Prarancangan Pabrik Gasoline dari Metanol dengan Fixed Bed MTG Process dengan Kapasitas 981.000 Ton/Tahun
BAB I PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG Energi merupakan salah satu kebutuhan pokok manusia di samping sandang, pangan, dan papan. Keberlangsungan hidup manusia bergantung pada ketersediaan energi. Selama ini, sebagian besar kebutuhan energi diperoleh dari minyak bumi karena minyak bumi memberikan jumlah energi yang cukup besar. Minyak bumi merupakan sumber daya alam tak terbarukan yang semakin lama semakin terbatas jumlahnya. Permasalahan inilah yang sedang dialami berbagai sektor, terutama sektor transportasi. Sektor transportasi merupakan pengguna terbesar minyak bumi terutama bensin. Konsumsi bensin yang naik 5,68% per tahun tidak diimbangi dengan produksi bensin yang hanya mengalami peningkatan sebesar 0,79% per tahun. Pertamina sebagai penghasil utama BBM pada tahun 2011 mengimpor premium 15248 kilo liter. Berdasarkan data yang diperoleh dari kementerian ESDM, jumlah premium yang diimpor cenderung meningkat setiap tahunnya. Dalam
rangka
mengatasi
permasalahan
ini,
manusia
mengembangkan berbagai cara untuk memproduksi bahan bakar terbarukan, misalnya minyak nabati. Aplikasi minyak nabati sebagai bahan bakar pengganti bensin dirasa kurang efektif. Bahan bakar ini dapat digunakan jika mesin telah mengalami modifikasi. Sehingga, diperlukan cara lain untuk dapat menghasilkan bensin sebagai bahan bakar selain dari minyak bumi. Alternatif lain yang telah ditemukan yaitu memproduksi bensin dari methanol. Proses pembuatan bensin dari metanol dikenal dengan nama Methanol to Gasoline (MTG) Process. Methanol ini diperoleh dari hasil gasifikasi batu bara atau dari gas alam yang jumlahnya masih banyak di Indonesia. Hal inilah yang menjadi salah satu alasan mengapa pabrik ini layak untuk didirikan di Indonesia.
PENDAHULUAN
1
Prarancangan Pabrik Gasoline dari Metanol dengan Fixed Bed MTG Process dengan Kapasitas 981.000 Ton/Tahun
Kapasitas prarancangan pabrik gasoline dari methanol dengan fixed bed MTG process yaitu sebesar 981.000 ton/tahun. Kapasitas ini diharapkan dapat mengurangi jumlah impor BBM di Indonesia. Pabrik yang telah menggunakan teknologi ini memiliki kapasitas sebesar 1.000.000 ton/tahun. Pendirian pabrik dengan kapasitas 981.000 ton/tahun tidak memerlukan ukuran alat khusus. Jika dilihat secara ekonomi, pendirian pabrik ini akan membeikan keuntungan yang menarik karena perbandingan antara bahan baku dan produk yaitu berkisar 1 : 3. Pabrik gasoline dari methanol dengan fixed bed MTG proses ini akan didirikan di Bontang, Kalimantan Timur. Pemilihan lokasi ini memperhatikan berbagai aspek, yaitu ketersediaan bahan baku, pemasaran, ketersediaan air dan energi, ketersediaan tenaga kerja, kondisi geografis dan sosial, dan sarana transportasi.
B. TINJAUAN PUSTAKA Karakteristik Bensin Bensin merupakan campuran hidrokarbon yang memiliki titik didih berkisar antara 100 – 400oF (John McKetta, 1990). Komposisi utama bensin terdiri dari hidrokarbons, hidrokarbon jenuh (parafin, alkana), hidrokarbon tidak jenuh, dan oxygenates (sebagai komponen campuran). Bensin dapat mengandung lebih dari 500 hidrokarbon yang berbeda dengan jumlah atom C per molekul berkisar antara 4 – 14. Hidrokarbon jenuh merupakan spesies yang paling stabil secara kimia, dan terdiri atas 20 – 80% bensin, dengan 30 – 60% menjadi khasnya. Nilai oktan senyawa ini tergantung pada cabang dan jumlah atom karbon. Hidrokarbon tidak jenuh kurang stabil jika dibandingkan dengan hidrokarbon jenuh (George E Totten, 2003).
Indonesia
menghasilkan 2 macam bensin yaitu: a. Bensin premium yang mempunyai angka oktan minimum 87 dan berwarna kuning. b. Bensin super yang mempunyai angka oktan minimum 98 dan berwarna merah, sering disebut bensin super 98.
PENDAHULUAN
2
Prarancangan Pabrik Gasoline dari Metanol dengan Fixed Bed MTG Process dengan Kapasitas 981.000 Ton/Tahun
Sifat-sifat yang paling penting untuk bensin motor ialah sifat kemudahan
menguap
dan
sifat
anti
ketukan
(antiknock
characteristics). a. Sifat kemudahan menguap Sifat
kemudahan
menguap
bensin
berpengaruh
terhadap
kemudahan bensin untuk dihidupkan dalam keadaan dingin (starting characteristics), pemanasan dan percepatan (warm up and acceleration), uniformitas dan distribusi bahan bakar dalam silinder dan daya serta ekonomi penggunaan bensin pada semua kondisi semua mesin. Sifat kemudahan menguap ditunjukkan oleh Raid vapor pressure dan distilasi ASTM. b. Sifat anti ketukan Setiap
bensin
mempunyai
kemampuan
untuk
melakukan
sejumlah kerja tertentu dalam suatu mesin. Kalau bensin dipaksa untuk melakukan kerja yang melampaui kemampuan kerja maksimum bensin, maka bensin akan memberikan reaksi dengan memberikan daya yang kurang dan suara dalam mesin yang disebut ketukan mesin (engine knock). Kecenderungan bensin untuk mengetuk di dalam mesin tergantung kepada jenis, ukuran dan struktur molekul senyawa hidrokarbon dalam bensin dan jumlah TEL yang ditambahkan dalam bensin. Kecenderungan mengetuk bensin dinyatakan dengan angka oktan. Angka oktan merupakan ukuran dari kemampuan bahan bakar untuk menghindari ketukan (John J. McKetta, 1993). Bensin premium mempunyai angka oktan 87 artinya ialah bahwa bensin tersebut mempunyai sifat ketukan yang sama dengan ketukan bahan bakar pembanding (reference fuels) yang terdiri dari campuran 87% volum ioktan dan 13% volum n-heptan (Hardjono, 1985).
Produksi Bensin dari Minyak Bumi Selama ini, bensin diproduksi dari minyak bumi melalui serangkaian proses, yaitu minyak mentah pertama-tama dihilangkan garamnya kemudian dilakukan pemisahan fraksi-fraksi minyak bumi
PENDAHULUAN
3
Prarancangan Pabrik Gasoline dari Metanol dengan Fixed Bed MTG Process dengan Kapasitas 981.000 Ton/Tahun
berdasarkan titik didihnya atau disebut dengan distilasi. Pada proses distilasi ini, dapat dihasilkan bensin. Setelah melalui tahap distilasi, masing-masing fraksi minyak bumi dimurnikan. Bensin juga dapat dihasilkan dari cracking, yaitu penguraian molekul-molekul senyawa hidrokarbon
yang
besar
menjadi
molekul-molekul
senyawa
hidrokarbon kecil, misalnya pengolahan minyak solar atau minyak tanah
menjadi
bensin.
Proses
cracking
ini
bertujuan
untuk
memperbaiki kualitas dan perolehan fraksi bensin. Kualitas bensin juga dapat ditingkatkan dengan cara reforming, yaitu perubahan bentuk molekul bensin yang semula rantai karbon lurus menjadi rantai karbon bercabang. Kedua bensin ini memiliki rumus molekul yang sama tetapi bentuk molekulnya berbeda. Reforming dilakukan dengan menggunakan
katalis
dan
pemanasan.
Alkilasi
merupakan
penambahan jumlah atom dalam molekul menjadi molekul yang lebih panjang dan bercabang dengan katalis asam kuat sedangkan polimerisasi yaitu proses penggabungan molekul-molekul kecil menjadi molekul besar. Contoh polimerisasi yaitu penggabungan isobutana dengan isobutana menghasilkan isooktana yang merupakan bensin berkualitas tinggi. Minyak bumi mengandung banyak pengotor yang dapat dihilangkan dengan treating salah satunya yaitu desulfurizing yang berarti menghilangkan unsur belerang yang dapat mencemari udara. Peningkatan kualitas bensin dapat dilakukan dengan cara menambahkan bahan aditif seperti tetra ethyl lead (TEL). Proses penambahan bahan-bahan aditif ke dalam fraksi minyak bumi untuk meningkatkan kualitas disebut dengan blending.
Proses Methanol to Gasoline Sebuah perusahaan asing yaitu Mobil telah mengembangkan proses pembuatan bensin dari methanol semenjak awal tahun 1970. Proses pembuatan bensin dari methanol ini dikenal dengan nama Methanol-to-Gasoline (MTG) process yang diawali dengan penemuan Mobil yaitu katalisator zeolite yang disebut dengan ZSM-5 dan juga cara baru untuk memproduksi gasoline kualitas tinggi dari sumber
PENDAHULUAN
4
Prarancangan Pabrik Gasoline dari Metanol dengan Fixed Bed MTG Process dengan Kapasitas 981.000 Ton/Tahun
energi alternatif seperti batu bara, gas alam, dan biomassa. MTG process dapat mengubah methanol menjadi gasoline yang dapat dipasarkan dan dapat bersaing dengan gasoline dari minyak bumi. Gasoline produk MTG proses mempunyai bilangan oktan sebesar 92 – 94 sedangkan bilangan oktan gasoline dari minyak bumi hanya sebesar 87 – 88. Katalis zeolite ZSM-5 merupakan elemen penting dalam proses MTG yang dapat mengkonversi methanol menjadi gasoline. Berbeda dengan katalis lainnya, zeolite ZSM-5 memiliki shape selectivity yang unik. Karakteristik zeolite yaitu berpori, kristal yang mempunyai 3 dimensi kerangka yang tersusun dari AlO4 dan SiO4 tetrahedra. Katalis ini memiliki 2 saluran yang berpotongan, yaitu berbentuk ellip dengan 10 susunan saluran cincin dan mendekati lingkaran (sinusoidal). Adanya kombinasi yang unik antara bentuk dan ukuran ZSM-5 ini menjadikannya sangat efisien pada MTG process, memproduksi gasoline dengan molekul berkisar antara C4 – C10 dan tidak mengandung hidrokarbon di atas C10. Dapat diakatakan, katalis ZSM-5 memiliki bentuk dan ukuran selektivitas yang tepat pada sintesis gasoline. MTG process menggunakan methanol sebagai bahan bakunya yang dapat diproduksi dari gas alam dan juga gasifikasi batubara. Konversi dari methanol menjadi gasoline melalui serangkaian tahapan, yaitu sebagai berikut: a. Sintesis gasoline Persiapan crude methanol sebagai raw material dilakukan dengan memanaskan, menguapkan, dan juga membuat uap dalam kondisi superheated pada suhu 300 – 320oC. Uap methanol ini selanjutnya diumpankan ke reaktor untuk mengkonversinya menjadi dimethyl ether (DME) dengan katalis alumina. Konversi dari uap methanol menjadi DME ini sebesar 75%. Reaksi yang terjadi yaitu: 2CH3OH
PENDAHULUAN
CH3OCH3 + H2O
5
Prarancangan Pabrik Gasoline dari Metanol dengan Fixed Bed MTG Process dengan Kapasitas 981.000 Ton/Tahun
Reaksi ini terjadi sangat cepat dan bersifat eksotermis. Sekitar 20% dari panas yang dihasilkan, dilepaskan pada tahap ini. Campuran hasil ini pada temperatur antara 400 – 420oC dicampur dengan recycle gas dan diumpankan ke reaktor konversi. Recycle gas yang terdiri dari light hydrocarbons, CO, dan H2 berfungsi untuk menyerap panas reaksi. Reaktor konversi dengan katalis ZSM-5 ini mendehidrasi DME lebih lanjut menjadi light alkenes
yang
teroligomerisasi
(dengan
kata
lain
melalui
pertumbuhan rantai dengan menggabungkan dua atau lebih molekul alkena secara bersamaan) dan cyclise untuk menghasilkan produk akhir dengan pelepasan sisa panas. Reaksi yang terjadi pada MTG proses sangatlah rumit. Skema reaksi yang sederhana (diusulkan oleh Chang and Silestri) yaitu: -H2O
2CH3OH
-H2O
CH3OCH3
C2 – C5 alkenes
alkanes, cycloalkanes,
+H2O
aromatics
Campuran hidrokarbon 44% berat (w/w%) dan air 56% berat (w/w%) kemudian didinginkan dengan membangkitkan steam tekanan sedang dengan memanaskan umpan methanol dan recycle gas, dengan udara dan air. Konversi pada reaksi ini mencapai 100%. Sekitar 85 – 90% produk hidrokarbon dapat digunakan sebagai gasoline dan sisanya adalah fuel gas. Produk sampingnya yaitu CO, CO2, dan coke. Coke merupakan hasil reaksi yang dapat menempel di permukaan katalis dan masuk ke dalam pori-pori katalis sehingga mengakibatkan deaktivasi katalis. Recycle gas, air, dan hidrokarbon selanjutnya dipisahkan. Air akan diumpankan ke reformer saturator, recycle gas akan dikembalikan ke kompresor, dan hidrokarbon akan diumpankan ke bagian distilasi. b. Distilasi Hidrokarbon hasil dari MTG proses kemudian dipisahkan dalam kolom distilasi yang berjumlah 3. Kolom pertama berfungsi untuk menghilangkan hidrokarbon yang lebih ringan dan lebih
PENDAHULUAN
6
Prarancangan Pabrik Gasoline dari Metanol dengan Fixed Bed MTG Process dengan Kapasitas 981.000 Ton/Tahun
volatil, dissolved gas, dan sebagian air. Kolom ke-2 berfungsi untuk menghilangkan sisa light hidrokarbon yang kemudian didinginkan sehingga menjadi LPG. Kolom ke-2 juga me-recovery komponen campuran gasoline yang memiliki tekanan uap tinggi. Kolom ke-3 berfungsi untuk memisahkan light dan heavy gasoline. Light gasoline dapat langsung disimpan sedangkan heavy gasoline akan diolah lebih lanjut.
MTG process ini dilangsungkan di dalam reaktor fixed bed dengan pertimbangan sebagai berikut. 1. Weight Hourly Space Velocity (WHSV) WHSV didefinisikan sebagai ⁄
( (
)
)
WHSV yang sama dapat dihasilkan dengan perubahan laju massa yang masuk dan massa katalis secara simultan. Dari percobaan ini, didapatkan dimensi geometri antara fixed bed reactor dan fluidized bed reactor berbeda. Massa katalis pada fluidized bed = 16027 gram Massa katalis pada fixed bed = 132 gram Dapat disimpulkan bahwa menggunakan fixed bed memerlukan massa katalis yang lebih sedikit dibandingkan menggunakan fluidized bed. Gambar 1 menjelaskan bahwa peningkatan WHSV pada reaktor fixed bed tidak terlalu berpengaruh pada konversi tetapi peningkatan WHSV akan menurunkan konversi pada reaktor fluidized bed. 2. Space Time Yield (STY) STY didefinisikan sebagai: ⁄ Gambar 2 menjelaskan bahwa untuk mencapai konversi yang sama maka reaktor fluidized bed memerlukan lebih banyak katalis PENDAHULUAN
7
Prarancangan Pabrik Gasoline dari Metanol dengan Fixed Bed MTG Process dengan Kapasitas 981.000 Ton/Tahun
dibandingkan reaktor fixed bed sehingga reaktor fixed bed lebih hemat katalis.
Gambar 1. Konversi sebagai fungsi WHSV untuk reaktor fixed bed dan fluidized bed (P=2 atm, T=673 K)
PENDAHULUAN
8
Prarancangan Pabrik Gasoline dari Metanol dengan Fixed Bed MTG Process dengan Kapasitas 981.000 Ton/Tahun
Gambar 2. STY sebagai fungsi WHSV untuk reaktor fixed bed dan fluidized bed (P=2 atm, T=673 K) 3. Selectivity terhadap intermediate product (olefin)
Gambar 3. Selectivity olefin sebagai fungsi konversi methanol pada reaktor fixed dan fluidized bed (P=2 atm, T= 673 K) Gambar 3 menjelaskan bahwa pada reaktor fixed bed, selektivitas yang tinggi tidak terlalu mempengaruhi konversi methanol (konversi metanol tetap tinggi) sedangkan pada reaktor
PENDAHULUAN
9
Prarancangan Pabrik Gasoline dari Metanol dengan Fixed Bed MTG Process dengan Kapasitas 981.000 Ton/Tahun
fluidized bed semakin tinggi selectivity yang diinginkan maka konversi metanol akan semakin kecil. Dari segi proses dapat disimpulkan bahwa penggunaan reaktor fixed bed akan lebih menguntungkan.
PENDAHULUAN
10
