1. dxdt = k
1
[TG] [M]
28
o
C y = -0,0136x
R
2
= 0,9395
60
o
C y = -0,0251x
R
2
= 0,9313 45
o
C y = -0,0182x
R
2
= 0,9598 70
o
C y = -0,0287x
R
2
= 0,9185 -0,8000
-0,7000 -0,6000
-0,5000 -0,4000
-0,3000 -0,2000
-0,1000 0,0000
5 10
15 20
25 30
35
Waktu menit 13[T]o-[Mo] ln
[M]o[T][[M][To]
2. dxdt = k
1
[TG]
2
[M]
70
o
C y = 0,083x
R
2
= 0,9164 45
o
C y = 0,049x
R
2
= 0,8562 28
o
C y = 0,0309x
R
2
= 0,8615
60
o
C y = 0,0805x
R
2
= 0,9049 -3,00
-2,50 -2,00
-1,50 -1,00
-0,50 0,00
5 10
15 20
25 30
35
Waktu menit 1Mo-To1T-1To
+1To-Mo 2lnMoTToM
3. dxdt = k
1
[TG] [M]
2
60
o
C y = -0,0909x
R
2
= 0,9044 45
o
C y = -0,0545x
R
2
= 0,8687 70
o
C y = -0,0881x
R
2
= 0,9216 28
o
C y = -0,035x
R
2
= 0,8718
-3,00 -2,50
-2,00 -1,50
-1,00 -0,50
0,00 5
10 15
20 25
30 35
Waktu menit 1To-Mo1M-
1Mo + 1Mo-To 2lnToMMoT
nT =1 dan nM=1 nT =2 dan nM=1
nT =1 dan nM=2 Suhu
o
C k
1
liter mol
menit R
2
k
1
liter mol menit
R
2
k
1
liter mol menit R
2
28 0,0136 0,9395
0,0309 0,8615
0,0350 0,8718 45
0,0182 0,9598 0,0490
0,8562 0,0545 0,8687
60 0,0251 0,9313
0,0805 0,9049
0,0909 0,9044 70
0,0287 0,9185 0,0830
0,9164 0,0881 0,9116
Berdasarkan gambar dan tabel tersebut nilai k dan
R
2
yang paling konsisten diperoleh pada ordo dua. Tetapan laju reaksi transesterifikasi pada suhu
341 K, 333K, 318 K dan 301 K masing-masing berturut-turut adalah 0,0287 liter
mol menit, 0,0251 liter mol menit, 0,0182 liter mol menit
dan 0,0136 liter mol menit. Cheng et al. 2004 mengukur tetapan laju reaksi
transesterifikasi pada minyak sawit dengan nisbah molar metanol terhadap minyak 6:1. suhu 60
o
C, kecepatan pengadukan 350 rpm dan katalis NaOH 0.125 molkg dengan menggunakan ordo dua diperoleh nilai k sebesar 0.097 liter mol menit.
Model Kinetika Transesterifikasi Berdasarkan Persamaan arhenius
k
1
= A exp
–EaRT.
Ea ln k
1
= ln A – RT
EA R -ln k
1
= – C T
Y = a x – C dengan gradien a = –EaR dan x = 1T.
k
1
: tetapan laju reaksi Ea
: energi aktivasi R
: tetapan gas= 1,987 cal g mol K T :
suhu mutlak
A : tetapan proporsionalitas yang besarnya tergantung dari frekuensi
tumbukan dan orientasi molekol selama tumbukan Berdasarkan persamaan di atas maka energi aktivasi suatu reaksi kimia adalah
slope kemiringan dari grafik linier antara -lnk
1
dengan 1T. Penentuan energi aktivasi proses transesterifikasi antara minyak sawit dan metanol dengan katalis
NaOH menggunakan grafik linier hubungan antara ln k
1
dengan 1T dilakukan oleh Noureddini dan Zhu 1997, Darnoko dan Cheryan, 2000 dan Cheng et al. 2004.
Grafik hubungan antara -ln k
1
dengan 1T proses transesterifikasi pada suhu 303 K, 318 K dan 333 K sebagai berikut:
y = 1879,8x - 1,9355 R
2
= 0,9949
0,000 0,500
1,000 1,500
2,000 2,500
3,000 3,500
4,000 4,500
5,000
0,0028 0,0029
0,0030 0,0031
0,0032 0,0033
0,0034
Waktu menit -l
n k
Hubungan antara –ln k
1
dengan 1T pada proses transesterifikasi minyak biji nyamplung
Berdasarkan gambar tersebut diperoleh persamaan y =1879,8x – 1,9355 dengan R
2
= 0,9949 dengan demikian diperoleh ln A = 3,473 dan nilai EaR adalah 1879,8 maka:
Ea =
3735,2
cal mol K =
3,752
k cal mol K A =
6,9
liter mol menit Sehingga persamaan tetapan laju reaksi k dan laju reaksi r transesterifikasi
minyak nyamplung adalah : -ln k
1
= EaR 1T - ln A k
1
= A exp
EaRT
k
1
=
6,9
exp
-EaRT
k
1
=
6,9
exp
-1879 ,8 T
, Dengan model tersebut dapat ditentukan nilai k
1
pada berbagai suhu dalam kisaran suhu percobaan 301 K- 343 K misalnya apabila digunakan suhu 325 K maka
diperoleh nilai k
1
sebesar 0,0213 liter mol menit. `
Lampiran 15 Perhitungan waktu tinggal proses transesterifikasi -1 1 1
t = 1 k
1
ln ln 3 [TG]o -1 [M]o [TG]o - x [M]o - 3x
A B
k
1
= 0.0251
Mo =
4.7429 [TG]o
= 0.7905
[TG] =
0.100 M
= 2.099
ME =
2.659 A
= 0.42168527
B = 1.252205448
kt = 0.528036592
t =
21.03731 menit
Lampiran 16 Hasil pengujian karakteristik biodiesel dari minyak biji nyamplung di Lemigas Jakarta dan Laboratorium Pengujian
VEDCA
Lampiran 17 Data dasar untuk perancangan proses
A. Data produk berdasarkan model kinetika esterifikasi
Model tetapan laju reaksi yang diperoleh tahapan penelitian esterifikasi = k = A exp
-EaRT
-k = 537,4 Ekp
2618T
atau -ln k = EaR 1T - ln A
= 2618T -6,286 Berdasarkan model, maka dapat ditentukan nilai k pada berbagai rentang suhu percoaan
misalnya :
T = 333
K T
= 318 K
2618T = 7,862 2618T
= 8,233 -lnk
= 1,58 -lnk
= 1,95 ln k
= -1,58 ln k
= -1,95 k
= 0,207 lmol K k
= 0,143 lmol K Jika menggunakan suhu 333 K maka diperoleh nilai k = 0,207 liter mol K sedangkan
apabila digunakan suhu 318 K maka diperoleh nilai k = 0,143 lmol K Nilai k dimasukkan pada persamaan kinetika reaksi ordo dua untuk memperoleh
konsentrasi produk Kadar ALB akhir esterifikasi kt = 1 [ALB]t - 1ALB]o
1 [ALB]t = kt+ 1ALB]o [ALB]t = 1 kt+ 1ALB]o
T = 333 K
T =
318 t =
25,0 menit t
= 25,0
menit k = 0,2093 lmol-menit
k = 0,1427
lmol-menit [ALB]o =
0,890 mol [ALB]o
= 0,890
mol =
26,76 =
0,89 [ALB]t = 0,1573 mol
[ALB]t =
0,2131 mol
= 4,46
= 6,41
Apabila menggunakan suhu esterifikasi 333 K maka akan diperolah konsentrasi ALB akhir esterifikasi 4,73 data ini dimasukkan dalam pembuatan diagram alir kuantittatif maupun
simulasi proses dengan HYSYS.
B. Data produk berdasarkan model kinetika tranesterifikasi
k = A exp
-EaRT
-k = 6,9 exp
-1879T
atau -ln k = EaR 1T - ln A
= 1879T - 1,9355
T = 333 K
T = 318 K
1947,9T = -1879,8
1947,9T =
-1879,8 -lnk = -5,64505
-lnk = -5,91132
ln k = 6,9
ln k =
6,927507 k =
0,0245 liter mol menit
-1
k = 0,0188 liter mol menit
-1
Jika menggunakan suhu 333 K maka diperoleh nilai k =
0,0245
liter mol menit
-1
sedangkan apabila digunakan suhu 318 K maka diperoleh nilai k =
0,0188
menit
-1
Dari tahapan penelitian kinetika juga telah diperoleh data bahwa ordo reaksi dua maka konsentrasi trigliserida setelah transesterifikasi dapat dihitung dengan rumus berikut:
-1 [TG] [M]o k
1
t = 1k ln 3 [TG]o -1[M]o [TG]o [M]
[TG = [TG]o –x, [M] = [M]o – 3 x dan x adalah konversi molliter
Suhu 333 K
k 0,0245 liter molmenit
Mo 4,7429 liter
mol TGo 0,7905
liter mol TG ?
liter mol
Diperoleh TG = 0,0948 mol liter x = 0,6957 molliter setara dengan pembentukan kadar metil ester 2,087 molliter. Karena kadar metil ester awal sebesar 0,75 molliter maka
kadar metil ester akhir transesterifikasi sebesar 2,838 molliter 96. Data ini dimasukkan dalam pembuatan diagram alir maupun simulasi proses dengan HYSYS.
C. Ringkasan data yang digunakan untuk perancangan No
Data Sumber Data
1 Pengeringan biji 50-60
o
C, 1 atm selama 8 jam Penelitian pendahuluan
2 Pengepresan suhu 60
o
C, tekanan 20 ton diulang dua kali Penelitian pendahuluan
3 Kondisi proses degumming:
Penelitian pendahuluan • Suhu 80
o
C, waktu 15 menit, asam fosfat 20 sebanyak 0,3 vb, pencucian.
• Suhu pencucian air hangat 60
o
C • Pengeringan vakum 80
o
C tekanan 15 cm Hg 0,21 atm • Neraca massa dan Kebutuhan energi
Perhitungan 4
Esterifikasi 1: • Nisbah molar metanol terhadap ALB 22,2: 1,
Konsentrasi HCl 6 dari berat ALB Optimasi proses
• 60
o
C, 300 rpm, 1 atm • Waktu 25,2 menit
Kinetika reaksi • Kadar ALB akhir esterifikasi
Kinetika reaksi • Metanol recovery
Penelitian Pendahuluan • Neraca massa dan Kebutuhan energi
Perhitungan 5
Esterifikasi 2: Optimasi proses
• Nisbah molar metanol terhadap ALB 40: 1, Konsentrasi HCl 10 dari berat ALB
• 60
o
C, 300 rpm, 1 atm • Kadar ALB akhir esterifikasi
• Metanol recovery Penelitian Pendahuluan
• Neraca massa dan Kebutuhan energi Perhitungan
6 Transesterifikasi
• Nisbah molar metanol terhadap minyak sebagai triolein 6,3: 1, Konsentrasi NaOH1
• 60
o
C, 400 rpm, 1 atm Optimasi proses
• Waktu 15,2 menit Kinetika reaksi
• Kadar metil ester akhir transesterifikasi Kinetika reaksi
• Metanol recovery Penelitian Pendahuluan
• Neraca massa dan Kebutuhan energi Perhitungan
Lampiran 18. Neraca massa proses produksi biodiesel
18.1 Yield masing-masing tahapan proses No
Tahapan Proses Pemisahan dan pemurnian
Volume Produk 1.
Pengepresan Dengan alat kempa
hidrolik kekuatan 20 ton
5000 gram biji menghasilkan 2375 gram kernel basah atau
1781 gram kernel kering atau 876 gram minyak
Dihasilkan minyak kasar 876 gram. Yield =
17,52 .
2. Proses
Deguming: Minyak 500 gram
Pereaksi : asam fosfat konsentrasi 20
sebanyak 3,5 vb 17,5 ml
Pencucian dengan air hangat suhu 60
o
C dan pengeringan vakum
Air 1752 gram Dihasilkan minyak
degumming 480 gram Yield = 480500100
= 96
3. Proses esterifikasi 1
Minyak 500 gram kadar ALB =26,76
Nisbah molar metanol terhadap ALB 20:1
Metanol =303,7 gram, HCl : 8,3 gram
Dekantasi dan pengeringan vakum
Metanol bereaksi = 32 x 26,76 x 500 282 = 15,18
gram Metanol sisa = 20-1 x 32 x
26,76 x 500 282 = 288,5 gram
Hasil distilasi metanol 279,5 gram
Metanol hilang = 288,5 – 279,5 gram = 9 gram
Dihasilkan minyak 489 gram 97,8 dengan
kadar ALB 4,46 dan metil ester 22,3
Yield = 26,76- 22,326,76 100
=83,3 Recovery metanol =
90 dari metanol awal atau 95 dari metanol
sisa
4. Proses esterifikasi 2
Minyak 500 gram kadar ALB = 4,46
Metanol 104,4 gram, HCl : 18,4 gram
Dekantasi dan pengeringan vakum
Metanol bereaksi = 32 x 4,46 x 500 282 = 2,53 gram
Metanol sisa = 40-1 x 32 x 4,46 x 500 282 = 101,8
gram Hasil distilasi metanol = 96
gram Metanol hilang = 101,8 – 96
gram = 5,8 gram Dihasilkan minyak 489
gram 97,8 dengan kadar ALB 2,32 dan
metil ester 24,4 . Yield = 4,46-
2,32100 = 47,9 Recovery metanol =
94 dari metanol awal atau 97 dari metanol
sisa.
5. Proses
transesterifikasi Minyak 500 gram
kadar ALB = 2,32 Kadar Metil oleat
24,4 Kadar trigliserida
sebagai triolein 73,43 Metanol 79,61 gram,
NaOH: 3,7 gram Dekantasi dan pengeringan
vakum Metanol bereaksi = 3x 32 x
0,7343500 885,46 = 39,85 gram
Metanol sisa = 6-3 x 32 x x 500 282 = 39,85 gram
Hasil distilasi metanol = 35,9 gram
Metanol hilang = 39,85 – 35,9 gram = 3,95 gram
Dihasilkan biodiesel 441 gram 84,8
dengan kadar metil ester 96
Yield = 441500100=88,3
Recovery metanol = 47 dari metanol awal
atau 94 dari metanol sisa.
18.2.Neraca massa proses ekstraksi minyak secara mekanis Tahapan Proses
Input g Output g
Pengupasan
Biji nyamplung
1000
Kulit
525
Kernel basah
475
Pengeringan
Kernel basah
475
Air
114,7
Kernel kering
360,3
Pengepresan
Kernel kering
360,3
Ampas 173,8
Endapan palmitin stearin 11,2
Minyak Nyamplung
175,2
18.3.Neraca massa proses produksi biodiesel dari minyak nyamplung kasar Tahapan Proses
Input g Output g
Degumming Minyak Nyamplung
1.000,0 Asam fosfat
7,1 Air Hangat 60 oC
2.000,0 Minyak Nyamplung bersih
981,7 Air kotor
2.025,3
Pengeringan
Minyak Nyamplung bersih 981,7
Air 21,7
Minyak nyamplung kering 960,0
Esterifikasi 1 Gliserida Fraksi minyak selain ALB dan ME 703,1
Asam lemak bebas asam oleat 256,9
HCl 15,4
Metanol 583,0
Metil oleat 210,9
Asam oleat sisa 42,2
Air 526,9
Metanol sisa 100,5
Kotoran katalis, pewarna, air dll 692,6
Gliserida 210,9
Tahapan Proses Input g
Output g Esterifikasi 2
Gliserida 693
Asam lemak bebas asam oleat 42
HCl 211
Metanol 4
Metil oleat 191
Asam oleat sisa 231
Air 22
Metanol sisa 180
Kotoran katalis, pewarna, air dll 17
Gliserida hasil 691
Transesterifikasi
Metil oleat
231
Asam oleat sisa
22
Gliserida hasil
691 NaOH
7 Metanol
150 Gliserol
113 Metanol resirkulasi
71 Biodiesel kotor
896 Kotoran sabun, sisa katalis
19
Pencucian Biodiesel kotor
896,4 Air suhu 60 oC
1.792,9 Asan asetat
0,033 Air kotor
1.838,6 Biodiesel bersih
850,5
Pengeringan
0,00 0,00
Biodiesel bersih basah 850,5
Air - 16,0
Biodiesel - 834,5
Lampiran 19 Perhitungan energi proses produksi biodiesel
19.1 Pengeringan biji
Kadar air awal =
28 Kadar akhir
= 6
Umpan = 475
g Produk =
360 g
T.umpan masuk =
30
o
C T. udara pengering
= 60
o
C Suhu operasi
= 60
o
C Data udara :
Cp =
0,237 Kcalkg
o
C Densitas
= 1,1493
kgm3 Data Uap air 60
o
C =
Enthalphi =
575,42 Kcalkg
Densitas uap 60
o
C = 0,0511
kgm3 Uap
air = 0,1147
Kg Jumlah Panas yang dibutuhkan
Q = LamdaMair 79,21
Kcal 331.412,3
J
19.2 Proses Degumming
Asumsi :
• Suhu air, minyak nyamplung awal 30
o
C • Degumming dilakukan pada suhu 80
o
C Minyak hasil degumming
Minyak nyamplung 1 = Pemanasan
pengaduan
80
o
C, 15 menit, 1 atm
Air
2 = Pencucian
60
o
C, 1 atm
Asam fosfat larutan asam fosfat sebanyak
0,3 vw
Gum, air dan fosfat
i Minyak kasar
Minyak degumming kotor
E
3
E
4
E
5
3 = Pengeringan
80
o
C, 16 cm Hg
• Tekanan proses degumming, pencucian 1 atm dan pengeringan 0,21 atm 16 cm Hg
• Panas reaksi total Q ditentukan dengan menggunakan hukum Hess Perhitungan energi dilakukan dengan menggunakan persamaan=
panas masuk + Q panas = panas keluar + panas reaksi
Q panas = panas keluar − panas masuk + panas reaksi
= ΔH
out
+ ΔH
in
+ ΔH
reaksi
Proses degumming ΔH
reaksi
antara fosfat dengan gum sangat kecil sehingga diabaikan. Energi digunakan untuk menaikan suhu minyak pada proses
pemanasan, menaikan suhu air pada proses pencucian dan penguapan air pada proses pengeringan.
Q panas =
ΔH
out
− ΔH
in =
Δt = T−T
ref
, T
ref
= 25
o
C
n n
∑ m
o
C
Po
Δt
o
− ∑ m
i
C
Pi
Δt
i
1 1
30
o
C 80
o
C
25
o
C
30
o
C 60
o
C 25
o
C
30
o
C 80
o
C
25
o
C
Pemanasan dan pengaduan
Pengeringan Pencucian
Pemanasan dan pengadukan
Pemanasan minyak Panas masuk heater
Massa g Cp Jg
o
C ΔT
o
C ΔH J
Komponen Minyak nyamplung
1000 3,45
5 17.250,0
Asam fosfat 7,1
1,522 5
53,7 Total 17.303,7
Panas keluar heater Minyak nyamplung
1.000,0 3,45
55 189.750,0
Asam fosfat 7,1
1,522 55
590,9 Total 190.340,9
Kebutuhan Panas Q
173.037,2 Pencucian
Panas masuk heater Komponen
Air 2.499,4
4,1856 5
52.307,4 Panas keluar heater
Air 2.499,4
4,1856 30
313.844,7 Kebutuhan panas Q
261.537,2 Pengeringan
Panas masuk heater Komponen
Air 21,7 4,1856
5 453,9
Minyak nyamplung 960,0
3,45 5
16.560,0 Panas keluar heater
Air 21,7 4,1856
50 4.539,2
Minyak nyamplung 960,0
3,45 50
151.073,8 Total 155.613,0
Kebutuhan panas Q
137.979,6
Kebutuhan panas Q degumming 572.554,0
2. Proses Esterifikasi
Reaktor esterifikasi
Asam oleat, triolein,
Metanol + HCl ME, triolein dan sisa asam
lemak bebas
Metanol, air, komponen terlarut
Asumsi : • Reaksi berlangsung pada suhu 60
o
C • Tekanan 1 atm
• Panas reaksi total Q ditentukan dengan menggunakan hukum Hess Perhitungan energi dilakukan dengan menggunakan persamaan=
panas masuk + Q panas = panas keluar + panas reaksi Q panas = panas keluar + panas reaksi
− panas masuk =
ΔH
out
−ΔH
in
+ ΔH
reaksi`
Δt = T-T
ref
, T
ref
= 25
o
C Panas digunakan untuk menaikan suhu dan untuk reaksi.
2.1. Esterifikasi 1
Umpan masuk: Gliserida 0,79
mol 703,1
g ALB sebagai asam oleat
0,91 mol
256,9 g
Metanol 18,22 mol
583,0 g
HCl 0,41 mol
15,4 g
Produk keluar ALB sebagai asam oleat
0,16 mol
42,2 g
Metanol 16,47 mol
526,9 g
Air dan kotoran lain 5,58
mol 100,5
g Metil ester sebagai metil oleat
0,71 mol
210,9 g
Gliserida 0,78 mol
692,6 g
Menaikkan suhu reaktan
Komponen Massa
g Cp Jg
o
C ΔT
o
C ΔH J
Panas masuk heater Minyak nyamplung
960,00 3,45
5 16.560,0
Metanol 582,99 2,533
5 7.383,5
Asam klorida 15,41
1,522 5
117,3 Total
24.060,8 Panas keluar heater
Minyak nyamplung 960,00
3,45 35
115.920,0 Metanol 582,99
2,533 35
51.684,5 Asam klorida
15,41 1,522
35 821,0
Total 147.540,8
Kebutuhan panas Q 123.480,0
Panas reaksi
n n n n
∑ m
o
C
Po
Δt
o
− ∑ m
j
C
Pi
Δt
i
+ [ ∑ m
p
C
Pp
Δt
p
− ∑ m
r
C
Pr
Δt
r
]
1 1 1 1