Submitted : 3 Juli 2019 Revised : 31 Juli 2019 Accepted : 25 September 2019

## KAJIAN AWAL KEEKONOMISAN PENGGUNAAN DIVIDING-WALL PADA DISTILASI EKSTRAKTIF
Henry Saputra, Matthew Setiadi, Yansen Hartanto * , Herry Santoso Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik Parahyangan Jalan Ciumbuleuit No. 94 Bandung 40141
* Email: yansen_hartanto@unpar.ac.id

## Abstrak
Penggunaan dividing-wall pada distilasi ekstraktif tidak selalu efektif dalam segi ekonomi. Tujuan dari penelitian ini  adalah  melakukan  evaluasi  dan  membandingkan  keekonomian  proses  pada  distilasi  ekstraktif  kolom konvensional dan extractive dividing wall column (EDWC) serta melakukan identifikasi faktor yang mempengaruhi keekonomisan  penggunaan  dividing-wall  pada  distilasi  ekstraktif.  Pada  penelitian  ini  dilakukan  simulasi  3 campuran azeotrop yaitu campuran etanol-air, aseton-metanol, dan Tetrahidrofuran (THF)-etanol menggunakan perangkat lunak Aspen Plus. Model kolom distilasi yang digunakan adalah RadFrac. Simulasi kolom konvensional dan EDWC yang telah dibuat selanjutnya akan diperhitungkan biaya alat, biaya energi, dan Total Annual Cost (TAC). Pada  penelitian  ini  diperoleh  hasil  bahwa  pada  campuran  aseton-metanol  TAC  yang  dihemat  sebesar  9,6%, sedangkan pada campuran etanol-air biaya TAC naik  sebesar 4,1% dan pada campuran THF-etanol biaya naik sebesar 16,63%. Dari hasil penelitian ini didapat bahwa faktor utama yang menyebabkan penggunaan dividing- wall menjadi efektif yaitu dalam hal penggunaan jenis kukus.

## Kata Kunci: Distilasi, Dividing-wall, Ekstraktif, EDWC, TAC

## Abstract
The used of dividing wall in extractive distillation was not always economically effective. The purpose of this study was to evaluate and compare the economics of process in conventional column and extractive dividing wall column and identified the factors that influence the effectiveness of using dividing wall in extractive distillation. In this study, a simulation of 3 azeotropic mixtures selected based on their effectiveness in saving cost. That 3 azeotrope mixtures are  ethanol-water,  acetone-water  and  Tetrahydrofuran  (THF)-ethanol.  Aspen  Plus  was  used  as  software  for simulation.  The  column  model  used  was  RadFrac.  Conventional  column  and  extractive  dividing  wall  column simulation that have been made will be calculated their capital cost, energy cost and Total Annual Cost (TAC). In this study, the result showed that TAC for acetone-methanol was saved by 9,6% meanwhile TAC for ethanol-water was wasted by 4,1% and TAC for THF-ethanol was wasted by 16,63%. From the result of this study it was found the main factor that used of dividing-wall column were effective was from the used of steam types.
Keywords: Distillation, Dividing-wall, Extractive, EDWC, TAC

## JURNAL INTEGRASI PROSES
Website: http://jurnal.untirta.ac.id/index.php/jip

## 1. PENDAHULUAN
Sebagian besar proses pemisahan suatu campuran pada  industri  kimia  menggunakan  distilasi  sebagai proses pemisahan karena distilasi tidak membutuhkan komponen  tambahan  untuk  memisahkan  suatu campuran. Namun distilasi memiliki kekurangan yaitu tidak  dapat  memisahkan  campuran  azeotrop.  Salah satu cara untuk memisahkan campuran azeotrop yaitu menggunakan  modifikasi  dari  distilasi  yaitu  distilasi ekstraktif.  Distilasi  ekstraktif  menggunakan  prinsip penambahan  suatu  entrainer  untuk  meningkatkan relatif  volatilitas  suatu  campuran  sehingga  mudah dipisahkan (Zhang, 2014). Namun penggunaan distilasi ekstraktif  ini  menghasilkan  biaya  yang  cukup  tinggi oleh sebab itu terdapat modifikasi berupa penambahan sekat  pada  distilasi  ekstraktif  dimana  terjadi pengurangan  unit  reboiler  yang  dinamakan  extractive dividing-wall column.
Konfigurasi  extractive  dividing-wall  column  itu sendiri  berawal  dari  prinsip  awal  distilasi  ekstraktif yaitu  prinsip  direct  sequence  dimana  komponen  yang paling  mudah  dipisahkan  akan  dipisah  pertama  kali sebagai  produk  atas  kolom  pertama.  Selanjutnya terdapat  modifikasi  yang  bernama  thermal  coupling direct  sequence  dimana  reboiler  pada  kolom  pertama diganti dengan unit thermal couple. Modifikasi thermal coupling  ini  dapat  disusun  lebih  lanjut  menjadi  side rectifier  arrangement  dimana  bagian  stripping  kolom kedua  dipindahkan  ke  kolom  pertama  untuk mengurangi biaya energi. Dua kolom pada konfigurasi side  rectifier  ini  dapat  dijadikan  1  kolom  dengan adanya  sekat  bagian  atas  yang  memisahkannya  yang dinamakan konfigurasi extractive dividing wall column (Smith, 2005).
Penggunaan  dividing-wall  pada  EDWC  umumnya bisa mengurangi biaya yang diperlukan. Tetapi 1 buah kolom EDWC hanya memiliki 1 buah reboiler sehingga hanya  mampu  menggunakan  1  jenis  pemanas sedangkan pada konfigurasi konvensional terdiri dari 2 reboiler  yang  dapat  menggunakan  2  jenis  pemanas misalnya HP steam dan LP steam.
Penelitian  ini  akan  mengkaji  keefektifan  EDWC dilihat  dari  segi  ekonomis  untuk  tiga  jenis  campuran azeotrop  yaitu  aseton-metanol,  etanol-air,  dan  THF- etanol. Biaya alat, biaya energi, dan Total Annual Cost (TAC) masing-masing campuran akan diperhitungkan. Dari  perbandingan  tersebut  akan  diperoleh  suatu kesimpulan  tentang  faktor  apa  yang  mempengaruhi keefektifan  penggunaan  dividing-wall  pada  distilasi ekstraktif.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian  ini  dimulai  dari  validasi  kolom konvensional  dan  desain  EDWC  yang  dilanjutkan dengan analisis ekonomi.

## 2.1 Validasi Model Kolom Konvensional
Penelitian  diawali  dengan  melakukan  simulasi kolom  konvensional  ketiga  campuran  pada  software Aspen Plus menggunakan data literatur. Hasil simulasi yang telah dibuat akan dibandingkan dengan literatur. Hasil  simulasi  dikatakan  valid  jjka  hasil  simulasi menyerupai  literatur.  Setelah  valid  simulasi  dapat diolah  lebih  lanjut  untuk  mendapatkan  biaya  kapital, biaya  energi,  dan  TAC.  Data  yang  digunakan  untuk validasi  ketiga  campuran  azeotrop  disajikan  dalam Tabel 1 s.d. 6 berikut.
Tabel 1. Data Literatur Etanol-Air (Tututi-Avilla, 2014)
Variabel Desain Hasil Jumlah tahap kolom 1 17 Jumlah tahap kolom 2 19 Letak umpan masuk 11 Letak entrainer masuk 4 Beban kondensor 1 (kW) 685,04 Beban kondensor 2 (kW) 140,14 Beban reboiler 1 (kW) 907,57 Beban reboiler 2 (kW) 230,06 Rasio refluks 1 0,64 Rasio refluks 2 0,81 Tabel 2. Spesifikasi Umpan (Tututi-Avilla, 2014) Variabel Hasil Laju alir etanol, kmol/jam 38,1024 Laju alir air, kmol/jam 7,2576 Laju alir EG, kmol/jam 69,6045 Komposisi etanol, %mol 84 Komposisi air, %mol 16 Temperatur, ° K 351 Tekanan, atm 1 Tabel 3. Data Literatur Aseton-Metanol (Wu, 2013) Variabel Desain Kolom Reaktif Jumlah tahap kolom 1 57 Jumlah tahap kolom 2 26 Letak umpan masuk 40 Letak entrainer masuk 25 Beban kondensor 1 (kW) 9615,3 Beban kondensor 2 (kW) 6893,57 Beban reboiler 1 (kW) 10925,60 Beban reboiler 2 (kW) 7113,07 Rasio reflux 1 3,32 Rasio reflux 2 1,604
Tabel 4. Spesifikasi Umpan Aseton-Metanol (Wu, 2013) Variabel Hasil Laju alir umpan, kmol/jam 540 Komposisi aseton, %mol 50 Komposisi metanol, %mol 50 Temperatur, ° C 46,85 Tekanan, atm 1 Tabel 5. Data THF-Etanol (Litya, dkk. 2018) Variabel Desain Hasil Jumlah tahap kolom 1 75 Jumlah tahap kolom 2 10 Letak umpan masuk 55 Letak entrainer masuk 3 Beban kondensor 1 1580,34 Beban kondensor 2 575,838 Beban reboiler 1 1993,82 Beban reboiler 2 1353,51 Rasio refluks 1 2,65 Rasio refluks 2 0,1 Tabel 6. Umpan THF-Etanol (Litya dkk. 2018) Variabel Hasil Laju alir umpan, kmol/jam 100 Komposisi THF, %mol 50 Komposisi etanol, %mol 50 Temperatur, ° K 320 Tekanan, atm 1
Gambar 1. Profil Komposisi Etanol-Air (Tututi- Avilla, 2014)
Profil  komposisi  sepanjang  kolom  hasil  simulasi akan  dibandingkan  dengan  literatur.  Jika  grafik menyerupai hasil simulasi maka dapat dikatakan sudah valid.  Pada  literatur  campuran  THF-etanol  tidak terdapat  profil  komposisi  oleh  sebab  itu  tolak  ukur validitas  pada  campuran  THF-etanol  mengacu  pada
kemurnian  yang  diperoleh.  Profil  komposisi  fase  cair sepanjang kolom disajikan dalam Gambar 1 s.d. 2.
Gambar 2. Profil Komposisi Aseton-Metanol (Wu, 2013)

## 2.2 Desain EDWC
Setelah  melakukan  simulasi  kolom  konvensional dilanjutkan  dengan  melakukan  simulasi  EDWC. Diagram  aliran  EDWC  yang  akan  dibuat  tersaji  pada Gambar 3.

## Gambar 3. Flowsheet EDWC
Pada  simulator  Aspen  Plus  belum  tersedia  model konfigurasi kolom EDWC sehingga simulasi EDWC yang akan  dibuat  menggunakan  model  3  kolom  dan tambahan sebuah unit splitter untuk membagi fase uap yang  berada  pada  kolom  3  ke  kolom  1  dan  kolom  2 sesuai rasio yang digunakan.
Setelah  melakukan  simulasi  kolom  konvensional dan EDWC, data yang diperoleh akan diolah lebih lanjut untuk  mendapatkan  biaya  kapital,  biaya  energi,  dan TAC.  Biaya  kapital  tersusun  dari  biaya  kolom,  biaya cooler,  biaya  kondensor,  dan  biaya  reboiler.  Biaya energi  tersusun  dari  harga  jenis  steam  per  satuan energi.  TAC  tersusun  dari  biaya  kapital  dan  biaya energi. Persamaan yang digunakan untuk menghitung nilai  TAC  menggunakan  persamaan  yang  dipaparkan oleh Luyben (2010). Metodologi penelitian ini disajikan dalam Gambar 4 berikut ini.

## Gambar 4. Metodologi Penelitian
Total  Annual  Cost  (TAC)  dihitung  berdasarkan persamaan yang dipaparkan oleh Luyben (2010).
𝑇𝐴𝐶 = 𝑏𝑖𝑎𝑦𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 + 𝑏𝑖𝑎𝑦𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑎𝑙𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑃𝑎𝑦 𝐵𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑 (1)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Validasi Model
Hasil  simulasi  berupa  profil  komposisi  sepanjang kolom  disajikan  dalam  Gambar  5  dan  Gambar  6.
Gambar 5. Profil Komposisi Campuran Etanol-Air
Gambar 6. Profil Komposisi Campuran Aseton- Metanol
Gambar  1  dan  Gambar  5  memiliki  bentuk  kurva yang  serupa  sehingga  hasil  simulasi  dapat  dikatakan sudah  valid.  Sama  halnya  dengan  campuran  aseton- metanol.  Gambar  2  dan  Gambar  6  juga  memiki  grafik yang serupa oleh karena itu simulasi untuk campuran aseton-metanol  sudah  valid.  Kedua  hasil  ini  memiliki persen kesalahan di bawah 10%.
Untuk validasi campuran THF-etanol menggunakan pendekatan kemurnian. Jika kemurnian produk  mendekati  dengan  literatur,  maka  hasil simulasi  dapat  dikatakan  valid.  Perbandingan kemurnian untuk THF-etanol disajikan dalam Tabel 5.
Tabel 7. Perbandingan Kemurnian pada THF-Etanol Kemurnian (%-mol) Penelitian Ini Penelitian Litya dkk. (2018) THF 99,7 99,9 Etanol 99,7 99,9 Etilen-glycol 99,9 100
Dari  Tabel  7  terlihat  bahwa  untuk  sistem  THF- etanol  sudah  valid  karena  kemurniannya  telah mendekati  dengan  hasil  yang  diperoleh  literatur. Adanya  sedikit  perbedaan  diakibatkan  adanya perbedaan versi dari simulator yang digunakan.

## 3.2 Desain EDWC
Dari  konfigurasi  distilasi  ekstraktif  konvensional yang terdiri dari 2 kolom diubah menjadi EDWC yang hanya  terdiri  dari  1  kolom  distilasi.  Desain  EDWC menggunakan  heuristik  yang  dipaparkan  oleh  Kiss (2013). Target dari EDWC ini yaitu kemurnian produk yang  dihasilkan  harus  sama  dengan  kemurnian  yang dihasilkan  dari  distilasi  ekstraktif konvensional.  Hasil desain EDWC disajikan dalam Tabel 8 s.d. Tabel 10.
Tabel 8. Hasil EDWC untuk Etanol-Air Parameter Nilai Beban reboiler (kW) 1.064,82 Beban kondensor (kW) 676,80 Kemurnian etanol (%) 99,5 Kemurnian air (%) 99,5 Kemurnian EG (%) 99,9 Tabel 9. Hasil EDWC untuk Aseton-Metanol Parameter Nilai Beban reboiler (kW) 16.095,3 Beban kondensor (kW) 14.640,6 Kemurnian aseton (%) 99,5 Kemurnian metanol (%) 99,5 Kemurnian Air (%) 99,9
Tabel 10. Hasil EDWC untuk THF-Etanol Parameter Nilai Beban reboiler (kW) 3.461,63 Beban kondensor (kW) 2.266,44 Kemurnian THF (%) 99,7 Kemurnian etanol (%) 99,7 Kemurnian etilen-glikol (%) 99,9
Dari Tabel 6 s.d. Tabel 8 terlihat bahwa kemurnian produk  pada  EDWC  sudah mencapai  kemurnian  yang dihasilkan  pada  distilasi  ekstraktif  konvensional. Karena itu penelitian dilanjutkan ke tahap selanjutnya yaitu analisis ekonomi.

## 3.3 Analisis Ekonomi
Analisis  ekonomi  dilakukan  dengan  menghitung biaya  kapital,  biaya  energi,  dan  TAC  untuk  distilasi ekstraktif  konvensional  dan  EDWC.  Pada  Gambar  7 disajikan  biaya  kapital  untuk  campuran  aseton- metanol.  Biaya  kolom  untuk  EDWC  lebih  besar dibandingkan  dengan  konvensional  sedangkan  biaya kondensor dan reboiler lebih rendah.

## Gambar 7. Perbandingan Biaya Kapital pada Sistem
Aseton-Metanol
Faktor  yang  menyebabkan  besarnya  biaya  kolom pada  EDWC  adalah  dimensi  kolom  yang  lebih  besar dibandingkan  dengan  kolom  pada  konfigurasi konvensional.
Untuk  campuran  etanol-air,  EDWC  justru  dapat menghemat biaya kolom sekitar 8%. Hal ini disebabkan oleh  pembuatan  EDWC  yang  memiliki  dimensi  kolom yang  lebih  kecil  ketimbang  dengan  kolom konvensional. Selain itu, biaya reboiler serta cooler juga dapat  dikurangi  hingga  27%  dan  3%.  Namun,  biaya kondensor  pada  EDWC  mengalami  kenaikan  sekitar 2% yang disebabkan dari luas perpindahan panasnya lebih  besar  dibandingkan  kolom  konvensional.  Hasil perhitungan  biaya  kapital  untuk  campuran  etanol-air disajikan pada Gambar 8.
Gambar 8. Perbandingan Biaya Kapital pada Sistem Etanol-Air
Untuk  biaya  kapital  pada  campuran  THF-etanol disajikan dalam Gambar 9 berikut ini.
Gambar 9. Perbandingan Biaya Kapital pada Sistem THF-Etanol.
Biaya  kondensor  pada  EDWC  meningkat  sebesar 13%.  Biaya  cooler  pada  EDWC  juga  menambah  biaya sekitar  9%  sama  seperti  sistem  campuran  aseton- metanol.  Namun,  pemborosan  biaya  tersebut  tidak berpengaruh secara signifikan terhadap biaya  kapital. Pada  campuran  THF-etanol  biaya  total  kolom  1  juga lebih tinggi dibandingkan kolom 2. Biaya alat kolom 1 pada campuran ini lebih tinggi dibandingkan kolom 2 karena  pada  kolom  pertama  memiliki  jumlah  tahap yang  sangat  tinggi  dibandingkan  kolom  2  yang  akan mempengaruhi dimensi kolom tersebut. Namun, pada alat  reboiler  dan  kondensor  biaya  kolom  pertama sedikit lebih tinggi dibandingkan kolom kedua.
Perhitungan  biaya  energi  ditentukan  dari  beban reboiler dan jenis steam yang digunakan. Perbandingan beban  reboiler  dan  penggunaan  jenis  steam  ketiga campuran disajikan dalam Gambar 10 berikut ini.

## Gambar 10. Perbandingan Kebutuhan Energi
Penghematan  beban  reboiler  EDWC  pada  sistem campuran  aseton-metanol  dan  etanol-air  berturut- turut  adalah  sebesar  8%  dan  6,5%.  Akan  tetapi, pemborosan beban reboiler EDWC terjadi pada sistem campuran  THF-etanol,  yaitu  sebesar  9%.  Pada campuran  aseton-metanol,  kedua  jenis  konfigurasi dapat menggunakan steam yang sama yaitu LP steam. Sedangkan untuk campuran etanol-air dan THF-etanol membutuhkan  jenis  kukus  yang  lebih  mahal  untuk EDWC  yaitu  HP  steam.  Pemilihan  jenis  kukus  ini didasarkan  pada  temperatur  produk  bawah  kolom distilasi yang digunakan.
Biaya  energi  dan  biaya  kapital  merupakan komponen  penyusun  TAC.  Dengan  menghitung  nilai TAC  pada  ketiga  sistem  campuran,  maka  pengaruh EDWC terhadap keekonomisan proses dapat diketahui . Perbandingan  TAC  ketiga  campuran  terdapat  pada Gambar 11.

## Gambar 11. Perbandingan TAC EDWC dan Distilasi
Ekstraktif Konvensional Sistem
campuran
aseton-metanol dapat
menghemat TAC pada EDWC sebesar 9,6%, sedangkan pada campuran etanol-air dan THF-etanol membutuhkan  tambahan  biaya  sebesar  4,1%,  dan
16,63%.  Faktor  utama  yang  mempengaruhi  besarnya TAC,  yaitu  biaya  energi  yang  terdiri  dari  jumlah  dan jenis  steam  yang  dibutuhkan.  Penggunaan  HP  steam pada  EDWC  menjadi  faktor  penggunaan  dividing-wall menjadi  lebih  mahal  seperti  terdapat  pada  campuran etanol-air dan THF-etanol.
4. KESIMPULAN Pada sistem campuran aseton-metanol, penggunaan  EDWC  menjadi  lebih  ekonomis  karena dapat  mengurangi  TAC  sebesar  9,6%,  beban  reboiler sebesar 8,3%,  biaya kapital sebesar 14,1%, dan biaya energi sebesar 8,3%.
Pada  sistem  campuran  etanol-air,  penggunaan EDWC  menjadi  kurang  ekonomis  karena  dapat menambah TAC sebesar 4,1%, beban reboiler sebesar 6,5%,  biaya  kapital  sebesar  9%,  dan  biaya  energi sebesar 7,96%.
Pada  sistem  campuran  THF-etanol,  penggunaan EDWC  juga  kurang  ekonomis  karena  dapat meningkatkan  TAC  sebesar  16,63  %,  beban  reboiler sebesar 9,5%, dan biaya energi sebesar 25,7%.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
Christopher, J. dan Litya, N., 2018, Desain Dan Optimasi Distilasi  Ekstraktif  Dan  Extractive  Dividing  Wall Column Pada Pemisahan Campuran Tetrahidrofuran-Etanol. Kiss,  A.  A.,  2013,  Advance  Distillation  Technologies  : Design, Control and Applications 1ed, John Wiley and
Sons Ltd, Chicester.
Luyben,  W.  L.,  2013,  Distillation  Design  and  Control Using  Aspen  Simulation,  John  Wiley  &  Sons:  New York.
Luyben, W. L. dan Chien, I-L., 2010, Design and Control of  Distillation  Systems  for  Separating  Azeotropes, John Wiley and Sons, Inc, New Jersey, Hoboken. Smith,R.,  2005,  Chemical  Process  Design  and Integration, John Wiley and Sons Ltd, Chicester. Tututi-Avila,  S.,  Jimenez-Guiterrez,  A.,  dan  Hahn,  J., 2014, Control analysis of an extractive dividing-wall column  used  for  ethanol  dehydration,  Chemical Engineering and Processing.
Wu,  Y.  C.,  Hsu,  P.  H-C.,  dan  Chien,  I-L.,  2014,  Critical assessment  of  the  energy-saving  potential  of  an extractive  dividing-wall  column,  Industrial  and Engineering Chemistry Research, pp. 5384-5399. Zhang, H., Ye, Q., Qin, J., Xu, H., dan Li, N., 2014, Design and  control  of  extractive  dividing-wall  column  for separating ethyl acetate-isopropyl alcohol mixture, Industrial  and  Engineering Chemistry  Research,  pp.
1180-1205.