Prarancangan Pabrik Furfural dari Tongkol Jagung dengan Kapasitas 13.000 ton/tahun
BAB I PENGANTAR
I.1 Latar Belakang
Berbagai macam industri kimia membutuhkan furfural sebagai bahan pendukung dalam proses produksinya. Industri yang dimaksud seperti industri cat, industri di bidang farmasi dan juga industri polimer. Kebutuhan furfural Indonesia sampai saat ini mengandalkan impor dari Negara lain. Berdasarkan data dari Kementrian Perindustrian Repulik Indonesia, jumlah impor furfural Indonesia pada tahun 2011 seharga US$ 1.818.960. Pada tahun tersebut, harga furfural adalah US$ 1.300/ton sehingga terhitung kebutuhan furfural dalam satuan ton adalah 1399.2 ton. Nilai ini juga akan semakin meningkat dengan semakin pesatnya perkembangan industri. Diketahui bahwa hanya terdapat satu negara di ASEAN yang memproduksi furfural, yaitu Thailand. Padahal Indonesia memiliki banyak potensi alam yang dapat dijadikan sebagai bahan baku pembuatan furfural. Produksi furfural memerlukan bahan baku kaya pentosan. Beberapa bahan baku yang mengandung pentosan tinggi yaitu tongkol jagung, sekam padi, sekam gandum, dan lain-lain. Tongkol jagung merupakan limbah pertanian yang mengandung pentosan sekitar 39,8% dari massa kering (Zych, 2008). Pada umumnya, tongkol jagung hanya digunakan sebagai bahan bakar. Pada pabrik yang dirancang ini, tongkol jagung ditentukan sebagai bahan baku karena ketersediaannya di Indonesia cukup baik. Dimana Indonesia merupakan negara produsen jagung terbesar di ASEAN. Setiap tahun, Indonesia mampu memproduksi jagung sekitar 19 juta ton. Nilai ini cukup meyakinkan bahwa bahan baku pabrik tidak sulit untuk diperoleh. Pendirian pabrik furfural ini akan memberikan kontribusi yang penting pada berbagai aspek, yaitu perkembangan industri pengguna
Anro Yedi Munthe Josephine N.Hulu
10/302119/TK/37298 10/301236/TK/36878
1
Prarancangan Pabrik Furfural dari Tongkol Jagung dengan Kapasitas 13.000 ton/tahun
furfural, menjadikan Indonesia tidak bergantung pada impor furfural, peningkatan nilai tongkol jagung, dan penambahan lapangan pekerjaan terutama di daerah pembangunan pabrik.
I.2 Tinjauan Pustaka Furfural adalah senyawa aldehid dengan rumus molekul C5H4O2 yang dihasilkan dari biomassa yang mengandung pentosan. Bahan ini merupakan bahan yang cukup penting di bidang industri organik karena pemanfaatannya yang beragam dan mempunyai senyawa derivative yang banyak. Beberapa kegunaan furfural adalah untuk pembuatan resin di industri cat, sebagai anti bacteria dan anti jamur, sebagai solvent untuk industri minyak pelumas dan sebagai bahan pelengkap di industri polimer. Secara umum, proses pembuatan furfural terdiri dari dua tahap yaitu reaksi hidrolisis dan reaksi dehidrasi. Reaksi dehidrasi membutuhkan waktu yang lebih lama dibanding dengan reaksi hidrolisis sehingga reaksi dehidrasi merupakan reaksi yang mengontrol reaksi secara keseluruhan. Berikut ini adalah reaksi yang terjadi selama proses pembuatan furfural. 1. Reaksi Hidrolisis (C5H8O4)n
+
n C5H10O5
nH2O
Pentosan
Pentosa
nx132.114 +
nx 18.016
nx 150.130 g/mole
Terdapat peristiwa protonasi pada atom oksigen dan diikuti dengan
pembentukan
karbokation,
karbokation
tersebut
kemudian bergabung dengan molekul H2O.
Mekanisme reaksi yang terjadi pada tahap ini adalah sebagai berikut.
Anro Yedi Munthe Josephine N.Hulu
10/302119/TK/37298 10/301236/TK/36878
2
Prarancangan Pabrik Furfural dari Tongkol Jagung dengan Kapasitas 13.000 ton/tahun
Gambar 1.1 Mekanisme reaksi hidrolisis pentosan
2. Reaksi Dehidrasi C5H10O5
C5H4O2
Pentosa
Furfural
150.130
96.082
+ 3 H2O
+ 54.048 g/mole
Ion hidrogen hasil dari reaksi hidrolisis kemudian menyerang atom oksigen yang bersifat elektronegatif. Electron yang ada lalu berpindah-pindah sampai akhirnya terjadi reaksi dehidrasi yang menghasilkan furfural.
Mekanisme reaksi yang terjadi pada tahap ini adalah sebagai berikut.
Anro Yedi Munthe Josephine N.Hulu
10/302119/TK/37298 10/301236/TK/36878
3
Prarancangan Pabrik Furfural dari Tongkol Jagung dengan Kapasitas 13.000 ton/tahun
Gambar 1.2. Mekanisme reaksi dehidrasi pentosa
Reaksi overall pembuatan furfural dapat dituliskan sebagai berikut. C5H8O4
C5H4O2 + 2 H2O
132,114
96.082
+ 36.032 g/mole
Maka secara teoritis hasil furfural dari pentosan adalah Yth = 96.082/132.114 = 0.72727 (Zeitsch, 2000)
Anro Yedi Munthe Josephine N.Hulu
10/302119/TK/37298 10/301236/TK/36878
4
Prarancangan Pabrik Furfural dari Tongkol Jagung dengan Kapasitas 13.000 ton/tahun
Terdapat berbagai macam proses pembuatan furfural. Berikut ini adalah sebagian dari proses tersebut. 1. Proses Quaker Oats Proses ini menggunakan asam sulfat sebagai katalis dalam pembuatan furfural. Sehingga diperlukan reaktor yang terbuat dari baja dengan sifat yang tahan asam dan juga mampu menahan steam yang bertekanan tinggi. Kemudian uap yang dihasilkan akan dilewatkan pada bagian stripping untuk memisahkan bagian yang kaya akan furfural pada bagian atasnya. Arus atas yang kaya akan furfural tersebut kemudian di pisahkan lagi berdasarkan fasa berat dan fasa ringan. Pada proses ini, hasil samping yang dihasilkan lebih sedikit. Kelemahan yang dimiliki proses ini yaitu : Waktu tinggal yang dibutuhkan lebih lama karena suhu yang rendah Kebutuhan akan asam sulfat mempengaruhi rendahnya suhu yang digunakan saat operasi Menghasilkan residu berupa asam Membutruhkan desain reaktor yang agak rumit
2. Proses Petrole Chemie Proses ini menggunakan katalis asam phospat dengan kondisi operasi suhu yang tinggi dan dengan tekanan ± 68 atm. Bahan baku yang digunakan dimasukkan ke dalam rangkaian reaktor yang disusun secara seri, dengan reaksi pengubahan bahan baku menjadi pentose pada reaktor pertama. Produk yang keluar dari reaktor selanjutnya didistilasi sehingga terpisah menjadi dua lapisan. Lapisan bawah yang kaya furfural dinetralisasi dan didehidrasi hingga menjadi produk furfural yang murni.
Anro Yedi Munthe Josephine N.Hulu
10/302119/TK/37298 10/301236/TK/36878
5
Prarancangan Pabrik Furfural dari Tongkol Jagung dengan Kapasitas 13.000 ton/tahun
3. Proses Rosenlaw Bahan baku diumpankan ke dalam reaktor dengan kondisi tekanan 11-12 kg/cm2, dari dasar reaktor dimasukkan steam dan kemudian kondensat furfural dilanjut dengan distilasi, dekantasi, dan dehidrasi. Pada proses ini digunakan campuran asam asetat, asam formiat, dan asam karboksilat yang diperoleh dari bahan bakunya sehingga disebut sebagai innate catalysis atau autocatalysis.
4. Proses Escher Wyss Pada waktu masuk reaktor, bahan baku diaerasi dengan cara dikontakkan steam pada suhu 145oC, tekanan 3-4 kg/cm2 dan dicampur asam asetat sebagai katalis. Produk yang berisi furfural dan asam asetat meninggalkan seksi atas reaktor sebagai uap bersama kelebihan steam dan melewati kondensor. Uap dikondensasi, kondensat didinginkan dengan dilewatkan sistem WHB. Kondensat diaerasi, disaring, dan dikumpulkan dalam intermadiet storage tank. Kelemahan proses Escher Wyss yaitu : Kemurnian furfural yang dihasilkan sangat rendah Sensitivitas yang tinggi dari Rotary Feeder mengakibatkan adanya abrasi Akan mengakibatkan korosi yang cukup parah yang disebabkan oleh asam yang disemprotkan pada saat reaksi Reaktor Wyss sangat sensitive maka dapat mempengaruhi peralatan lainnya
5. Stake Process Proses Stake ini berlangsung pada suhu 230 oC untuk hidrolisis prosesnya. Proses ini menggunakan STAKE feeder gun, yang bekerja seperti senjata mesin. Kombinasi screw conveyor dan reciprocating piston menyebabkan umpan dalam bentuk slurry tertekan hingga 28 bar sebelum masuk dalam reaktor.
Anro Yedi Munthe Josephine N.Hulu
10/302119/TK/37298 10/301236/TK/36878
6
Prarancangan Pabrik Furfural dari Tongkol Jagung dengan Kapasitas 13.000 ton/tahun
Proses yang terjadi selanjutnya adalah umpan dari feeder gun masuk ke dalam digester untuk proses hidrolisis pada suhu 230 oC. Fasa uap akan terbawa ke atas digester dimana fase uap banyak mengandung furfural. Komponen fasa uap ini adalah pentosan, pentosa, furfural, dan air. Residu nya sendiri mengandung padatan yang kemudian dikeringkan dengan superheated steam. Superheated steam digunakan untuk mengambil furfural yang masih tersisa dalam residu dan padatan nya dapat diolah menjadi bahan bakar karena sudah cukup kering. Furfural dalam bentuk uap kemudian dimurnikan lebih lanjut dengan proses distilasi.
Kelemahan dari proses ini : Investasi mahal untuk dryer dan Stake feeder gun. Jumlah umpan harus selalu konstan pada stake gun feeder, karena dapat terjadi arus balik uap dan padatan ke bagian bin ventilasi (“blow back”).
6. VOEST-ALPINE process Proses VOEST-ALPINE menggunakan bahan baku sulfite liquor sebagai bahan baku. Sulfite liquor ini diperoleh dari sisa dari pabrik kertas. Sulfite liquor ini kemudian dikeringkan dulu hingga mengandung solid 30%. Proses selanjutnya adalah dengan memanaskan hingga suhu 180oC ditahan dalam tube reaktor untuk mengubah pentosan menjadi furfural kemudian segera di stripping dengan steam di kolom distilasi.
Kelemahan dari proses ini : Dibutuhkan banyak energi terutama untuk produksi steam dan evaporator. Penggunaan steam yang massif jumlahnya. Komposisi furfural yang diperoleh realtif sedikit.
7. Reactive Desorption process Anro Yedi Munthe Josephine N.Hulu
10/302119/TK/37298 10/301236/TK/36878
7
Prarancangan Pabrik Furfural dari Tongkol Jagung dengan Kapasitas 13.000 ton/tahun
Proses nya menggunakan reactive column distilation, dimana selama proses distilasi terjadi reaksi pembentukan furfural. Proses ini hanya modifikasi dari proses VOEST-ALPINE. Bahan baku yang digunakan adalah sulfite liquor. Umpan dimasukkan ke dalam reaktor kemudian dari bawah diinjeksikan steam. Pada hasil atas diperoleh fasa uap yang kaya akan furfural dan akan dimurnikan lebih lanjut.
8. Enforced Ebulition process Proses ini menggunakan gas panas untuk membawa fasa uap keluar dari reaktor. Bahan baku yang digunakan juga sulfite liquor. Sulfite liquor dipanaskan dahulu pada suhu 240 oC dengan kondensasi steam sebelum masuk reaktor dan tekanannya dinaikkan menjadi 34 atm. Kemudian masuk ke dalam reaktor, dan setelah itu gas panas bersuhu 600 oC diumpankan ke dalam reaktor melalui bagian bawah reaktor. Fasa uap dalam reaktor kemudian didinginkan dengan kondenser dan dimasukkan ke dalam absorber. Pelarut yang digunakan adalah air karena dapat mengikat furfural dengan baik. Udara keluar dari atas absorber, kemudian furfural dengan campuran air dimurnikan lebih lanjut. Residu dari reaktor yang berbentuk slurry kemudian dimasukkan ke dalam siklon agar steam dan lignosulfate nya terpisah.
9. MTC Process Proses ini menggunakan MTC (Multi Turbine Column) reaktor sebagai tempat terjadinya reaksi. Dimana umpan akan dimasukkan berlawanan arah dengan steam yang berfungsi sebagai pembawa furfural yang dihasilkan dari reaksi. Pemurnian pada MTC process dilakukan dengan cara ekstraksi memakai toluene dan distilasi hingga furfural yang dihasilkan sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Perbandingan antara bahan baku dan air menjadi hal yang penting, nilainya berkisar 1:10. Berdasarkan berbagai proses yang telah dijelaskan maka dipilih MTC process dengan modifikasi jenis reaktor sebagai pembuatan furfural
Anro Yedi Munthe Josephine N.Hulu
10/302119/TK/37298 10/301236/TK/36878
8
Prarancangan Pabrik Furfural dari Tongkol Jagung dengan Kapasitas 13.000 ton/tahun
dari tongkol jagung. Reaktor yang digunakan yaitu horizontal rotary reactor. Proses ini dipilih karena dapat memberikan hasil furfural yang lebih banyak, meminimalisasi hasil samping dan membutuhkan konsumsi energi yang lebih sedikit dibandingkan dengan proses yang lain.
Anro Yedi Munthe Josephine N.Hulu
10/302119/TK/37298 10/301236/TK/36878
9
