah dipilih. Pemilihan Bahan Baku Bahan baku pelumas dasar ditetapkan berdasarkan beberapa pertimbangan, yaitu karakteristik bahan baku (sifat fisik, kimia, rendemen) dan pemanfaatan. Bahan baku yang berpotensi untuk digunakan adalah minyak jarak pagar. Penggunaan minyak jarak pagar saat ini masih terbatas.

Potensi Minyak Jarak Pagar sebagai bahan baku Pelumas. Minyak jarak pagar (Jatropha curcas oil) dipilih sebagai bahan pelumas dasar karena beberapa sifat fisik dan kimianya yang diperlukan pada pelumasan. Untuk mendapatkan minyak, sebelumnya biji jarak pagar dioven pada suhu 100° C selama 1 jam untuk mengurangi kadar air yang dapat mengakibatkan terhidrolisisnya minyak sehingga menaikkan bilangan asam. Minyak jarak pagar didapatkan dengan cara dipres tanpa panas. Pada tahap awal dilakukan penelitian pendahuluan untuk mengetahui rendemen biji jarak pagar dan data yang diperoleh dapat dilihat pada Tabel 12 di bawah ini. Tabel 12 Data rendemen minyak jarak No 1 2 3 4

Parameter Rendemen dengan tempurung (%) Rendemen tanpa tempurung (%) Bilangan Asam (mg KOH/ 100 g minyak) Kadar air (%)

20.3 41.66 3.97 1.2

85 Pada Tabel 12 rendemen minyak tanpa tempurung menunjukkan hasil yang menyerupai kandungan minyak dalam biji jarak pada umumnya, yaitu sekitar 40% - 45% (Hambali et al. 2006). Hal yang menyebabkan berbedanya jumlah rendemen adalah dari sisi budidaya yaitu tempat tumbuh, iklim, waktu panen, musim, faktor lainnya adalah genetik dan proses ekstraksi minyak (pengepresan). Bilangan asam minyak juga bisa menunjukkan hasil yang berbeda-beda. Pengepresan dengan pemanasan akan menghasilkan rendemen minyak tinggi, tetapi bilangan asam juga tinggi. Faktor lain yang menyebabkan tingginya bilangan asam adalah kandungan air. Tingginya kandungan air dapat memperbesar kemungkinan terjadinya proses hidrolisis minyak dan dapat membentuk asam lemak bebas, sehingga bilangan asam menjadi tinggi. Perlakuan awal terhadap biji sebelum dipres mempengaruhi kandungan air dalam bahan. Tabel 13 Perbandingan sifat fisik beberapa minyak nabati dan mineral Minyak

Viskositas

Viskositas

Indeks

Titik tuang

Titik nyala

40° C cSt

100° C cSt

viskositas

°C

°C

Minyak nabati Minyak jarak pagar

34.17

7.95

217

0

270

Minyak jarak

295.4

20.34

87

-10

307

Minyak kelapa

27.7

6.1

175

-

-

bunga 39.9

8.6

206

-12

252

Minyak kanola

36.2

8.2

211

-18

346

Minyak kedelai

28.9

7.6

246

-9

325

Minyak kelapa sawit

39.7

8.2

188

-

-

HVI-60

-

4.5-5.0

103

0

204

HVI-95

-

6.9-7.6

100

15

210

HVI-160S

-

11.1-12.2

100

15

230

HVI-160B

-

11.1-12.2

99

15

230

HVI-650

-

31.6-34.7

96

15

267

HVI-360

-

50-54

-

15

267

PAO

2-100

2-100

125-140

-50

-

POE

76.7

11.3

214

-

285

Minyak

biji

matahari

Minyak Mineral

Sumber Pendukung: La Puppung 1986 & Gawrilow 2003.

86

Sifat Fisik Minyak Jarak Pagar. Pada pengolahan minyak mineral dapat dihasilkan beberapa pelumas dasar dengan tingkat viskositas yang berbeda antara satu dengan lainnya. Pada Tabel 13 terlihat beberapa jenis pelumas dasar baik dari minyak nabati maupun dari minyak mineral dan dari satu jenis minyak mineral dapat diperoleh beberapa jenis pelumas dasar yang berbeda-beda tingkat viskositasnya. Sifat minyak jarak pagar diharapkan sama atau mendekati sifat-sifat pelumas dasar minyak mineral.

Indeks viskositas. Minyak nabati termasuk minyak jarak pagar mempunyai indeks viskositas yang sangat tinggi dibandingkan dengan minyak mineral. Indeks viskositas merupakan ukuran perubahan viskositas relatif terhadap perubahan suhu antara 40ºC dan 100°C. Nilai indeks viskositas pelumas terbagi menjadi 3 golongan, yaitu : (1) indeks viskositas rendah atau Low Viscosity Index (LVI) adalah pelumas yang memiliki indeks viskositas lebih rendah dari 40, (2) indeks viskositas sedang atau Medium Viscosity Index (MVI) adalah pelumas yang memiliki indeks viskositas antara 40 sampai dengan 80; (3) indeks viskositas tinggi atau High Viscosity Index (HVI) adalah pelumas yang memiliki indeks viskositas lebih besar dari pada 80 (La Puppung 1986). Hasil pengujian indeks viskositas minyak jarak pagar sebesar 217, menunjukkan bahwa minyak jarak pagar termasuk minyak yang mempunyai indeks viskositas tinggi (HVI). Jika dibandingkan dengan indeks viskositas minimum beberapa pelumas dengan angka viskositas SAE rangkap seperti yang terdapat pada Lampiran 3, maka VI minyak jarak pagar lebih tinggi dari pada pelumas dengan SAE rangkap tersebut. Zat cair biasanya akan mengalami perubahan viskositas bila terjadi perubahan suhu, bila suhu naik viskositas akan turun. Pelumas yang baik adalah pelumas yang mempunyai indeks viskositas tinggi, artinya semakin kecil perubahan viskositas karena perubahan suhu. Jika indeks viskositas minyak jarak pagar dibandingkan dengan minyak nabati lain, maka indeks viskositas minyak jarak pagar setara dengan minyak kanola dan dibawah minyak kedelai. Apabila indeks viskositas minyak jarak pagar dibandingkan dengan pelumas dasar sintetis, dari Tabel 13 tampak bahwa indeks viskositas minyak jarak pagar lebih tinggi dari PAO dan hampir sama dengan POE.

87 Viskositas. Jika dibandingkan dengan pelumas dasar ex-Arabian Light crude, maka berdasarkan Tabel 13, viskositas minyak jarak pagar pada 100º C sebesar 7.95 cSt terletak antara HVI-95 dan HVI 160S. Jika dibandingkan dengan tingkat viskositas pelumas motor seperti terdapat pada Lampiran 4, maka viskositas minyak jarak pagar setingkat SAE 20. Berdasarkan Lampiran 5 tentang Klasifikasi pelumas industri menurut ISO (ASTM 2422), maka tingkat viskositas minyak jarak pagar setara dengan ISO VG 32 (La Puppung 1986). Nilai viskositas minyak jarak pagar ini, termasuk pada spesifikasi viskositas minyak mineral yang saat ini digunakan sebagai formulasi pelumas otomotif maupun industri. Gambar 33 di bawah ini menunjukkan viskositas dan indeks viskositas beberapa jenis pelumas dasar.

300 252

250 Viskositas

250

217

200

168 145.54

150 150 100 100

76.7

50

90

80

11.3

20.57 4.39

POE

HVI

19.9

34.17 7.95

20.96 viskositas 40 C

0 PAO

CasO

CurO

ECO

Viskositas 100 C

Pelumas Dasar indeks viskositas

Gambar 33 Viskositas dan indeks viskositas pelumas dasar.

Flash Point (titik nyala). Flash Point atau titik nyala digunakan untuk mengetahui saat awal pelumas akan terbakar atau timbul nyala api saat berada dalam mesin. Hal ini akan mengakibatkan pemborosan pelumas dan akan membahayakan mesin. Pada Tabel 13 menunjukkan bahwa titik nyala minyak nabati lebih tinggi dibandingkan dengan mineral dan titik nyala minyak jarak pagar adalah sebesar 270º C, data ini menunjukkan bahwa

88 titik nyala minyak jarak pagar lebih besar dibandingkan dengan minyak mineral yang biasanya digunakan untuk formulasi pelumas (minimum 204º C) dan hampir sama dengan POE (pelumas dasar sintetis).

Pour Point (titik tuang). Pour Point atau titik tuang menunjukkan suhu terendah dimana pelumas masih dapat mengalir, khususnya pada saat mesin akan dihidupkan. Titik tuang minyak jarak pagar lebih rendah dibandingkan dengan pelumas dasar mineral. Titik tuang minyak jarak pagar lebih tinggi dibandingkan dengan minyak nabati lain. Sebagian besar minyak nabati mempunyai titik tuang di bawah 0° C sedangkan minyak jarak pagar 0º C. Dibandingkan dengan pelumas dasar sintetis (PAO), titik tuang minyak jarak pagar berada di atasnya (La Puppung 1986 & Gawrilow 2003). Gambar 34 di bawah ini menunjukkan perbedaan titik nyala dan titik tuang beberapa jenis pelumas dasar, yaitu pelumas dasar sintetis (PAO, POE, dan minyak mineral) terhadap minyak jarak pagar. 350 285

300 250

220

270 220

204

derajat C

200 150 100 50

20

8

POE

HVI

0

3

0 -50 -100

PAO -50

CurO

Pelumas dasar

ECO Flash Point Pour Point

Gambar 34 Titik nyala dan titik tuang pelumas dasar.

Densitas. Densitas dan/atau spesific gravity merupakan berat persatuan volum. Tabel konversi yang meliputi densitas, spesific gravity, dan API gravity diberikan oleh American Petroleum Institute dan ASTM. Hubungan antara API gravity dan spesific gravity adalah berbanding terbalik, nilai API gravity yang tinggi akan memberikan

89 spesific gravity yang rendah. Pada pelumas dasar petroleum dan hidrokarbon, spesific gravity digunakan untuk membedakan antara parafinik, naftenik, dan struktur aromatik. API gravity minyak binatang atau tumbuhan mempunyai nilai lebih rendah dan spesific gravity lebih tinggi dibandingkan dengan petroleum. Seperti terlihat pada Gambar 35 terlihat bahwa densitas minyak tumbuhan lebih tinggi dibandingkan dengan petroleum.

1

0.98

0.98

0.96

0.95

kg/m3

0.96 0.94

0.92

0.92

0.897

0.9 0.88 0.86 0.84 POE

HVI

Castor Oil

Curcas Oil

ECO

Pelumas Dasar

Densitas

Gambar 35 Densitas beberapa pelumas dasar.

Sifat Kimia Minyak Jarak Pagar . Minyak nabati merupakan minyak yang berasal dari tumbuhan. Kandungan utama minyak nabati adalah ester gliseril dari asam lemak yang disebut trigliserida. Trigliserida merupakan ester dari satu molekul gliserol dengan tiga molekul asam lemak. Jenis asam lemak dalam trigliserida sangat mempengaruhi sifatsifat trigliserida yang dibentuknya. Pada umumnya asam lemak yang terdapat di alam, memiliki jumlah atom C genap dan masing-masing asam lemak dibedakan antara satu dan lainnya berdasarkan jumlah atom karbon dalam rantai, jumlah dan letak ikatan rangkap antara atom karbon. Asam lemak yang membentuk trigliserida ada 2 macam yaitu asam lemak jenuh (saturated) yang tidak mengandung ikatan rangkap dan asam lemak

tidak

jenuh

(unsaturated)

yang

mengandung

ikatan

rangkap

satu

(monounsaturated) atau lebih dari satu ikatan rangkap (polyunsaturated) (Karina 2005). Derajat ketidakjenuhan rata-rata dari asam lemak atau campuran asam lemak dinyatakan

90 dengan bilangan iod. Asam lemak tidak jenuh kurang stabil bila dibandingkan dengan asam lemak jenuh . Beberapa keuntungan minyak nabati apabila digunakan sebagai pelumas dasar adalah: tidak bersifat toksik, terdegradasi, terbarukan, sifat lubrisitasnya baik, dan indeks viskositasnya tinggi. Beberapa kelemahan minyak nabati adalah ketidakstabilannya terhadap oksidasi, sifat pada suhu rendahnya jelek (Hwang & Erhan 2005). Oksidasi terjadi karena molekul-molekul pelumas bereaksi secara kimiawi dengan oksigen. Produk-produk oksidasi yang terbentuk akan mengentalkan pelumas. Pengaruh jelek terhadap pelumas yang mengalami oksidasi adalah naiknya viskositas dan menyebabkan bilangan asam naik, sehingga akan mengakibatkan karat dan keausan pada logam yang akhirnya akan menimbulkan endapan (deposit). Pada Tabel 14 terlihat kandungan asam lemak tidak jenuh beberapa minyak nabati dibandingkan dengan minyak jarak pagar.

Tabel 14 Kandungan asam lemak tidak jenuh yang ada dalam beberapa minyak nabati. No Minyak nabati 1

Minyak

jarak

Asam lemak tidak jenuh

pagar Asam Oleat, C18H34O2 (C18: 1) = 90-108.5

(jatropha curcas ) 2

47.97 %

Minyak jarak (castor oil) Asam Risinoleat, C18H34O3 (C18: 81-90 1)

3

Bilangan Iod

Minyak kelapa

= 89.5 %

Asam Laurat, C12H24O2 (C12: 0) = 8.5 48.0 %

4

Minyak kelapa sawit

Asam Oleat, C18H34O2 (C18: 1) = 83.8 38 %

6

Minyak kedelai

Asam linoleat & Asam linolenat 107-137 C18H32O2 (C18:2) & C18H30O2 (C18:3) = 75 %

Sumber Pendukung : La Puppung (1986) & Karina (2005)

Minyak nabati dengan bilangan iod antara 50-130 bisa digunakan sebagai fluida hidraulik. Fluida dengan bilangan iod di bawah 50 mempunyai titik tuang yang tinggi karena kekurangan ketidakjenuhan, dan minyak nabati dengan bilangan iod di atas 130 ,

91 cenderung tidak stabil karena mudah teroksidasi. Dari Tabel 13 dan Tabel 14 terlihat bahwa minyak jarak pagar dengan bilangan iod antara 97-108.5 titik tuang-nya rendah. Asam lemak dalam minyak nabati bersifat polar dan cenderung lebih efektif melekat pada permukaan logam dibandingkan dengan minyak mineral. Minyak jarak pagar dapat digunakan sebagai pelumas dasar, tetapi karena adanya ikatan rangkap (ketidakjenuhan) maka menjadi tidak stabil. Pada Gambar 36 di bawah ini terlihat perbandingan bilangan asam beberapa pelumas dasar (minyak nabati, minyak mineral, dan pelumas dasar sintetis). 4.5

3.97

mg KOH/100 g minyak

4 3.5

3

3 2.5 2

1.5 1.22

1.5 1 0.5

0

0 POE

HVI

Castor Oil Curcas Oil Pelumas Dasar

ECO Bilangan Asam

Gambar 36 Bilangan asam beberapa pelumas dasar.

Bilangan asam adalah ukuran dari jumlah asam lemak bebas, serta dihitung berdasarkan berat molekul dari asam lemak atau campuran asam lemak. Pada Gambar 36 terlihat bahwa bilangan asam minyak jarak pagar lebih besar dibandingkan dengan minyak jarak (castor), hal ini disebabkan terjadinya kenaikan bilangan asam karena proses hidrolisa atau oksidasi pada minyak terutama terhadap ikatan rangkapnya. Ikatan rangkap pada minyak nabati ditunjukkan dari bilangan iod-nya, terlihat pada Tabel 13 bilangan iod minyak jarak pagar lebih besar dari minyak jarak (castor). Semakin tinggi bilangan asam semakin besar kemungkinan terjadinya korosi. Pelumas dasar ester sintetis Polyolester (POE), yaitu ester (oleokimia) yang dibuat dari minyak nabati atau hewani dengan mono-, di-, atau poli-alkohol dari petroleum bersifat lebih stabil dibandingkan

92 dengan ester alam, hal ini terlihat dari nilai bilangan asam minyak jarak pagar yang lebih besar dibandingkan dengan POE. Pemeriksaan gugus fungsi menggunakan FTIR minyak jarak pagar memberikan spektrum yang dapat dilihat pada Gambar 37. Pada spektrum tersebut terlihat adanya pita serapan yang lebar di daerah bilangan gelombang υ = 2800 – 2980 cm-1, yang menunjukkan adanya vibrasi ulur C-H dari gugus –CH2 dan -CH3 serta 1 pita serapan kecil pada bilangan gelombang 3050 cm-1 untuk gugus tidak jenuh alkena –CH=CH-. Pita serapan pada panjang gelombang 1720 cm-1 menunjukkan adanya gugus karbonil

C=O

dari esternya (Sudjadi 1983). Dari Uji Gas Chromatography terhadap minyak jarak pagar, seperti terdapat pada Gambar 38. terlihat bahwa kandungan tertinggi dalam minyak jarak pagar adalah asam oleat (47.93%) dengan 1 ikatan rangkap. Spektra sidik jari Minyak Jarak Pagar

-CH2 -CH3

–CH=CH C=O

Gambar 37 Hasil uji gugus fungsi menggunakan FTIR minyak jarak pagar.

93 Hasil pengujian komposisi asam lemak menggunakan Gas-Chromatography dari Minyak Jarak Pagar dapat dilihat pada Gambar 38 di bawah ini.

Gambar 38 Hasil uji komposisi asam lemak menggunakan GC dari minyak jarak pagar.

Sifat minyak nabati yang dapat digunakan sebagai pelumas dasar mempunyai spesifikasi sebagai berikut (Gawrilow 2003 ):

Viskositas, cSt @ 40° C

: 35-30

Indeks viskositas , VI

: > 200

Bilangan iod, g/ 100g

: 94 - 126

Bilangan penyabunan mg KOH/g

: 186 -198

Densitas, kg/ m3

: 0.91 - 0.92

Titik tuang º C

: - 20

Titik nyala ° C

: 259

Dari Tabel 15 terlihat sifat fisik dan kimia minyak jarak pagar, memenuhi persyaratan sebagai pelumas dasar kecuali pada persyaratan bilangan penyabunan dan

94 titik tuang, hal ini disebabkan karena bilangan penyabunan menunjukkan jumlah minyak yang dapat tersabunkan, minyak dengan berat molekul tinggi akan mempunyai bilangan penyabunan yang lebih rendah dibandingkan dengan minyak dengan berat molekul yang lebih rendah. Titik tuang minyak jarak pagar di atas spesifikasi pelumas dasar, hal ini menunjukkan bahwa minyak jarak pagar tidak bisa digunakan di daerah dengan suhu dibawah 0° C. Tabel 15 Sifat fisik dan kimia minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar Sifat

Nilai

Densitas (kg/m3) Titik nyala (º C) Titik tuang (º C) Viskositas 40º C (CSt) Viskositas 100º C (CSt) Viskositas indeks Indeks bias 25º C Bilangan penyabunan mg KOH/g Bilangan Iod ( g /100 g)

0.9157 270 0 34.17 7.95 217 1.4655 96.7 108.5

Berdasarkan pada sifat kimia dan fisik dan hasil pengujian gugus fungsi menggunakan FTIR dan pengujian komposisi asam lemak menggunakan GC, maka modifikasi terhadap minyak jarak pagar perlu dilakukan untuk memperbaiki sifat fisik dan kimia minyak jarak pagar. Beberapa contoh modifikasi yang dapat dilakukan adalah interesterifikasi dengan minyak nabati berpotensi yang lain, pencampuran dengan ester sintetis untuk meningkatkan sifat pada suhu rendah, transesterifikasi dengan beberapa poliol, atau modifikasi dengan mengurangi ketidakjenuhan, sehingga minyak menjadi lebih stabil. Dari uraian sifat fisik dan kimia di atas, maka dapat disimpulkan bahwa minyak jarak pagar mempunyai potensi sebagai pelumas dasar, tetapi ada beberapa modifikasi yang perlu dilakukan untuk meningkatkan kestabilannya.

95 Pemilihan Produk Berdasarkan KEPUTUSAN PRESIDEN RI, NOMOR 21 TAHUN 2001 TANGGAL 14 FEBRUARI 2001 TENTANG PENYEDIAAN DAN PELAYANAN PELUMAS BAB I Pasal 1, dinyatakan bahwa Penyediaan dan Pelayanan Pelumas adalah kegiatan untuk menghasilkan pelumas dengan cara Pabrikasi Pelumas (Blending), Pengolahan pelumas bekas, impor pelumas dan pemasarannya. Ketentuan tentang impor pelumas diatur dalam KEPUTUSAN BERSAMA MENTERI ENERGI DAN SUMBER DAYA MINERAL, MENTERI KEUANGAN DAN MENTERI PERINDUSTRIAN DAN PERDAGANGAN REPUBLIK INDONESIA, NO : 1905 K/34/MEM/2001, NO : 426/KMK.01/2001,

NO:

233/MPP/Kep/7/2001

tentang

KETENTUAN

IMPOR

PELUMAS, Pasal 1, dinyatakan bahwa : Bahan baku pelumas berupa pelumas dasar sebagaimana dimaksud dalam Pasal 6 ayat (2) Keputusan Presiden Nomor 21 Tahun 2001, hanya dapat diimpor oleh perusahaan yang telah mendapat persetujuan sebagai Importir Produsen (IP) dan semata-mata untuk kepentingan produksinya. Lampiran 6 menunjukkan kebutuhan pelumas Indonesia berdasarkan kelompok industri untuk data BPS tahun 2003. Kebutuhan pelumas untuk keperluan industri di Indonesia sangat besar, salah satu industri pengguna adalah industri kendaraan bermotor dan data pemakaian pelumas menunjukkan sebesar 2.8% dari total pemakaian pelumas pada berbagai industri. Secara umum pelumas dasar jenis minyak pelumas sintetis dapat dikelompokkan dalam dua kelas, yaitu ester organik dan hidrokarbon yang diolah secara sintetis, baik yang berasal dari petrokimia maupun oleokimia. Beberapa pelumas dasar sintetis adalah polialfaolefin (PAO), ester sintetis, dan polialkilenglikol (PAG). Beberapa kelompok ester sintetis adalah: monoester, diester, ester-phtalat, poliolester (POE), dan ester kompleks. PAG adalah polimer yang berasal dari petrokimia hasil reaksi etilen oksida dan propilen oksida (Askew 2004). Ester merupakan salah satu jenis minyak sintetis yang sangat luas pemakaiannya, misalnya gemuk, minyak roda gigi, minyak kompresor, dan sebagai minyak mesin hidraulik yang tahan terbakar dan ramah lingkungan. Ester yang saat ini banyak digunakan sebagai pelumas dapat digolongkan menjadi 3 (tiga) kelompok : ester dari petrokimia, minyak atau lemak alami, dan ester dari oleokimia. Jenis ester dari oleokimia merupakan ester yang paling baik dari ketiga kelompok ester, biasanya merupakan suatu produk hasil reaksi dari alkohol petrokimia dengan satu atau lebih

96 oleokimia yang diturunkan dari asam lemak. Formula oleokimia ini memberikan kombinasi yang baik antara sangat terbarukan dan kinerja teknis tinggi, sehingga dalam penggunaannya dapat menguntungkan bagi lingkungan, komunitas pertanian dan konsumen. Sifat terbarukan ester oleokimia ini sebesar 70% - 95% (Eastwood 2005). Banyak minyak nabati yang digunakan di dalam aplikasi pelumas, misalnya sebagai aditif minyak sintetis, minyak mesin transmisi, minyak motor 2 tak, minyak hidraulik, dan gemuk. Konsumsi minyak nabati Amerika Serikat untuk pelumas adalah sebesar 8 juta kilogram pertahun. Konsumsi ini merupakan 9% dari total penggunaan minyak nabati untuk industri (USDA-ERS dalam Johnson 1990). Pasar ini mengkonsumsi 9.66 milyar liter minyak mineral dimurnikan pertahun untuk kebutuhan pelumas. Kira-kira 3.9 milyar liter digunakan untuk minyak motor 4 tak (Johnson 1990). Total kebutuhan pelumas di Jerman kira-kira 1 juta ton per tahun (1998), segmen pasar terbesar adalah minyak mesin dan minyak roda gigi otomotif yaitu sebesar 450 000 ton per tahun, dan selanjutnya kebutuhan yang lain adalah untuk mesin hidraulik dan mesin industri. Pemakaian pelumas industri di Indonesia adalah 226 240 705 (ribu liter) pada tahun 2003, komsumsi untuk industri kendaraan bermotor sebesar 1.18% dari total kebutuhan dan industri alat angkutan selain kendaraan bermotor roda empat atau lebih sebesar 1.39% dari total kebutuhan (BPS). Berdasarkan beberapa pertimbangan di atas maka dibuat pelumas dasar yang mendekati sifat POE untuk aplikasi pada kendaraan bermotor. Adapun pertimbangan pemilihan produk ini adalah adanya data jumlah kebutuhan dalam negeri dan dunia, sifat ketahanan termal-oksidasi, terbarukan, dan sifat fisik-kimianya.

Pemilihan Proses Tahapan sintesis proses yang dikemukakan meliputi : pemilihan jalur reaksi atau proses, alokasi bahan atau pereaksi, pertimbangan teknik pemisahan atau proses hilir, pemilihan operasi pemisahan, pemaduan atau integrasi rancangan 1 sampai 4. Metoda yang dapat digunakan dalam sintesis proses ini adalah metoda kualitatif dengan menggunakan aturan heuristik (berdasarkan pada pengalaman dan kaidah umum). Sintesis proses ini meliputi metoda perubahan kimia maupun fisik.

97 Aturan Heuristik. Pemilihan proses dan alat proses dilakukan secara heuristik. Aturan heuristik adalah teori dan penyelesaian yang dapat dipercaya tetapi tidak sempurna, merupakan rule of thumb, bersifat spekulasi, sebagai pendekatan dalam mengambil keputusan. Aturan heuristik untuk mensintesis proses dikelompokkan menjadi 5 (lima), yaitu aturan heuristik untuk persiapan dan modifikasi, menentukan struktur sistem, memilih sistem dan parameternya, memodifikasi sistem dan evaluasi sistem (Hartmann & Kaplick 1990). Heuristik untuk sintesis proses (Seider & Seader 1999) meliputi pemilihan:

reaksi

kimia

untuk

mengeliminasi

perbedaan

jenis-jenis

molekul,

pencampuran dan daur ulang untuk mendistribusikan bahan kimia, pemisahan untuk mengeliminasi perbedaan komposisi, suhu, tekanan dan perubahan fase, integrasi proses untuk mengkombinasikan tugas – tugas satuan proses. Aturan heuristik untuk sintesis sistem proses adalah mengurangi kuantitas aliran proses agar buangan tidak banyak, kurangi bahan tambahan, mengurangi kuantitas bahan kimia, kurangi pencampuran, usahakan adanya integrasi proses, pilih kondisi operasi yang memungkinkan.

Heuristik untuk Sintesis Proses Modifikasi Minyak Jarak Pagar. Beberapa proses untuk meningkatkan stabilitas minyak nabati yang akan digunakan sebagai pelumas dasar 1 melakukan modifikasi minyak menjadi epoksi minyak dan menjadi alkohol polihidrat dengan katalis asam (Hwang 2003) 2 transesterifikasi trimetilolpropan dan metil ester (Adhvaryu 2002) 3 epoksidasi minyak nabati, reaksi pembukaan cincin, dan dilanjutkan dengan asetilasi produk pembukaan cincin oksiran (Hwang & Erhan 2005) 4 minyak nabati dengan bilangan hidroksil tinggi dan bilangan iod rendah didehidrasi partial untuk meningkatkan jumlah ikatan rangkap C sehingga bersifat sebagai minyak non pengering dan berfungsi sebagai minyak pelumas (Widianingsih 2003) 5 modifikasi minyak nabati dengan beberapa tahapan proses: reaksi transesterifikasi menghasilkan metil ester, epoksidasi , dan reaksi pembukaan cincin ((Karina 2005)

Heuristik: Bahan Baku, Reaksi Kimia, Pemisahan produk dan Katalis Ada beberapa alternatif untuk memodifikasi minyak jarak pagar menjadi produk yang lebih stabil sebagai pelumas dasar. Informasi yang dibutuhkan adalah: studi

98 pustaka, data sifat fisik dan kimia. Alur proses yang dipilih adalah alur yang membutuhkan biaya serendah mungkin, mudah dioperasikan, proses singkat, dan mencegah atau mengurangi penggunaan bahan bersifat racun atau berbahaya. Beberapa jalur reaksi yang penting adalah: 1

epoksidasi - pembukaan cincin oksiran (alkoholisis), menggunakan butanol, iso-amil alkohol, 2-etil heksanol-esterifikasi (asam asetat anhidrat), katalis: resin penukar ion (Lathi & Mattiasson 2006).

2

epoksidasi - pembukaan cincin oksiran (Guerbet alcohol)-transesterifikasi / asetilasi (asetat anhidrat, piridin), katalis: asam sulfat (Hwang & Erhan 2006).

3 esterifikasi / metanolisis –epoksidasi – hidrolisis, katalis: asam sulfat Mulyana, 2003). 4 esterifikasi - transesterifikasi (trimetilolpropan), katalis: sodium metoksida (Yunus & Razi 2003). Perbandingan pereaksi dan katalis untuk proses-proses di atas disajikan pada Tabel 16. Tabel 16 Pereaksi yang digunakan dalam proses modifikasi minyak jarak pagar Alur

Tahapan Proses

Bahan Kimia

Harga Rp

Berat

Formula Kimia

Molekul 1

Epoksidasi

Asam Asetat,

25 000

60

Peroksida,

12 000

34

H2SO4

87 000

98

Alkoholisis

Butanol

80 000

74.12

C2H5CH2CH2OH

Esterifikasi

AsetatAnhidrat

900 000

102.09

(CH2CO)2O

3 000

703.56

(Al4)(Si8)O20(OH)3

Katalis Bentonit 2

3

Epoksidasi

Asam Asetat,

25 000

60

Peroksida

12 000

34

H2SO4

87 000

98

Alkoholisis

Alkohol Guerbet

Transesterifikasi/aseti

Asetat anhidrat,

lasi

Piridin

C-12, C-14, C-18 900 000

102.09

(CH2CO)2O

1 600 000

79.10

CH<(CHCH)2>N

Katalis H2SO4

87 000

98.08

H2SO4

Esterifikasi

Metanol

5 000

32.04

CH3OH

Epoksidasi

Asam Asetat, Peroksida,

25 000,

60, 34

H2SO4

12 000,

98

87 000

99

Tabel 16 (lanjutan) Alur

4

Tahapan Proses

Bahan Kimia

Hidrolisis

Aquades

Harga Rp

5 000

Berat Molekul

Formula Kimia

18

H 2O

Katalis Asam Sulfat

87 000

98.08

H2SO4

Esterifikasi

Metanol

18 000

32.04

CH3OH

Transesterifikasi

Trimetilol Propan

US

134

0.15

/lb

Uraian masing-masing proses adalah sebagai berikut : 1

epoksidasi - pembukaan cincin oksiran (alkoholisis) katalis padat – esterifikasi katalis padat. Reaksi kimia setiap tahapan proses pada jalur proses ini dapat dilihat pada Gambar 39 di bawah ini.

100

Gambar 39 Modifikasi minyak jarak pagar dengan jalur: epoksidasi (1), pembukaan cincin oksiran (hidroksilasi) (2), esterifikasi (3) (Lathi & Mattiasson 2006).

Proses produksi pelumas dasar dari epoksi minyak nabati akan menghasilkan minyak yang bersifat terdegradasi dengan titik tuang terendah dilakukan dengan katalis padat. Pada proses ini, terjadi 2 tahap reaksi yaitu alkoholisis dilanjutkan dengan esterifikasi terhadap gugus hidroksil hasil reaksi tahap satu. Reaksi pembukaan cincin dilakukan dengan menggunakan beberapa alkohol, seperti metanol dan n-butanol. Penggunaan

101 katalis asam padat seperti bentonit menguntungkan karena dapat diambil kembali, didaur ulang, dan dapat digunakan kembali. Sisa alkohol dapat dipisahkan untuk digunakan kembali. Pada tahap esterifikasi digunakan asam asetat anhidrat dengan katalis bentonit agar kandungan air rendah, reaksi cepat karena asam asetat anhidrat sangat reaktif. Pemilihan katalis padat dilakukan untuk memudahkan proses pemisahan. Pengambilan kembali dan integrasi proses mengakibatkan buangan dapat dikurangi, bahan tambahan dan kuantitas bahan kimia dapat dikurangi. 2

epoksidasi - pembukaan cincin oksiran (Alkohol Guerbet) transesterifikasi / asetilasi (asetat anhidrat, piridin), katalis: asam sulfat. Modifikasi minyak nabati ini mengikuti modifikasi minyak kedelai dengan jalur epoksidasi-pembukaan cincin oksiran (Alkohol Guerbet) – transesterifikasi / asetilasi yang dilakukan oleh Hwang &Erhan (2006). Perubahan struktur kimia dapat dilihat pada Gambar 40.

102 (CH2)

CH3(CH2)4

O

O

O

O (CH2)

CH3(CH2)7

O

O

O (CH2)

CH3(CH2)4

O

O

O

O

Reaksi Pembukaan Cincin Oksiran ROH, kat H2SO4

(CH2)

CH3(CH2)4 RO

O

HO

O

OR

O (CH2)

CH3(CH2)7

RO

O

OH

O (CH2)

CH3(CH2)4 OH HO

R

O

OR

O

Reaksi Transesterifikasi

(CH2)

CH3(CH2)4 RO

O H HO

O

OR

O

+ (CH2)

CH3(CH2)7

RO

OH

OR

O

O

+

(CH2)7

CH3(CH2)4 RO

O H HO

OR

OR

O

OR

O

Gambar 40 Modifikasi minyak jarak pagar dengan jalur epoksidasi-pembukaan cincin oksiran (Hwang & Erhan 2006).

103 Jalur proses ini hampir sama dengan jalur proses 1, perbedaannya terdapat pada jenis alkohol dan katalis yang digunakan. Sedangkan pada tahapan transesterifikasi selain digunakan asetat anhidrat juga digunakan piridin. Pada pembukaan cincin oksiran digunakan Guerbet Alcohol terdiri dari C12-, C14-, C16-, dan C18-, harga lebih mahal dari alkohol dengan rantai C lebih pendek, waktu reaksi lebih panjang, suhu proses lebih tinggi dibandingkan reaksi dengan rantai C yang lebih pendek. Penggunaan katalis cair akan memberikan kemungkinan terjadinya korosi yang lebih besar dan pemisahannya lebih sulit dibandingkan dengan katalis padat.

3

metanolisis – epoksidasi – hidrolisis - esterifikasi, katalis : asam sulfat (Mulyana, 2003)

O ll R – C = C – C – OH + CH3OH Asam oleat

Metanol

O ll R – C = C – C – O – CH3 + H2O Metil ester

Gambar 41 Reaksi esterifikasi terhadap asam oleat. O ll R – C = C – C – O – CH3 + O2

O O ll R – C - C – C – O – CH3

Metil ester

Epoksi metil ester

Perasetat

Gambar 42 Reaksi epoksidasi terhadap metil ester O O ll R – C - C – C – O – CH3 + H2O

O O O l l ll R – C - C – C – O – CH3

Epoksi metil ester

Poliol metil ester

Gambar 43 Reaksi Hidrolisis terhadap epoksi metil ester

104

O O O l l ll R – C - C – C – O – CH3 Poliol metil ester

O ll R – C - C – C – O – CH3 l l O O l l O = C C=O l l C C l l R R

Gambar 44 Reaksi esterifikasi / asetilasi. Pada jalur ini harus disiapkan bahan baku minyak nabati yang sudah dalam bentuk asam lemak, yaitu asam oleat sehingga membutuhkan pengolahan dari trigliserida menjadi asam lemaknya, jalur proses lebih panjang. Katalis yang digunakan adalah cair H2SO4 pekat, korosifitas tinggi dan proses pemisahannya sulit. 4

esterifikasi - transesterifikasi (trimetilolpropan), katalis: sodium metoksida (Yunus & Razi 2003). O CH2OH

CH2- O –C-R O

CH3CH2 C-CH2OH + 3RCOOCH3

CH3CH2C-CH2-O-C-R

+ 3CH3OH

O CH2OH TMP

CH2- O –C-R ME

Triester

Metanol

Gambar 45 Reaksi transesterifikasi metil ester minyak nabati menggunakan TMP.

105 Penggunaan minyak nabati untuk dibuat menjadi metil ester menghasilkan biodegradabilitas tinggi dan terbarukan, tetapi penggunaan pereaksi TMP yang berasal dari petroleum menjadi tidak lebih baik dibandingkan dengan pereaksi yang lain. Kondisi operasi adalah pada 130º C dan tekanan 20 mbar (vakum), merupakan kondisi operasi yang lebih sulit dibandingkan dengan kondisi atmosferis.

Pertimbangan pemilihan proses :

1. Bahan baku Sebagai salah satu pertimbangan dalam pemilihan proses adalah jenis bahan baku, pada proses 1 digunakan pereaksi metanol sehingga suhu proses tidak perlu terlalu tinggi dan digunakan pereaksi anhidrat untuk tahap asetilasi, diharapkan kadar air pada produk menjadi rendah. Pada proses 2 disamping menggunakan asam asetat anhidrat masih digunakan piridin sehingga biaya menjadi lebih tinggi. Pada proses 4 penggunaan pereaksi TMP yang berasal dari petroleum tidak lebih baik dibandingkan dengan menggunakan minyak nabati.

2. Katalis Pada proses 1 digunakan katalis padat. Resin kation penukar ion seperti Dowex, Duolit, dan Lewatit digunakan sebagai katalis dalam pembukaan cincin oksiran pada epoksi minyak. Katalis organik ini mempunyai efisiensi yang lebih rendah dibandingkan dengan asam sulfat. Hal ini mungkin disebabkan karena gel berpori mikro, ion-ion terlarut mendifusi melalui partikel berinteraksi dengan bagian aktif yang berfungsi menukar ion sehingga mengakibatkan rendahnya difusi dan efisiensi akan turun. Penggunaan katalis homogen sangat umum dalam industri kimia dan pemurnian, teknologi ini sangat korosif, berbahaya, dan menimbulkan polusi. Penggunaan resin kation penukar ion karena variasi makroporousnya, sifat berubah-ubahnya katalis, dan kemampuannya dalam mempercepat beberapa reaksi, misalnya esterifikasi, eterifikasi, transalkilasi, hidrasi, dan alkilasi (Lathi & Mathison 2006). Dalam modifikasi minyak jarak pagar digunakan katalis padat yang sesuai untuk reaksi hidroksilasi dan asetilasi. Keuntungan penggunaan katalis padat adalah sifat

106 korosifitasnya rendah, kemampuan diambil kembali dan selektifitas tinggi. Poliol dapat dibuat dengan menggunakan katalis asam, seperti asam–asam mineral dan asam organik. Katalis cair dapat digantikan dengan katalis asam padat yang mempunyai kemampuan tukar ion, seperti lempung disamping beberapa katalis yang telah disebutkan di atas. Selanjutnya reaksi asetilasi poliol dengan menggunakan asam asetat anhidrat dapat dilakukan dengan menggunakan katalis resin kation. Katalis yang dipilih adalah bentonit karena mempunyai daya tukar kation yang besar dibandingkan tanah liat biasa dan mengandung sejumlah kecil pengotor mineral, bentonit ini potensial untuk digunakan sebagai katalis, disamping ketersediaannya di Indonesia cukup melimpah.

3. Waktu proses Proses 1 membutuhkan waktu proses singkat karena sifat anhidrat yang sangat reaktif, sedangkan untuk proses 3 harus disiapkan bahan baku minyak nabati yang sudah dalam bentuk asam lemak, yaitu asam oleat sehingga membutuhkan pengolahan dari trigliserida menjadi asam lemaknya, jalur proses lebih panjang, waktu proses menjadi lebih lama Berdasarkan pertimbangan-pertimbangan di atas, yaitu memilih jalur proses yang membutuhkan biaya serendah mungkin, mudah dioperasikan, proses singkat, dan mencegah atau mengurangi penggunaan bahan bersifat korosif, maka pada penelitian ini, dilakukan sintesis jalur proses 1, yaitu epoksidasi-hidroksilasi – asetilasi.

107 Proses Modifikasi Minyak Jarak Pagar

107 Proses Modifikasi Minyak Jarak Pagar

Proses Epoksidasi Penelitian Pendahuluan untuk menentukan kisaran kondisi operasi Epoksidasi. Pada penelitian pendahuluan dilakukan percobaan untuk menentukan kisaran kondisi operasi terbaik untuk produksi epoksi minyak jarak pagar, dengan menggunakan peubah respon adalah bilangan oksiran seperti terlihat pada Lampiran 7. Dengan menggunakan metoda regresi non linier didapatkan model hubungan antara bilangan oksiran (y) dengan peubah nisbah mol pereaksi (x1), konsentrasi katalis (x2), dan suhu (x3). Hasil analisis statistik menunjukkan bahwa nilai bilangan oksiran epoksi minyak jarak pagar dipengaruhi oleh konsentrasi katalis (% (w/w)) dan suhu proses (Lampiran 8). Hal ini diperkirakan bahwa semakin tinggi suhu (>60º C) dan konsentrasi katalis (>0.5%) akan semakin besar jumlah tumbukan antar molekul dan semakin banyak reaksi yang terjadi, sehingga akan membentuk epoksi, yang dinyatakan dengan bilangan oksiran. Grafik permukaan pengaruh ketiga peubah terhadap perolehan epoksi terlihat

pada Gambar 46, 47 dan 48.

2.0 1.8 1.6

Konsentrasi Katalis (%)

1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 4 3 2 1

0.0 4.4

4.6

4.8

5.0

5.2

5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

6.4

6.6

4 3 2 1

Nisbah Pereaksi (mol)

Gambar 46 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari nisbah mol pereaksi (x1) dan konsentrasi katalis (%) (x2).

108

90

85

80

0

Suhu ( C)

75

70

65

60

4.5 4 3.5 3 2.5 2

55

50 4.4

4.6

4.8

5.0

5.2

5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

6.4

4.5 4 3.5 3 2.5 2

6.6


Gambar 47 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari nisbah mol pereaksi (x1) dan dan suhu (x3). 90

85

80

0

Suhu ( C)

75

70

65

60

5 4 3 2 1 0 -1

55

50 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2


1.4

1.6

1.8

2.0

5 4 3 2 1 0 -1

Gambar 48 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari konsentrasi katalis, % (x2) dan suhu (x3) Hasil analisis kanonik menunjukkan nilai bilangan oksiran optimum (maksimum) adalah 5.1% yang terjadi pada suhu reaksi 70° C, katalis asam sulfat pekat 1% w/w, dan nisbah mol pereaksi 1 : 5.9.

109 Perpindahan massa katalis H2SO4 dalam pereaksi H2O2. Tahapan penelitian ini bisa digunakan untuk menentukan waktu pencampuran. Data percobaan yang digunakan adalah perubahan pH karena pencampuran antara katalis H2SO4 dalam H2O2, seperti dapat dilihat pada Tabel 17 di bawah ini.

Tabel 17 Perpindahan massa katalis H2SO4 dalam H2O2 t (menit) 0 5 10 15 20 25 30 35

pH 0.1 0.5 0.7 0.8 1.5 1.7 1.8 1.9

(H) 1.26 3.16 5.01 6.31 31.62 50.12 63.10 79.43

(H)1-(H)0 0.00 1.90 3.75 5.05 30.36 48.86 61.84 78.17

Perhitungan [H+] dan dNA dapat dilihat pada Lampiran 9 (L9.1). Dari data percobaan diketahui dengan bertambahnya waktu, maka semakin besar pengurangan [H+] dari H2O2, karena terserap/teradsorb dalam H2SO4 pekat. Hasil analisis ragam pada Lampiran 9 (L9.2) mengenai pengaruh waktu pada pencampuran antara katalis H2SO4 dalam H2O2 adalah: uji F untuk waktu pencampuran Fhitung = 56.99 berarti H0 ditolak (peubah waktu pencampuran memberikan pengaruh yang berbeda nyata) dan p-value adalah 0.00028, artinya ada perbedaan cukup signifikan antar taraf pada faktor waktu pencampuran terhadap dNA dan koefisien determinasi (R2) 90.47 %. Model kinetika reaksi epoksidasi. Pada tahapan ini dilakukan penentuan persamaan laju reaksi epoksidasi (–ra) dan nilai–nilai tetapan laju reaksi (k), faktor frekuensi tumbukan (A), energi aktivasi (Ea), serta konversi reaksi (x). Data–data yang dibutuhkan adalah data perubahan bilangan oksiran, fungsi waktu dan suhu pada kondisi operasi terbaik. Data bilangan oksiran hasil epoksidasi dalam bentuk konversi disajikan pada Tabel 18, perhitungannya terdapat pada Lampiran 9 (L9.4.2).

110 Tabel 18 Data konversi (%) minyak jarak pagar menjadi epoksi Waktu, menit 65° C 0.278210 0.333626 0.444458 0.534933 0.537195 0.494219

15 20 30 45 60 90

Konversi 70° C 0.395828 0.455767 0.574516 0.609575 0.572254 0.566599

75° C 0.294043 0.372455 0.529278 0.505529 0.471600 0.358507

Pada data konversi pembentukan epoksi (Tabel 18) terlihat bahwa pembentukan epoksi sampai dengan waktu tertentu naik, selanjutnya turun. Hal ini disebabkan seiring dengan bertambahnya waktu reaksi, maka kesempatan molekul-molekul zat pereaksi untuk saling bertumbukan semakin luas, sehingga diperoleh konversi minyak nabati yang akan semakin besar. Selanjutnya mengalami penurunan bilangan oksiran, hal ini disebabkan karena epoksidasi merupakan reaksi bolak balik yang berpotensial untuk diikuti reaksi samping, sehingga epoksidasi sebaiknya dilakukan sesingkat mungkin (Kirk dan Othmer 1982).

Dari perhitungan pada Lampiran 9 (L9.3) diketahui bahwa persamaan laju reaksi epoksidasi adalah : ln ( C B 0 / (C B 0 − C E )

(− ln(1 − X E )) = k ' t

} = k 't

atau

…………………………………………..

i)

Dengan menggunakan perhitungan yang terdapat pada Lampiran 9 (L.9.4 dan L.9.5) didapatkan kurva hubungan -ln (1-XE) vs t seperti terdapat pada Gambar 49.

111

3

-ln(1/(1-XA))

2.5 2 1.5 1

75C 70C 65C

0.5 0 15

20

30

45

t, menit

Gambar 49 Hubungan –ln (1-XA) vs t Gambar 49 menunjukkan hubungan epoksidasi minyak jarak pagar secara in situ pada suhu yang berbeda-beda, dengan menggunakan data dari waktu reaksi 15 menit sampai dengan 45 menit. Dari persamaan (i) dan Gambar 49 terlihat kurva merupakan garis lurus. Tetapan laju reaksi diambil dari slope persamaan garis, nilainya adalah k’. Nilai tetapan laju reaksi epoksidasi dapat dilihat pada Tabel 19.

Tabel 19 Hasil perhitungan nilai k (tetapan laju reaksi) epoksidasi dengan menggunakan kurva lurus T,°C

k=ml/mol menit

k=l/mol detik

k.106 l/mol detik

65

0.00178

2.96667. 10-8

0.029666

70

0.00404

6.73333. 10

-8

0.067333

75

0.00484

8.06667. 10-8

0.080666

Nilai tetapan laju reaksi (k) mendekati nilai k hasil percobaan epoksidasi minyak kedelai, kelapa sawit, dan minyak mahua yaitu dengan perkalian 10

-6

(l/mol detik)

(Okieimen et al. 2002). Model kinetika reaksi epoksidasi berdasarkan perhitungan pada persamaan 8) Lampiran 9 (L9.3).

rCE =

dCE = k (CB 0 − CE ) dt

112 Perbandingan mol ikatan rangkap : H2O2 = 1 : 2.4 Keterangan : CE, CB0

: konsentrasi epoksi, konsentrasi H2O2

k

: tetapan laju reaksi

Persamaan laju reaksi ini merupakan persamaan linier dengan nilai tetapan laju reaksi didapatkan dari slope garis tersebut. Nilai k dapat didefinisikan sebagai tetapan Arrheinus, yaitu :

k = Ae − E / RT Jika diubah dalam bentuk ln, menjadi ln k = ln A − E / RT

Dari perhitungan dengan menggunakan data yang diperoleh di dapatkan nilai E dan nilai A sebagai berikut : E

= 23.449835

kkal / mol

A

= 2.5958 x 1012 ml/mol menit = 4.32 x 107 l/mol detik

Energi aktivasi adalah energi yang dibutuhkan atau dilepaskan untuk terjadinya reaksi pembentukan produk, adapun energi aktivasi epoksidasi minyak jarak pagar adalah sebesar 23.449835 kkal/mol. Hasil ini bisa dibandingkan dengan nilai energi aktivasi lain pada percobaan dengan minyak nabati yang berbeda, yaitu sebesar 15.1 and 18.3 kkal / mol (Goud et al. 2006). Nilai A merupakan faktor frekuensi tumbukan, yaitu frekuensi terjadinya tumbukan antar molekul, hal ini sangat dipengaruhi oleh kondisi operasi, jumlah molekul, dan jumlah katalis. Dari perhitungan di atas persamaan tetapan laju reaksi dan laju reaksi epoksidasi minyak jarak pagar adalah :

k = 4 .32 .10 7 e ( − 23 .45 / RT ) l / mol det ik rE = 4.32.107 e( −23.45 / RT ) (CB 0 − CE ) Harga Entalpi reaksi (ΔHR) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (Levenspiel 1972). ΔH = E − (1 − Δn) RT

113 Hasil perhitungan adalah :

ΔH =

23.449835 kkal / mol

Perhitungan waktu curah ideal pada proses epoksidasi minyak jarak pagar.

Neraca Massa dalam reaktor curah isotermal (endotermis/ eksotermis) digunakan untuk menentukan waktu curah ideal Laju masukan –Laju keluaran – Laju reaksi = Laju akumulasi 0

-

0

-

V. rE

= d ( CE) dt

Volume (V) tetap, sehingga

Vr

dCE = (−rE )Vr dt

Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai konsentrasi epoksi sebesar CE pada kondisi isotermal adalah : t=

dCE Ce 0 ( − r ) E

∫

CE

Perhitungan dapat dilihat pada persamaan 12) Lampiran 9 (L9.3) .

( k ')ln ( C

t= 1

B0

/ (C B 0 − C E )

}

Sebagai pengujian terhadap model persamaan t curah ideal reaktor epoksidasi, maka dihitung harga t pada kondisi isotermal 70° C. Contoh perhitungan pada waktu 45 menit, CB0 = 0.186 mol; CE = 0.03099 mol; k = 0.00404 ml/ mol menit. Dengan menggunakan persamaan 12), dibutuhkan waktu = 45.330 menit.

114 Proses Hidroksilasi Pemilihan jenis dan jumlah katalis padat. Percobaan pengaruh katalis pada

penurunan bilangan oksiran reaksi hidroksilasi epoksi jarak pagar dengan metanol, dilakukan untuk mengetahui jenis katalis padat dan % berat katalis yang akan digunakan di dalam proses. Pengaruh jenis katalis terhadap bilangan oksiran dapat dilihat pada Tabel 20. Tabel 20 Pengaruh penambahan katalis terhadap penurunan bilangan oksiran, waktu reaksi 2 jam, suhu 50° C, perbandingan pereaksi 1: 1 v/v, oksiran awal = 4.7%. Katalis H2SO4 1% H2SO4 1.5% H2SO4 2% Zeolit 1 % Zeolit 1.5 % Zeolit 2 % Bentonit 1 % Bentonit 1.5 % Bentonit 2 % Bentonit 3 %

Oksiran setelah 2 jam 2.85 2.25 2.36 3.82 2.8 2.105 1.25 0.8 1.38 2.85

Pada penelitian ini digunakan katalis heterogen (asam padat) antara lain adalah zeolit dan bentonit pada level 1%, 1.5%, 2%, dan sebagai kontrol adalah katalis asam sulfat (H2SO4) pada taraf 1%, 1.5%, 2%. Hasil sidik ragam pada Lampiran 11 (L11.1) mengenai pengaruh jenis katalis heterogen dan konsentrasi katalis heterogen pada proses epoksidasi minyak jarak adalah [1] uji F untuk jenis katalis Fhitung = 422.57 (Ftabel = 4.256) berarti H0 ditolak (peubah jenis katalis memberikan pengaruh yang berbeda nyata) dan p-value adalah 0.000, artinya ada perbedaan cukup signifikan antar level pada faktor jenis katalis terhadap bilangan oksiran. [2] F untuk konsentrasi katalis adalah 78.52 dan p-value adalah 0.000, artinya ada perbedaan cukup signifikan antar level pada faktor konsentrasi katalis terhadap bilangan oksiran. [3] F untuk interaksi pada jenis katalis dan konsentrasi katalis adalah 38.19 dan p-value adalah 0.000, artinya ada perbedaan cukup signifikan antar interaksi pada faktor jenis dan konsentrasi katalis, sedangkan koefisien determinasi (R2) sebesar 99.23%. Pengaruh jenis katalis heterogen pada proses

115 hidroksilasi epoksi minyak jarak pagar terhadap epoksi yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 50. 4.5 4 Bilangan Oksiran

3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 H2SO4

H2SO4

H2SO4

1%

1.5%

2%

Zeolit 1% Zeolit 1.5 Zeolit 2 % Bent onit Bent onit Bent onit %

1%

1.5 %

2%

Katalis dan % berat

Gambar 50 Pengaruh katalis terhadap penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi.

Beberapa katalis padat jenis asam bisa digunakan dalam proses pembukaan cincin oksiran, antara lain yaitu katalis, cair (H2SO4), katalis padat zeolit dan bentonit Lampiran 11 (L11.1). Pada perbandingan pereaksi, suhu, dan waktu proses yang sama

(Tabel 20 dan Gambar 50), penurunan bilangan oksiran karena terbukanya cincin oksiran pada reaksi hidroksilasi dengan katalis bentonit lebih rendah dibandingkan dengan katalis zeolit. Bentonit alam mempunyai rasio Si/Al = 2.2, lebih rendah dibandingkan dengan rasio Si/Al zeolit = 3.5 -5, disamping itu bentonit juga mengandung oksida besi yang cukup beragam (besi II dan besi III), seharusnya kemampuan tukar ion zeolit lebih besar tetapi dari penelitian pendahuluan pemilihan katalis, didapatkan data penurunan bilangan oksiran yang lebih rendah, hal ini kemungkinan karena kedua katalis ini tidak mengalami perlakuan pendahuluan (aktivasi) sebelum digunakan. Pada reaksi alkilasi sebaiknya digunakan katalis dengan minimum keasaman < -6.63, tanah liat atau bentonit memiliki keasaman sebesar -5.6 – (-8.2) sedangkan zeolit < (-8.2) (Satterfield 1991). Selanjutnya pada penelitian ini digunakan katalis bentonit. Pengaruh penambahan katalis bentonit pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

bilangan oksiran (% O)

116 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1

1.5

2

3

prosentase bobot bentonit

Gambar 51 Pengaruh bentonit pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi

Pengaruh prosentase bobot penambahan katalis bentonit pada proses hidroksilasi mengikuti persamaan : y = -0.381428 + 1.087428 x Uji signifikansi model dihasilkan R2 sebesar 0.77, perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 11 (L11.2). Penambahan katalis berfungsi mempercepat reaksi. Meskipun

jalur proses reaksi katalitis lebih kompleks dibandingkan dengan nonkatalitis tetapi energi aktivasi yang dicapai lebih rendah. Mekanisme reaksi katalitis heterogen terdiri dari 2 tahap yaitu perpindahan massa (reaksi adsorbsi pereaksi dan/atau reaksi desorbsi produk dari permukaan katalis) dan reaksi kimia. Jumlah katalis yang ditambahkan akan mempengaruhi reaksi adsorbsi maupun desorbsi. Reaksi adsorbsi dan desorbsi juga tergantung pada pori katalis. Pada penambahan katalis 1% (w/w) penurunan bilangan oksiran pada reaksi hidroksilasi lebih rendah dibandingkan dengan penambahan katalis 1.5% (w/w) dan pada penambahan katalis 2-3% (w/w) penurunan bilangan oksiran juga di bawah 1.5% (w/w) katalis. Penambahan katalis 1% (w/w) masih kurang untuk mengadsorbsi pereaksi sehingga dapat mempercepat reaksi. Sedangkan pada penambahan katalis sebesar 2-3% (w/w) reaksi adsorbsi sudah mengalami kejenuhan, sehingga tidak akan berpengaruh terhadap kecepatan reaksi, dan penambahan katalis dalam jumlah tersebut akan menurunkan kemampuan tumbukan antar molekul. Sehingga untuk proses hidroksilasi ini digunakan jumlah katalis sebesar 1.5% (w/w). Pada reaksi katalitis, peningkatan kecepatan reaksi terjadi karena turunnya energi aktivasi. Mekanisme reaksi katalitis lebih kompleks dibandingkan dengan reaksi nonkatalitis (Froment 1990). Pada

117 reaksi katalitis terbentuk senyawa kompleks pereaksi dengan katalis. Jumlah mol katalis yang dibutuhkan stoikiometris terhadap jumlah pereaksi.

Penelitian Pendahuluan penentuan kisaran kondisi operasi hidroksilasi. Pada

penelitian pendahuluan dilakukan percobaan untuk menentukan kisaran kondisi operasi terbaik untuk proses hidroksilasi epoksi minyak jarak pagar, dengan menggunakan respon bilangan oksiran seperti terlihat pada Lampiran 12. Dengan menggunakan metoda regresi non linier didapatkan model hubungan antara bilangan oksiran (y) dengan peubah-peubah suhu (x1), konsentrasi katalis (x2), dan nisbah mol pereaksi (x3). Hasil analisis statistik menunjukkan bahwa nilai bilangan oksiran epoksi minyak jarak pagar dipengaruhi oleh nisbah mol pereaksi dan suhu proses (Lampiran 13). Hal ini diperkirakan bahwa semakin tinggi suhu (60º C), nisbah mol pereaksi (1:13), dan konsentrasi katalis (1.5%) akan semakin besar jumlah tumbukan antar molekul dan semakin banyak reaksi yang terjadi, sehingga akan membentuk poliol, dinyatakan dengan penurunan bilangan oksiran. Grafik permukaan pengaruh peubah terhadap perolehan epoksi terlihat pada Gambar 52, 53, dan 54.

2.6 2.4 2.2


2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6

10 8 6 4 2

0.4 40

45

50

55

60 Suhu (0C)

65

70

75

80

10 8 6 4 2

Gambar 52 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi dari suhu (x1) dan konsentrasi katalis (x2) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi.

118

14

13


12

11

10

9

8

8 6 4 2

7 40

45

50

55

60

65

70

75

8 6 4 2

80

Suhu (0C)

Gambar 53 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi dari suhu (x1) dan nisbah mol pereaksi (x3) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi.

14

13


12

11

10

9

8 8 7 6 5 4 3 2

7 0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8


2.0

2.2

2.4

2.6

8 7 6 5 4 3 2

Gambar 54 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi dari konsentrasi katalis (x2) dan nisbah mol pereaksi (x3) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi.

Hasil analisis kanonik menunjukkan nilai bilangan oksiran optimum (minimum) adalah 0.77% yang terjadi pada suhu reaksi 60° C, katalis bentonit 1.5%(w/w), dan nisbah pereaksi 1 : 13 (mol). Pada tahapan proses berikutnya digunakan kondisi operasi di atas.

119 Perpindahan massa pereaksi metanol dalam katalis bentonit. Perpindahan

massa/pelarutan katalis bentonit dalam metanol untuk ukuran butir bentonit 80 mesh dengan volume metanol 12.5 ml dan bentonit 0.8 gram, disajikan pada Gambar 55,

dNA

sedangkan perhitungan [H+] dapat dilihat pada Lampiran 14 ( L14.1.) 0.000004 0.000003 0.000002 0.000001 0 -0.000001 -0.000002 -0.000003 -0.000004

10

15

25

30

t, m e nit

Gambar 55 Perpindahan massa katalis bentonit

Dari data percobaan diketahui dengan bertambahnya waktu semakin besar pengurangan [H+] dari metanol, karena terserap/teradsorb dalam bentonit. Data hasil penelitian pada tahap ini dapat digunakan untuk menentukan waktu pencampuran. Hasil analisis ragam pada Lampiran 14 (L14.1) mengenai pengaruh waktu pada pencampuran antara katalis bentonit dalam metanol adalah: uji F untuk waktu pencampuran Fhitung = 22.78 berarti H0 ditolak (peubah waktu pencampuran memberikan pengaruh yang berbeda nyata) dan p-value adalah 0.00578, artinya ada perbedaan signifikan antar taraf pada faktor waktu pencampuran terhadap dNA dan koefisien determinasi (R2) 91.9%. Model kinetika reaksi hidroksilasi. Pada tahapan ini dilakukan penentuan

persamaan laju reaksi hidroksilasi dan nilai–nilai tetapan laju reaksi (k), faktor frekuensi tumbukan (A), energi aktivasi (Ea), serta konversi reaksi (x). Data yang dibutuhkan adalah data penurunan bilangan oksiran dengan fungsi waktu dan suhu pada kondisi operasi terbaik.

120 Tabel 21 Data penurunan bilangan oksiran pada proses hidroksilasi. Bahan epoksi dari minyak jarak pagar:

BA =11, oksiran =5.043. Perbandingan mol epoksi :

metanol =1 : 13 Waktu 50° C (menit) Oksiran awal 4.7 Hidroksil awal 6.68 OH

Waktu (menit)

60° C Oksiran awal 5.043 Hidroksil awal 6.68 OH

Oksiran

Waktu (menit)

Oksiran

70° C Oksiran awal 5.043 Hidroksil awal 6.68 OH

Oksiran

30 88.855

4.2

30 104.7098 4.2

30

74.57

3.19

60 120.8

2.17

60 127.2269 4

60

135.251

2.0

90 88.855

1.99

90 165.770

0.8296

90

94.89

2.5

2.78

120

117.137

1.78

120 187

1.25

120

180 219.37

0.05

150 159.747

1.99

150

112.982

0.14

180 165

0.82

180

135.313

1.27

210 133.155

0.1056

210

137.24

0.9

22.162

Data bilangan oksiran dan bilangan hidroksil hasil hidroksilasi diubah menjadi data konversi, seperti pada Tabel 22 dan perhitungan terdapat pada Lampiran 14 (L14.4).

Tabel 22 Data perubahan konversi oksiran pada suhu proses 50° C T, menit 30 60 90 120 180

X(Oksiran)

0.1063 0.5382 0.5765 0.7340 0.9893

121

0.07

Hidroksil-Oksiran

0.06 0.05 0.04 0.03 0.02

Hidroksil

0.01

Oksiran

0 30

60

90

120

180

w aktu, menit

Gambar 56 Perubahan konsentrasi hidroksil dan oksiran pada proses hidroksilasi 50° C.

Tabel 23 Data perubahan konversi oksiran pada suhu proses 60° C X(Oksiran)

t, menit 30 60 90 120 150 180 210

0.1671 0.2068 0.8354 0.4487 0.6053 0.8373 0.9790

0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 Hidroksil Oksiran

0.01 0 30

60

90

120

Waktu, menit

Gambar 57 Perubahan konsentrasi hidroksil dan oksiran pada proses hidroksilasi 60° C

122 Tabel 24 Data perubahan konversi oksiran pada suhu proses 70° C t, menit

X(OKS)

Hidroksil.10-4-Oksiran

30 60 90 120 180 210

0.36744002 0.60341067 0.50426334 0.64703549 0.74816577 0.8215348

0.05 0.04 0.03 0.02

Hidroksil Oksiran

0.01 0 30

60

90

120

180

210

Waktu,m enit

Gambar 58 Perubahan konsentrasi hidroksil dan oksiran pada hidroksilasi 70° C

Gambar 56, 57, dan 58 merupakan gambar perubahan konsentrasi yang terjadi pada reaksi hidroksilasi epoksi minyak jarak. Ketiga gambar tersebut menunjukkan adanya kenaikan bilangan hidroksil dan penurunan nilai oksiran. Reaksi hidroksilasi ini merupakan sistem reaksi heterogen cair-cair yang terdiri dari 3 (tiga) fase, yaitu alkohol, larutan organik (epoksi), dan katalis padat. Pada reaksi ini terjadi perpindahan massa dan reaksi kimia, perpindahan massa terjadi antara alkohol dan katalis padat, perpindahan massa ke dalam epoksi, dan selanjutnya terjadi reaksi kimia. Reaksi pembukaan cincin oksiran merupakan reaksi ireversibel. Pada Tabel 22, 23, dan 24 terjadi kenaikan konversi, karena dengan bertambahnya waktu reaksi maka semakin besar waktu kontak antara pereaksi dan katalis sehingga perpindahan massa dan reaksi kimia semakin besar.

123 Dari perhitungan yang terdapat pada Lampiran 14 (L.14.4), maka didapatkan data tetapan laju reaksi hidroksilasi dengan menggunakan metanol sebagai berikut :

Tabel 25 Hasil perhitungan nilai k (tetapan laju reaksi) hidroksilasi dengan metanol menggunakan regresi linier tetapan laju reaksi

T° C

l/mol detik.107

ml/mol menit

l/mol detik

0.012408

2.068085.10-7

2.0680085

0.006877

1.146204.10

-7

1.1462044

4.331166.10

-7

4.3311660

50 60 70

0.025986

Model kinetika reaksi hidroksilasi berdasarkan perhitungan pada Lampiran 14 (L14.4.4, L14.4.5, dan L14.4.6)

(− rE ) = − dCE dt

= k '.C E

Keterangan : CE

: konsentrasi epoksi

k’

: tetapan laju reaksi k’ = k[CH3OH] Persamaan laju reaksi ini merupakan persamaan linier dengan nilai tetapan laju

reaksi sebagai intersep persamaan garis tersebut. Nilai k dapat didefinisikan sebagai tetapan Arrheinus, yaitu :

k = Ae− E / RT Jika diubah dalam bentuk ln, menjadi ln k = ln A − E / RT

Dari perhitungan dengan menggunakan data yang diperoleh didapatkan nilai E dan nilai A sebagai berikut : E

= 10.690981

kkal/ mol

A

= 5.63304 x 104 ml / mol menit = 0.938841 l/ mol detik

Nilai energi aktivasi (E) diperoleh dari hasil perhitungan k’ pada beberapa suhu. Besarnya E pada reaksi pembukaan cincin oksiran dengan menggunakan alkohol

124 (metanol) dan katalis bentonit mendekati besarnya E pada hasil penelitian pembukaan cincin oksiran epoksi minyak kedelai dengan menggunakan H2O2, yaitu sebesar 20.17 kkal/mol, pada pembukaan cincin oksiran dengan asam asetat sebesar 16.52 kkal /mol (Campanella & Baltanas 2006). Persamaan tetapan laju reaksi dan laju reaksi hidroksilasi terhadap epoksi minyak jarak pagar adalah :

k ' = 0.93884197 5 e ( −10.6909813

/ RT )

l/ mol detik

rE = 0.938841975 e( −10.6909813 / RT )CE Harga entalpi reaksi (ΔHR) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (Levenspiel 1972) ΔH = E –RT Hasil perhitungan adalah : ΔH = 10.0193753 kkal / mol

Perhitungan waktu curah ideal pada proses hidroksilasi pembukaan cincin oksiran

dengan

metanol.

Neraca

massa

dalam

reaktor

curah

isotermal

(endotermis/eksotermis) digunakan untuk menentukan waktu curah ideal Laju masukan – Laju keluaran –Laju reaksi = Laju akumulasi 0

-

0

-

V. rE

= d (V. CE) dt

Volume (V) konstan, sehingga

Vr

dCE = (− rE )Vr dt

Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai konsentrasi epoksi sebesar CE pada kondisi isothermal adalah :

125 t=

dCE Ce 0 ( − r ) E

∫

CE

Perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 14 (L14.4.7). t=

1 ⎛ CE 0 ⎞ ⎟ ⎜ ln k ⎜⎝ CE ⎟⎠

Sebagai pengujian terhadap model persamaan t curah ideal reaktor hidroksilasi dengan pereaksi metanol, maka dihitung harga t pada kondisi isotermal 70° C. Untuk mendapatkan perubahan konsentrasi oksiran dari CE0 = 0.0579945 mol, CE = 0.02875 mol, konversi 50.43% , harga k = 4.33117.10-7 l/mol menit, dibutuhkan waktu 92.27998.menit, percobaan di laboratorium dilakukan pada t = 90 menit. Perhitungan t selengkapnya dengan menggunakan model persamaan matematis dapat dilihat pada Lampiran (L14.4.7)

Proses Asetilasi Penelitian Pendahuluan. Pada penelitian pendahuluan ini dapat diketahui

terjadinya perubahan bilangan hidroksil pada epoksi, poliol, dan asetilasi poliol, seperti terlihat pada Gambar 59 di bawah ini.

250

bil hidroksil

200 150 100 50 0 Epoksi

Poliol

Asetilasi Poliol

jenis pelumas dasar

Gambar 59 Perubahan bilangan hidroksil pada proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi

126 Dari Gambar 59 terlihat perubahan bilangan hidroksil dari epoksi, poliol, dan asetilasi poliol. Pada epoksi minyak jarak pagar sudah terlihat adanya gugus hidroksil, hal ini terjadi karena sebagian sudah mengalami pembukaan cincin oksiran yang disebabkan karena bereaksi dengan sisa pereaksi atau dengan sisa air yang ada dalam epoksi minyak jarak pagar menjadi polihidroksi. Pada poliol terlihat peningkatan hidroksil yang sangat besar karena sebagian besar epoksi mengalami pembukaan cincin oksiran menjadi hidroksil. Pada asetilasi poliol terjadi penurunan bilangan hidroksil karena gugus OH mengalami reaksi asetilasi menjadi gugus –OR. Data– data dapat dilihat pada Lampiran 15 (L15.1).

Pada penelitian pendahuluan dilakukan analisis bilangan asam untuk mengetahui kisaran nisbah volume pereaksi (poliol : asam asetat anhidrat) proses asetilasi, hal ini dapat dilihat pada Gambar 60 dan data penelitian terdapat pada Lampiran 15 (L15.2). 30

bilangan asam

25 20 15 10 5 0 1

2

5

10

penambahan poliol pada asam asetat anhidrat (v/v)

Gambar 60 Penambahan volume poliol pada asam asetat anhidrat terhadap bilangan asam

Dengan semakin kecilnya jumlah asam asetat anhidrat yang ditambahkan, maka semakin rendah bilangan asam. Karena dengan semakin besarnya asam asetat anhidrat memperbesar sisa asam asetat anhidrat yang kemungkinan tidak bereaksi dan tidak ternetralkan. Besarnya rendemen ester poliol setelah netralisasi dapat dilihat pada Gambar 61 di bawah ini dan data selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran 15 (L15.3). Suhu proses diambil dari data penelitian sebelumnya yang sudah ada yaitu pada 90° C dengan waktu 15 menit (Lathi & Mattiasson 2006).

127

rendemen

80 60 40 20 0 1

2

5

10

nisbah volume penambahan poliol persatuan volume asetat anhidrat

Gambar 61 Penambahan poliol terhadap rendemen asetilasi poliol.

Model kinetika reaksi asetilasi. Penentuan laju reaksi, tetapan laju reaksi (k),

faktor frekuensi tumbukan (A), energi aktivasi (Ea), x (konversi), orde reaksi (n) menggunakan perbandingan volume poliol : asam asetat anhidrat = 10 : 1, katalis bentonit 2% (volume), waktu total 40 menit (90° C dan 80° C). Poliol yang digunakan mempunyai bilangan hidroksil = 152.068, sampel diambil @ 4 ml dimasukkan ke dalam tabung reaksi, dinetralkan dengan larutan Na2CO3 (30% (w/w)). Tabel 26 Data perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol Waktu

Bilangan hidroksil,

Bilangan hidroksil,

(menit)

90° C

80° C

(awal = 152.07)

(awal = 152.07)

5

99.97

48.476

10

67.75

21,567

20

90.701

3.867

30

63.678

9.787

40

4.508

14.972

Data bilangan hidroksil hasil asetilasi poliol pada Tabel 26 diubah menjadi data konsentrasi untuk mengetahui perubahan konversi tiap satuan waktu pada suhu proses 90° C dan 80° C, perhitungan terdapat pada Lampiran 16 (L16.1).

bilangan hidroksil

128

8 6 4 2 0 5

10

20

30

40

w aktu, m enit

Gambar 62 Perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol 90° C. 4

bilangan hidroksil

3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 5

10

20

30

40

w aktu, m enit

Gambar 63 Perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol 80° C.

Gambar 62 dan 63 menunjukkan terjadinya penurunan bilangan hidroksil, hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya waktu proses semakin besar pembukaan cincin oksiran. Dari perhitungan yang terdapat pada L16.2 dan L16.3 dengan menggunakan data penurunan bilangan hidroksil, maka didapatkan tetapan laju reaksi asetilasi dengan menggunakan asam asetat anhidrat seperti terdapat pada Tabel 27 di bawah ini :

Tabel 27 Tetapan laju reaksi asetilasi dengan menggunakan asam asetat anhidrat T 80 90

1/T

k ml/mol menit 0.002832861 0.071786623 0.002754821 0.07588075

k l/mol detik 1.1964. 10-6 1.2647. 10-6

129 Model kinetika reaksi asetilasi berdasarkan perhitungan pada Lampiran 16 (L16.4, L16.5, dan L16.6)

- rP = -dCP/ dt = k’. CP Keterangan : CP

: konsentrasi Poliol

k’

: tetapan laju reaksi

Persamaan laju reaksi ini merupakan persamaan linier dengan nilai tetapan laju reaksi sebagai intersep garis tersebut. Nilai k dapat didefinisikan sebagai tetapan Arrheinus, yaitu : k = Ae − E / RT Jika diubah dalam bentuk ln, menjadi

Dari perhitungan dengan menggunakan data yang diperoleh di dapatkan nilai E/R dan nilai A sebagai berikut : R

= 1.987

E A

= 1412.203524 = 0.53757773

kal/ mol K kal / mol = 1.412203 kkal / mol l/ mol detik

Sehingga persamaan tetapan laju reaksi dan laju reaksi asetilasi terhadap poliol minyak jarak pagar adalah :

k ' = 0 .53757773 e ( −1.412203 / RT ) l/ mol detik rP = 0.53757773 e(1.412203 / RT )CP Harga Entalpi reaksi (ΔHR) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (Levenspiel 1972) ΔH = Ea – (1 – Δ n) RT Hasil perhitungan adalah : ΔH = 690.9225243 kal / mol

130 Perhitungan waktu curah ideal pada proses asetilasi terhadap poliol

Neraca massa dalam reaktor curah isotermal (endotermis/ eksotermis) digunakan untuk menentukan waktu curah ideal Laju masukan – Laju keluaran – Laju reaksi = Laju akumulasi 0

-

0

-

V. rP

= d (V. CP) dt

Volume (V) konstan, sehingga Vr

dCP = (− rP )Vr dt

Waktu yang dibutuhkan untuk menurunkan konsentrasi hidroksil menjadi sebesar CP pada kondisi isotermal adalah :

t=

dCP CP 0 ( − r ) P

∫

CP

Perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 16 (L16.7) t=

1 ⎛ CP 0 ⎞ ⎟ ⎜ ln k ⎜⎝ CP ⎟⎠

Sebagai pengujian terhadap model persamaan t curah ideal reaktor asetilasi, maka diambil contoh perhitungan pada percobaan 90° C waktu 40 menit, CP0=11.4848631mol; CP= 0.290366206 mol; k = 0.07588075 ml/mol menit. Dengan menggunakan persamaan 27), dibutuhkan waktu = 41.7389 menit. Perhitungan t selengkapnya dengan menggunakan model persamaan matematis dapat dilihat pada Lampiran 16 (L16.7)

131 Karakteristik minyak jarak pagar dan modifikasinya sebagai pelumas dasar Pengaruh modifikasi minyak jarak pagar terhadap sifat fisik dan kimia.

Pada penelitian ini dilakukan modifikasi terhadap minyak jarak pagar untuk digunakan sebagai pelumas dasar. Modifikasi ini menghasilkan epoksi, poliol, dan asetilasi poliol, masing-masing tahapan memberikan perubahan sifat fisik maupun kimia. Pada tabel di bawah ini terlihat perubahan sifat fisik dan kimia karena perubahan struktur kimia minyak jarak pagar. Perubahan sifat fisik misalnya terjadi perubahan densitas, titik tuang, titik nyala, viskositas, indeks viskositas. Perubahan sifat kimia: bilangan asam, (TBN), bilangan penyabunan, bilangan iod, kadar air, bilangan oksiran, dan bilangan hidroksil.

Tabel 28 Sifat Fisik dan kimia Minyak Jarak Pagar, Epoksi, Poliol, dan Asetilasi Poliol Sifat

Minyak

Epoksi

Poliol

Warna

Kuning Coklat

Putih keruh

Putih kekuningan

Asetilasi Poliol Coklat

Densitas (g/ml3) Titik nyala (ºC) Titik tuang (ºC) Viskositas 25ºC Viskositas 40ºC (CSt)

0.9157 270 0 9.22 cp 34.17

0.92 220 3 145.54

0.95 206 3 59.718 cp 456.91

1.0038 292 -6 73.846 cp 519.12

Viskositas 100ºC (CSt)

7.95

20.96

32.55

42.53

Viskositas Indeks Bilangan asam mg KOH/g

217 3.97

168 1.50

104 12

130 0.6 0.41 1.467 152.23

TBN mg KOH/g Indeks bias 25 ºC Bilangan penyabunan mg KOH/g Kadar air % Bilangan Iod g/ 100 g

1.4655 96.7

1.465 167.82

1.465

0.07 108

1.8 2.9

1.77

Oksiran (% / 100 g) Bilangan Hidroksil

0 0

4.7 6,88.

0.0158 234

Komposisi Kimia Asam Kaprilat Asam Laurat Asam Miristat Asam Palmitat Asam Stearat Asam Oleat Asam Linoleat Asam Linolenat

0.061 0.112 16.867 0.132 47.929 34.419 0.081

3.29 0.77 1.425 1.755 0.319 0.16 0.11

0.28 0.64 0.73 71.0

0.32

6.22

1.1

132 Perubahan sifat kimia terjadi karena adanya beberapa tahapan proses. Pada proses epoksidasi

mengakibatkan

terjadinya

perubahan

bilangan

iod,

karena

adanya

pengurangan ikatan rangkap membentuk ikatan siklik oksigen oksiran. Berkurangnya jumlah ikatan rangkap minyak jarak pagar pada tahap epoksidasi adalah dari 108 (g/100g) menjadi 2.9 (g/100g), pada tahap hidroksilasi terhadap epoksi, bilangan iod berkurang menjadi 1.77 (g/100g). Pengurangan ikatan rangkap minyak meningkatkan stabilitas oksidasi dan termal minyak sebagai pelumas dasar (Wu et al. 2000). Perubahan sifat kimia minyak jarak pagar karena proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi berpengaruh terhadap beberapa sifat fisik minyak, yaitu viskositas, indeks viskositas, dan titik tuang. Pengujian viskositas 40° C dan titik tuang menggunakan metoda standard ASTM D-445 dan ASTM D-97. Pada penelitian minyak kedelai dinyatakan bahwa titik tuang hasil asetilasi poliol terendah dibandingkan dengan prosesproses sebelumnya atau sebelum diproses (Hwang & Erhan 2005, Adhvaryu et al. 2005). Proses epoksidasi dilakukan untuk mengurangi ikatan rangkap, hidroksilasi dilakukan untuk mengubah gugus oksiran dari epoksi yang bersifat tidak stabil, dan asetilasi digunakan untuk mengubah gugus OH pada minyak menjadi OR. Kelemahan utama dari minyak nabati adalah ketidakstabilan termal-oksidasi dan rendahnya sifat alir pada suhu rendah. Minyak nabati mempunyai kecenderungan membentuk struktur kristal makro pada suhu rendah melalui penumpukan pada bagian tulang belakang triasilgliserol. Beberapa kristal makro membatasi kemudahan aliran sistem karena hilangnya energi kinetik tiap-tiap molekul (Adhvaryu et al. 2005). Titik tuang minyak jarak pagar adalah 0° C, sedangkan titik tuang epoksi minyak jarak pagar adalah 3° C. Stabilitas termal dan oksidasi epoksi minyak jarak pagar tercapai karena hilangnya atau berkurangnya jumlah ketidakjenuhan, tetapi sifat alir pada suhu rendahnya kurang baik dibandingkan minyak jarak pagar, dengan demikian membatasi penggunaannya pada suhu rendah. Penggabungan ikatan dengan panjang tertentu pada atom karbon hasil pembukaan cincin epoksi menurunkan titik tuang. Titik tuang poliol terasetilasi adalah -6° C. Modifikasi dapat meningkatkan stabilitas minyak sebagai pelumas dasar pada suhu rendah, misalnya tidak mengendap, meningkatkan kemampuan mengalir, dan mencegah pembekuan. Viskositas merupakan ciri pelumas yang paling penting. Nilai viskositas harus tinggi, untuk memberikan lapisan pelumasan yang cukup ketika terjadi friksi. Viskositas

133 larutan makromolekul sangat tergantung pada ukuran (berat molekul) dan bentuk (ikatan pada cabang) (Haus et al. 2003). Perubahan viskositas pada minyak jarak pagar, epoksi, poliol dan asetilasi poliol terjadi karena perubahan berat molekul karena perubahan struktur kimia selama proses dan jumlah mol pereaksi . Pelumas dasar hasil modifikasi minyak jarak ini akan digunakan sebagai pelumas mesin (engine oil), sehingga diperlukan standar sebagai pembanding. Society of Automotive Engineers (SAE), American Society for Testing Materials (ASTM), dan American Petroleum Institute (API) menetapkan batasan, teknik pengujian dan deskripsi kegunaan untuk pelumas mesin. Tabel 29 membandingkan sifat pelumas dasar.

Tabel 29 Sifat Fisik Pelumas Mesin (Minyak Baru) dengan standar SAE Parameter

SAE

Asetilasi Poliol

20W-50

Asetilasi Poliol + SAE 20W50

(1 : 8)

Densitas @15°C, ASTM D-1298

0.8920

1.0038

0.8863

Viskositas 40 °C, CSt,

185.91

519.12

246.87

Viskositas 100° C, CSt

20.19

42.53

19.80

Indeks viskositas,

126

130

92

Titik tuang °C,

-27

-6

-18

Titik nyala °C,

240

292

204

TBNmg KOH/gr

10.69

0.41

5.41

Handbook of Lubrication Vol 1 pg 15 dan SNI untuk pelumas mesin

Tabel 29 menunjukkan bahwa dari hasil karakterisasi terhadap poliol terasetilasi sebagai pelumas dasar, terlihat bahwa poliol terasetilasi dapat digunakan sebagai pelumas dasar untuk mensubstitusi pelumas dasar mineral atau sintetis. Pada penggunaan pelumas dasar ini dapat dicampur dengan aditif atau pelumas komersial dengan perbandingan volum tertentu, pada pengujian digunakan pelumas SAE 20W-50. Hasil pencampuran dengan pelumas (+aditif) menunjukkan indeks viskositas turun, titik tuang menjadi lebih rendah, TBN naik dibandingkan poliol terasetilasi. Data ini menunjukkan bahwa dengan mencampur beberapa % volum minyak nabati yang dimodifikasi pada mineral oil, maka bisa digunakan sebagai pelumas dengan spesifikasi yang diinginkan.

134 Hasil pengujian gugus fungsi menggunakan FTIR dan pengujian struktur kimia menggunakan NMR Minyak. Minyak jarak pagar mempunyai bilangan iod sebesar 97-108, hal ini menunjukkan bahwa minyak nabati ini termasuk jenis minyak setengah mengering, minyak ini sesuai jika digunakan sebagai pelumas. Besarnya bilangan iod menunjukkan besarnya ikatan C=C pada minyak jarak pagar, hal ini dapat menurunkan stabilitas termal dan stabilitas oksidasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar. Hasil pengujian gugus fungsi menggunakan FTIR pada Gambar 64 terlihat adanya ikatan rangkap C=C, sesuai dengan standar bahwa ikatan C=C terdapat pada bilangan gelombang 1675-1660 (cm-1).

1675

Gambar 64 Hasil pengujian gugus fungsi pada minyak jarak pagar menggunakan FTIR Hasil pengujian struktur kimia menggunakan NMR pada minyak jarak pagar yang disajikan pada Gambar 65, menunjukkan bahwa adanya gugus C=C pada δ 1.2-1.3 ppm.

Gambar 65 Hasil pengujian struktur kimia pada minyak jarak pagar menggunakan NMR

135 Epoksi minyak jarak pagar. Penghilangan ketidakjenuhan minyak jarak pagar dengan mengubahnya menjadi epoksi, dari Tabel 28 data bilangan iod menunjukkan penurunan dari 108 menjadi 1.72, hasil ini dapat meningkatkan stabilitas termal dan oksidasi dari minyak. Ikatan rangkap mempercepat degradasi (Erhan & Adhvaryu 2005). Pada Tabel 28 densitas dan viskositas epoksi minyak jarak pagar lebih besar dibandingkan dengan minyaknya, hal ini disebabkan karena berat molekul, polaritas, dan gaya intermolekular. Epoksi minyak mempunyai berat molekul tinggi dan struktur yang lebih polar dibandingkan dengan minyaknya, akibatnya interaksi antar molekul menjadi lebih kuat (Wu & Zhang 2000). Perubahan molekul minyak jarak pagar terlihat pada Gambar 66. Hasil pengujian gugus fungsi pada epoksi minyak jarak pagar menggunakan FTIR adalah terjadi penurunan intensitas gelombang 1675-1666 cm-1. Tampak adanya epoksi 824-842 (cm-1) dan gugus –OH 3450-3400 (cm-1), gugus oksiran mengalami pembukaan cincin oksiran.

Gambar 66 Hasil pengujian gugus fungsi pada epoksi minyak jarak pagar menggunakan FTIR.

Hasil pengujian struktur kimia menggunakan NMR pada epoksi jarak pagar pada Gambar 67, menunjukkan bahwa gugus C=C mengalami pergeseran, sehingga terlihat gugus epoksi pada δ 3.0-3.2 ppm

136

Gambar 67 Hasil pengujian struktur kimia epoksi jarak pagar menggunakan NMR

Poliol. Hasil pengujian sifat fisika kimia poliol (metanol) pada Tabel 28 menunjukkan perubahan dibandingkan dengan data sifat–sifat epoksi karena terjadinya perubahan struktur molekul. Gugus oksiran pada epoksi mengalami pembukaan cincin karena reaksi hidroksilasi dengan alkohol, hal ini tampak pada Gambar 68 dimana gugus hidroksil (-OH) pada panjang gelombang 3450-3400 (cm-1) mengalami kenaikan intensitas, dan berkurangnya gugus oksiran dengan panjang gelombang 824-842 (cm-1). Sudah tampak gugus (-OR) pada hasil hidroksilasi dengan panjang 1600-1800 (cm-1).

824 3450

Gambar 68 Hasil pengujian gugus fungsi pada poliol jarak pagar menggunakan FTIR.

Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR yang disajikan pada Gambar 69, menunjukkan bahwa gugus epoksi mengalami pergeseran sehingga terlihat gugus dihidroksi pada δ 2.8-3.2.

137

Gambar 69 Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR

Asetilasi Poliol. Hasil pengujian sifat fisika kimia poliol terasetilasi pada Tabel 28 menunjukkan perubahan poliol teasetilasi dibandingkan dengan sifat–sifat poliol karena terjadinya perubahan struktur molekul. Gugus hidroksil pada poliol mengalami pengurangan karena reaksi asetilasi pada gugus –OH membentuk -OR, hal ini tampak pada Gambar 70, dimana intensitas gugus hidroksil (-OH) pada panjang gelombang 3450-3400 (cm-1) mengalami penurunan. Gugus –OR tampak pada 1600-1800 (cm-1).

Gambar 70 Hasil pengujian gugus fungsi pada poliol jarak pagar menggunakan FTIR.

Hasil pengujian struktur nimia pada asetilasi poliol jarak pagar menggunakan NMR yang disajikan pada Gambar 71, menunjukkan bahwa gugus –OR pada δ 0.8-1.0.

138

Gambar 71 Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR

Pengujian Kinerja Kestabilan Oksidasi. Oksidasi merupakan faktor utama yang membatasi umur pemakaian pelumas. Banyak faktor yang dapat mempercepat terjadinya oksidasi pelumas, diantaranya komposisi pelumas, suhu, katalis, dan lain-lain. Akibat terjadinya oksidasi pada pelumas dasar adalah terbentuknya asam dan lumpur oksidasi, yang akan berpengaruh terhadap fungsi pelumasan. Asam organik yang terbentuk dapat dideteksi dengan menganalisis bilangan asam total, dimana besarnya konsentrasi asam diukur berdasarkan volume basa yang dibutuhkan untuk menetralisir asam yang ada di dalam minyak tersebut. Pengujian stabilisasi oksidasi minyak jarak pagar dan hasil modifikasinya pada penelitian ini menggunakan prosedur pemanasan terhadap contoh pelumas dasar sampai dengan 100° C dengan aliran udara 0.5 l /menit. Contoh diambil pada periode waktu 0 menit, 30 menit, sampai dengan 120 menit. Analisis yang dilakukan adalah viskositas pada 40° C dan bilangan asam. Skema rangkaian alat dan foto alat dapat dilihat pada Gambar 72 dan Lampiran 18.

139

Keterangan : 1,2 Kran

5 Labu berisi contoh minyak, logam dilengkapi dengan termometer

3 Manometer

6 Statif

4 Kompresor

7 Labu untuk penampungan gas buangan Gambar 72 Rangkaian alat pengujian stabilitas oksidasi

Hasil pengujian kestabilan oksidasi berupa data perubahan viskositas dan bilangan asam pada kondisi suhu 100° C selama 90 menit dapat dilihat pada Gambar 73 dan 74. 350

Viskositas, cP

300 250 200 150 100 50 Visk M JP

0 0

30 t , m e nit

90

Visk M JP +A O Visk EJP Visk P JP Visk A P JP

Gambar 73 Hasil pengujian kestabilan oksidasi terhadap viskositas pelumas dasar.

Viskositas adalah sifat pelumas yang sangat penting, dapat mempengaruhi ketebalan film dan keausan dari permukaan logam. Viskositas juga dapat digunakan untuk mengidentifikasi golongan dari masing-masing pelumas dan untuk monitoring

140 perubahan yang terjadi pada pelumas selama pemakaian. Peningkatan viskositas minyak menunjukkan adanya kerusakan minyak, antara lain disebabkan oleh oksidasi, polimerisasi oksidasi dan polimerisasi hasil degradasi senyawa peroksida. Viskositas minyak yang semakin meningkat merupakan indikasi terjadinya polimerisasi sebagai tahap akhir dari oksidasi minyak. Kecenderungan peningkatan viskositas minyak disebabkan adanya degradasi trigliserida akibat oksidasi. Oksidasi tingkat lanjutan menyebabkan polimerisasi yang menghasilkan senyawa berbobot molekul tinggi. Senyawa-senyawa polimer tersebut selain meningkatkan bobot jenis juga meningkatkan viskositas minyak (Hendrawati 2001). Sedangkan penurunan viskositas biasanya menunjukkan adanya pengenceran oleh minyak yang lebih rendah viskositasnya (Karina 2005). Hasil analisis viskositas pada pengujian kestabilan oksidasi minyak jarak pagar dan modifikasinya dapat dilihat pada Tabel L19.1 pada Lampiran 19. Pada Gambar 73 terlihat perbandingan perubahan viskositas pada minyak jarak pagar dan minyak jarak pagar + antioksidan, menunjukkan bahwa dengan penambahan antioksidan maka kestabilan viskositas minyak menjadi lebih baik. Pengubahan struktur minyak menjadi epoksi, poliol, dan asetilasi poliol mengakibatkan kenaikan viskositas dibandingkan dengan minyak jarak pagar, hal ini disebabkan karena terjadinya perubahan bobot molekul pada minyak. Hasil pengujian analisis keragaman pada percobaan kestabilan oksidasi dengan pengamatan viskositas ini, bisa dilihat pada Lampiran 19 (L 19.3). Tabel ANOVA menunjukkan Pr> F bernilai <0.0001, artinya model repeated measurement tersebut berbeda nyata, sehingga perlu dikaji lebih lanjut. Hal ini didukung oleh besarnya R2 99.91%.

Untuk kelima perlakuan, ulangan perlakuan, waktu, dan

interaksi perlakuan*waktu berbeda nyata. Data viskositas MJP dan hasil modifikasi terakhir Poliol terasetilasi (APJP) diregresikan. Pada Lampiran 19 (L19.3) besarnya kemiringan untuk data MJP (-6.7607) lebih besar dibandingkan dengan kemiringan untuk regresi data APJP (-3.695), hal ini menunjukkan bahwa perubahan viskositas MJP lebih besar dibandingkan dengan APJP (kestabilan oksidasi APJP lebih besar dibandingkan dengan MJP). Hasil pengujian terhadap perubahan bilangan asam dapat dilihat pada Gambar 74.

141

Bilangan Asam

35 30 25 20 15 10

M inyak Jarak Pagar

5

M inyak Jarak Pagar + A nt i Oksidan

0

Epoksi Jarak Pagar

0

30

60

90

waktu, menit

Poliol Jarak Pagar A set ilasi Poliol JP

Gambar 74 Hasil pengujian kestabilan oksidasi terhadap bilangan asam pelumas dasar.

Data Pengaruh waktu oksidasi terhadap perubahan bilangan asam dapat dilihat pada Lampiran 19 (Tabel L19.2). Hasil analisis bilangan asam pada pengujian kestabilan oksidasi minyak jarak pagar dan modifikasinya dapat dilihat pada Lampiran 19 (L19.4). Dari Gambar 80 terlihat bahwa kenaikan bilangan asam minyak jarak pagar lebih tinggi dibandingkan dengan hasil modifikasinya, hal ini menunjukkan bahwa selama periode oksidasi terjadi degradasi minyak yang menyebabkan terbentuknya asam lemak rantai pendek hasil penguraian senyawa peroksida dan asam lemak bebas sebagai hasil reaksi hidrolisis karena adanya air. Perubahan bilangan asam Asetilasi Poliol minyak jarak pagar paling kecil dibandingkan dengan pelumas dasar lainnya, hal ini disebabkan karena dengan pengubahan menjadi asetilasi poliol struktur kimia molekulnya menjadi lebih stabil karena ikatan rangkap menjadi sangat kecil atau tidak ada sama sekali, kemungkinan terbentuknya asam lemak rantai pendek menjadi lebih kecil. Perubahan bilangan asam minyak jarak pagar + antioksidan kecil, hal ini menunjukkan bahwa antioksidan ini efektif dalam menghambat reaksi oksidasi. Hasil Pengujian analisis keragaman pada percobaan kestabilan oksidasi dengan pengamatan bilangan asam bisa dilihat pada Lampiran 19 (L19.4). Tabel ANOVA menunjukkan Pr > F bernilai < 0.0001, artinya model repeated measurement tersebut berbeda nyata, sehingga perlu dikaji lebih lanjut. Hal ini didukung oleh besarnya R2 99.99%. Untuk kelima perlakuan, waktu, dan interaksi perlakuan*waktu berbeda nyata. Data bilangan asam MJP dan hasil modifikasi terakhir Poliol terasetilasi (APJP) diregresikan. Pada

142 Lampiran 19 (L19.4) besarnya kemiringan untuk data MJP (1.016) lebih besar dibandingkan dengan kemiringan untuk data APJP (0.3331), hal ini menunjukkan bahwa perubahan bilangan asam MJP lebih besar dibandingkan dengan APJP (kestabilan oksidasi APJP lebih besar dibandingkan dengan MJP.

Analisis penggunaan pelumas dasar. Modifikasi minyak nabati secara kimiawi menghasilkan pelumas dasar sintetis. Pengaruh modifikasi minyak jarak pagar terhadap indeks viskositas dilihat pada Tabel 30. Tabel 30 Indeks viskositas pada suhu 100° C No 1 2 3 4 5

Pelumas dasar MJP EJP PJP dengan metanol PJP dengan butanol Asetilasi Poliol

Indeks Viskositas, cSt 217 168 44 104 130

Perubahan struktur kimia minyak jarak pagar dapat mempengaruhi besarnya indeks viskositas. Indeks viskositas adalah hasil pengukuran viskositas kinematik pada suhu 40° C dan 100° C, sehingga semakin tinggi indeks viskositas, maka viskositas semakin stabil. Indeks viskositas minyak jarak pagar dan hasil modifikasinya tinggi, sehingga memenuhi persyaratan spesifikasi pelumas dasar. Indeks Viskositas di atas 80 termasuk pada kelompok Indeks Viskositas Tinggi. Berdasarkan Standar Nasional Indonesia (SNI) untuk pelumas, beberapa alternatif penggunaan pelumas dasar ini termasuk: 1

SAE Viskositas rangkap atau Pelumas Multi Grade setara dengan SAE 5W-20.

2

Minyak roda gigi dan / atau fluida hidraulik, dengan melihat pada data Tabel 28 hasil uji viskositas 40° C pada asetilasi poliol yaitu dengan rata-rata sebesar 519.12 cSt, maka pelumas dasar ini dapat dicampur dengan aditif sehingga setara dengan SAE 40, SAE 90, SAE 80W-90. Atau untuk keperluan industri dapat digunakan setara dengan ISO VG 46. Aditif yang ditambahkan adalah aditif tekanan ekstrim (Zn, Ca). Kandungan air harus rendah (<1%). Pengujian yang dilakukan adalah Four Ball Test.

143 3

Minyak mesin, dari data viskositas 40° C pencampuran pelumas dasar ini dan SAE 40W-90, maka menghasilkan pelumas setara dengan SAE 15W-40. Aditif yang ditambahkan adalah anti aus, apabila TBN rendah perlu ditambahkan aditif. Kadar air harus rendah (<0.1%). Uji yang harus dilakukan adalah anti korosi.

Pencampuran pelumas dasar dan aditif. Untuk mendapatkan pelumas dengan kualitas tinggi dilakukan pencampuran antara pelumas dasar yang berasal dari minyak bumi (petroleum), pelumas dasar sintetis (asetilasi poliol minyak jarak pagar) dan aditif. Pelumas petroleum untuk keperluan ini menggunakan pelumas komersial. Pengujian terhadap pelumas komersial sebelum pencampuran dilakukan untuk mengetahui komposisi aditif, setelah dicampur, komposisi aditif diuji kembali untuk mengetahui penurunan kualitasnya, sehingga dapat diketahui kekurangan aditif yang harus ditambahkan. Prosedur pencampuran bahan aditif dapat dilihat pada Gambar 75 dan 76. Minyak Mentah

Aditif

Pelumas dasar Petroleum

Produk

Gambar 75 Komponen Pelumas : pelumas dasar (petroleum) dan aditif (Paramins 1993) Minyak Mentah Produk

Pelumas dasar sintetis (Modifikasi MJP)

Pelumas dasar Petroleum Aditif

Gambar 76 Komponen Pelumas : pelumas dasar (petroleum & sintetis) dan aditif (Pengembangan dari Paramins 1993).

Pengujian kinerja pada mesin otomotif Tahapan ini dilakukan untuk mengevaluasi kinerja formula pelumas sintetis pada mesin otomotif setelah digunakan selama 100 jam. Pengujian kinerja pelumas dilakukan dengan mencampurkan pelumas dasar dari minyak jarak pagar dengan pelumas komersial

144 dengan perbandingan tertentu. Pengujian dilakukan terhadap campuran pelumas sebelum digunakan dan sesudah digunakan selama waktu tertentu disajikan pada Tabel 31 :

Tabel 31 Pengujian kinerja berbagai % campuran pelumas dasar dan pelumas komersial pada mesin otomotif (motor 2 tak) selama 100 jam NO.

1.

2.

3.

PARAMETER

TBN : New Used Viskositas 40 New Used Viskositas 100 New Used

KOMERSIAL

Asetilasi Poliol

Asetilasi Poliol

BATAS

: KOMERSIAL

: KOMERSIAL

PENGGANTIAN

(1 : 8)

(1 : 4)

5.41 1.93

3.91 2.55

161.40 8.77

246.87 19.91

157.83 136.03

20.47

19.8

20.04

148.00

92

147

2

6.63 6.18

4.

Indeks Viskositas

5.

Kandungan Air

<0.1

6.

Pour Point

(-12°C)

(-18°C)

(-12°C)

7.

Flash Point

210°C

(204°C)

(210°C)

8.

Analisis Logam Al Cr Cu Fe Pb Si

New 1 <1 <1 1 3 6

Used 13 2 3 85 1 14

New 1.5 <1 <1 1 1,5 7

Used 5 2 12 54 3 17

0.6

New 2 <1 <1 ≤1 2 8

Used 3 ≤1 14 24 12 12

Min 2

Maks ± Nominal

20%

Maks 0,2

Maks 20 Maks 20 Maks 50 Maks 100 Maks 50 Maks 20

Pada Tabel 31 dapat dilihat besarnya perubahan kandungan logam antara pelumas baru dan bekas setelah 100 jam pemakaian. Pada komposisi campuran pelumas nabati : pelumas komersial = 1 : 4 perubahan kandungan logam sebelum dan sesudah pemakaian paling kecil dibandingkan dengan komposisi campuran nabati : pelumas komersial = 1 : 8 dan 100 % pelumas komersial, hal ini menunjukkan bahwa dengan penambahan pelumas nabati pada pelumas komersial dapat meningkatkan ketahanan pelumas.

145 Diagram blok Proses Diagram Blok proses untuk tiga tahap proses ini dapat dilihat pada Gambar 77, 78, dan 79.

146

Di FILE DIAGRAM BLOK Animasi Tiap Reaktor Pola Aliran ChemCad, Kinetika, Grafik Perubahan Konversi Sistem Dinamik, reaktor 3, tergantung pada reaktor 1 & 2

DIAGRAM BLOK UNIT EPOKSIDASI

H2O2 , As Asetat Kat H2SO4

Air Biji Jarak Tanpa Tempurung

Epoksi dan sisa asam

Biji Jarak Kering

Oven

Reaktor Epoksidasi

Press

Dekantasi

Sisa H2O2 , As Asetat Kat H2SO4

Penyerapan sisa air

Netralisasi

Na carbonat

Na Sulfat

Penyaringan

Air + hasil penetralan

Sisa Butanol, katalis bentonit 2 %, Poliol

Sisa Butanol, Poliol

DIAGRAM BLOK UNIT HIDROKSILASI Epoksi

Reaktor Hidroksilasi

Epoksi

Penyaringan

147

Butanol, katalis bentonit 2 %

Pemisahan sisa butanol

bentonit 2 %

Poliol

butanol Poliol, sisa anhidrat

DIAGRAM BLOK UNIT ESTERIFIKASI Poliol

Esterifikasi Asam asetat anh katalis bentonit 2%

Pencucian

Aquadest

Penyaringan bentonit 2 %

Dekantasi

Hasil penetralan dan pencucian

Netralisasi

Na carbonat

Ester

148 Neraca massa di setiap alat Dari data laboratorium selanjutnya dilakukan perhitungan neraca massa pada setiap alat, data ini digunakan dalam perhitungan spesifikasi alat untuk keperluan optimasi dan menentukan kelayakan perancangan proses ditinjau secara finansial. Tabel neraca massa untuk kapasitas bahan baku 1kg di setiap alat pada proses epoksidasi, hidroksilasi dan asetilasi dapat dilihat pada tabel-tabel di bawah ini. Contoh perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 20 Neraca massa Proses Epoksidasi. Neraca massa di sekitar oven dapat dilihat pada Tabel 32 di bawah ini. Tabel 32 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pengeringan (OV-1) Aliran

Nomer Aliran

Masuk (g)

Keluar (g)

Biji Jarak Basah

1

1000

H2O

2

300

Biji Jarak Kering

3

700

TOTAL

1000

1000

Neraca massa di sekitar alat pres dapat dilihat pada Tabel 33 di bawah ini. Tabel 33 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pengepresan (PR-01) Aliran

Nomer Aliran Masuk (g)

Keluar (g)

Biji Jarak Kering 3 700 Minyak Jarak 4 291.62 Bungkil 5 408.38 TOTAL 700 700 Neraca massa di sekitar reaktor epoksidasi dapat dilihat pada Tabel 34 di bawah ini. Tabel 34 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Epoksidasi Komponen MJP CH3COOH H2O2 H2SO4 EJP H2O Sub Total Total

5 291.620

Input (g) 6

7

8

57.324 191.653 0.094

291.620

0.558 57.882

133.278 0.051 324.931 0.145 674.578

Output (g) 9 116.648 57.324 128.366 0.094 204.754 167.392 674.578

149 Neraca massa di tangki netralisasi dapat dilihat pada Tabel 35 di bawah ini. Tabel 35 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Netralisasi Komponen Input (g) Output (g) 9 10 11 12 MJP 116.648 116.648 H2O 167.392 6.754 1.741 175.782 H2O2 128.366 128.366 CH3COOH 57.324 57.324 NaHCO3 15.760 Na2SO4 13.329 CO2 8.255 H2SO4 9.201 EJP 204.754 204.754 Sub Total 683.685 22.514 9.997 696.202 Total 706.199 706.199 Neraca massa di sekitar tangki dekantasi dapat dilihat pada Tabel 36 di bawah ini. Tabel 36 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi Komponen MJP H2O H2O2 CH3COOH Na2SO4 EJP Sub Total Total

Input (g) Output (g) 12 13 14 116.648 93.318 23.330 175.782 175.782 128.366 128.366 57.324 57.324 13.329 13.329 204.754 163.804 40.951 696.202 257.122 439.080 696.202 696.202

Neraca massa Proses Hidroksilasi. Neraca massa dapat dilihat pada Tabel 37 Tabel 37 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Hidroksilasi Komponen MJP EJP Alkohol H2O Katalis bentonit Poliol Sub Total Total

Input (g) 13 93.318 163.804

15

16

110.195 0.547 1.272 257.122 110.742 369.136

1.272

Output (g) 17 93.318 5.990 3.967 0.547 1.272 256.841 361.936 361.936

150 Neraca massa di tangki dekantasi dapat dilihat pada Tabel 38 di bawah ini. Tabel 38 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi Poliol Komponen

Input (g) Output (g) 17 18 19 93.318 93.318 5.990 5.990 3.967 3.570 0.397 0.547 0.109 0.438 1.272 1.272 256.841 236.294 20.547 361.936 239.974 121.962 361.936 361.936

MJP EJP Alkohol H2O Katalis bentonit Poliol Sub Total Total

Neraca massa di pemisah sisa butanol dapat dilihat pada Tabel 39 di bawah ini. Tabel 39 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pemisahan Sisa Butanol Komponen

Input (g) 18

Output (g) 20 21

Alkohol H2O Poliol

3.570 0.109 236.294

3.570 0.079

Sub Total Total

239.974 3.650 236.324 239.974 239.974

0.030 236.294

Neraca Massa Proses Asetilasi. Neraca massa di reaktor asetilasi dapat dilihat pada Tabel 40 di bawah ini. Tabel 40 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Asetilasi Komponen Poliol Asam Asetat Anh. Kat Bentonit H2O Asetilasi poliol Sub Total Total

21 236.294

Input (g) 22

23

138.951 5.651

236.294

138.951 380.896

5.651

Output (g) 24 7.089 8.168 5.651 23.059 336.929 380.896 380.896

151 Neraca massa di pemisahan katalis dapat dilihat pada Tabel 41 di bawah ini. Tabel 41 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pemisahan Katalis Komponen

Input (g) 24

Poliol As Asetat Anh Kat Bentonit H2O Asetilasi poliol Sub Total Total

7.089 8.168 5.651 23.059 336.929 380.896 380.896

Output (g) 25 26 1.063 6.025 1.225 6.943 5.651 23.059 336.929 30.998 349.898 380.896

Neraca massa di tangki netralisasi dapat dilihat pada Tabel 42 di bawah ini. Tabel 42 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Netralisasi Komponen Poliol Asam Asetat Anh Asetilasi poliol NaHCO3 H2O CH3COONa CH3COOH CO2 Sub Total Total

Input (g) 26 6.025 6.943 336.929

27

Output (g) 29 6.025

28

336.929 5.713 2.448

349.898 8.161 358.059

2.424 0.024 5.577 4.081 2.992 355.036 3.017 358.053

Neraca massa ditangki dekantasi dapat dilihat pada Tabel 43 di bawah ini. Tabel 43 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi Komponen

Poliol Asetilasi poliol H2O CH3COONa CH3COOH Sub Total Total

Input (g) 29

Output (g) 30 31

6.025 6.025 336.929 336.929 2.423 2.423 5.576 5.576 4.080 4.080 336.929 18.106 355.035 355.035

152 Neraca energi di setiap Alat Tabel neraca energi untuk kapasitas bahan baku 1kg di setiap alat pada proses epoksidasi, hidroksilasi dan asetilasi dapat dilihat pada tabel-tabel di bawah ini dan perhitungan lengkap terdapat pada Lampiran 21. Neraca energi Proses Epoksidasi. Neraca energi di pemanas bahan dapat dilihat pada Tabel 44 di bawah ini. Tabel 44 Neraca Energi di Pemanas bahan sebelum Proses Epoksidasi (HE-01) Komponen Komponen Masuk HE-01 Q Komponen Keluar HE-01 Total

Panas Masuk, J Panas Keluar, J 5668.391 32173.340 37841.732 37841.732

37841.732

Neraca energi di pemanas bahan dapat dilihat pada Tabel 45 di bawah ini. Tabel 45 Neraca Energi di Pemanas bahan sebelum Proses Epoksidasi (HE-02) Komponen Komponen masuk HE-02 Q Komponen Keluar HE-02 Total

Panas Masuk (J) Panas Keluar (J) 4227.702 25413.072 29640.775 29640.775

29640.775

Neraca energi di reaktor epoksidasi dapat dilihat pada Tabel 46 di bawah ini. Tabel 46 Neraca Energi pada saat Proses Epoksidasi Komponen MJP CH3COOH H2O2 EJP H2O Panas Reaksi Panas yang diserap pendingin (Qc)

Panas Masuk (kal) -1104.984459 -1063.360467 -21934.71883 -4692.302348

-28795.36611

Panas Keluar (kal) 441.9937837 1063.360467 14691.43646 30958.87557 5866.557884 -3927.4 -77890.19027 -28795.36611

153 Neraca energi di tangki netralisasi dapat dilihat pada Tabel 47 di bawah ini. Tabel 47 Neraca Energi pada saat Netraliser Komponen MJP CH3COOH H2O2 EJP H2O H2SO4 NaHCO3 CO2 Na2SO4 Panas Reaksi Panas Yang dibutuhkan

Panas Masuk (kal) Panas Keluar (kal) -441.9937837 72.86372559 -350.2611 350.2611 -14691.43646 36857.11899 -30958.87557 152425.6648 -5866.557884 8091.313934 -1.19437562 -194455.4654 15.67579252 69.51140161 13518.59998 458166.7942 211401.0097

211401.0097

Neraca energi Proses Hidroksilasi. Neraca energi di sekitar alat pres dapat dilihat pada Tabel 48 di bawah ini. Tabel 48 Neraca Energi di Pemanas sebelum Proses Hidroksilasi (HE-03) Komponen Komponen Masuk HE-03 Q Komponen Keluar HE-03 Total

Panas Masuk, J 3755.865 44930.983 48686.849

Panas Keluar, J

48686.849 48686.849

Neraca energi di reaktor hidroksilasi dapat dilihat pada Tabel 49 di bawah ini. Tabel 49 Neraca Energi pada saat Proses Hidroksilasi Komponen MJP EJP Alkohol H2O Katalis Bentonit Poliol Panas Reaksi Panas yang diberikan pemanas (Qh)

Panas Masuk (kal) Panas Keluar (kal) -1460.36124 1460.36124 -24755.63421 905.3300468 -2649.641947 2649.641947 -19.17151896 19.17151896 -2.933868 2.933868 799323.7637 626300 -1459548.945 -28887.74278

-28887.74278

154 Neraca energi di pemisah alkohol dapat dilihat pada Tabel 50 di bawah ini. Tabel 50 Neraca Energi pada saat Pemisahan Alkohol Komponen Alkohol H2O Poliol Sub Total Total

Masuk (kal) Aliran 18 -122.641 -5.478 -1050539.804

Keluar (kal) Aliran 20 -122.641 -5.423

Aliran 21 0.208 1050539.804 1050539.596

-128.063 -1050667.922

-1050667.660

Neraca energi di pendinginan produk poliol dapat dilihat pada Tabel 51 di bawah ini. Tabel 51 Neraca Energi pada saat Pendinginan Produk Poliol Komponen

Panas Masuk, kal

Poliol H2O Panas yang dilepaskan TOTAL

1365701.745 0.071 1365701.82

Panas keluar, kal 129.962 0.038 1365571.816 1365701.820

Neraca energi Proses Asetilasi. Neraca energi di pemanas sebelum masuk reactor asetilasi dapat dilihat pada Tabel 52 di bawah ini. Tabel 52 Neraca Energi di Pemanas sebelum Proses Asetilasi Komponen Komponen Masuk HE-04 Q Komponen Keluar HE-04 Total

Panas Masuk, J 105053.980 1292487.209 1397541.189

Panas Keluar, J

1397541.189 1397541.189

Neraca energi di reaktor aetilasi dapat dilihat pada Tabel 53 di bawah ini. Tabel 53 Neraca Energi pada saat Proses Asetilasi Komponen Poliol As Asetat Anh Kat Bentonit H2O Asetilasi poliol Panas reaksi Panas pemanas (Qh)

Panas Masuk (kal) -735377.863 -2577.545 -13.033

98379.890 1821124.386 1181535.836

Panas Keluar (kal) 22061.336 151.524 135.867 808.183 1158378.888

1181535.798

155 Neraca energi di tangki netralisasi dapat dilihat pada Tabel 54 di bawah ini. Tabel 54 Neraca Energi pada saat Netralisasi Komponen Poliol As Asetat Anhidrat H2O NaHCO3 Asetilasi poliol CO2 Na(CH3CO) Panas Reaksi Panas Yang dibutuhkan

Panas Masuk (kal) Panas Keluar (kal) -18752.135 18752.135 -128.796 -171.615 257.423 -137.059 -1158378.888 1158378.888 35.546 107.690 -1044791.400 -1310308.777 -1177568.494 -1177568.494

Neraca energi di sekitar alat pres dapat dilihat pada Tabel 55 di bawah ini. Tabel 55 Neraca Energi pada saat Pendinginan produk asetilasi poliol Komponen Asetilasi poliol Air Panas dilepaskan TOTAL

Panas masuk, kal Panas keluar, kal 1158378.888 165482.698 0.848 0.121 992896.917 1158379.736 1158379.736

Integrasi Proses Integrasi proses pada modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar dengan proses yang terpilih yaitu epoksidasi, hidroksilasi, dan esterifikasi dengan kondisi operasi yang optimum dapat dilihat pada blok diagram yang disajikan pada Gambar 77, 78, 79, dan PEFD (Process Engineering Flow Diagram) pada Gambar 80 dapat menghasilkan produk sesuai dengan kriteria yang diinginkan. Simulasi proses berdasarkan parameter kinetika dan laju reaksi dari hasil pengolahan data-data laboratorium dilakukan dengan menggunakan program hysis. Hasil simulasi ini digunakan untuk mengetahui kelayakan proses secara teknis dan disajikan pada Gambar 81. Data hasil penelitian Mulyana et al 2003 digunakan sebagai perbandingan jalur proses dan disajikan pada Gambar 82. Berdasarkan hasil simulasi menggunakan program hysis, maka jalur proses yang dipilih dinyatakan layak secara teknis, hal ini ditunjukkan dengan spesifikasi produk yang sesuai dengan yang diinginkan dan kebutuhan energi selama proses lebih rendah dibandingkan dengan jalur proses lain.

156

Gambar 80 PEFD Modifikasi Minyak Jarak Pagar

157

Gambar 81 Hasil simulasi proses menggunakan program Hysis pada jalur proses epoksidasi-hidroksilasi-asetilasi

158

Gambar 82 Hasil simulasi proses menggunakan program Hysis pada jalur proses esterifikasi-epoksidasi-hidroksilasi

159 Optimasi Kapasitas Produksi Pelumas Dasar Kapasitas produksi tergantung pada beberapa faktor, yaitu jumlah jam operasi perhari, perminggu, perbulan atau pertahun;

beban alat;

ketersediaan bahan. Pada

tahapan ini akan dilakukan optimasi untuk menentukan kapasitas produksi ekonomis. Model Persamaan Biaya Produksi total (cT) per unit produksi didapatkan dari hasil perhitungan pada neraca massa, neraca energi, alat, dan analisis Finansial. Model untuk biaya variabel per unit produksi dihitung dari data hasil simulasi. Penyusunan model dengan metoda kuadrat terkecil regresi polinomial menghasilkan:

vc = 511 − 0.352 x + 0.00161x 2 − 0.000002 x 3 Besarnya R2=96.9% Model untuk biaya tetap per unit produksi adalah : fc = 833.011 Model untuk Biaya total per unit produksi adalah : cT = vc + fc

cT = 511 − 0.352 x + 0.00161x 2 − 0.000002 x3 + 833.011 / x Keterangan : x

= Kapasitas Produksi

cT

= Biaya produksi total per unit produksi

vc

= Biaya variabel per unit produksi

fc

=Biaya tetap per unit produksi

Optimasi kapasitas produksi dilakukan untuk mendapatkan biaya total per-satuan produksi minimum. Penyelesaian optimasi ini menggunakan beberapa hasil perhitungan/ persamaan neraca massa, neraca energi, spesifikasi alat, dan lain sebagainya. Metoda optimasi yang digunakan adalah analitis

160 Perhitungan lengkap optimasi kapasitas produksi dapat dilihat pada Lampiran 22. Hasil optimasi didapatkan kapasitas optimum adalah x =167.281 ton/tahun. x = kapasitas optimum untuk mendapatkan biaya minimum per satuan produksi Berikut ini grafik biaya variabel dan biaya total fungsi kapasitas produksi.

500.000 498.000

498.516

497.656

vc, juta rupiah

496.000

495.252

494.000 492.000

491.499 490.334

490.000 488.000

487.737 487.808

488.564

486.000 484.000 482.000 47.70

95.42

143.13

167.28

190.93

238.54

286.25

333.96

x, kapasitas , ton/th

Gambar 83 Biaya variabel fungsi kapasitas produksi. 520.000 515.000

515.119

tc, juta Rp

510.000 505.000 501.010

500.000

499.064

495.000

498.162 493.557 492.787

490.000

494.991 492.926

485.000 480.000 47.70

95.42

143.13

167.28

190.93

238.54

286.25

333.96

x, kapas itas , ton/th

Gambar 84 Kurva total biaya fungsi kapasitas produksi.

Dari Gambar 83 dan 84 terlihat bahwa pada satu kondisi tertentu, dengan naiknya kapasitas produksi maka biaya variabel dan biaya total produksi akan menunjukkan kecenderungan turun sampai dengan kapasitas tertentu (167.281 ton/tahun).

161 Analisis Kelayakan Finansial Hasil Perancangan Proses pada Kapasitas Optimum

Analisis finansial dilakukan untuk mengetahui tingkat profitabilitas pada produksi pelumas dasar dari minyak jarak pagar. Untuk itu disusun komponen biaya untuk keperluan analisis finansial produksi pelumas dasar minyak jarak pagar pada kapasitas optimum (167.281 ton/tahun). Penilaian kelayakan dilakukan dengan menggunakan kriteria kelayakan investasi, yakni (1) NPV (net present value), (2) IRR (internal rate of return), (3) Net B/C (Net Benefit-Cost), (4) PBP (Pay Back Period). Analisis finansial produksi pelumas dasar dari minyak jarak pagar didasarkan pada beberapa asumsi dasar sesuai dengan kondisi aktual pada saat analisis. Disamping itu analisis juga didasarkan pada standar norma yang telah baku digunakan pada industri, hasil perhitungan yang telah dilakukan pada aspek lain serta peraturan pemerintah yang berlaku. Asumsi dasar yang digunakan pada perhitungan analisis finansial ini adalah : 1.

Umur ekonomis pabrik ditetapkan selama 11 tahun, 1 tahun pertama merupakan masa persiapan dan konstruksi, sedangkan 10 tahun berikutnya adalah periode produksi. Operasi pada tahun ke-1 sampai dengan tahun ke-10 tetap.

2.

Harga-harga yang digunakan adalah harga pada bulan Juni 2007 dan diasumsikan konstan selama periode pengkajian.

3.

Dalam satu tahun ditetapkan sebanyak 240 hari kerja dan setiap hari digunakan satu batch

4.

Harga bahan baku dan produk tidak mengalami kenaikan

5.

Digunakan kurs mata uang dollar Amerika (US$) terhadap rupiah Rp9 000,-

6.

Besarnya biaya penyusutan dihitung dengan metoda garis lurus (straight line method).

7.

Pajak Penghasilan dihitung berdasarkan pada UU No. 10 tahun 1994 adalah 10% untuk pendapatan 10 juta pertama, 40% untuk pendapatan sampai dengan 40 juta pertama dan 30% untuk pendapatan lebih dari 40 juta pertama.

162 Biaya Investasi

Biaya investasi adalah biaya-biaya yang dikeluarkan untuk keperluan suatu investasi. Dalam analisis pendirian industri pelumas dasar dari minyak jarak pagar ini, biaya yang dikeluarkan meliputi hal-hal di bawah ini :

Modal Tetap. Modal tetap merupakan modal awal yang dikeluarkan untuk pembelian

barang-barang, yaitu berupa tanah, bangunan dan infrastrukturnya, peralatan, pemasangan alat, alat instrumentasi dan kontrol, sistem pemipaan, peralatan listrik, dan fasilitas lainnya. Total investasi meliputi Investasi Langsung yaitu biaya pembelian peralatan, pemasangan alat, alat instrumentasi dan kontrol, sistem pemipaan, peralatan listrik, pembelian tanah, bangunan dan fasilitas lain. Biaya investasi tidak langsung meliputi engineering dan supervisi, biaya konstruksi dan kontingensi. Besarnya Modal Tetap adalah sebesar Rp3 633 196 579.24,-

Modal Kerja. Modal kerja menunjukkan modal awal yang dibutuhkan untuk

menjalankan pabrik sesuai dengan rencana produksi, antara lain uang muka, biaya tenaga kerja, biaya bahan baku, biaya overhead. Besarnya Modal Kerja adalah sebesar Rp 544 979 486.89,-

Dana investasi untuk proyek ini tidak sepenuhnya berasal dari modal sendiri, tetapi memanfaatkan pinjaman bank. Angsuran pinjaman diasumsikan sama untuk setiap tahunnya dan dibayar selama 6 tahun. Besarnya pinjaman ke bank adalah Rp 3 342 540 852.90,- dan besarnya modal sendiri adalah Rp835 635 213.22 ,-

Biaya Produksi

Biaya produksi setiap tahun meliputi biaya produksi langsung, biaya produksi tidak langsung, biaya produksi tetap dan general expense. Biaya produksi langsung meliputi biaya bahan baku, tenaga kerja, supervisi, pemeliharaan, plant supplies, utilitas. Biaya produksi tidak langsung meliputi payroll overhead, biaya laboratorium, pengeluaran pabrik, dan biaya pengemasan. Biaya produksi tetap meliputi pajak bumi dan bangunan,

163 asuransi, dan depresiasi. General expense meliputi biaya administrasi, biaya penjualan, riset dan pengembangan, bunga dan cicilan bank. Depresiasi atau penyusutan adalah penurunan nilai dari suatu benda akibat dari pertambahan umur pemakaian. Hal yang mengakibatkan penyusutan antara lain adalah adanya bagian yang rusak atau aus karena lamanya pemakaian sehingga benda tersebut tidak berfungsi semaksimal tahun-tahun awal pemakaian. Penyusutan dihitung sebagai biaya tetap menggunakan garis lurus. Biaya overhead tetap meliputi biaya tenaga kerja tidak langsung, asuransi dan biaya pemeliharaan Biaya produksi tidak tetap adalah biaya yang jumlahnya berubah, tergantung pada volume penjualan. Biaya ini meliputi biaya pemakaian bahan baku, biaya tenaga kerja langsung, biaya angkut, dan biaya overhead. Biaya tidak tetap meliputi elemen-elemen biaya bahan baku dan tenaga kerja.

Harga penjualan produk

Harga jual asetilasi poliol diestimasi dari harga pelumas dasar ester sintetis dipasaran dan dalam kajian ini ditetapkan dengan harga Rp80 000,-/kg. Perhitungan penetapan harga pelumas dasar berdasarkan pada harga produk yang akan digunakan sebagai campuran dengan petroleum (misal parafinik dengan harga Rp10 000,-/kg). Penggunaan campuran pelumas dasar minyak jarak pagar dan pelumas komersial adalah 1: 4 (volume)

Proyeksi Laba-Rugi

Proyeksi laba-rugi berguna untuk menggambarkan jumlah keuangan pada perioda tertentu selama umur industri. Perhitungan laba rugi untuk industri pelumas dasar minyak jarak pagar kapasitas optimum diuraikan pada Lampiran 23 (L23.1). Laba bersih tetap karena kapasitas produksi tetap pada kapasitas optimum selama 10 th. Angsuran pinjaman yang harus dilunasi selama enam tahun turut menpengaruhi pendapatan bersih dari proyek ini. Setelah tahun ke-7 laba bersih menjadi stabil. Hal ini dipengaruhi oleh angsuran pinjaman yang telah selesai masa pembayarannya. Pajak penghasilan dikenakan mulai tahun pertama. Pengenaan pajak dilakukan apabila laba kotor (laba sebelum pajak) dalam perioda tahunan pada proyek telah

164 memperoleh keuntungan (bernilai positif). Pajak Penghasilan dihitung berdasarkan pada UU No. 10 tahun 1994 adalah 10% untuk pendapatan 10 juta pertama, 40% untuk pendapatan sampai dengan 40 juta pertama dan 30% untuk pendapatan lebih dari 40 juta pertama.

Arus Kas Penerimaan dan Pengeluaran (Cash Flow).

Arus kas adalah penerimaan dan pengeluaran kas tahunan yang menunjukkan transaksi uang tunai yang berlangsung selama periode kajian. Arus kas masuk meliputi laba bersih, nilai penyusutan dan nilai sisa modal tetap. Proyeksi arus kas dapat dilihat pada Lampiran 23 (L23.2.).

Kriteria Investasi

Berdasarkan arus kas proyek yang telah dibuat, maka kriteria penilaian investasi dapat ditentukan, yang meliputi penilaian Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR), Net Benefit Cost (Net B/C), dan Payback Period (PBP).

Net Present Value (NPV). Merupakan selisih antara present value arus keuntungan

dengan present value arus biaya, merupakan nilai sejumlah uang saat ini, keuntungan atau net cash flow yang akan diterima pada masa yang akan datang. Apabila NPV ≥ 0, maka proyek dapat dijalankan, jika NPV ≤ 0, maka proyek ditolak, berarti proyek tersebut mengembalikan persis seperti modal. Besarnya NPV adalah Rp1 518 271 684.81 ,- (Lampiran 23 (L23.3.)).

Internal Rate of Return (IRR). Merupakan tingkat keuntungan senyatanya yang akan

diperoleh investor dari investasi proyek mereka. Merupakan discount rate social (i) yang membuat NPV proyek sama dengan nol. Jika IRR ≥ I, maka proyek layak untuk dijalankan. Besarnya IRR adalah 25.09% dan perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 23 (L23.3.).

Net Benefit Cost (Net B/C). Merupakan angka perbandingan antara jumlah present value

yang positif (sebagai pembilang) dengan jumlah present value yang negatif (sebagai

165 penyebut). Besarnya Net B/C adalah 1.36, dan perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 23 (L23.3).

Payback Period (PBP). Metoda Payback Period memberikan gambaran pada investor

seberapa cepat proyek ini mengembalikan investasi yang tertanam. Satuan yang digunakan adalah waktu. Semakin pendek PBP, proyek menjadi semakin menarik. Besarnya PBP adalah 3.62 tahun dan perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 23 (L23.3.).

Hasil Analisis sensitifitas

Hasil analisis sensitifitas menunjukkan bahwa harga bahan pembantu dan harga jual produk merupakan parameter yang sangat berpengaruh terhadap hasil analisis kelayakan finansial pada rancangan proses yang dipilih. Hasil perhitungan dapat dlihat pada Lampiran 23 (L23.4.).

Berdasarkan hasil analisis kelayakan finansial dan analisis sensitivitas, maka jalur proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi dinyatakan layak secara financial.

Kelayakan jalur proses modifikasi minyak jarak pagar menjadi pelumas dasar

Berdasarkan hasil karakterisasi, identifikasi, dan uji kinerja produk, serta simulasi proses, maka jalur proses modifikasi minyak jarak pagar melalui epoksidasi, hidroksilasi, dan esterifikasi dinyatakan layak secara teknis untuk menghasilkan produk yang bisa digunakan sebagai pelumas dasar dengan karakteristik sesuai dengan yang diinginkan. Berdasarkan kriteria kelayakan analisis finansial dan analisis sensitivitas, jalur proses yang dipilih dinyatakan layak secara finansial untuk diproduksi skala optimum.

166

KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan 1. Pemilihan bahan baku pelumas dasar dilakukan berdasarkan pada karakteristik bahan baku (sifat fisik, kimia, rendemen) dan pemanfaatannya, maka minyak jarak pagar merupakan bahan baku paling potensial dibandingkan dengan beberapa jenis minyak yang lain. 2. Hasil analisis sifat fisik misalnya densitas, indek viskositas, titik nyala, titik tuang, sifat kimia bilangan asam, bilangan penyabunan, penentuan gugus fungsi dengan menggunakan FTIR, dan penentuan struktur kimia menggunakan GC, menyatakan bahwa minyak jarak pagar memenuhi persyaratan sebagai pelumas dasar, tetapi masih perlu modifikasi untuk memperbaiki kemampuannya sebagai pelumas dasar. 3. Berdasarkan beberapa pertimbangan untuk pemilihan produk, meliputi data jumlah kebutuhan dalam negeri, kebutuhan dunia, sifat biodegradabilitas, terbarukan dan kemiripan sifat fisik-kimia terhadap sifat Poliolester (POE), maka pelumas dasar yang dihasilkan di aplikasikan pada kendaraan bermotor. 4. Pemilihan jalur proses dengan aturan heuristik didasarkan pada pertimbanganpertimbangan : jenis bahan baku, jenis katalis, dan waktu proses, maka pada penelitian ini dilakukan sintesis dasar dengan jalur proses pembuatan epoksi dengan proses in situ, hidroksilasi epoksi menggunakan metanol dengan katalis padat, esterifikasi poliol menggunakan asam asetat anhidrat dengan katalis padat. 5. Pada proses modifikasi minyak jarak pagar tahap epoksidasi, hasil analisis statistik menunjukkan bahwa nilai bilangan oksiran epoksi minyak jarak pagar dipengaruhi oleh nisbah mol pereaksi, konsentrasi katalis dan suhu proses. Semakin tinggi suhu (>60ºC), nisbah mol pereaksi (>1: 5), dan konsentrasi katalis (>0.5%) akan semakin besar jumlah tumbukan antar molekul dan semakin banyak reaksi yang terjadi, sehingga membentuk epoksi, yang dinyatakan dengan bilangan oksiran. Hasil analisis kanonik dengan menggunakan metoda respon permukaan menunjukkan nilai bilangan 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. Persamaan tetapan laju reaksi dan model laju reaksi epoksidasi minyak jarak pagar :

k = 4 .321 .10 7 e ( −23 .45 / RT ) l / mol det ik

167

rE = 4.321.107 e( −23.45 / RT ) (CB 0 − CE ) Energi aktivasi epoksidasi minyak jarak pagar (E) adalah 23.449 kkal / mol, entalpi reaksi (ΔHR) adalah 23.449 kkal / mol. 6. Pada proses hidroksilasi terhadap epoksi minyak jarak pagar, hasil analisis ragam mengenai pengaruh jenis katalis heterogen dan konsentrasi katalis heterogen pada proses epoksidasi minyak jarak menunjukkan bahwa ada perbedaan cukup signifikan antar interaksi pada faktor jenis katalis dan konsentrasi katalis, dan besarnya koefisien determinasi (R-kuadrat) sebesar 99,23%. Beberapa katalis jenis asam bisa digunakan dalam proses pembukaan cincin oksiran, antara lain yaitu katalis cair (H2SO4), katalis padat zeolit dan bentonit. Berdasarkan proses dengan perbandingan pereaksi, suhu, dan waktu proses yang sama, penurunan bilangan oksiran dengan bentonit alam paling rendah, sehingga pada penelitian ini digunakan katalis bentonit dan konsentrasi katalis bentonit yang digunakan sebesar 1.5% (w/w). Hasil analisis statistik menunjukkan bahwa nilai bilangan oksiran epoksi minyak jarak pagar dipengaruhi oleh nisbah mol pereaksi, konsentrasi katalis dan suhu. Semakin tinggi suhu (>60ºC), perbandingan mol pereaksi (>1: 13), dan konsentrasi katalis (>1.5%) akan semakin besar jumlah tumbukan antar molekul dan semakin banyak reaksi yang terjadi, sehingga akan membentuk poliol, dinyatakan dengan penurunan bilangan oksiran. Hasil analisis kanonik dengan metoda respon permukaaan menunjukkan nilai bilangan oksiran optimum (minimum) adalah 0.77% yang terjadi pada suhu reaksi 60°C, katalis bentonit 1.5% w/w, dan nisbah pereaksi 1 : 13 (mol). Persamaan tetapan laju reaksi dan model laju reaksi hidroksilasi adalah :

k ' = 0.939 e ( −10.6909813

/ RT )

l/ mol detik

rE = 0.939 e ( −10.6909813 / RT )CE Harga Energi aktivasi dan Entalpi reaksi (ΔHR) proses hidroksilasi terhadap epoksi minyak jarak pagar, adalah 10.691 kkal/mol dan 10.019 kkal / mol. 7. Proses asetilasi poliol minyak jarak pagar dengan menggunakan asam asetat anhidrat, dilakukan pada kondisi nisbah volum poliol : asam asetat anhidrat = 10 : 1, katalis bentonit 2% (volum), waktu proses 40 menit dan suhu 90°C. Hasil perhitungan energi

168 aktivasi (E) adalah sebesar 1.412 kkal / mol. Persamaan tetapan laju reaksi dan model laju reaksi asetilasi terhadap poliol minyak jarak pagar adalah :

k ' = 0 .537 e (1.41220 / RT ) l/ mol detik rP = 0.537 e (1.41220 / RT )CP Harga entalpi reaksi (ΔHR) adalah 0.691 kkal / gmol 8. Hasil karakterisasi sifat fisik dan kimia terhadap asetilasi poliol, menunjukkan bahwa modifikasi minyak jarak pagar akan memperbaiki sifat fisik dan kimia sebagai pelumas dasar, sehingga dapat digunakan untuk mensubstitusi penggunaan pelumas dasar mineral atau sintetis. Hasil identifikasi menggunakan FTIR dan NMR menunjukkan terjadinya perubahan struktur minyak yang diinginkan yaitu menjadi asetilasi poliol. 9. Hasil pengujian kinerja pelumas dasar terhadap perubahan viskositas dan bilangan asam asetilasi poliol adalah paling rendah dibandingkan dengan sampel yang lainnya (minyak jarak pagar, poliol, dengan penambahan aditif ataupun tidak). Hasil pengujian kinerja formulasi campuran pelumas dasar minyak jarak pagar dan pelumas komersial dengan waktu pemakaian 100 jam dan komposisi campuran pelumas dasar jarak pagar : pelumas dasar komersial = 1 : 4 (volume) menunjukkan bahwa besarnya perubahan kandungan logam adalah paling rendah. 10. Kapasitas produksi optimum dicapai pada skala 167.281 ton/tahun yang memberikan total biaya minimum. Hasil analisis kelayakan finansial pada produksi asetilasi poliol dengan jalur proses yang digunakan pada kapasitas optimum ini, memberikan hasil IRR 25.09%, PBP 3.62 tahun, Net B/C

1.36. Variabel yang sensitif terhadap

kelayakan finansial adalah harga bahan pembantu dan harga jual produk. 11. 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. Perancangan proses modifikasi telah menghasilkan produk yang sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan dan dapat meningkatkan nilai tambah minyak jarak pagar.

169 Saran

1. Perlu dilakukan studi mengenai formulasi penambahan bahan aditif untuk menentukan jenis dan jumlah bahan aditif yang ditambahkan disesuaikan dengan penggunaan pelumas sintetik ini. 2. Perlu dilakukan pengujian kinerja pelumas yang mencakup : (i)

Waktu pengujian yang lebih panjang

(ii)

Meningkatkan komposisi campuran pelumas dasar modifikasi jarak pagar dan pelumas dasar komersial

(iii)

Uji biodegradabilitas

170 DAFTAR PUSTAKA Adams R, Kromdyk JP, Noblit T. 2000. Canola Oil-based fluid is gentle on environment. Houghton International : Inc Valley. Adhvaryu A, Erhan SZ. 2002. Epoxidized soybean oil as a potential source of high-temperature lubricants. Journal Industrial Crops and Products 15:244254. Adhvaryu A, Liu Z, Erhan SZ. 2005. Synthesis of novel alkoxylated triacylglycerols and their lubricant base oil properties. Journal Industrial Crops and Products 21: 113-119. Anonim. 2000. Lubricant technical service. Askew MF. 2004. Bio-Lubricants-Market Data Sheet: IENICA-Inforrm Project. Augustus, GS, Jayabalan, M, Seiler, GJ. 2002. Evaluation And Bioinduction Of Energy Components Of Jatropha Curcas. Biomass And Bioenergy 23:161-164. Campanella A, Baltanas MA. 2006. Degradation of Oxirane ring of epoxidized vegetable oils in liquid-liquid heterogenous reaction systems. Chemical Engineering Journal. 118 : 141-152. Carceller R. 1977. Ester based on vegetable oils. Arges Environmenta l. Vaasa : Findland. Caines A, Haycock R. 1996. Automotive Lubricants Reference Book. Society of Automotive Engineer. Inc. 400 Commonwealth Drave Warrendale, PA, USA. Booser ER. 2000. Handbook of Lubrication Theory and Practise of Tribology . Vol I , II. CRC Press. Florida. Dahlke B, Helbart S, Paetow M, & Zech WH. 1995. Polyhydroxy Fatty Acids and Their Derivatives from Plant Oils. JAOCS. Vol 72. No3. de Padua LS, Bunyapraphatsara N, Lemmens RH. 1999. Plant Resources of South-East Asia. Prosea. Bogor : Indonesia. Douglas JM. 1988. Conseptual Design of Chemical Process. Mc Graw Hill. New York.

171 Duke J, Atchley AA. 1986. CRC Handbook of Proximate Analysis Tables of Higher Plant . CIC Press. Inc. Boca Company. Eastwood J, Swallow A, Colmery A. 2005. Selection Criteria of Ester Environmentaly Acceptable Hydraulic Fluids. UNIQEMA : NCFP I05-4.2. Edgar TF, Himmelblau DM, Lasdon LS. 2001. Optimization of Chemical Processes. Mc Graw-Hill International Edition. Eisentraeger A. Schmidt M. Murrenho H. Dott W. Hahn S. 2002. Biodegradability testing of synthetic ester lubricants––effects of additives and usage. Chemosphere. 48 . 89–96. Fessenden & Fessenden. 1999. Kimia Organik. Edisi 2. Jilid 1. Penerbit Erlangga. Jakarta. Fluitec International. 1998. What is Lubricant . Fogler HS. 1992. Elements of Chemical Reaction Engineering. Second edition. Prentice-Hall International Inc Englewood Cliffs USA. Froment GF, Bischoff KB. 1990. Chemical Reactor Analysis and Design. John Wiley and Sons. New York. Gawrilow I. 2003. PALM OIL USAGE IN LUBRICANTS. Presented at 3rd Global Oils and Fats Business Forum U S A “Interfacing with the Global Oils and Fats Business” Gerard D. 2000. Formulating tomorrow’s Lubricants. Environment and Mechanical Engineering Services: Renault. Gray C, Sabur LK, Simanjuntak P, Maspaitella PEL. 1986. Pengantar Evaluasi Proyek. Penerbit PT. Gramedia : Jakarta Guibitz 1999. Exploitation of the Tropical oil seed plant Jatropha Curcas L. Bioresources Technology.67 : , 73-82. Gunstone FD, Padley FB. 1998. Lipid Technologies and Applications. Marcel. Dekker. Inc. New York. Basel : Hong Kong. Hambali E dkk. 2006. Jarak Pagar Tanaman Penghasil Biodiesel. Penebar Swadaya. Jakarta. Hartmann K & Kaplick K. 1990. Analysis and Synthesis of Chemical Process Systems. Elsevier. Tokyo.

172 Haus F, Boissel O , Junter GA. 2003. Multiple regression modelling of mineral base oil biodegradability based on their physical properties and overall chemical composition. Chemosphere. 50. 939-948. Hendrawati TY. 2001. Studi Pengaruh Penggunaan Antioksidan Golongan Phenolik dan Aminik terhadap Ketahanan Oksidasi Minyak Sawit Pada Berbagai Tingkat Kemurnian. Tesis Program Pascasarjana-IPB. 2001. Henning R. 1990. Jatropha Curcas in Africa. 11. D-88-138. Weisenberg: Germany, Henry. 2003. Biodegradable polyneopentyl polyol based synthetic ester blends and lubricants thereof. US. Patent : 6.551.968. Hwang HS, Erhan SZ. 2003. Lubricant Base Stock from Modified Soybean Oil. Abstrak AOCS Press. Champaign II : 20-34. Hwang HS, Erhan SZ. 2005. Synthetic Lubricant basestock from Epoxidized Soybean oil and Guerbet Alcohol. Journal Industrial Crops and Products, 1-7. Johnson DL. 1990. High Performance 4 – Cycle Lubricants from Canola : US Petroleum Institute. Johnston ST, Gostelow JP, King WJ. 2000. Engineering and Society. Prentice Hall, New Jersey. Karina RM. 2005. Stabilisasi Oksidasi Castor Oil sebagai minyak lumas dasar. Tesis. Program Studi Teknik Kimia. Program Pasca Sarjana Bidang Ilmu Teknik. Universitas Indonesia. Keputusan Presiden RI Nomor 21 Tahun 2001 Tentang Penyediaan dan Pelayanan Pelumas. Kirk RE, Othmer DF. 1982. Encyclopedia of Chemical Technology. Vol 8-9. Third edition. John Wiley and Sons : New York. La Puppung P. Minyak Jarak Memiliki Potensi sebagai Bahan Dasar Minyak Pelumas. Lembaran Publikasi Lemigas 4 : 55-64. Lathi PS , Mattiasson B. 2006. Green approach for the preparation of biodegradable lubricant base stock from epoxidized vegetable oil.Applied Catalysis B: Environmental.69. 207–212.

173 Levenspiel O. 1972. Chemical Reaction Engineering. Wiley International Edition. Mangunwidjaja D., Sailah I. 2005. Pengantar Teknologi Pertanian. Penebar Swadaya. Jakarta. Marimin. 2004. Pengambilan Keputusan Kriteria Majemuk. Grasindo. Jakarta Material Safety Data Sheet Polyolester Lubricants Montgomery DC, Runger GC, Hubele NF. 1998. Engineering Statistic. Wiley. New York. Mulyana A, Tjahjono EW. 2003. Penelitian Teknologi Proses Pembuatan Polyolester sebagai bahan dasar minyak pelumas sintetis. Makalah Seminar Teknologi Untuk Negeri. Pusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Industri Proses: BPPT. Newman E. 2003. The True Measure of Lubricant Quality. Article appeared in Power Stroke Registry: Summer Edition. Nugroho A. 2005. Ensiklopedi Otomotif. Penerbit Gramedia Pustaka Utama : Jakarta. Okieimen FE, Bakare OI, Okeimen CO. 2002. Studies on the epoxidation of rubber seed oil. Industrial Crops and Products 15 : 139–144. Paramins. Additive Seminar. Modul Seminar Pertamina. 1999. Pelumas Produksi Pertamina. Direktorat Pembekalan dan Pemasaran Dalam Negeri, Dinas Penyuluhan dan Pengendalian Mutu. Peters MS, Timmerhaus KD. 1981. Plant Design and Economics for Chemical Engineers. Mc Graw Hill Book Company. Petrovic. 2003. Method of making natural oil-based polyols and polyurethanes therefrom. US. Patent : 6.686.435. Rangrajan B, Havey A, Grulke EA, Culnan PD. 1995. Kinetic Parameters of a Two-phase Model for in situ Epoxidation of Soybean Oil. JAOCS 72 : 10. Rehm HJ, Reed G. 1990. Biotechnology. Volume 2. VCH. Richardson JT.1989. Principles of Catalyst Development. Plenium Press New York London. Rudd DF, Watson CC. 1968. Strategy of Process Engineering. Wiley. New York.

174 Satterfield CN. 1991. Heterogeneous Catalysis in Industrial Practise. Mc Graw Hill. New York. Schnur. 2003. Polyol ester lubricants, especially those compatible with mineral oils, for refrigerating compressors operating at high temperatures. US. Patent : 6.551.524. Sediawan WB, Prasetya A.1997. Pemodelan Matematis dan Penyelesaian Numeris dalam Teknik Kimia. Penerbit Andi. Yogyakarta. Seider WD, Seader DR. 1999. Process Design Principles : Synthesis, Analysis, and Evaluation. John Wiley & Sons, Inc. Singapura. Smith JM. 1981. Chemical Engineering Kinetics. Mc Graw Hill. Tokyo. Stefanescu I, Calomir C, Dima S, Spanu C, Deleanu L, Geana C, and Galeeanu V.2004. The Oxidation Resistance of Sunflower oil used as Possible Lubricant in Industrial Tribosystems. The Annals of University “Dunarea De Jos” of Galati Fascicle VII Steve EH. 1997. Reactor Design Consideration, The Reactor Aspect Ratio in Scale-up. Day and Zimmermann International. Chemical Engineering. Sudjadi. 1985. Penentuan Struktur Senyawa Organik. Penerbit. Ghalia Indonesia. Jakarta. Sudradjat R, Jaya L, Setiawan D. 2004 Optimalisasi proses Estrans pada pembuatan Biodisel dari Minyak Jarak Pagar (Jatropha Curcas, L.). Pusat Litbang Teknologi Hasil Hutan. Thomsen TC. 1951. The Practise of Lubrication. Mc-Graw-Hill Book Company. Triyanto. 2002. Formulasi Rolling Oil dengan Bahan Dasar Minyak Jarak (Ricinus communis L). Disertasi. Program Pasca Sarjana. Institut Pertanian Bogor. [USB]. 1997. Market Opportunity Summary-Soy-based Lubricants. Widianingsih N. 2003. Kajian Pengaruh Konsentrasi Atapulgit, Suhu, dan Lama Reaksi Dehidrasi terhadap Indeks Viskositas Minyak Jarak Terhidrasi sebagai Bahan Dasar Minyak Pelumas. Institut Pertanian Bogor Willing A. 2001. Lubricants based on renewable resources- an environmentally compatible alternative to mineral oil products. Chemosphere 43: 89-98.

175 Wu X, Zhang X, Yang S. 2000. The Study of Epoxidized Rapeseed Oil Used as a Potential Biodegradable Lubricant. JAOCS 77(5); 561-563. Yadav GD, Satoskar

DV. 1997. Kinetic of Epoxidation of Alkyl Ester of

Undecyclenic Acid Comparison of traditional Routes vs Ishii-Venturello Chemistry. JAOCS. Yunus R, Razi FA. 2003. Preparation and Characterization of Methylolpropane Esters from Palm Kernel Oil Methyl Esters. Journal of Oil Palm Research 15 (2) : 42-49. Zhang Y, Dube MA, McLean DD, and Kates M. 2003. Biodiesel production from waste cooking oil : 1. Process design and technological assessment. Bioresource Technology 89 : 1-16. Zhang Y, Dube MA, McLean DD, and Kates M. 2003. Biodiesel production from waste cooking oil : 1. Economic assessment and sensitivity analysis. Bioresource Technology xx : xxx. http://www.wipo.int/cgi

176 Lampiran 1 Prosedur analisa asam lemak, epoksi minyak, poliol, poliol terasetilasi dan uji pelumas

1 Bilangan iod (AOAC 1995) Sampel yang telah disaring ditimbang sebanyak 0,5 gram di dalam erlenmeyer 250 ml, lalu dilarutkan dengan 10 ml Kloroform dan ditambahkan dengan 25 ml pereaksi hanus. Semua bahan diatas dicampur merata dan disimpan didalam ruangan gelap selama satu jam. Sebagian iodium akan dibebaskan dari larutan. Setelah penyimpanan, ke dalamnya ditambahkan 10 ml larutan KI 15%. Iod yang dibebaskan kemudian dititrasi dengan larutan Na2S2O3 0,1 N sampai warna biru larutan tidak terlalu pekat. Selanjutnya ditambahkan larutan kanji satu persen dan titrasi kembali sampai warna biru hilang. Blangko dibuat dengan cara yang sama tanpa menggunakan minyak

Bilangan Iod = dengan :

( B − S ) x N x 12,69 G

B = ml Na2S2O3 blanko S = ml Na2S2O3 contoh N = normalitas Na2S2O3 G = berat contoh 12,69 = berat atom Iod/10

2

Bilangan asam dan kadar asam lemak bebas ( AOAC 1995)

Minyak yang akan diuji ditimbang sebanyak 5 gram dalam erlenmeyer 250 ml dan ditambahkan 50 ml alkohol netral 95%, lalu dipanaskan selama 10 menit dalam penangas air sambil diaduk. Setelah ditambahkan 2 tetes indikator penolphtalein satu persen, larutan dititrasi dengan NaOH 0.1 N sampai berwarna merah jambu yang tidak hilang dalam beberpa detik dan dihitung jumlah miligram NaOH yang digunakan untuk menetralkan asam lemak bebas dalam satu gram minyak atau lemak. kadar asam lemak bebas (%) =

AxN xM 10 x G

177 Bilangan asam =

dengan :

A x N x 56.1 G

A= jumlah ml NaOH untuk titrasi N = normalitas larutan NaOH G = bobot contoh (gram) M = bobot molekul bahan

2

Kadar air

Minyak atau lemak yang akan diuji terlebih dahulu diaduk sampai rata dan tidak ada air yang mengendap. Contoh yang telah diaduk, ditimbang seberat 5 gr di dalam cawan kadar air, lalu dimasukkan ke dalam oven dan dikeringkan pada suhu 105°C selama 3 jam. Contoh diangkat dari oven dan didinginkan di dalam desikator selama satu jam sampai suhu kamar, kemudian ditimbang. Pekerjaan ini diulang sampai kehilangan bobot selama pemansan 30 menit tidak lebih dari 0,05%.

3

Bilangan penyabunan (AOAC 1995)

Bilangan Penyabunan dinyatakan sebagai jumlah miligram KOH yang dibutuhkan untuk menyabunkan 1 gram minyak atau lemak. Sebanyak 3-5 gram contoh minyak yang akan diuji ditimbang dalam erlenmeyer 200 ml, kemudian ditambahkan 50 ml larutan KOH beralkohol 0.5 N. Setelah itu erlenmeyer dihubungkan dengan pendingin tegak dan contoh tersabunkan dengan sempurna, yaitu jika diperoleh larutan yang bebas dari butirbutir lemak. Larutan kemudian didinginkan, selanjutnya dititrasi dengan larutan HCl 0.5 N dengan indikator penolptalein 1 prosen, sampai warna merah jambu hilang. Perhitungan Bilangan Penyabunan mengikuti rumus berikut : Bilangan Penyabunan =

( A − B )x 28.05 G

Dimana: A = jumlah ml HCl 0.5 untuk blanko B = jumlah ml HCl 0.5 N untuk titrasi contoh G = bobot contoh minyak (gram) 28.05 = setengah dari bobot molekul KOH

178 5

Analisis densitas (SNI- 06-4085-1996)

Piknometer

dibersihkan

kemudian

dikeringkan

dan

ditimbang.

Sampel

didinginkan lebih rendah dari suhu penetapan. Sampel dimasukkan ke dalam piknometer yang terendam air es, biarkan sampai suhu 25° C dan tetapkan sampai garis tera. Piknometer diangkat dari dalam rendaman air es dan didiamkan pada suhu kamar kemudian ditimbang. Pengerjaan tersebut diulangi dengan memakai air suling sebagai pengganti sampel.

(

)

Bobot jenis relatif 250 / 250 C =

6

Densitas sampel Densitas air

Analisa viskositas (ASTM D2983)

Pengukuran

Viskositas

dilakukan

dengan

menggunakan

Viskosimeter

Brookefield. Sampel sebanyak 50 ml dituang ke dalam suatu wadah dan diukur

viskositasnya dengan menggunakan spandle nomer 4 dengan kecepatan 6-rpm. Viskositasnya (cp) adalah 200 (faktor konversi) dikalikan dengan hasil pengukuran.

7

Analisis indeks bias

Indeks bias dari suatu zat ialah perbandingan dari sinus sudut sinar jatuh dan sinus sudut sinar pantul dari cahaya yang melaui suatu zat. Refraksi atau pembiasan ini disebabkan adanya interaksi antara gaya elektrostatik dan gaya elektromagnetik dari atom-atom dalam molekul cairan. Pengujian indeks bias dapat digunakan untuk menentukan kemurnian minyak dan dapat menentukan dengan cepat terjadinya hidrogenasi katalitis. Semakin panjang rantai karbon dan semakin banyak ikatan rangkap indeks bias semakin besar. Indeks bias juga dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti kadar asam lemak bebas, proses oksidasi dan suhu. Alat yang digunakan pada pengujian ini adalah Refraktometer

8 Bilangan oksiran (AOAC Method)

Kandungan oksigen oksiran dalam epoksi minyak jarak pagar ditentukan dengan Metoda A.O.C.S. Jumlah oksigen oksiran dapat dihitung dengan persamaan :

179 % Oksigen Oksiran =

T N W 9

T x N x160 W

= Volum hidrogenb (cm3) = Konsentrasi larutan hidrogen bromida = Berat epoksi minyak jarak pagar, g Bilangan Hidroksil (AOAC Method).

Bilangan hidroksil adalah jumlah mg kalium hidroksida yang diperlukan untuk menetralisasi asam asetat yang digunakan untuk proses asetilasi dengan 1 gram sampel. Berat sampel tergantung pada nilai hidroksil yang diharapkan dan dimasukkan ke dalam labu erlenmeyer 250-ml Nilai hidroksil 0 - 20 20 -50 50 - 100 100 - 200

Berat sampel (g) 10 5 3 2

Pipet 5.0 ml piridin/asam asetat anhidrat TS ke dalam labu (untuk sampel yang mempunyai bilangan hidroksil 0-20, tambahkan 5 ml piridin/asam asetat anhidrat TS ke dalam labu). Aduk campuran di dalam labu. Pipet 5.0 ml piridin/asam asetat anhidrat TS ke dalam labu kosong untuk blangko (jika 10.0 ml reagen digunakan untuk asetilasi, gunakan 10.0-ml blangko). Letakkan labu pada penangas, dilengkapi dengan pendingin balik, dan dipanaskan selama 1 jam. Untuk menghidrolisa kelebihan asetat anhidrat, tambahkan air secukupnya (tidak lebih dari 10 ml) melalui kondenser ke labu. Jika lapisan terpisah dalam 2 lapisan tambahkan piridin secukupnya untuk menjaga homogenitas larutan. Panaskan dalam penangas selama 10 menit dengan pendingin balik. Tambahkan 25 ml n-butanol, kira-kira ½ nya melalui kondenser dan sisanya dicuci kemudian dikeluarkan di sisi labu. Tambahkan 1 ml penolptalein TS and titrasi untuk mendapatkan warna merah jambu dengan 0.5 N larutan KOH etanolat. Untuk mengkoreksi asam bebas, campur kira-kira 10 g sampel, dengan 10 ml piridin, tambahkan 1 ml penolptalein TS dan titrasi sampai dengan warna merah jambu dengan 0.5 N KOH etanolat.

180 Perhitungan bilangan hidroksil :

Bilangan Hidroksil = [(B + (WA/ C) - S) x N x 56.1] / W A= ml KOH yang diperlukan untuk penentuan asam bebas; B= ml KOH yang diperlukan sebagai blangko; C= berat sampel yang diperlukan untuk penentuan asam bebas; S= ml KOH yang diperlukan untuk titrasi sampel terasetilasi; W= berat sampel yang digunakan untuk asetilasi; N= normalitas larutan KOH etanolat. 10 Komponen asam lemak dengan menggunakan GC (Gas-Chromatography)

Dua gram sampel ditimbang dan dipindahkan ke dalam labu didih. Kemudian ditambahkan 6-8 ml NaOH dalam metanol, dipanaskan sampai tersabunkan lebih kurang 15 menit dengan pendingin balik. Selanjutnya ditambahkan 5 ml n-heptana atau nheksana, kemudian dikocok dan ditambahkan larutan NaCl jenuh. Larutan akan terpisah menjadi dua bagian. Bagian atas akan dipindahkan ke dalam tabung reaksi yang sebelumnya telah diberi 1 gr Na2SO4. Larutan tersebut (bagian atas) adalah larutan yang siap diinjeksikan ke kromatografi gas. Pada karakterisasi asam lemak, digunakan kondisi sebagai berikut : Suhu detektor

: 230° C

Suhu injektor

: 225° C

Suhu awal

: 70° C , waktu pada suhu awal = 2 menit

Suhu akhir

: 210°C , waktu pada suhu akhir = 20 menit

Laju

: 8 C/menit, attenuasi : 128

Kolom yang digunakan : Gelas Panjang kolom

: 2 meter, diameter kolom : 2 mm

Gas pembawa

: He

Fase diam

: Dietilen glikol suksinat

Cromosorb

: 0 HP = 80 – 100 mesh

Jenis detektor

: FID (Flame Ionization Detector)

181 11 Analisis gugus fungsi menggunakan FTIR (Fourier Transfer Infra Red) FTIR Spectroscopy yaitu analisa secara kualitatif dan kuantitatif terhadap struktur

kimia senyawa organik maupun anorganik. Karena ikatan kimia mengabsorb energi infra merah pada frekuensi tertentu (Panjang gelombang tertentu). Struktur dasar senyawa dapat ditentukan dari lokasi spektral penyerapan IR. Hubungan transmisi IR dari senyawa dengan frekuensi dibandingkan dengan spektra referensi. Epoksi, Poliol, Poliol terasetilasi, dan minyak jarak pagar dianalisa dalam FTIR Spectroscopy dari 4000-400 cm-1 dengan waktu scan 16 dan resolusi 8.

12 Uji kestabilan oksidasi (ASTM D943)

Minyak pelumas mungkin dipanaskan pada temperatur relatif tinggi di lingkungan udara, logam katalis aktif atau senyawa logam. Proses oksidasi menjadi kritis jika minyak beroperasi diatas 66° C. Laju oksidasi 2 kali untuk tiap kenaikan 10° C pada suhu minyak diatas 66° C. Resultan oksidasi minyak menghasilkan kenaikkan viskositas, asam, residu karbon, sludge dan aspal. Uji oksidasi dilakukan menggunakan alat mikrooksidasi dengan data viskositas, bilangan asam, dan massa deposit,

dihitung pada waktu yang

divariasikan.

13 Titik nyala dengan metoda COC (ASTM D 92)

Masukkan sampel pada wadah uji. Sesuaikan jumlah sampel agar terisi tepat pada garis yang telah ditentukan. Hilangkan udara dan busa yang terdapat pada sampel. Nyalakan api uji dan atur diameter api hingga 3.2 – 4.8 mm. Panaskan sampel uji dengan kecepatan peningkatan suhu sekitar 14-17° C per menit. Pada setiap kenaikan suhu sampel sebesar 2° C dilakukan pengujian, yaitu dengan mendekatkan api uji pada sampel. Titik nyala adalah suhu pada sampel ketika mulai menyala. Titik api adalah suhu pada sampel pada saat nyala sampel kontinyu. 14 Titik tuang (ASTM D-97)

Tuangkan sampel pada tabung uji sampai dengan batas yang ditentukan. Tutup tabung uji dengan penutup yang dilengkapi dengan termometer. Panaskan sampel dalam

182 tabung uji sampai 45° C. Kemudian masukkan sampel dalam tabung pendingin. Uji penuangan dilaksanakan pada setiap penurunan suhu 3° C.

15 Viscositas kinematik (ASTM 445)

Viskometer kinematik diukur dengan menggunakan viskometer kapiler gelas dan bak untuk mengatur suhu. Viskositas kinematik diukur dengan melakukan pengukuran waktu sejumlah volume cairan yang mengalir melalui kapiler viskometer, pada suhu tertentu. Viskositas kinematik adalah hasil perkalian dari waktu aliran yang diukur dengan faktor viskometer kapiler gelas. 16 Indeks viskositas (ASTM D-2270)

Indeks viskositas (VI) dapat dihitung berdasarkan hasil pengukuran viskositas kinematik pada suhu 40° C dan 100° C. VI =

L −U x100 L−H

H

= viskositas standar pada VI = 100 pada suhu 40° C (lihat Tabel ASTMD 2270)

L

= viskositas standar dengan VI = 0 pada suhu 40° C (lihat tabel ASTMD 2270)

U

= viskositas kinematik pada suhu 40° C

17 Analisis struktur kimia menggunakan NMR

NMR (Nuclear Magnetic Resonance) digunakan untuk memperoleh gambaran perbedaan sifat magnit dari berbagai inti yang ada dan menduga letak inti tersebut. Spektrum resonansi magnit proton biasanya diperoleh pada 60 atau 100 MHz yang sesuai dengan kekuatan medan magnit 14092 atau 23500 Gauss. Letak resonansi suatu proton pada spectrum diukur relative terhadap letak resonansi proton senyawa baku, perbedaan letak resonansi disebut pergeseran kimia proton (δ, ppm).

183 Lampiran 2 Kebutuhan Pelumas di tiap propinsi di Indonesia tahun 2003 Propinsi

NANGGROE ACEH DARUSSALAM SUMATERA UTARA SUMATERA BARAT

Pemakaian Pelumas (000 Liter)

Nilai – Value (000 Rp)

602282

12218671

2458929

28961188

495208

5753310

135951400

296249024

JAMBI

5779591

133688506

SUMATERA SELATAN

3575501

64051056

BENGKULU

3043818

75404171

LAMPUNG

1577762

24228428

138712

2965353

DKI JAKARTA

6242912

77964321

JAWA BARAT

19903041

381627081

JAWA TENGAH

14419454

245427461

RIAU

KEP BANGKA BELITUNG

DI YOGYAKARTA

881818

9438346

10312404

143393813

8545727

155649290

BALI

89427

849547

NUSA TENGGARA BARAT

32373

425908

JAWA TIMUR BANTEN

NUSA TENGGARA TIMUR

14778

172506

1192286

14535665

KALIMANTAN TENGAH

226665

3996085

KALIMANTAN SELATAN

1328607

22284291

KALIMANTAN TIMUR

5623466

119837772

SULAWESI UTARA

113578

2506845

SULAWESI TENGAH

102190

1329777

SULAWESI SELATAN

863931

10502689

1197532

12870910

58668

774161

MALUKU

599119

10680612

MALUKU UTARA

117154

2928873

IRIAN JAYA BARAT

493798

6970283

IRIAN JAYA TENGAH

133468

3336712

IRIAN JAYA TIMUR

125106

1786693

KALIMANTAN BARAT

SULAWESI TENGGARA GORONTALO

TOTAL

Sumber : BPS 2003

226240705

184 Lampiran 3 Indeks viskositas minimum beberapa pelumas dengan angka viskositas SAE

SAE Viskositas rangkap

Indeks viskositas minimum, VI minimum

5W – 20

127

5W – 30

180

5W – 50

230

10W - 30

145

10W - 40

169

10W – 50

190

20W – 40

113

20W - 50

133

Sumber : La Puppung 1986

Lampiran 4 Tingkat viskositas pelumas motor (SAE J 300 March 1982)

Viskositas SAE

Viskositas CCS

Suhu Boderline

Maksimum

Maximum ºC

Vk pada 100 ºC, cSt

ºC

Vd(Poise)

ºC

Min

0W

-30

32.5

-35

3.8

-

5W

-25

35

-30

3.8

-

10W

-20

35

-25

4.1

-

15W

-15

35

-20

5.6

-

20W

-10

45

-15

5.6

-

25W

-5

60

-10

9.3

-

20

5.6

< 9.3

30

9.3

< 12.5

40

12.5

< 16.3

50

16.3

<21.9


Max

185 Lampiran 5 Klasifikasi pelumas industri menurut ISO (ASTM 2422)

Identifikasi Grade

Vsikositas pada 40°

Batas Viskositas Kinematik at 40°C, cSt

Viskositas

C, cSt (mm2/s)

(mm2/s)

ISO VG 2

2.2

1.98

2.42

ISO VG 3

3.2

2.88

3.52

ISO VG 5

4.6

4.14

5.06

ISO VG 7

6.8

6.12

7.48

ISO VG 10

10

9.00

11.0

ISO VG 15

15

13.5

16.5

ISO VG 22

22

19.8

24.2

ISO VG 32

32

28.8

35.2

ISO VG 46

46

41.4

50.6

ISO VG 68

68

61.2

74.8

ISO VG 100

100

90.0

110

ISO VG 150

150

135

165

ISO VG 220

229

198

242

ISO VG 320

320

288

352

ISO VG 460

460

414

506

ISO VG 680

680

612

748

ISO VG 1000

1000

900

1100

ISO VG 1500

1500

1350

1650


186 Lampiran 6 Pemakaian serta Nilai pelumas menurut kode industri, 2003

Pemakaian - Kuantitas (000 Liter) Kode Industri

Pemakaian Pelumas

Nilai (000 Rp)

Konsumen

INDUSTRI MAKANAN DAN MINUMAN

15

25304410

528075425

16

497090

8123773

17

13708384

233258742

18

1804612

38330605

19

1555199

25462324

20

11048746

203243730

INDUSTRI KAYU,

21

135793624

251285667

22

372628

5220484

23

240991

5219638

INDUSTRI KERTAS INDUSTRI PENERBITAN, PERCETAKAN INDUSTRI BATU BARA, PENGILANGAN MINYAK , GAS

24

4809763

71930601

25

4202347

62308840

26

6687976

108637352

27

7257523

129255462

28

1514343

24565347

29

2217970

43261060

30

4628

115717

31

1378613

29083967

32

904823

15612531

33

25126

393426

34

2680919

38436664

35

3155848

39325031

36

1062239

11523103

37

12903

139859

226240705 216510743

1872809348 1682122687

TOTAL

INDUSTRI PENGOLAHAN TEMBAKAU INDUSTRI TEKSTIL INDUSTRI PAKAIAN JADI INDUSTRI KULIT - BARANG DARI KULIT

INDUSTRI KIMIA INDUSTRI KARET DAN BARANG DARI KARET INDUSTRI BARANG GALIAN BUKAN LOGAM INDUSTRI LOGAM DASAR INDUSTRI BARANG DARI LOGAM INDUSTRI MESIN DAN PERLENGKAPANNYA INDUSTRI MESIN DAN PERALATAN KANTOR INDUSTRI MESIN LISTRIK INDUSTRI RADIO, TELEVISI INDUSTRI PERALATAN KEDOKTERAN, ALAT-ALAT UKUR INDUSTRI KENDARAAN BERMOTOR INDUSTRI ALAT ANGKUTAN INDUSTRI FURNITUR DAN INDUSTRI PENGOLAHAN LAINNYA DAUR ULANG

187 Lampiran 7 Hasil percobaan proses epoksidasi minyak jarak pagar waktu proses 1 jam, volum minyak jarak pagar 10 ml

Run

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

X1 X2 X3 OV

16

-1 -1 -1 -1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 -2 1.7

-1 -1 1 1 -1 -1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

-1 4.5 1 3.79 -1 4.54 1 1.56 -1 4.47 1 4 -1 4.7 1 2.9 0 5.15 0 4.9 0 4.899 0 4.88 0 4.88 0 4.78 0 4.23 0 4.26

17

0

0

3.72

18 19 20

0 0 0

-2 1.7

0

0

-2

0

1.7

1.4 4.5 4.1

Lampiran 8 Penelitian pendahuluan epoksidasi L8.1 nilai estimasi, standar deviasi dan nilai t bilangan oksiran epoksi jarak pagar

Regresi Linear Kuadratik Crossproduct Total Model Residual Lack of Fit Pure Error Total Error

DK 3 3 3 9 DF 5 5 10

JK

R-Kuadrat Nilai F

Pr>F

3.971132 6.564467 0.856100 11.391698

0.3232 0.5342 0.0697 0.9271

14.77 24.42 3.19 14.13

0.0005 <0.0001 0.0716 0.0001

JK 0.711872 0.184150 0.896022

KT 0.142374 0.036830 0.089602

Nilai F 3.87

Pr > F 0.0821

188

Parameter

DK 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Intersep X1 X2 X3 X1*x1 X2*x1 X2*x2 X3*x1 X3*x2 X3*x3

Estimasi 5.003917 0.075446 -0.291417 -0.447363 -0.199471 0.127500 -0.618329 0.090000 -0.287500 -0.303744

Standard error 0.122085 0.080996 0.080996 0.080996 0.078837 0.105831 0.078837 0.105831 0.105831 0.078837

Nilai t 40.99 0.93 -3.60 -5.52 -2.53 1.20 -7.84 0.85 -2.72 -3.85

Pr > F <.0001 0.3735 0.0049 0.0003 0.0299 0.2560 <.0001 0.4150 0.0217 0.0032

L8.2 optimasi kondisi operasi epoksidasi

Hasil penelitian pada rancangan titik faktorial dan titik pusat menunjukkan nilai estimasi bilangan oksiran berkisar 1.4%– 5.15%. Dari analisis statistika untuk respon perolehan nilai bilangan oksiran dengan model kuadratik diperoleh persamaan model: Y

=

5.003917+0.075446x1-0.291417x2-0.447363x3-0.199471x12+127500x1x20.618329x22+0.090000x1x3-0.287500x2x3-0.303744x32

Dari Tabel ANOVA, uji lack of fit (uji ketidaksesuaian data) pada model ordo kedua ini bersifat tidak beda nyata (Pr= 0.0821) dengan α=0.05. Berdasarkan kesesuaian ini, maka model ordo kedua dianggap sesuai untuk menduga perolehan bilangan oksiran.

Lampiran 9 Proses epoksidasi L9.1 perhitungan perpindahan massa katalis H2SO4 dalam H2O2

Perhitungan [H+] dari data pH Pada t = 5 menit, pH campuran H2SO4 dalam H2O2 adalah 0.5 pH = − log[ H + ] [ H + ]−1 = 10{ pH ] = 10[[ 0.5] = 3.16227 [H + ] =

1 1 = = 0.316227 + [ H ] 3.16227

Hubungan regresi linier data dNA/dt adalah sebagai berikut :

189 L9.2 hasil analisis statistika persamaan perpindahan massa H2SO4 dalam H2O2 SUMMARY OUTPUT Regression Statistics Multiple R

0.951186951

R Square Adjusted R Square

0.904756616

Standard Error

10.29613464

0.888882719

Observations

8

ANOVA df

SS

MS

Regression

1

6042.2213

6042.2213

Residual

6

636.0623317

106.0103886

Total

7

6678.283632 Standard Error

t Stat

F

Significance F

56.996502

0.00028023

P-value

Upper 95%

Lower 95.0%

3.0252179

29.499753

3.0252179

3.1763487

1.6213577

3.1763487

Intercept

Coefficients 13.23726734

6.646126335

-1.99172671

0.093492

Lower 95% 29.4997526

X Variable 1

2.398853159

0.317745613

7.549602754

0.0002802

1.62135765

L9.3 perhitungan laju reaksi epoksidasi k1 A + B C + D

1)

k2 D + F

E + A

Keterangan : CA : konsentrasi asam asetat, gek L-1 CB : konsentrasi hidrogen peroksida, gek L-1 CD : konsentrasi asam perasetat, gek L-1 CE : konsentrasi epoksi, gek L-1 CF : konsentrasi iod dalam trigliserida, , gek L-1 k1 : tetapan laju reaksi asam perasetat, L gek-1 menit-1 k2 : tetapan laju reaksi epoksidasi, L gek-1 menit-1 Persamaan laju reaksi pembentukan asam perasetat dCD = k1 CA CB – k2 CD CF dt Persamaan Laju reaksi pembentukan epoksi minyak dCE = k2 CD CF dt

2)

3)

4)

Upper 95.0%

190 Perubahan konsentrasi asam perasetat terhadap waktu sangat kecil dibandingkan dengan perubahan konsentrasi trigliserida terepoksidasi, atau dCD/dt << CE/dt. dCE = k1 CA0 CB

5)

CB = CB0 – CE

6)

= k1 CA0 (CB0 – CE )

7)

dt

dCE dt Bila k1 CA0 = k’ dCE = k’(CB0 – CE ) dt

8)

dCE = k’ dt (CB0 – CE )

9)

Persamaan 9) diintegrasikan didapatkan persamaan : CE

ln (CB0 – CE)

0

=- k’ t

ln (CB 0 / (CB 0 (1 − X ))) = k ' t

10)

ln (1 / (1 − X )) = k ' t

11)

t = (1 / k ')ln (CB 0 / (CB 0 − CE ))

12)

L9.4 perhitungan konversi reaksi epoksidasi

Perhitungan konversi reaksi adalah pembentukan mol epoksi yang setara dengan perubahan mol dari ikatan rangkap menjadi epoksi x=

(CE ) Ciod

191 L9.4.1 data bilangan oksiran pada percobaan kinetika reaksi epoksidasi Waktu 15 30 45 60 90

Bilangan Oksiran 65° C 70° C 2.46 3.5 3.93 5.08 4.73 5.39 4.75 5.06 5.01 5.01

75° C 2.6 4.68 4.47 4.17 3.17

Bilangan iod minyak jarak pagar: 108 g/100 g minyak; sampel minyak= 10 ml, densitas= 0.9157 g/ml; ikatan rangkap = 0.078488 mol, CB0 = 0.186 mol. Perhitungan mol epoksi :

Mol epoksi = (Volum x densitas) x (% Oksigen Oksiran ) / BM O Contoh : 65° C, 15 menit oksiran = 2.46, mol epoksi = (10 x 0.92) x (2.46/100) /16 = 0.014146 Perhitungan konversi menjadi oksiran :

Konversi relatif menjadi oksiran , x =

OOe

OOt

Keterangan : OOe : Oksigen oksiran eksperimen OOt : Oksigen oksiran teoritis ={(IV0/Ai)/[100+(IV0/2Ai)A0]} x A0 x 100 = 8.842 IV0 = 108; Ai = 126.9, A0 = 16 L9.4.2 konversi reaksi pada 65°C, 70°C, dan 75° C t 65°C 5 20 30 45 60 90 t 70° C 15 18 30 45 60 90

Oksiran eksperimen OOe 2.46 2.95 3.93 4.73 4.75 4.37 oksiran eksperimen OOe 3.5 4.03 5.08 5.39 5.06 5.01

mol epoksi 0.014145 0.02714 0.0225975 0.0271975 0.0273125 0.0251275 mol epoksi 0.020125 0.0231725 0.02921 0.0309925 0.029095 0.0288075

OOe/OOt =X 0.278210625 0.333626563 0.444458438 0.534933438 0.537195313 0.494219688 OOe/OOt =X 0.395828125 0.455767813 0.57451625 0.609575313 0.572254375 0.566599688

192 t 75° C 15 20 30 45 60 90

L9.5

oksiran eksperimen = OOe 2.6 3.29 4.68 4.47 4.17 3.17

mol epoksi 0.01495 0.01893 0.02691 0.02570 0.02397 0.01822

OOe/OOt =X 0.29404375 0.372455417 0.52927875 0.505529063 0.471600938 0.358507188

Perhitungan data kinetika dan termodinamika reaksi epoksidasi

Dari persamaan 10) dan L9.4.2, selanjutnya dibuat tabel L9.5.1 hasil perhitungan ln (CB0/(CB0-CE)) t, menit 65C

ln(CB0/(CB0-CE))

15 30 45 60

0.079095576 0.129530192 0.158085382 0.158809814

t, menit 70C 15 20 30

lnCB0/(CB0-CE) 0.114512181 0.170839343 0.182273171

t, menit 75C

lnCB0/(CB0-CE)

15

0.083790762

20

0.107373692

30

0.156276594

L9.5.2 Hasil analisis statistika regresi linier suhu 65°C Regression Analysis: ln(CB0/(CB0-CE))65C versus waktu, menit The regression equation is ln(CB0/(CB0-CE))65C = 0.0645 + 0.00178 Waktu, menit Predictor Constant Waktu, m

Coef 0.06446 0.0017847

S = 0.01760

SE Coef 0.02156 0.0005247

R-Sq = 85.3%

T 2.99 3.40

P 0.096 0.077

R-Sq(adj) = 77.9%

Analysis of Variance Source Regression Residual Error Total

DF 1 2 3

SS 0.0035831 0.0006195 0.0042027

MS 0.0035831 0.0003098

F 11.57

P 0.077

193 suhu 70°C Regression Analysis: ln CB0/(CB0-CE) 70C versus waktu, menit The regression equation is ln CB0/(CB0-CE) 70C = 0.0684 + 0.00404 waktu, menit Predictor Constant waktu, m

Coef 0.06844 0.004035

S = 0.02705

SE Coef 0.05647 0.002505

R-Sq = 72.2%

T 1.21 1.61

P 0.439 0.354

R-Sq(adj) = 44.4%


DF 1 1 2

SS 0.0018999 0.0007318 0.0026317

MS 0.0018999 0.0007318

F 2.60

P 0.354

suhu 75°C Regression Analysis: ln(CB0/(CB0-CE)75C versus waktu,menit The regression equation is ln(CB0/(CB0-CE)75C = 0.0109 + 0.00484 waktu,menit Predictor Constant waktu,me

Coef 0.0109327 0.00484066

S = 0.0004642

SE Coef 0.0009691 0.00004298

R-Sq = 99.0%

T 11.28 112.62

P 0.056 0.006

R-Sq(adj) = 100.0%


DF 1 1 2

SS 0.0027337 0.0000002 0.0027339

MS 0.0027337 0.0000002

F 12684.21

P 0.006

Harga k (tetapan laju reaksi epoksidasi) merupakan slope garis lurus. pada 65° C, 70° C, dan 75° C, besarnya k adalah 0.00178, 0.00404, dan 0.00484 dengan satuan ml/mol menit. Apabila diubah menjadi satuan l/mol detik didapatkan nilai sebagai berikut : L9.5.3 nilai -nilai tetapan laju reaksi pada 65°C, 70° C, dan 75° C t°C 65 70 75

k =ml / mol menit 0.00178 0.00404 0.00484

Nilai k yang akan digunakan selanjutnya adalah yang dihitung dari data linier Parameter lain yang ada pada konstanta Arrheinus adalah : k = Ae − E / RT

Jika diubah dalam bentuk ln, menjadi ln k = ln A − E / RT

194

T°C 65 70 75

1/T 0.00295858 0.002915452 0.002873563

k=ml / mol menit ln k -6.331141915 -5.511510587 -5.330840558

Dibuat hubungan antara ln k dengan 1/T SUMMARY OUTPUT Regression Statistics Multiple R 0.941108538 R Square 0.885685281 Adjusted R Square 0.771370562 Standard Error 0.254892896 Observations

3

ANOVA df Regression Residual Total

1 1 2 Coefficients

Intercept X Variable 1

slope (-E/RT) E

28.6874571 -11801.6283

-11801.6283 23449.83536

SS 0.50337627 0.064970388 0.568346659 Standard Error 12.3637858 4239.877348

t Stat 2.320280985 -2.783483412

F 7.747779902

P-value 0.259057624 0.219571532

23.44983536 kcal/mol

A = k/exp( E/RT A= 2.59581E+12 ml/mol menit =

ΔH = E − (1 − Δn)RT

ΔH =

MS 0.50337627 0.064970388

23.44983536 kcal/mol

43263427.32

l/mol

detik

Significance F 0.21957153

Lower 95%

Upper 95%

-128.40934 -65674.378

185.7842508 42071.12137

L

195 Lampiran 10 Perhitungan waktu curah ideal epoksidasi

Perhitungan waktu ideal menggunakan persamaan 12) Contoh perhitungan pada percobaan 70°C waktu 45 menit, CB0 = 0.186 mol; CE = 0.021125 mol; k = 0.00404 ml/ mol menit. Dengan menggunakan persamaan 12), dibutuhkan waktu = 45.330 menit. Perbandingan waktu percobaan dan model. k 65C = 60 C oksiran t

X = OOe/OOt

15

eksperimen = OOe 2.46

30 45

t persamaan

mol epoksi 0.014145

0.278210625 22.61205765

3.93

0.0225975

0.444458438 37.03044237

4.73

0.0271975

0.534933438 45.19387764

k70 C = t 70 C oksiran mol epoksi X = OOe/OOt t persamaan eksperimen = OOe 15 3.5 0.020125 0.395828125 28.47868878 30 5.08 0.02921 0.57451625 42.4870127 45 5.39 0.0309925 0.609575313 45.33055661 k 75 C= t 75 C oksiran mol epoksi X = OOe/OOt t persamaan eksperimen = OOe 15 2.6 0.01495 0.29404375 24.2341924 30 4.68 0.02691 0.52927875 45.19874197 45 4.47 0.0257025 0.505529063 43.01181792

Lampiran 11 Pemilihan jenis dan konsentrasi katalis pada reaksi hidroksilasi L11.1 Penurunan oksiran pada hidroksilasi dengan katalis padat dan cair

Katalis H2SO4 1% H2SO4 1.5% H2SO4 2% Zeolit 1 % Zeolit 1.5 % Zeolit 2 % Bentonit 1 % Bentonit 1.5 % Bentonit 2 %

Oksiran setelah 2 jam Ulangan 1 ulangan 2 2.79 2.91 2.1 2.4 2.35 2.37 3.79 3.85 2.75 2.85 2.21 2 1.15 1.35 0.75 0.85 1.37 1.39

196

Analisis Statistika General Linear Model: Bilangan Oksiran versus JENIS; PROSEN Faktor Tipe Levels JENIS Fixed 3 PROSEN Fixed 3

Values A; B; C 1,0; 1,5; 2,0

Analisis Keragaman untuk Bilangan Oksiran Sumber DK JENIS 2 PROSEN 2 JENIS*PROSEN 4 Error 9 Total 17 S = 0,109722 R-Sq = 99,23%

Seq SS Adj SS 10,1744 10,1744 1,8906 1,8906 1,8390 1,8390 0,1083 0,1083 14,0125 R-Sq(adj) = 98,54%

Adj MS 5,0872 0,9453 0,4598 0,0120

F 422,57 78,52 38,19

P 0,000 0,000 0,000

L11.2 Hasil analisis statistika terhadap persamaan yang menghubungkan antara perubahan bilangan oksiran pada reaksi hidroksilasi katalis (bentonit). Katalis

Oksiran setelah 2 jam ul 1 1.15 0.75 1.37 3.15

Bentonit 1 % Bentonit 1.5 % Bentonit 2 % Bentonit 3 %

SUMMARY OUTPUT Regression Statistics Multiple R 0.877718883 R Square 0.770390438 Adjusted R 0.655585657 Square Standard Error 0.620868056 ANOVA Df Regression Residual Total

SS

ul 2 1.35 0.85 1.39 3.25

MS

6.7104386

T Stat

P-value

Lower 95%

-0.4508076 2.5904514 Upper 95.0%

0.6962883 0.1222811

-4.021905366 -0.718753721

2.586720714 0.770954286 3.357675

2.5867207 0.3854771

Coefficients

Standard Error 0.846100539 0.419783423 Lower 95.0% 4.021905366 0.718753721

-0.38142857 1.087428571 Upper 95%

Intercept

3.259048223

X Variable 1

2.893610863

3.2590482 2.8936109

F

1.25 0.8 1.38 3.2


1 2 3


Rata-rata

197 Lampiran 12 Hasil percobaan proses hidroksilasi epoksi jarak pagar waktu 2 jam Run 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

X1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 0 0 0 0 0 0 -1.682 +1.682 0 0 0 0

X2 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.682 +1.682 0 0

X3 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.682 +1.682

Oksiran 4.4 4.1 4.27 3.00 2.25 3.0 3.0 2.90 0.7 0.8 0.82 1.1 1.3 0.80 4.70 3.23 3.20 3.93 3.0 1.75

Lampiran 13 Penelitian Pendahuluan Hidroksilasi L13.1 Nilai estimasi, standar deviasi dan nilai t analisis bilangan oksiran Epoksi Minyak Jarak Pagar Regresi

DK

Linear Kuadratik Crossproduct Total Model

3 3 3 9

Residual Lack of Fit Pure Error Total Error

5 5 10

DK

JK

R-Kuadrat

Nilai F

Pr>F

4.382652 27.282514 1.471900 33.137066

0.1290 0.8023 0.0433 0.9751

17.23 107.25 5.79 43.42

0.0003 <.0001 0.0147 <.0001

JK 0.583909 0.264000 0.847909

KT 0.116782 0.052800 0.084791

Nilai F 2.21

Pr > F 0.2020

198 Parameter Intersep x1 x2 x3 x1*x1 x2*x1 X2*x2 x3*x1 x3*x2 x3*x3

DK

Estimasi

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0.922589 -0.519286 0.047434 -0.221295 1.059321 0.235000 0.917934 0.277500 -0.227500 0.497309

Standard error 0.118762 0.078791 0.078791 0.078791 0.076691 0.102951 0.076691 0.102951 0.102951 0.076691

Nilai t 7.77 -6.59 0.60 -2.81 13.81 2.28 11.97 2.70 -2.21 6.48

Pr > F <.0001 <.0001 0.5606 0.0185 <.0001 0.0456 <.0001 0.0225 0.0516 <.0001

L13.2 Optimasi kondisi operasi hidroksilasi Hasil penelitian pada rancangan titik faktorial dan titik pusat menunjukkan nilai

estimasi bilangan oksiran dari poliol yang terbentuk berkisar 4.7%– 0.7%. Dari analisis statistika untuk respon perolehan nilai bilangan oksiran diperoleh persamaan model: Y=0.922589-0.519286x1+0.047434x2-0.221295x3+1.059321x12+0.235000x1x2+ 0.917934x22+0.277500x1x3-0.227500x2x3+0.497309x32 Dari Tabel ANOVA, uji lack of fit (uji ketidaksesuaian data) pada model ordo kedua ini bersifat tidak beda nyata (Pr = 0.2020) dengan α=0.05. Berdasarkan kesesuaian ini, maka model ordo kedua sesuai untuk menduga perolehan oksiran pada proses.

Lampiran 14 Proses hidroksilasi L14.1 Perhitungan perpindahan massa metanol dalam bentonit

Perhitungan [H+] dari data pH Pada t = 5 menit . pH campuran bentonit dan metanol adalah 6.5 pH = − log[ H + ] [ H + ]−1 = 10{ pH ] = 10[ 6.5] = 3162277.66 [H + ] =

1 1 = = 3.162 x10− 7 + [ H ] 3162277.66

L14.2 Tabel [H+]1-[H+]2

t (menit)

pH1

pH2

[H+]1

[H+]2

H1-H2

10

5.5

6.6

3.2. 106

3.0.107

2.9108.106

199 15 25 30

6.7 5.7 5.7

2.0.107 2.0.106 2.0.106

6.4 5.4 5.3

4.0.107 4.0.106 5.0.106

-1.986107 -1.986.106 -3.017.106

SUMMARY OUTPUT Regression Statistics Multiple R

0.958809437


0.919315537 0.878973306

Standard Error

9.03769E-07

Observations

4

ANOVA df

SS

MS

F

Significance F

22.78792

0.041190563

Lower 95% -4.04575E07 -5.18797E07

Regression

1

1.861E-11

1.8613E-11

Residual

2

1.634E-12

8.168E-13

Total

3

2.025E-11 Standard Error

t Stat

P-value

4.8845E-06

1.229E-06

3.97353198

0.0578903

-2.7286E-07

5.716E-08

-4.7736694

0.0411906

Coefficients Intercept X Variable 1

Upper 95% 1.01736E-05 -2.6923E-08

Lower 95.0% -4.046E07 -5.188E07

L14.3 Perhitungan persamaan laju reaksi hidroksilasi

Model yang didapatkan adalah model laju reaksi untuk asumsi reaksi orde 2 reversibel dan/atau irreversibel. Penyelesaian persamaan laju reaksi menggunakan metoda integral. Reaksi Irreversibel E + M ⇒ P Keterangan : CE

= konsentrasi Epoksi minyak jarak pagar (bilangan oksiran)

CM

= konsentrasi metanol

CP

= konsentrasi poliol (bilangan hidroksil)

- rE = -dCE/ dt = k CE. CM3 , Asumsi CM konstan, perbandingan epoksi : metanol (mol) besar sehingga persamaan : - rE = -dCE/ dt = k’. CE

13)

CE = CE0 (1-XE)

14)

CM = CM0 – CM0 XE

15)

Upper 95.0% 1.017E-05 -2.692E08

200 − dCE = k '.CE dt

16)

− dCE = k ' dt CE

17)

diintegralkan,

(− ln CE )CE = k 't 0t +C CE 0

18)

(− ln 0 − (− ln 0) ) = 0 + C

C=0

1 ((− ln CE ) − (− ln 0)) = t k'

19)

⎛ CE 0 ⎞ ⎜⎜ ln ⎟⎟ = k ' t ⎝ CE ⎠

20)

t = (1 / k ' )(ln CE 0 / CE )

21)

L14.4 Hidroksilasi dengan Metanol L14.4.1 Perhitungan konversi reaksi hidroksilasi

Perhitungan Konversi reaksi adalah pembentukan mol poliol yang setara dengan perubahan mol dari epoksi yang dinyatakan dalam bilangan oksiran x= t, menit 50°C 30 60 90 120 180

C(OH).10-4 0.026133824 0.035529412 0.026133824 0.055 0.064520588

t, menit 60°C 30 60 90 120 180

0.030797 0.037419676 0.030797 0.006518235 0.046984412 0.048529412 0.039163235

(CE 0 − CE ) CE 0

C(Oks awal) 0.05405 0.05405 0.05405 0.05405 0.05405

C(Oks akhir),CE 0.0483 0.024955 0.022885 0.014375 0.000575

C(Oks awal)

C(Oks akhir), CE

0.0579945 0.0579945 0.0579945 0.0579945 0.0579945 0.0579945 0.0579945

0.0483 0.046 0.0095404 0.03197 0.022885 0.00943 0.0012144

X(OKS) 0.106382979 0.538297872 0.576595745 0.734042553 0.989361702

X(OKS) 0.1671624 0.20682134 0.83549475 0.44874083 0.60539361 0.83739837 0.97906008

201 t, menit 70 °C

C(Oks awal)

C(Oks akhir),CE

0.0579945 0.0579945 0.0579945 0.0579945 0.0579945 0.0579945

0.036685 0.023 0.02875 0.02047 0.014605 0.01035

C(OH).10 0.021932353 0.039779706 0.027908824 0.034452059 0.03323 0.039797941

30 60 90 120 180 210

X(OKS)

-4

0.36744002 0.60341067 0.50426334 0.64703549 0.74816577 0.8215348

L14.4.2 Perhitungan data kinetika dan termodinamika reaksi hidroksilasi

Dari persamaan 20) dan Tabel L14.4.1 ⎛ CE 0 ⎞ ⎟⎟ = k ' t ⎜⎜ ln C E ⎠ ⎝

Keterangan : CE = konsentrasi epoksi CE0 = konsentrasi epoksi mula-mula k = tetapan laju reaksi t

= waktu reaksi ln(CE0/CE) 60° C

t, menit 50° C 30 60 90 120 180 210

0.112478 0.772835 0.859428 1.324419 4.543295

70° C

0.182916618 0.45798 0.231706782 0.924854 0.595550215 2.0172 0.929866504 1.041388 1.378984 1.723362

Selanjutnya dibuat plot kurva ln (CE0/ CE) vs t, pada kurva lurus

ln(CE0/CE)

2.5 2 50C

1.5

60C

1

70C

0.5 0 30

60

90

120

t, m e nit

Gambar Hubungan ln (CE0/ CE) dengan t

202 L.14.4.3 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t pada 50°C Regression Statistics Multiple R 0.962606071 R Square 0.926610448 Adjusted R Square 0.889915672 Standard Error 0.165639293 Observations 4 ANOVA Df Regression Residual Total

1 2 3 Coefficients 0.163313825 0.012408052


SS 0.692818839 0.054872751 0.74769159 Standard Error 0.202865875 0.002469205

MS 0.692818839 0.027436375

F 25.251836


t Stat

P-value

Lower 95%

Upper 95%

Lower 95.0%

Upper 95.0%

0.805033499 5.025120454

0.5052925 0.0373939

-1.0361752 0.0017839

0.7095476 0.0230322

1.0361752 0.0017839

0.7095476 0.0230322

Lower 95.0%

Upper 95.0%

L14.4.4 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t pada 60°C SUMMARY OUTPUT Regression Statistics Multiple R 0.915039081 R Square 0.837296521 Adjusted R Square 0.674593041 Standard Error 0.128619959 Observations 3 ANOVA df Regression Residual Total

1 1 2

SS 0.085133243 0.016543094 0.101676337 Standard Error

MS 0.085133243 0.016543094

F 5.1461501


t Stat

P-value

Lower 95%

Upper 95%

Intercept


0.196470232

0.386364175

0.7652806

-2.5723001

2.4204819

X Variable 1

0.006877227

0.003031601

2.268512743

0.2643191

-0.0316429

0.0453974

Residual -11.27401586 12.78582295 -1.511807096

t percobaan 30 60 90

RESIDUAL OUTPUT Observasi 1 2 3

Prediksi Y=t 41.27401586 47.21417705 91.5118071

2.5723001 0.0316429

2.4204819 0.0453974

203 L14.4.5 Hasil regresi linier kurva ln (CE0/CE) vs t pada 70°C SUMMARY OUTPUT Regression Statistics Multiple R 0.974213385 R Square 0.94909172 Adjusted R Square 0.89818344 Standard Error 0.255347998 Observations 3 ANOVA df Regression Residual Total

1 1 2

SS 1.215583151 0.0652026 1.280785751 Standard Error

MS 1.215583151 0.0652026

F 18.64317


t Stat

P-value

Lower 95%

Upper 95%

Intercept


0.390050509

1.091845886

0.472066

-5.3819367

4.5301866

X Variable 1

0.025986996

0.00601861

4.317773725

0.144887

-0.0504867

0.1024607

Lower 95.0% 5.3819367 0.0504867

RESIDUAL OUTPUT Observation 1 2 3

Predicted Y 35.33447682 52.38554318 92.27998

Residuals -5.334476817 7.614456821 -2.279980004

Koefisien ketiga persamaan linier tersebut merupakan harga k (tetapan laju reaksi hidroksilasi dengan pereaksi metanol) pada 50°C, 60°C, dan 70°C, yaitu 0.012408052, 0.006877227, dan 0.025986996 dengan satuan ml/mol menit . L14.4.6 Nilai tetapan laju reaksi pada 50°C, 60°C dan 70°C

k (ml/mol menit) T,C

k(l/mol detik)

50 60 70

2.06801. 10-7 1.1462. 10-7 4.331166. 10-7

0.012408052 0.006877227 0.025986996

Nilai k dapat dihitung dengan mendefinisikannya sebagai tetapan Arrheinus, yaitu

k = Ae− E / RT

Upper 95.0% 4.5301866 0.1024607

204 Jika diubah dalam bentuk ln, menjadi ln k = ln A − E / RT T

1/T

ln k

323

0.003096

-15.3915

338

0.002959

-14.6523

Dengan menggunakan data pada temperatur 333 K dan 338 K di atas , didapatkan nilai -E/R

= -5380.463664 ; R = 1.987 kal/gmol K

E

= 10.6909813

kkal/mol ;

A

= 0.938841975

l/mol detik

k ' = 0.93884197 5 e ( −10.6909813

/ RT )

l/mol detik

Harga Entalpi reaksi (ΔHR) dengan menggunakan persamaan (Levenspiel, 1972)) ΔH = E –RT = 10.0193753 kkal / gmol

L14.4.7. Pengujian model t curah hidroksilasi

Perhitungan waktu ideal menggunakan persamaan 21) Contoh perhitungan pada percobaan 70°C waktu 90 menit, CB0 = CE0=0.05799 mol ; CE = 0.0483 mol ; k =1.1462. 10-7 l / mol menit. Dengan menggunakan persamaan 21), dibutuhkan waktu = 92.27998 menit. Perbandingan waktu dari percobaan dan waktu dari model persamaan waktu curah dapat dilihat pada tabel di bawah ini. Observasi 50°C 1 2 3 4

Prediksi Y=t 26.099841 75.41411303 81.88068371 116.6053623

Residual 3.900158999 -15.41411303 8.119316295 3.394637741

t percobaan 30 60 90 120

R2 0.926610448

R2

Observasi 60°C 1 2 3

Prediksi Y=t 41.27401586 47.21417705 91.5118071

Residual -11.27401586 12.78582295 -1.511807096

t percobaan 30 0.83729 60 90

205

Observasi 70°C 1 2 3

Prediksi Y=t 35.33447682 52.38554318 92.27998

Residual -5.334476817 7.614456821 -2.279980004

R2 0.94909172

t percobaan 30 60 90

Lampiran 15 Penelitian pendahuluan Asetilasi poliol L15.1

Perubahan bilangan hidroksil pada proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi No 1 2 3

Contoh Epoksi Poliol Asetilasi Poliol

Bilangan Hidroksil Ul1 Ul2 60.518 65.106 245.678 198.514 4.508 9.851

L15.2 Perbandingan volume poliol dan asam asetat anhidrat pada asetilasi poliol No

Perbandingan volum asam

Bilangan Asam Asetilasi Poliol

asetat anhidrat : poliol (v/v) 1

1:1

26

2

1:2

9.26

3

1:5

1.98

4

1 : 10

0.6

L15.3 Rendemen dihitung setelah netralisasi No

Volum bahan (P: AAN)

Rendemen (%)

1

(1 : 1)

16

2

(2 : 1)

46.875

3

(5 : 1)

64

4

(10 : 1)

69.44

206 Lampiran 16 Proses Asetilasi L16.1 Perhitungan perubahan konsentrasi dan konversi poliol pada asetilasi poliol

C(OH) awal = 11.484863 T= 90° C 5 10 20 30 40

C(OH) akhir 7.55008724 5.08204706 6.96957155 4.77659915 0.34316487

T = 80° C 5

C(OH) akhir 3.629997

X 0.683932

10

1.597227

0.860928

20

0.290366

0.974717

30

0.725965

0.936789

40

1.161563

0.898861

X 0.342605379 0.557500424 0.393151536 0.584096118 0.970120247

L16.2 Perhitungan persamaan laju reaksi asetilasi

P + As

PE + A

Keterangan : P

: konsentrasi poliol (bilangan hidroksil)

As

: konsentrasi asam asetat anhidrat

PE

: konsentrasi asetilasi poliol

A

: konsentrasi air

- rP = -dCP/ dt = k CP. CAs , Asumsi CAs konstan, karena perbandingan Poliol : Asam asetat anhidrat (mol) besar - rP= -dCP/ dt = k’. CP .....................................22) CP = CP0 (1-XP)..................................................23)

− dCP = k '.C p ....................................................24) dt Keterangan : CP0 = 11.4848631 mol

207

(− ln CP )CP = k 't 0t +C ..........................................25) CP 0 (− ln(11.484) − (− ln(11.484) ) = 0 + C ⎛ CP 0 ⎞ ⎜⎜ ln ⎟⎟ = k ' t ....................................................26) ⎝ CP ⎠ t'=

1 ⎛ CP 0 ⎞ ⎜ ln ⎟ ...................................................27) k ' ⎜⎝ CP ⎟⎠

L16.3. Perhitungan data kinetika dan termodinamika reaksi asetilasi

Dari persamaan 27) dan Tabel L16.1 Data hubungan antara waktu (t) dengan ln (CP0/CP)

ln (CP0/CP) 80° C

90° C

1.15179811 1.97276114 3.67764229 2.76128323 2.29126342

0.4194708 0.469399605 0.499476166 0.877301099 3.510574193

t

5 10 20 30 40

4 3.5 ln(Cp0/Cp)

3 2.5 2 1.5 1

80C

0.5

90C

0 5

10

20

30

40

t, menit

Gambar Hubungan ln (CP0/ CP) vs t.

208 L.16.4 Hasil regresi linier kurva ln (CP0/CP) vs t pada 90°C : SUMMARY OUTPUT Regression Statistics Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error

0.817396957 0.668137786 0.557517048 0.88414562

Observations

5

ANOVA df

MS

F

4.72146833 0.78171348

6.039896

Regression Residual

1 3

4.72146833 2.345140431

Total

4

7.066608762


Significance F

SS

0.09106


Standard Error

t Stat

P-value

0.759441911

-0.5770703

0.604348

-2.85513

1.978632

0.07588075

0.030875704

2.45762005

0.09106

-0.02238

0.174141

Lower 95%

Upper 95%

Lower 95.0% 2.85513 0.02238

Upper 95.0% 1.978632 0.174141

L.16.5 Hasil regresi linier kurva ln (CP0/CP) vs t pada 80°C : SUMMARY OUTPUT Regression Statistics Multiple R 0.736517516 R Square 0.542458051 Adjusted R Square 0.313687077 Standard Error 0.895214108 Observations 4 ANOVA df Regression Residual Total


1 2 3

SS 1.900286457 1.602816598 3.503103055

MS 1.90028646 0.8014083

F 2.371184


Lower 95%

Coefficients

Standard Error

t Stat

P-value

1.224338573 0.071786623

0.879910175 0.04661878

1.39143586 1.5398649

0.298657 0.263482

-2.56161 -0.1288

Upper 95%

Lower 95.0%

Upper 95.0%

5.010286 0.272371

2.56161 -0.1288

5.010286 0.272371

209 Koefisien ketiga persamaan linier tersebut merupakan harga k (tetapan laju reaksi asetilasi poliol ) pada 80° C dan 90° C, yaitu 0.071786623 dan 0.07588075 dengan satuan ml /mol menit. L16.6 Nilai tetapan laju reaksi 90°C, dan 80°C

T° C

k ml/mol menit

80

0.071786623

90

0.07588075

Nilai k dapat dihitung dengan mendefinisikan sebagai tetapan Arrheinus, yaitu

k = Ae− E / RT Jika diubah dalam bentuk ln, menjadi ln k = ln A − E / RT

T° C

1/T (1/K)

ln k

80

0.002832861

-2.6340571

90

0.002754821

-2.5785923

Dengan menggunakan data pada suhu 363 K dan 353 K di atas , didapatkan nilai -E/R

= -710.7214516

R

= 1.987

kal/ mol K

E

= 1412.203524

kal / mol = 1.41220 kkal/mol

A

= 0.53757773

m l/ mol menit

k ' = 0 .53757773 e (1412 .203 / RT ) l/mol detik Harga Entalpi reaksi (ΔHR) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (Levenspiel, 1972)) ΔH = E – RT = 690.9225243 kal/ mol

210 L16.7 Pengujian model t curah asetilasi

Perhitungan waktu ideal menggunakan persamaan 27) Sebagai pengujian terhadap model persamaan t curah ideal reaktor asetilasi, maka diambil contoh perhitungan pada percobaan 90° C waktu 40 menit, CP0=11.4848631mol; CP= 0.290366206 mol; k = 0.07588075 ml/mol menit. Dengan menggunakan persamaan 27), dibutuhkan waktu = 41.7389 menit. Observasi 90C 1 2 3 4 5

Prediksi t 14.52143823 14.96106648 15.22589368 18.55268097 41.73892064

Observasi 80C

Prediksi t

Residual -9.521438232 -4.961066476 4.774106318 11.44731903 -1.738920641 Residual

1

6.886902208

2 3 4

13.09053718 25.97352948 19.04903113

t percobaan 5 10 20 30 40

t percobaan

1.886902208 3.090537179 -5.97352948 10.95096887

5 10 20 30

Lampiran 17 Perhitungan pemurnian produk No

1

Tahapan Pemisahan Produk

Pemurnian

Volum Produk

Proses Epoksidasi :

Netralisasi menggunakan

• Epoksi netralisasi = 90 ml

Bahan baku Minyak Jarak

Na2CO3 jenuh,

• Epoksi = 80 ml

Pagar ( 100 ml), 2

3

Proses Hidroksilasi epoksi

Setelah proses : 39 ml (20 : 19)

Rendemen poliol = 16 / 20

dengan metanol

ml

x 100 % = 80 %

Metanol hilang pada saat

Recovery metanol = 9.3 /

bereaksi = 6 – 1.905 = 4.095 ml

25 x 100 % = 37.2 %

Pemisahan-Penyaringan bentonit,

Butanol recovery = 25 ml

Proses Asetilasi Poliol

:

:

Asam

anhidrat 110 :

asetat (i) Pemisahan bentonit dan

11 (ml), Netralisasi dengan NaCO3 jenuh

Hasil asetilasi = 80 ml, BA = 0.6

bentonit = 2.42 gr , 90°C , = 40 gr (Na2CO3) /100 gr aquadest. Rendemen= 80 / 110 x 40 men

Volum 80 ml

100 % = 72.73 %

211 Lampiran 18 Gambar Foto Rangkaian Alat Pengujian Stabilitas

Lampiran 19 Hasil Pengujian Kestabilan Oksidasi L19.1 Pengaruh Waktu Oksidasi terhadap Viskositas Pelumas Dasar (cP) 100 °C Men ulg1

ulg2

Visk MJP rata2

ulg1

ulg2

Visk MJP+ AO

Visk EJP Ulg1

ulg2

Visk PJP ulg1

ulg2

Visk Aset ulg1

ulg2

Poliol

0

49.335

49.349

49.342

31.334

32.676

32.005

308.9

305.59

307.25

197.68

193

195.34

250.66

240.7

245.68

30

53.344

43.544

48.444

26.557

24.26

25.408

301.14

301.88

301.51

220.77

230.12

225.44

187.9

181.22

184.56

60

47.653

39.835

43.744

29.557

27.06

28.309

128.56

126.43

127.49

314.89

316.1

315.5

340.54

301.32

320.93

90

33.455

28.715

31.085

31.435

28.975

30.205

301.25

301.05

301.15

240.88

226.25

233.57

200.43

196.34

198.386

120

32.335

27.921

30.128

33.423

26.845

30.134

299.79

298.19

298.99

200.77

195.43

198.1

190.88

163.46

177.168

L19.2 Pengaruh Waktu Oksidasi terhadap Bilangan Asam Pelumas Dasar 100 °C MJP Ulg 1 Ulg2

0 30 60 90

25.56 25.67 25.85 28.75

25.58 25.91 25.95 29.09

MJP+AO Ratarata 25.57 25.79 25.82 28.92

ulg1 ulg2 3.75 3.88 4.44 4.65

3.65 3.92 4.36 4.71

Ratarata 3.7 3.9 4.4 4.68

EJP ulg1

Ulg2

12.8 12.572 12.92 12.84 13.87 13.47 14.22 14.156

PJP rataulg1 rata 12.686 6.54 12.88 7.66 13.67 9.87 14.188 11.99

ulg2 6.34 7.634 9.486 12.19

APJP rata- ulg1 ulg2 ratarata rata 6.44 7.98 8.176 8.078 7.647 8.66 8.41 8.535 9.678 8.78 8.76 8.77 12.09 9.23 8.99 9.11

212 L19.3 Analisis keragaman pengaruh kestabilan oksidasi pada viskositas HASIL ANALISIS FAKTORIAL DALAM WAKTU The GLM Procedure Dependent Variable: y Sum of Source DF Squares Mean Square F Value Pr > F Model 33 623837.6909 18904.1725 562.85 <.0001 Error 16 537.3889 33.5868 Corrected Total 49 624375.0798 R‐Square Coeff Var Root MSE y Mean 0.999139 3.640459 5.795413 159.1946 Source DF Type I SS Mean Square F Value Pr > F P 4 525647.2115 131411.8029 3912.60 <.0001 U(P) 5 874.6286 174.9257 5.21 0.0050 T 4 2649.1001 662.2750 19.72 <.0001 U(T) 4 130.1551 32.5388 0.97 0.4515 P*T 16 94536.5956 5908.5372 175.92 <.0001 Perlakuan, waktu, dan interaksi waktu*perlakuan beda nyata, serta ulangan dalam perlakuan juga beda nyata, ulangan perlakuan beda nyata sedangakan ulangan dalam waktu tidak beda nyata. Source DF Type III SS Mean Square F Value Pr > F P 4 525647.2115 131411.8029 3912.60 <.0001 U(P) 4 441.2247 110.3062 3.28 0.0381 T 4 2649.1001 662.2750 19.72 <.0001 U(T) 4 130.1551 32.5388 0.97 0.4515 P*T 16 94536.5956 5908.5372 175.92 <.0001 Tests of Hypotheses Using the Type III MS for U(P) as an Error Term Source DF Type III SS Mean Square F Value Pr > F P 4 525647.2115 131411.8029 1191.34 <.0001 Tests of Hypotheses Using the Type III MS for U(T) as an Error Term Source DF Type III SS Mean Square F Value Pr > F T 4 2649.100097 662.275024 20.35 0.006 HASIL ANALISIS FAKTORIAL DALAM WAKTU 27 The GLM Procedure Duncan's Multiple Range Test for y NOTE: This test controls the Type I comparisonwise error rate, not the experimentwise error rate. Alpha 0.05 Error Degrees of Freedom 4 Error Mean Square 110.3062

213 Number of Means 2 3 4 5 Critical Range 13.04 13.33 13.39 13.37 Means with the same letter are not significantly different. Duncan Grouping Mean N P A 267.278 10 30 B 233.589 10 40 B B 225.345 10 50 C 40.549 10 10 C C 29.212 10 20

Analisis Duncan menyatakan bahwa perlakuan 30 (EJP) beda nyata dengan yang lain, perlakuan 40 (PJP) dan 50 (APJP) tidak beda nyata tetapi beda nyata dengan yang lain. Untuk perlakuan 10 (MJP) dan 20 (MJP +AO) tidak beda nyata tetapi beda nyata dengan yang lain. SUMMARY OUTPUT Regression Statistics Multiple R

0.953507

R Square

0.909175

ANOVA Df

SS

MS

F

Significance F

20.02039

0.04649327

Regression

1

228.5353

228.5353

Residual

2

22.83026

11.41513

Total

3 Coefficients


t Stat

P-value

Lower 95%

55.252

4.137958

13.35248

0.005562

-6.7607

1.510969

-4.47441

0.046493

37.4478051 13.2618728



Coefficients

Standard Error

t Stat

P-value

194.095

21.851279

8.8825464

-3.695

10.115177

0.3652927

Upper 95%

Lower 95.0%

Upper 95.0%

73.05619

37.44781

73.05619

-0.25953

-13.2619

-0.25953

Upper 95%

Lower 95.0%

Upper 95.0%

0.0713704

Lower 95% 83.55182644

471.74183

83.551826

471.74183

0.7770347

132.2205063

124.83051

132.22051

124.83051

Hasil regresinya dibandingkan antara R2, b0 (intersept), b1 semakin besar, kenaikan (perubahan) semakin tinggi

214 L19.4 Analisis keragaman pengaruh kestabilan oksidasi pada bilangan asam

Analisis dilakukan dengan Pengamatan Berulang (Repeated Measurement) dengan penarikan kesimpulan berdasarkan Tabel ANOVA . Hasil SAS uji pengaruh kestabilan oksidasi pada bilangan asam Class Level Information Class Levels Values A 5 10 20 30 40 50 c 4 1 2 3 4 R 2 1 2 Number of Observations Read 40 Number of Observations Used 40 Keterangan : A perlakuanC observasi Waktu R ulangan hasil analisis faktorial dlm waktu 14 The GLM Procedure Dependent Variable: y Sum of Source DF Squares Mean Square F Value Pr > F Model 27 2415.641581 89.468207 6095.80 <.0001 Error 12 0.176124 0.014677 Corrected Total 39 2415.817706 R‐Square Coeff Var Root MSE y Mean 0.999927 0.982425 0.121149 12.33160 Source DF Type I SS Mean Square F Value Pr > F A 4 2358.208983 589.552246 40168.4 <.0001 R(A) 5 0.169885 0.033977 2.31 0.1084 c 3 35.850077 11.950026 814.20 <.0001 R(c) 3 0.061355 0.020452 1.39 0.2924 A*c 12 21.351282 1.779274 121.23 <.0001 Source DF Type III SS Mean Square F Value Pr > F A 4 2358.208983 589.552246 40168.4 <.0001 R(A) 4 0.150701 0.037675 2.57 0.0923 c 3 35.850077 11.950026 814.20 <.0001 R(c) 3 0.061355 0.020452 1.39 0.2924 A*c 12 21.351282 1.779274 121.23 <.0001

Tabel ANOVA menunjukkan Pr > F bernilai < 0.0001, artinya model repeated

measurement tersebut beda nyata. Sehingga perlu dikaji lebih lanjut, didukung oleh RSquare 0.999927. Untuk kelima perlakuan, waktu, dan interaksi perlakuan*waktu beda nyata. Sedangkan ulangan terhadap perlakuan dan ulangan terhadap waktu tidak beda nyata Tests of Hypotheses Using the Type III MS for R(A) as an Error Term Source DF Type III SS Mean Square F Value Pr > F

215 A 4 2358.208983 589.552246 15648.3 <.0001 Tests of Hypotheses Using the Type III MS for R(c) as an Error Term Source DF Type III SS Mean Square F Value Pr > F c 3 35.85007680 11.95002560 584.31 0.0001 hasil analisis faktorial dlm waktu Duncan's Multiple Range Test for y NOTE: This test controls the Type I comparisonwise error rate, not the experimentwise error rate. Alpha 0.05 Error Degrees of Freedom 4 Error Mean Square 0.037675 Number of Means 2 3 4 5 Critical Range .2695 .2754 .2768 .2762 Means with the same letter are not significantly different. Duncan Grouping Mean N A A 26.54500 8 10 B 13.35600 8 30 C 8.96375 8 40 D 8.62325 8 50 E 4.17000 8 20 Menurut test duncan, kelima perlakuan signifikan berbeda. Level of Level of ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐y‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ A c N Mean Std Dev 10 1 2 25.5700000 0.01414214 10 2 2 25.7900000 0.16970563 10 3 2 25.9000000 0.07071068 10 4 2 28.9200000 0.24041631 20 1 2 3.7000000 0.07071068 20 2 2 3.9000000 0.02828427 20 3 2 4.4000000 0.05656854 20 4 2 4.6800000 0.04242641 30 1 2 12.6860000 0.16122035 30 2 2 12.8800000 0.05656854 30 3 2 13.6700000 0.28284271 30 4 2 14.1880000 0.04525483 40 1 2 6.4400000 0.14142136 40 2 2 7.6470000 0.01838478 40 3 2 9.6780000 0.27152900 40 4 2 12.0900000 0.14142136

216 50 1 2 8.0780000 0.13859293 50 2 2 8.5350000 0.17677670 50 3 2 8.7700000 0.01414214 50 4 2 9.1100000 0.16970563

Untuk membandingkan besranya perubahan bilangan asam dilakukan regresi terhadap Mean tiap-tiap perlakuan, selanjutnya dibandingkan besarnya slope untuk mengetahui nilai perubahan bilangan asam terkecil dan terbesar. Pada tahapan ini dibandingkan antara slope MJP dan APJP

L.19.5 Hasil regresi data perubahan bilangan asam MJP pada Uji kestabilan oksidasi SUMMARY OUTPUT

Regression Statistics Multiple R

0.825318289


0.681150278

Standard Error

1.099095082

Keeratan hub variabel t dg BA sedang

0.521725417

Observations

4

ANOVA df

SS

MS

Regression

1

5.16128

5.16128

Residual

2

2.41602

1.20801

Total

3


t Stat

24.005

1.346111065

17.83285

1.016

0.491530264

2.067014

Coefficients Intercept X Variable 1

F 4.2725


tidak beda nyata

Lower 95%

Upper 95%

0.0031

18.21315155

29.79685

18.21315

29.79685

0.1747

-1.09888403

3.130884

-1.09888

3.130884

P-value

Lower 95.0%

L.19.6 Hasil Regresi data perubahan bilangan asam APJP pada Uji kestabilan oksidasi SUMMARY OUTPUT Regression Statistics Multiple R

0.992189576


0.984440155 0.976660233

Keeratan hub variabel t dan BA sangat erat

Upper 95.0%

217 Standard Error

0.066214424

Observations

4

ANOVA df

SS

MS

F

Regression

1

0.55477805

0.554778

Residual

2

0.0087687

0.004384

Total

3

0.56354675

Coefficients

Standard Error

t Stat

Significance F

126.54

P-value

0.007810424

Lower 95%

Beda nyata

Upper 95%

Lower 95.0%

Upper 95.0%

Intercept

7.7905

0.081095777

96.06542

0.0001

7.441573035

8.139427

7.441573

8.139427

X Variable 1

0.3331

0.029611991

11.24882

0.0078

0.205689887

0.46051

0.20569

0.46051

Perbandingan r square, b0 (intersept), b1 semakin besar, maka kenaikan (perubahan) semakin tinggi Lampiran 20 Neraca Massa REAKTOR EPOKSIDASI 5 6

MJP

Reaktor Epoksidasi 70 C, 1 jam

9

CH3COOH, H2O

7

H2O2,H2O

8

H2SO4,H2O

CH3COOH, H2O2. H2O MJP, Epoksi

Asumsi : Proses Batch Minyak Jarak Pagar (5) Densitas MJP Berat MJP Bilangan Iod BM Minyak Mol minyak

318.47 0.9157 291.62 108 282 1.0341

Mol

Asam Asetat 98% : H2O2 50% = Asam Asetat 98% Densitas Asam Asetat Berat Asam Asetat (6) BM As Asetat Mol Asam Asetat

1 54.646 1.049 57.324 60 0.9554

5.9 Ml gr/ml Gr gr/grmol Mol

Mol H2O2 50% (7) BM H2O2 Berat H2O2 Densitas H2O2 Volum H2O2

5.6369 34 191.65 1.438 133.28

Mol gr/gmol Gr gr/ml Ml

Katalis H2SO4 (8)

1%

Ml gr/ml Gr gr/100 gr minyak

v/v

Mol

218 Volum Kat H2SO4 densitas H2SO4 BM H2SO4 Mol H2SO4 Reaksi CH3COOH + H2O2 A B

5.0639 1.834 98 0.0948

Ml gr/ml gr/mol Mol

k1 CH3COOOH + H2O C D O

O

H2C-O-C-R1CH = CHR2

H2C-O-C R1C

O

k2

O

3 CH3COOOH + HC-O-C R3 C CH3COOH

HC-O -C-HR3CH=CHR4 O

H2C-O-C R5 C

F

E

Asumsi : dCD/dt <<<< dCE/dt, sehingga Persamaan kecepatan reaksi pembentukan epoksi rE = dCE/dt = k'(CB0-CE)

Konversi minyak menjadi epoksi 60% 60%*mol Epoksi yang terbentuk minyak 0.6205 BM Epoksi / BM O 330 Berat Epoksi 204.75 Dari reaksi 2) MJP bereaksi mol mjpx konversi Dari reaksi 1) Asam perasetat terbentuk Asam asetat bereaksi

H2O terbentuk H2O2 bereaksi H2O masuk berasal dari =

1/1x asam perasetat terbentuk 1/1x h2o terbentuk

O CHR4

O

H2C-O-C-R5CH = CHR6 D

O CHR2

Mol gr/gmol Gr 0.620468

mol

1.861404 1.861404

mol mol

1.861404 1.861404

mol mol

dari h2o2 dari ch3cooh dari h2so4

air H2O2 + air CH3COOH + air H2SO4 133.8864355 gr 133.2776691 ml 133.2777 gr 0.557615751 ml 0.557616 gr 0.051150582 ml 0.051151 gr

H2O keluar

H2O masuk + H2O terbentuk

HO CHR6 H

+3

219 = = MJP keluar

167.391712 gr MJPmasuk-MJP bereaksi 0.41364539 mol

Asam Perasetat keluar = 0= Asam perasetat r1)

Asam Perasetat masuk + Asam perasetat terbentuk dari r1) - 3 asam perasetat bereaksi r2) 0+ as perasetat dr rx1-3 asam perasetat bereaksi rx2 1.861404255 mol

CH3COOH keluar

CH3COOH masuk-r1)+3r2) 0.95540024 mol

H2O2 keluar

H2O2 masuk -r1) 3.775457162 mol

Neraca Massa pada reaktor Epoksidasi

Komponen 5 291.620

MJP CH3COOH H2O2 H2SO4 EJP H2O Sub Total Total

Input (gram) 6

Output (gram) 7

8

57.324 191.653 0.094

291.620

0.558 57.882

133.278 324.931 674.578

0.051 0.145

9 116.648 57.324 128.366 0.094 204.754 167.392

Fraksi massa 0.172920075 0.084977649 0.19029027 0.000139065 0.303529918 0.248143023

674.578

DEKANTASI Prinsip : Pemisahan berdasarkan berat jenis, fase ringan akan terpisah dari fase berat Fase berat sebagai hasil bawah dan fase ringan sebagai hasil atas Fungsi : Memisahkan epoksi (fase minyak) dari campurannya (fase cair) Asumsi : Fase minyak (EJP) terikut pada fase cair 15%, MJP seluruhnya terikut pada fase minyak

13

EJP, MJP

12 DEKANTE CH3COOH, MJO, EJP H2O, H2O2, Na2SO4

Neraca Massa Total : Aliran 12 = Aliran 13 + Aliran 14

14

CH3COOH,EJP H2O2, Na2SO4, H2O

220

Komponen

Input (gram) 12

MJP H2O H2O2 CH3COOH Na2SO4 EJP Sub Total Total

Output (gram) 13 14

116.648 93.318 23.330 175.782 175.782 128.366 128.366 57.324 57.324 13.329 13.329 204.754 163.804 40.951 696.202 257.122 439.080 696.202 696.202

Lampiran 21 Perhitungan Neraca Energi REAKTOR EPOKSIDASI (R-01)

MJP, CH3COOH, H2O

R-01 H2O2, H2SO4, H2O

CH3COOH, H2O2. H2O MJP, Epoksi

Q Asumsi : 1. Reaksi beroperasi pada temperatur konstan 60 C (isotermal) 2. Tekanan operasi 1 atm 3. Panas Reaksi Total (QT) ditentukan dengan menggunakan Hukum Hess Data Kapasitas Panas diperoleh dari Perry's Chemical Handbook Komponen 30C H2O2 CH3COOH H2O Cp Minyak Nabati = (MJP)

Cp 30C Cp 60C Panas Masuk Reaktor Komponen

Cp 60C 1.484 0.53 4.1775

A D^(1/2.15) + B(t15)

0.462743847 0.452962257

Massa (gram)

3.27 0.53 4.1896

kal/gr C (KJ/kgr K) 0.998448 Minyak Non drying

1.00134

A = 0.45 B = 0.0007 D = 0.92 KJ/Kg C KJ/Kg C

Cp kal/gr C

0.110599 0.108261

DH pereaksi

kal/gr C kal/gr C

221

MJP CH3COOH H2O2 H2O H2SO4 Total Panas Keluar Reaktor Komponen

291.62 57.32 191.65 133.89 0.09 674.58 Massa (gram)

MJP CH3COOH H2O2 EJP H2O H2SO4 Total

0.11 0.53 3.27 1.00

-1104.98 -1063.36 -21934.72 -4692.30 -28795.37

Cp kal/gr C

116.65 57.32 128.37 204.75 167.39 0.09 674.58

DH pereaksi 0.11 0.53 3.27 4.32 1.00

441.99 1063.36 14691.44 30958.88 5866.56 53022.22

Berdasarkan Hukum Hess

30C 60C

60C DHr DHreaktan

60C DHproduk

Persamaan Neraca Energi DHr = DHreaktan + DHreaksi + DHproduk Untuk menghitung panas masing-masing komponen digunakan persamaan : 25 C

DHreaktan = m ò Cp dT 60 C

Dimana : m = massa zat Cp= Kapasitas Panas tiap bahan dT= beda temperatur DHreaktan = (mMJP CpMJP + mCH3COOH Cp CH3COOH+ mH2O2 CpH2O2 + mH2O CpH2O) dT = -28795.36611 kal 60C

DHproduk = = m ò Cp dT 25 C DHproduk = (mMJP CpMJP + mEJP CpEJP+ mCH3COOH Cp CH3COOH+ mH2O2 CpH2O2 + mH2O CpH2O) dT = 53022.22416 kal DH°reaksi = ((ånproduk.DHfproduk)-(ånreaktan.DHfreaktan)) Diketahui DHf CH3COOH -104.72 kkal/mol (Perry's, 1984)

222 DHf H2O2 -45.16 kkal/mol DHf H2O -68.3174 kkal/mol DHf MJP, EJP, Asam Perasetat) diperoleh dari perhitungan energi ikat DHf MJP -553.8 kkal/mol DHf EJP -546.63 kkal/mol DHf CH3COOOH -110.75 kkal/mol Reaksi (1) DHreaksi1 = ((-110.75+(-68.3174)-(-45.16-104.72)) = -179.0674-(-149.88) = -29.1874 kkal Reaksi (2) DHreaksi2 = ((-546.63+(-104.72*3))-(-553.8+(-110.75*3))) = -860.79-(-886.05) = 25.26 kkal DH°reaksi(T) = = -29.1874+25.26 = -3.9274 kkal Beban pendingin yang dibutuhkan : ΔHreaktan = Panas Total + ΔH°reaksi(T) + ΔHproduk -28795.36611 = Qc + Qc = -77890.19027 kkal Cp air= 4.2 kJ/kg C 1.0038252 kkal/gr C T air pendingin masuk = 30 C T air pendingin keluar = 45 C Kebutuhan air pendingin = Qc (m) Cp x ΔT m = 5172.892005 gr Neraca Panas Reaktor epoksidasi Panas Masuk Panas Keluar Komponen (kal) (kal) MJP -1104.98 441.99 CH3COOH -1063.36 1063.36 H2O2 -21934.72 14691.44 EJP 30958.88 H2O -4692.30 5866.56 Panas Reaksi -3927.40 Panas yang diserap -77890.19 pendingin (Qc) -28795.37 -28795.37

-3927.4 Eksotermis 4.183995381

Lampiran 22 Optimasi kapasitas produksi

Dari hasil simulasi analisis finansial didapatkan data sebagai berikut : x, ton/th

vc, juta Rp/ton

tc juta Rp

47.70

497.6557542

515.1193

95.42

490.3335783

499.0635

+

53022.22

223 143.13

487.7366383

493.5566

167.28

487.8075653

492.7873

190.93

488.5635809

492.9265

238.54

491.4985766

494.9907

286.25

495.2517773

498.1619

333.96

498.5155856

501.0099

Model untuk biaya variabel per ton produksi dihitung dengan metoda kuadrat terkecil regresi polinomial adalah : vc = 511 − 0.352 x + 0.00161x 2 − 0.000002 x 3 Model untuk biaya tetap per unit produksi adalah : fc = 833.011 Model untuk Biaya total per unit produksi adalah : cT = vc + fc

cT = 511 − 0.352 x + 0.00161x 2 − 0.000002 x 3 + 833.011 / x Keterangan : x

= Kapasitas Produksi

cT

= Biaya produksi total per unit produksi

vc

= Biaya variabel per unit produksi

fc

=Biaya tetap per unit produksi

Metoda optimasi yang digunakan adalah analitis Hasil optimasi : 167.2881 ton/tahun

; R2=96.9%

224

Lampiran 23 Analisis Kelayakan Finansial pada kapasitas optimum. 23.1. Proyeksi Laba Rugi…………………………………………………… 23.2. Arus Kas Penerimaan dan Pengeluaran (Cash Flow)………………… 23.3. Analisis Kelayakan Finansial dan Analisis Sensitifitas

Lampiran 24 Perbandingan Hasil Simulasi dengan menggunakan program Hysis untuk proses yang digunakan dibandingkan dengan proses esterifikasi-epoksidasi-metanolisis

Lampiran 23 Analisis kelayakan finansial skala optimum L23.1. Proyeksi Rugi-Laba dalam Juta Rupiah Proyeksi Rugi Laba - Juta Rupiah

Uraian

TAHUN KE 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Penjualan produk, Rp

77,785.77

77,785.77

77,785.77

77,785.77

77,785.77

77,785.77

77,785.77

77,785.77

77,785.77

77,785.77

Total biaya produksi, Rp

76,287.50

76,266.61

76,245.72

76,224.83

76,203.94

76,183.05

76,162.16

76,162.16

76,162.16

76,162.16

1,498.27

1,519.16

1,540.05

1,560.94

1,581.83

1,602.72

1,623.61

1,623.61

1,623.61

1,623.61

449.48

455.75

462.01

468.28

474.55

480.82

487.08

487.08

487.08

487.08

1,048.79

1,063.41

1,078.03

1,092.66

1,107.28

1,121.90

1,136.53

1,136.53

1,136.53

1,136.53

Laba kotor Pajak (30%) lababersih/tahun

224

L23.2. Proyeksi Cash Flow Proyeksi Cash Flow TAHUN KE

Uraian 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

13,382.50

13,382.50

13,382.50

13,382.50

13,382.50

13,382.50

13,382.50

13,382.50

13,382.50

13,382.50

2,747.75

2,747.75

2,747.75

2,747.75

2,747.75

2,747.75

2,747.75

2,747.75

2,747.75

2,747.75

16,130.25

16,130.25

16,130.25

16,130.25

16,130.25

16,130.25

16,130.25

16,130.25

16,130.25

16,130.25

11,760.07

11,739.18

11,718.28

11,697.39

11,676.50

11,655.61

11,634.72

11,634.72

11,634.72

11,634.72

Angsuran Pinjaman

15,474.73

15,474.73

15,474.73

15,474.73

15,474.73

15,474.73

0.00

0.00

0.00

0.00

Pajak dan lain - lain

486.73

493.00

499.26

505.53

511.80

518.07

524.33

524.33

524.33

524.33

4,178.18

27,721.52

27,706.90

27,692.27

27,677.65

27,663.03

27,648.40

12,159.05

12,159.05

12,159.05

12,159.05

0.00

-11,591.27

-11,576.65

-11,562.03

-11,547.40

-11,532.78

-11,518.16

3,971.19

3,971.19

3,971.19

3,971.19

Arus Kas masuk Penjualan Produk Penyusutan Modal sendiri

3,342.54

Kredit Bank Kas Masuk

835.64 4,178.18

Arus Kas Keluar Biaya investasi

3,633.20

Biaya modal kerja Biaya Produksi

544.98

Kas keluar Selisih

225

L23.3 Analisis kelayakan finansial

ANALISIS KELAYAKAN FINANSIAL INDUSTRI PELUMAS DASAR MINYAK JARAK PAGAR INPUT DATA Kapasitas Bahan baku Harga Bahan Baku Biji Jarak Pagar Harga Bahan Pembantu CH3COOH 98% H2O2 H2SO4 Butanol Bentonit Harga Jual Produk Pelumas dasar nabati Hari operasi Nilai Tukar Rp./1USDollar Suku Bunga Bank Produksi biji jarak

OUTPUT DATA 2,069 Kg biji jarak pagar/hari 2,000 Rupiah/kg Rupiah/kg 25,000 Rupiah/kg 12,000 Rupiah/kg 87,000 Rupiah/kg 20,000 Rupiah/kg 3,000 Rupiah/kg 80,000 Rupiah/kg 240 Hari 9,000 15.00% 5,000 kg/ha/th

NPV IRR PBP NET B/C Biaya Investasi Biaya Modal Kerja HPP/kg Jumlah bahan baku biji jarak Kebutuhan luas kebun Produk pelumas dasar nabati

1,518.272 juta Rupiah 25.09% 3.62 Tahun 1.36 3,633,196,579.24 Rupiah 544,979,486.89 Rupiah 63,951.87 Rupiah 496,488 kg/tahun 99.30 Ha 697.005 kg/hari 167281.226 kg/tahun 167.281 ton/tahun

226

L23.4. Analisis Sensitivitas

PERUBAHAN optimum Kenaikan harga bahan baku Kenaikan harga bahan pembantu Penurunan harga jual produk

148.55% 9.00% 4.0%

NPV, juta Rp 1,518.27 -0.002 -0.008 -0.004

IRR 25.09% 15.00% 15.00% 15.00%

Kriteria Kelayakan PBP Net B/C 3.62 1.36 5.17 1 5.17 1 5.17 1

227

L24. Perbandingan hasil simulasi produksi dengan menggunakan program Hysis L24.1. Tahapan Proses Epoksidasi-Hidroksilasi-Asetilasi

228

229

L24.2. Tahapan Proses Esterifikasi – Epoksidasi- Hidrolisis (Mulyana & Tjahyono 2003)

230

PERANCANGAN PROSES PEMBUATAN PELUMAS DASAR SINTETIS DARI MINYAK JARAK PAGAR (Jatropha curcas L.) MELALUI MODIFIKASI KIMIAWI

Recommend Documents