Proses Perengkahan Katalitik Minyak Nyamplung (Calophyllum Inophyllum) menjadi Fraksi Bahan Bakar

HENY DEWAJANI, Prof. Ir. Arief Budiman, M.S., D. Eng.; Prof. Ir. Rochmadi, S.U., Ph. D.; Prof. Ir. Suryo Purwono, M.A.Sc., Ph. D

2017 | Disertasi | S3 ILMU TEKNIK KIMIA

Minyak nyamplung mentah (Calophyllum inophyllum) merupakan bahan baku biofuel yang potensial untuk dikembangkan karena karakteristik dan ketersediaannya. Minyak nyamplung mentah tersusun dari asam lemak yang sebagian besar dalam bentuk asam oleat (C18:1), asam palmitat (C16:0) dan asam stearat (C18:0). Dengan komposisi asam lemak yang terdiri dari atom karbon rantai panjang maka perengkahan berkatalis merupakan salah satu cara konversi minyak nyamplung mentah menjadi fraksi bahan bakar. Hal ini didasarkan kepada sifat minyak nyamplung mentah yang mengandung gum dan asam lemak bebas (free fatty acid) cukup tinggi (29 %). Keberadaan asam lemak bebas ini akan mengganggu proses pembuatan biodiesel sehingga memerlukan pengolahan awal dengan proses esterifikasi. Proses perengkahan minyak nyamplung dilakukan secara kontinyu dalam reaktor alir berisi katalis ZSM-5. Rangkaian alat perengkahan dilengkapi preheater untuk menguapkan minyak nyamplung mentah sebelum masuk reaktor. Pada penelitian ini digunakan 2 tahap preheater, dimana pada Preheater 1 minyak dipanaskan pada suhu 250 °C dan pada Preheater 2 pada suhu 350 °C. Preheater 1 dilengkapi dengan penampung sehingga komponen berat (gum) akan terpisahkan. Proses pemanasan awal menyebabkan minyak nyamplung mengalami perengkahan termal sebelum masuk reaktor dimana terjadi perengkahan katalitik. Proses perengkahan dilakukan dengan variasi suhu reaktor (350 sampai 500 °C) dan ketinggian katalis pada reaktor (antara 2 sampai 5 cm). Hasil proses perengkahan minyak nyamplung berupa fraksi cair (organic liquid product, OLP), gas dan padatan (coke) yang menempel pada permukaan katalis. Selanjutnya hasil perengkahan fraksi cair dan gas dianalisis menggunakan GC dan GCMS untuk mengetahui komposisi komponen penyusunnya. Dari hasil analisis diketahui komponen gas hasil perengkahan terdiri dari CO, CO2, CH4 dan H2. Cairan organik terdiri dari senyawa hidrokarbon dengan jumlah atom karbon antara 4 -18 dalam bentuk parafin, olefin dan aromatis, dengan prosentase tertinggi (68%) senyawa aromatis benzene, toluene, xylene. Untuk mendapatkan hasil perengkahan dalam bentuk senyawa parafin dilakukan modifikasi katalis menggunakan logam nikel (mulai 2 sampai 7%berat) yang diimpregnasikan ke dalam katalis ZSM-5 menggunakan metode wet impregnation. Prosentase senyawa aromatis hasil cair perengkahan dengan modifikasi katalis Ni/ZSM-5 mengalami penurunan dari 68 menjadi 10% dan sebagian besar berubah menjadi senyawa hidrokarbon dalam bentuk parafin dan olefin. Kinetika perengkahan katalitik minyak nyamplung disusun dengan 3 model yaitu: (1). Model Kelompok (lump model), (2). Model perengkahan 1, 2, 3 dan 4 atom karbon dengan nilai konstanta laju reaksi k1, k2, k3 dan k4; (3). Model perengkahan 1, 2, 3 dan 4 atom karbon dengan nilai konstanta laju reaksi dihitung detail untuk tiap reaksi perengkahan. Dari hasil perhitungan nilai SSE, Model 3 memberikan hasil yang paling baik dengan nilai SSE minimum. Nilai konstanta laju reaksi dengan katalis ZSM-5 dengan model 3 berkisar antara 6.10-16 - 9,1.10-3 cm3/det/g.katalis dengan energi aktivasi antara 80 sampai 300 kJ/mol. Hasil analisis termodinamika menggunakan konsep eksergi menunjukkan exergy loss tertinggi pada Kondenser dan Preheater 1 dimana terjadi perubahan suhu dan perubahan fase. Dari hasil simulasi dengan variasi suhu dan panjang reaktor diperoleh yield tertinggi (94,6%) diperoleh pada panjang reaktor 150 cm dan suhu 400 °C. Dari simulasi konfigurasi yang memanfaatkan exergy loss dari kondenser sebagai media pada Preheater 2 bisa menurunkan exergy loss dari 44.962 menjadi 33.722 kJ/jam.

Crude nyamplung oil (Calophyllum inophyllum) is a potential biofuel feedstock to be developed because of its characteristics and availability. Nyamplung Crude oil is composed of fatty acids which are mostly in the form of oleic acid (C18 : 1), palmitic acid (C16 : 0) and stearic acid (C18 : 0). With the composition of fatty acids which consist of long chains of carbon atoms then catalytic cracking is one way of converting crude nyamplung oil into biofuel fractions. This is based on the characteristics of crude nyamplung oil containing gum and free fatty acids (free fatty acid) is quite high (29%). The existence of free fatty acids will interfere the process of making biodiesel so it requires esterification process for pre treatment The cracking process of nyamplung oil is carried out continuously in a fixed bed reactor containing catalyst ZSM-5. The series of cracking equipment completed with preheater to vaporize nyamplung crude oil before entering the reactor. In this study is used the two stage preheater, in preheater 1 the oil was heated to temperature of 250 °C and the preheater 2 at 350 °C. Preheater 1 is equipped with a container so that the heavy components (gum) will be separated. Preheating process causes the nyamplung oil thermally cracked before catalytic cracking process in reactor. Cracking process was done by varying the reactor temperature (from 350 up to 500 °C) and the height of the catalyst in the reactor (from 2 up to 5 cm). The result of nyamplung oil cracking in the form of liquid fractions (organic liquid product, OLP), gases and solids (coke) which attached to the surface of the catalyst. The organic liquid and gas product were analyzed by GC and GCMS to determine the composition of its components. From the analysis results gas component consists of CO, CO2, CH4 and H2 and the organic liquid composed of hydrocarbons with the number of carbon atoms between 4 -18 in the form of paraffins, olefins and aromatics. The highest percentage of organic liquid product is aromatic compound (68%) which consist of benzene, toluene, xylene. To increase the yield of paraffin and olefin compounds, it is required a modification of catalyst by impregnated nickel metal (from 2 up to 7 wt%) into the catalyst ZSM-5 using wet impregnation method. The percentage of aromatic compounds with a modification of catalyst decreased from 68 to 10% and is largely converted into hydrocarbon compounds in the form of paraffins and olefins. The kinetics model of catalytic cracking nyamplung proposed with 3 models: (1). Model Group (lump model), (2). Model cracking 1, 2, 3 and 4 carbon atoms with the value of the reaction rate constants k1, k2, k3 and k4; (3). Model cracking 1, 2, 3 and 4 carbon atoms with a value of reaction rate constants calculated for each detail cracking reactions. From the calculation of the value of SSE, Model 3 gives the best results with minimum SSE value. Values reaction rate constant with the catalyst ZSM-5 with three models ranging between 6.10-16 - 9,1.10-3 cm3/sec/g.catalyst with the activation energy of 80 up to 300 kJ / mol. The results of thermodynamic analysis using the concept of exergy loss, shows that the highest exergy loss comes from condenser and preheater 1 where occured the temperature changes and phase changes. From the simulation results with variations in temperature and the length of the reactor is obtained the highest yield (94.6%) of C5-C11 fraction at the reactor length of 150 cm and a temperature of 400 °C. From the simulation configurations that utilize exergy loss of condenser as media preheater 2 can decrease the exergy loss of 44.962 into 33.722 kJ / hr.

Kata Kunci : minyak nyamplung, perengkahan katalitik, katalis ZSM-5, eksergi / nyamplung oil, catalytic cracking, ZSM-5 catalysts, exergy