STUDI PRODUKSI BIODIESEL SECARA KONTINYU DENGAN REACTIVE DISTILLATION DAN ANALISIS TERMODINAMIKANYA

RATNA DEWI KUSUMANINGTYAS, S. T., M. T., Prof. Ir. Suryo Purwono, M. A. Sc., Ph. D.

2014 | Disertasi | S3 Teknik Kimia

Biodiesel sebagai sumber energi alternatif terbarukan yang prospektif dapat disintesis melalui transesterifikasi trigliserida maupun esterifikasi asam lemak bebas pada minyak nabati. Untuk meningkatkan efisiensi proses, pada penelitian ini dikembangkan proses produksi biodiesel secara kontinyu dengan Reactive Distillation (RD), yang mengintegrasikan reaktor dan pemisah dalam satu unit. Untuk mengetahui pengaruh parameter utama dan untuk dapat memahami RD dengan lebih baik, diperlukan studi secara eksperimental, pemodelan dan simulasi RD, serta analisis termodinamikanya Sintesis biodiesel secara eksperimental dilakukan melalui transesterifikasi trigliserida minyak sawit dan minyak jatropha dengan metanol menggunakan katalis NaOH pada kolom RD. Selanjutnya disusun model matematis RD dengan pendekatan Equilibrium (EQ) maupun Non Equilibrium (NEQ). Model EQ dikembangkan untuk pemodelan RD jenis kolom tray untuk produksi biodiesel melalui transesterifikasi trigliserida dan esterifikasi asam lemak bebas. Adapun pendekatan NEQ tiga fase dikembangkan untuk pemodelan RD jenis kolom bahan isian untuk sintesis biodiesel melalui esterifikasi asam lemak bebas berkatalis padat. Model EQ untuk RD jenis kolom tray diselesaikan dengan jalan simulasi RD menggunakan ASPEN, sedangkan model NEQ tiga fase untuk RD jenis bahan isian diselesaikan dengan jalan simulasi RD menggunakan MATLAB. Hasil simulasi RD berbasis model NEQ tiga fase digunakan sebagai input dalam analisis termodinamika (analisis eksergi) dengan metode grafis diagram Ex-N-A. Analisis eksergi dengan diagram Ex-N-A mendeskripsikan karakteristik eksergi secara inkremental pada kolom RD serta pada reboiler dan kondensor. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa konversi reaksi transesterifikasi dipengaruhi oleh konsentrasi katalis, rasio molar metanol terhadap minyak, dan suhu reaksi. Konversi meningkat dengan kenaikan konsentrasi katalis dan rasio molar reaktan, namun jika telah tercapai konversi optimum, maka penambahan lebih lanjut akan menurunkan konversi. Kenaikan suhu meningkatkan konversi reaksi, namun konversi menurun jika suhu dinaikkan hingga di atas titik didih campuran. Konversi terbaik untuk bahan baku minyak sawit didapatkan pada konsentrasi katalis 1% b/b minyak, rasio molar metanol – minyak 8:1, dan suhu 65 ºC, dengan konversi 94,61% dan kemurnian ester 99,1730 wt%. Untuk bahan baku minyak jatropha, dicapai konversi terbaik sebesar 94,83% dengan kadar ester 99,27% pada proses yang dijalankan pada suhu reaksi 65 ºC, konsentrasi katalis 0,75% b/b minyak, dan rasio molar metanol – minyak 10:1. Konversi terbaik untuk bahan baku minyak sawit maupun jatropha tersebut dicapai dengan waktu tinggal yang singkat, yaitu 6,34 menit. Waktu tinggal ini jauh lebih singkat dibandingkan dengan waktu tinggal pada proses batch, yang umumnya memerlukan waktu reaksi 1 jam agar dicapai konversi yang setara. Produk biodiesel memiliki karakteristik yang memenuhi standar SNI maupun ASTM. Hasil simulasi trayed RD column berbasis EQ model untuk produksi biodiesel melalui transesterifikasi trigliserida menunjukkan bahwa konversi dapat ditingkatkan dengan jalan menaikkan rasio refluks, menurunkan aliran distilat (D), dan menaikkan posisi stage umpan. Adapun simulasi trayed RD dengan model EQ untuk produksi biodiesel melalui esterifikasi asam lemak bebas dengan basic column RD menunjukkan bahwa konversi dapat ditingkatkan dengan jalan menurunkan rasio refluks (RR) dan dengan menaikkan posisi stage umpan (menghilangkan seksi rectifying). Konfigurasi basic column RD memberikan konversi sebesar 73% sehingga perlu dilakukan modifikasi konfigurasi untuk tujuan intensifikasi proses. Dari beberapa konfigurasi yang dievaluasi pada penelitian ini, RD dengan top recycle menunjukkan hasil terbaik dari sisi kinerja kolom maupun termodinamis. Konfigurasi ini memberikan konversi 90% dan bebas panas 287,3 kkal/ mol metil ester. Pada RD dengan top recycle, terlihat bahwa kenaikan RR akan meningkatkan konversi maupun beban panas. Adapun posisi stage umpan terbaik adalah pada N=7 atau 8. Simulasi packed RD column berbasis model NEQ tiga fase yang diintegrasikan dengan analisis eksergi menggunakan menunjukkan bahwa dengan menggunakan diagram Ex-N-A dapat diketahui korelasi grafis antara profil suhu pada kolom RD dengan perbedaan level energi gas dan cairan (Agas-Aliq) serta nilai exergy loss (EXL). Dengan diagram ini akan diketahui pula lokasi zona close-to-equilibrium point (CEP) dan zona non-equilibrium (NEQ) di dalam kolom RD yang memberikan petunjuk mengenai lokasi dan penyebab inefisiensi proses. Hasil evaluasi terhadap pengaruh parameter menunjukkan bahwa kenaikan rasio molar akan meningkatkan konversi reaksi dan menurunkan nilai EXL, sedangkan kenaikan tinggi kolom (N) akan meningkatkan konversi maupun EXL. Kenaikan rasio molar dari 2:1 menjadi 6:1 pada tinggi kolom 3 meter (N = 3) dan diameter 0,5 m dapat meningkatkan konversi reaksi dari 30,76% menjadi 66,41%, memperluas zona CEP dalam kolom, mengurangi area NEQ, dan menurunkan nilai exergy loss (EXL). Kenaikan tinggi kolom (N) dari 3 menjadi 6 meter pada molar rasio reaktan 2:1 dan diameter kolom 0,5 meter akan meningkatkan konversi reaksi dari 30,76% menjadi 58,52%, memperluas zona CEP tanpa mengurangi area zona NEQ, serta meningkatkan nilai EXL pada tiap inkremen. Terlihat bahwa penggunaan rasio molar yang tinggi akan menguntungkan dari sisi kinerja kolom maupun secara termodunamika. Melalui analisis RD secara eksperimental, simulasi, maupun analisis termodinamika dengan diagram Ex-N-A, dapat diperoleh pemahaman tentang RD dengan lebih baik dan dapat diungkap profil EXL dengan terperinci secara inkremental. Informasi ini sangat powerful untuk perancangan proses RD untuk produksi biodiesel yang efisien, memberikan kinerja yang baik, dan hemat energi.

Biodiesel as an alternative energy source can be synthesized via transesterification of triglyceride or free fatty acid (FFA) esterification of vegetable oils. To improve process efficiency, development of a continuous process for biodiesel production using Reactive Distillation (RD) was conducted in this work. RD integrates chemical reaction and separation in a single unit. To understand the effects of main parameters and to have a best knowledge on RD behavior, it is necessary to conduct an experimental work as well as modeling, simulation, and thermodynamic study on RD column for biodiesel production. The experimental part of this work included the production of biodiesel using RD via transesterification of palm and jatropha oils with methanol in the presence of NaOH catalyst. Modeling of RD column was developed based on Equilibrium (EQ) and Non Equilibrium (NEQ) approach. EQ model was developed for the simulation of tray RD column for the biodiesel synthesis via transesterification of triglyceride and esterification FFA. Simulation of tray RD column was performed utilizing ASPEN. On the other hand, modeling of packed RD column was developed based on NEQ with three phases approaches and applied for the biodiesel synthesis via FFA esterification. The simulation of packed RD column using three phases NEQ model was employed to execute the simulation using self-developed MATLAB program. The result of the MATLAB programing based on NEQ with three phases approach was afterward introduced for the exergy analysis. The exergy analysis was conducted using a novel graphical method entitled Ex-N-A to disclose the exergy characteristic of the RD column incrementally. The experimental investigation demonstrated the effects of the temperature, catalyst loading, and reactants molar ratio. Increasing the catalyst loading and reactant molar ratio led to the enhancement of the reaction conversion. However, once the optimum conversion was achieved, increasing catalyst amount and reactants molar ratio tended to decrease the conversion. The increase in temperature resulted in the higher reaction conversion. However, conversion decreased when the temperature enhanced beyond the boiling point of the mixture. The best result of biodiesel synthesis using palm oil feedstock was obtained at the reaction temperature of 65 ºC with molar ratio of methanol to triglycerides of 8:1 and catalyst loading of 1% w/w oil. Reaction conversion and ester content were 94.61% and 99.17%, respectively. For jatropha oil feedstock, the best conversion was achieved at the reaction temperature of 65 ºC with reactants molar ratio of 10:1 and catalyst loading of 0.75% w/w oil. Reaction conversion and ester content were 94.83% and 99.27%, respectively. The best achievement for palm and jatropha oils feedstocks were obtained within a very short time of 6.34 minutes. This reaction time is much shorter than the reaction time of batch process which usually requires one hour to obtain an identical reaction conversion. Biodiesel characteristic met the Indonesian National Standard and ASTM specification. Simulation of trayed RD column for triglyceride transesterification was conducted using ASPEN based on EQ model. It was shown that conversion could be improved by increasing reflux ratio (RR), decreasing distillate flowrate (D), and locating the feed stage at the upper part of the column. Simulation of trayed RD column for biodiesel production via FFA esterification was also performed using ASPEN based on EQ model. It was exhibited that, for the basic RD, conversion could be enhanced by lowering RR and placing the feed stage at the upper part of the column (completely removing the rectifying section). The basic RD column resulted in reaction conversion of 73%. It was then necessary to modify the column for the process intensification purpose. Among several configurations evaluated in this work, RD column with top recycle revealed the best performance based on the reaction conversion as well as thermodynamic point of view. This configuration resulted in reaction conversion of 90% and heat requirement of 287.3 kcal/mole methyl ester. For the configuration of RD with top recycle, it was found that the reaction conversion and heat requirement increased with the RR. On the hand, the best feed stage location was N=7 or 8. Simulation of packed RD column based on NEQ with three phases model which was integrated with the exergy analysis for biodiesel production has demonstrated that the Ex-N-A diagram can disclose the correlation of column temperature profile, energy level difference (Agas-Aliq), and exergy loss (EXL). This diagram was also benecifial for exhibing the location of close to equilibrium (CEP) and non equilibrium (NEQ) zones in the RD column, indicating the location and causes of process inefficiency. Evaluation on the main process parameter revealed that the increase in molar ratio of methanol to FFA led to the higher reaction conversion and lower EXL. On the other hand, the increase in the column height (N) led to the higher both reaction conversion and EXL. It was indicated that raising reactants molar ratio from 2:1 to 6:1 at the column height (N) of 3 meter and column diameter (d) of 0.5 meter would enhance the conversion from 30.76% to 66.41%, broaden the CEP zone inside the column, narrow the NEQ zone, and decrease the EXL. Improving N from 3 to 6 meter at reactants molar ratio of 2:1 and d of 0.5 meter improved the conversion from 30.76% to 58.52%, enlarged the CEP zone without narrowing the NEQ zone, and increased the EXL. It can be concluded that application of high molar ratio is beneficial both from the column performance and thermodynamic point of view. Based on the RD assasment utilizing experimental, simulation, and thermodynamic analysis, the best knowledge and insight of RD can be obtained. Particularly, utilization of Ex-N-A diagram for exergy analysis in this work can disclose exergy profile in the column in details. It was evident that the Ex-N-A diagram was powerful to disclose the EXL profile incrementally in the RD column and exhibited the location and quantity of the inefficiency. This information is important for designing and retrofitting an RD column towards a themodynamically efficient RD column.

Kata Kunci : Biodiesel, Reactive Distillation, Eksergi, Diagram Ex-N-A