## DESAIN PREHEATER METANOL UNTUK PILOT PLANT BIODIESEL KUALITAS TINGGI DENGAN MOBILTHERM 605 SEBAGAI FLUIDA PEMANAS
Hanafi Prida Putra 1 , Ika Wulandari 1* , Yayan Heryana 1 , Romelan 1 , Maharani Dewi Solikhah 1 , Agus Kismanto 1
1 Balai Teknologi Bahan Bakar dan Rekayasa Disain, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi, 15314

## ABSTRAK
Pemerintah menerapkan penggunaan campuran biodiesel 30% dalam minyak solar untuk bidang transportasi per  Januari  2020.  Untuk  pelaksanaan  program  tersebut  diperlukan  biodiesel  kualitas  tinggi  yang  harganya bersaing dengan minyak solar. Pilot plant biodiesel kualitas tinggi dari bahan baku minyak jelantah kapasitas 1 ton/hari  digunakan  untuk  mendapatkan  biodiesel  kualitas  tinggi.  Untuk  mendukung pilot  plant tersebut, diperlukan utilitas yang mumpuni, salah satunya adalah preheater metanol yang berfungsi untuk memanaskan uap  metanol  sampai  suhu  270 o C  sebelum  masuk  ke  reaktor.  Untuk  fluida  panas preheater digunakan Mobiltherm 605. Beban panas yang harus dipenuhi oleh preheater adalah sebesar 13,695.37 kkal/jam dan tipe penukar panas yang digunakan adalah counter flow double pipe . Dari perhitungan desain didapatkan koefisien perpindahan panas metanol di pipa dalam sebesar 132.68 BTU/hrft 2 ° F, koefisien perpindahan panas Mobiltherm 605 di anulus sebesar 87.86 BTU/hrft 2 ° F, panjang preheater 6 kaki, jumlah hairpin 2 buah, diameter pipa anulus sebesar 2 inci, dan diameter pipa dalam sebesar 1.25 inci. Koefisien perpindahan panas menyeluruh sebesar 45.33 BTU/hrft 2 ° F.
Kata kunci :  biodiesel; desain; pilot plant; preheater metanol

## ABSTRACT
The government implemented the use of 30% biodiesel mixture in diesel oil for transportation as of 2020. For this program implementation, high quality of biodiesel which has competitive prices with diesel oil is required. A high quality  biodiesel  pilot  plant  from  used  cooking  oil  with  capacity  of  1  ton/day  is  used  to  obtain  high  quality biodiesel. To support the pilot plant, good utilities are needed, one of them is the methanol preheater which has function to heat the methanol vapor to 270 degree Celsius before entering the reactor. For the heat transfer fluid, Mobiltherm 605 is used. The head load that must be fulfilled by the preheater is 13,695.37 kcal /hour and counter flow double pipe exchanger is used. From design calculation, the methanol heat transfer coefficient in inner pipe is  132.68  BTU/hrft 2 °F,  the  Mobiltherm  605  heat  transfer  coefficient  in  annulus  is  87.86 BTU/hrft 2 °F,  length  of exchanger is 6 feet, number of hairpin is 2, annular diameter is 2 inch, and inner pipe diameter is 1.25 inch. The heat transfer coefficient overall is 45.33 BTU/hrft 2 °F.
Keywords : biodiesel; design; pilot plant; methanol preheater
* Ika Wulandari Email: ika.wulandari@bppt.go.id
Diterima 17 Januari 2020; Penerimaan hasil revisi 3 Februari 2020; Disetujui 8 Februari 2020 Tersedia online Maret 2020 AME (Aplikasi Mekanika dan Energi): Jurnal Ilmiah Teknik Mesin © 2020
Volume 6 Nomor 1 Maret 2020 pp 13-17 Website: http://ejournal.uika-bogor.ac.id/index.php/ame/index

## 1. PENDAHULUAN
Indonesia  menghadapi  permasalahan  besar di  bidang  penyediaan  bahan  bakar  minyak (BBM). Peningkatan penggunaan BBM berbanding dengan semakin banyak impor BBM yang dilakukan oleh negara. Hal ini dikarenakan semakin  menipisnya  cadangan  minyak  dalam negeri dan terbatasnya kemampuan kilang dalam negeri.  Pada  sektor  transportasi,  pengurangan impor  BBM  dilakukan  dengan  pencampuran biodiesel ke dalam minyak solar. Hal ini tertuang dalam  Peraturan  Menteri  ESDM  no.12  tahun 2015  (ESDM,  2015)  yaitu  per  Januari  2020 diwajibkan  pencampuran    30  %  biodiesel  ke dalam minyak solar. Apabila kewajiban pencampuran  biodiesel  sebanyak  30  %  dapat terpenuhi, maka dapat menghemat devisa negara dari impor minyak solar  per tahun sebanyak 4,2 milyar  USD  (Rp  56,5  trilyun).  Akan  tetapi,  hal tersebut belum dapat tercapai karena implementasi  pencampuran  biodiesel  tersebut belum  terlaksana  secara  keseluruhan  karena adanya kendala teknis dan non-teknis. Salah satu kendala  implementasi  biodiesel  adalah  kualitas mutu  dari  biodiesel  dan  harga  yang  kurang bersaing  dengan  minyak  solar.  Oleh  sebab  itu dirancanglah teknologi produksi biodiesel kualitas tinggi dengan plant biodiesel  nirkatalis.
Plant biodiesel  nirkatalis  yang  digunakan  pada kesempatan  ini  adalah pilot  plant biodiesel kualitas  tinggi  dari  bahan  baku  minyak  jelantah kapasitas  1  ton  per  hari. Plant ini  diprediksi mampu  untuk  menghasilkan  biodiesel  dengan kualitas  yang  baik  dengan  biaya  produksi  yang lebih  murah.  Untuk  keberhasilan  produksi biodiesel kualitas tinggi maka diperlukan sistem utilitas  yang  dapat  memenuhi  keperluan  selama jalannya  proses  produksi.  Salah  satu  hal  yang penting  dalam  sistem  utilitas plant ini  adalah preheater metanol.
Pada pembuatan biodiesel secara konvensional, preheater metanol  digunakan untuk  memanaskan  metanol  sampai  suhu  95  °C untuk  proses  esterifikasi  dengan  asam  (Crabbe, 2001)  atau  sampai  suhu  70  °C  untuk  proses transesterifikasi  dengan  basa  (Noiroj,  2009). Sementara itu, preheater metanol pada penulisan ini  mengacu  pada  hasil  penelitian  dari  Solikhah (2016) dan Hagiwara (2015) yang menggunakan reaktor  kolom  gelembung  dengan  suhu  metanol masuk  reaktor  sebesar  270  °C  (518  °F).  Sistem pemanas thermal oil digunakan untuk mendapatkan suhu 270 °C keluar dari preheater
metanol.  Sistem  pemanas thermal  oil adalah sistem  tertutup  ( closed  loop )  yang  terdiri  dari thermal  oil heater ,  pompa  sirkulasi,  tangki ekspansi,  tangki  penyimpanan, de-aerator , perpipaan, dan panel kontrol. Pemanasan thermal oil pada  sistem  ini  menggunakan burner (Occupational Safety and Health Branch Labour Departement,  2017).  Untuk  fluida  pemanas, diperlukan thermal  oil yang  dapat  dipanaskan lebih  dari  suhu  270  °C  sehingga  sistem thermal oil bekerja dengan kondisi operasi di bawah titik didihnya.  Dengan  demikian,  sistem  pemanas thermal  oil dapat  bekerja  pada  tekanan  rendah tetapi menghasilkan suhu tinggi yang diinginkan (Alpha Omega, 2018).
Penulisan  ini  bertujuan  untuk  mendapatkan desain  penukar  panas  yang  dapat  digunakan sebagai preheater metanol yang berfungsi untuk memanaskan  metanol  sebanyak  200  kg/jam (440.92  lb/jam)  dengan  suhu  masuk preheater sebesar 106 o C (222.8 °F) dan suhu keluar 270 °C (518  °F)  dengan  total  panas  dibutuhkan  sebesar 13,861.4 kkal/jam yang didapatkan dari simulasi pilot  plant menggunakan software ChemCAD . Dari  total  panas  yang  dibutuhkan,  dapat diprediksi bahwa penukar panas tipe counter flow double  pipe cukup  untuk  memenuhi  kebutuhan tersebut.

## 2. METODE PENELITIAN
Untuk memperoleh desain penukar panas yang dapat  memenuhi  spesifikasi preheater metanol diperlukan:

## 2.1 Data-Data Perancangan
Data-data  perancangan  tersebut  antara  lain adalah sifat fluida metanol dan sifat fluida thermal oil yang  digunakan. Thermal  oil yang  digunakan ditentukan dari studi literatur.

## 2.2 Perhitungan perancangan
Perhitungan desain penukar panas counter flow double  pipe sesuai  Kern  (1965)  dengan  langkah- langkah sebagai berikut:
2.2.1 Menghitung panas yang dibutuhkan
𝑄 = 𝑚𝐶 𝑚 ΔT (1)
dengan, Q = panas yang dibutuhkan (BTU/hr) m = massa metanol dari simulasi (lb) C m = kapasitas panas rata-rata metanol (BTU/lb°F) ΔT = perbedaan suhu metanol masuk dan keluar preheater (°F)
2.2.2 Menghitung ΔT LMTD
ΔT 𝐿𝑀𝑇𝐷 = ΔT 𝑚𝑎𝑥 − ΔT 𝑚𝑖𝑛 ln ΔT 𝑚𝑎𝑥 ΔT 𝑚𝑖𝑛 (2)
dengan, ΔT max = perbedaan suhu fluida panas masuk dengan fluida dingin keluar preheater (°F) ΔT min = perbedaan suhu fluida panas keluar dengan fluida dingin masuk preheater (°F) 2.2.3 Menghitung luas yang dibutuhkan 𝐴 = 𝑄 𝑈ΔT 𝐿𝑀𝑇𝐷 (3) dengan, A = Luas perpindahan panas yang dibutuhkan (ft 2 ) U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (BTU/hrft 2 °F)
2.2.4 Perhitungan transfer panas di annulus
ℎ 𝑜 = 𝑗 𝐻 𝑘 ℎ 𝐷 𝑒 ( 𝐶 ℎ µ ℎ 𝑘 ℎ ) 1 3 ( µ ℎ µ 𝑤 ) 0.14 (4)
dengan,
h o
= koefisien perpindahan panas di anulus (BTU/hrft 2 °F) j H = didapatkan dari pembacaan grafik (Fig. 24 Kern) k h = konduktivitas panas Mobiltherm 605 (BTU/hrft°F) D e = diameter ekivalen (ft) C h = kapasitas panas rata-rata Mobiltherm 605 (BTU/lb°F) µ h = viskositas Mobiltherm 605 (lb/fthr) µ w = viskositas air (lb/fthr) 2.2.5 Perhitungan transfer panas di pipa dalam
ℎ 𝑖𝑜 = ℎ 𝑖 𝐼𝐷 𝑂𝐷 (5) ℎ 𝑖 = 𝑗 𝐻 𝑘 𝑐 𝐼𝐷 ( 𝐶 𝑐 µ 𝑐 𝑘 𝑐 ) 1 3 ( µ 𝑐 µ 𝑤 ) 0.14 (6)
dengan, h io
= koefisien perpindahan panas di pipa dalam (BTU/hrft 2 °F) ID = diameter dalam pipa dalam (ft) OD = diameter luar pipa dalam (ft) j H = didapatkan dari pembacaan grafik (Fig. 24 Kern) k c = konduktivitas panas metanol (BTU/hrft°F) C c = kapasitas panas rata-rata metanol (BTU/lb°F) µ c = viskositas metanol (lb/fthr)
2.2.6 Mencari U terkoreksi
𝑈 𝐶 = ℎ 𝑖𝑜 ℎ 0 ℎ 𝑖𝑜 + ℎ 𝑜 (7)
1 𝑈 𝐷 = 1 𝑈 𝐶 + 𝑅 𝑑 (8)
dengan, U C = koefisien perpindahan panas menyeluruh bersih (BTU/hrft 2 °F) U D = koefisien perpindahan panas menyeluruh yang dirancang
(BTU/hrft 2 °F)
R d
= faktor pengotor 2.2.7 Menghitung dimensi penukar panas Dihitung  panjang  efektif  (L)  dan  jumlah hairpin yang digunakan.
2.2.8 Menghitung pressure drop
Pressure drop di anulus:
𝛥𝑃𝑎 = (( 4𝑓𝑎𝐺𝑎 2 𝐿 2𝑔𝜌 ℎ 2 𝐷𝑒′ ) + (3( 𝑉 2 2𝑔))) 𝜌 ℎ 144 (9)
Pressure drop di pipa dalam:
𝛥𝑃𝑝 = ( 4𝑓𝑝𝐺𝑝 2 𝐿 2𝑔𝜌 𝑐 2 𝐷 ) 𝜌 𝑐 144 (10)
dengan, fa = faktor friksi di anulus Ga = kecepatan masa di anulus (lb/hrft 2 ) V = kecepatan alir (ft/s) g = percepatan gravitasi (ft/hr 2 ) ρ h = densitas rata-rata Mobiltherm
605 (lb/ft 3 ) fp = faktor friksi di pipa dalam G p = kecepatan masa di pipa dalam (lb/hrft 2 )
ρ c = densitas rata-rata metanol (lb/ft 3 )

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pemilihan fluida pemanas thermal oil berdasarkan pada suhu  titik didih, unsur keamanan, stabilitas,  dan  kemudahan  untuk  mendapatkannya. Thermal oil yang sering digunakan adalah Therminol 66  atau  sejenis  dengan Dowtherm A.  Uji  stabilitas yang  dilakukan  oleh  Grirate  (2015)  menunjukkan bahwa thermal oil ini memiliki performa yang bagus dan tidak mengalami kerusakan selama di tes dengan variabel  waktu dan suhu.  Therminol  memiliki suhu titik didih hingga mencapai 359 °C (Eastman, 2019). Sementara  itu, thermal  oil lain  adalah  Mobiltherm 605. Thermal oil ini digunakan oleh Solikhah (2016) sebagai  fluida  pemanas  untuk preheater reaktor kolom  gelembung  dengan  suhu  Mobiltherm  605 masuk preheater sebesar  300  °C.  Mobiltherm  605
memiliki suhu titik didih diatas 316 °C (Exxon, 2018). Kedua thermal oil tersebut, dari sisi suhu titik didih, keamanan,  dan  stabilitas  dapat  digunakan  sebagai fluida  pemanas,  tetapi  pada  perhitungan  desain preheater ini  dipilih  Mobiltherm  605  karena  lebih mudah untuk didapatkan.
Data-data  sifat  yang  akan  digunakan  untuk perhitungan desain preheater metanol adalah sebagai berikut.
Tabel 1. Sifat fluida untuk perhitungan sesuai dengan
kondisi preheater Sifat Mobiltherm 605 (Exxon, 2015) Metanol (Yaws, 1999) ρ 41.5449  lb/ft 3 61.2419  lb/ft 3 k 0.0648  BTU/fthr ° F 0.1127  BTU/fthr ° F µ 4.0247  lb/fthr 1.3305  lb/fthr C 0.6908  BTU/lb ° F
0.4173  BTU/lb ° F T in 572.00 ° F 222.80 ° F T out 518.00 ° F 518.00 ° F Selanjutnya  dilakukan  perhitungan  desain menggunakan  data  tersebut.  Dari  perhitungan didapatkan  nilai  panas  yang  dibutuhkan  untuk menaikkan suhu 440.92 lb/jam metanol dari 222.80 °F ke 518.00 °F adalah sebesar 13,695.37 kkal/jam. Jumlah tersebut berbeda sedikit dengan hasil simulasi karena  perbedaan  cara  perhitungan  kapasitas  panas rata-rata  metanol.  ΔT LMTD dengan  persamaan  (2) diperoleh  sebesar  137.73  °F,  sehingga  luasan perpindahan panas yang dibutuhkan adalah 15.77 ft 2 . Dengan  luasan  tersebut,  jenis  penukar  panas  yang cocok  digunakan  adalah double  pipe (Kern,  1965). Untuk  jenis  alirannya  dipilih counter  flow karena memiliki recovery panas yang lebih bagus daripada co-current dan  tidak  mempermasalahkan  besaran suhu  fluida  dingin  yang  keluar  dari  penukar  panas (Bengtson, 2010).
Berdasarkan persamaan (4), diperoleh koefisien perpindahan panas Mobiltherm 605 di anulus sebesar 132.68 BTU/hrft 2 °F. Sementara koefisien perpindahan  panas  metanol  di  pipa  dalam  sebesar 87.86  BTU/hrft 2 °F.  Berdasarkan  hasil  perhitungan tersebut  diperoleh  koefisien  perpindahan  panas menyeluruhnya sebesar 45.33 BTU/hrft 2 °F. Selanjutnya, untuk dimensi penukar panas diperoleh panjang  6  kaki  dengan hairpin 2  buah,  diameter anulus sebesar 2 inci, dan diameter pipa dalam sebesar 1.25 inci. Pressure drop diperoleh sebesar 0.0829 psi di bagian anulus dan 0.0042 psi di bagian pipa dalam.
Gambar 1. Desain counter flow double pipe untuk preheater metanol
Sesuai  perhitungan  desain  yang  sudah dilakukan, counter  flow  double  pipe ini  dapat memenuhi  kebutuhan  penukaran  panas  yang diperlukan  oleh preheater metanol pilot  plant biodiesel  kualitas  tinggi  dari  bahan  baku  minyak jelantah  kapasitas  1  ton/hari.  Untuk  nilai  koefisien perpindahan  panas  menyeluruh  dan pressure  drop sudah  memenuhi  persyaratan  perancangan  (Kern, 1965).

## 4. KESIMPULAN DAN SARAN
Hasil  dari  perhitungan  desain  diperoleh koefisien  transfer  panas  metanol  sebesar  132.68 BTU/hrft 2 °F  melalui  pipa  dalam double  pipe , sementara  koefisien  transfer  panas  Mobiltherm  605 sebesar  87.86  BTU/hrft 2 °F  melalui  anulus double pipe .  Penukar  panas counter  flow double  pipe memiliki  panjang  6  kaki, hairpin 2  buah,  diameter pipa anulus sebesar 2 inci, dan diameter pipa dalam sebesar  1.25  inci.  Koefisien  perpindahan  panas menyeluruh  diperoleh  sebesar  45.33  BTU/hrft 2 °F. Perlu  dilakukan  penelitian  lebih  lanjut  untuk mengetahui  efektivitas  performa  dari preheater metanol dengan fluida pemanas Mobiltherm 605 ini.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada Kementrian  Riset  dan  Pendidikan  Tinggi  atas pembiayaan kegiatan InSinas 2019.

## REFERENSI
Alpha  Omega.  (2018).  Thermal  Oil  Guide. CV Alpha Omega . Surabaya.
Bengtson, H. (2010). Double pipe heat exchanger design  with  counterflow  or  parallel  flow. Diambil dari https://www.brighthub engineering.com/hvac/64548-double-pipe- heat-exchanger-design/.
Crabbe, E., Nolasco-Hipolito, C., Kobayashi, G., Sonomoto,  K.,  Ishizaki,  A.  (2001).
Biodiesel  production  from  crude  palm  oil and  evaluation  of  butanol  extraction  and
fuel  properties. Process  Biochemistry ,  37, 65-71.
Hagiwara,  S.,  Nabetrani,  H.,  dan  Nakajima,  M.
(2015).  Non-catalytic  alcoholysis  process for  production  of  biodiesel  fuel  by  using bubble column reactor. Journal of Physics Conference Series 596. Kern,  D.Q.  (1965).  Process  Heat  Transfer. Singapore:  McGraw-Hill  Book  Company
Inc.
Noiroj, K., Intarapong, P., Luengnaruemitchai, A., Jai-In,  S.  (2009).  A  comparative  study  of KOH/Al2O3  and  KOH/Nay  catalyst  for biodiesel  production  via  transeterification from  palm  oil. Renewable  Energy ,  34, 1145-1150.
Occupational  Safety  and  Health  Branch  Labour
Departement. (2017). Code of Practice for the  Safe  Operation  Thermal  Oil  Heaters. Labour  Departement  the  Government  of the  Hong  Kong  Special  Administrative Region . Hong Kong.
Peraturan  Menteri  Energi  dan  Sumber  Daya Mineral  Republik  Indonesia  Nomor  12 Tahun 2015. Safety Data Sheet Exxon Mobil Mobiltherm 605. (2016).  Diambil  dari  www.msds.exxon mobil.com.
Safety Data Sheet Therminol 66. (2019). Diambil dari http://ws.eastman.com/ProductCata logApps/PageControllers/MSDS_PC.aspx ?Product=71093438 Solikhah,  M.D.,  Prismantoko,  A.,  Pratiwi,  F.T., Kismanto,  A.,  Adiarso,  Tambunan,  A.H., ..., Nabetani, H. (2016). Produksi biodiesel nir-katalis  dari  PFAD  dengan  packed bubble column reactor. Prosiding Kongres Teknologi Nasional 2016.
Yaws, C.L. (1999). Chemical properties handbook : physical, thermodynamic, environmental, transport, safety, healt related properties for organic  and  inorganic  chemicals.  New York: McGraw-Hill Book Company Inc.