Submitted : 7 April 2019 Revised : 1 Mei 2019 Accepted : 13 Mei 2019

## REACTIVE DIVIDING WALL COLUMN (RDWC) PADA PRODUKSI DIETIL KARBONAT
Devina Affriani Reyga Riswandi 1 ,  Michelle Tanujaya 1 , Yansen Hartanto 1* , Herry Santoso 1
1 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik Parahyangan Jalan Ciumbuleuit No. 94 Bandung 40141
* Email: yansen_hartanto@unpar.ac.id

## Abstrak
Seiring  dengan  perkembangan  zaman,  kebutuhan  akan  bahan  kimia  semakin  meningkat. Salah  satunya  adalah dietil  karbonat  melalui  reaksi  transesterifikasi  dimetil  karbonat.  Namun  untuk  memproduksi  dietil  karbonat menggunakan distilasi konvensional dengan kemurnian yang tinggi dibutuhkan biaya yang terbilang mahal dan energi yang besar, sehingga diperlukan terobosan dan inovasi baru yaitu Reactive Dividing Wall Column (RDWC). Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  membuat  desain  model  dan  optimasi  RDWC.  Pada  penelitian  ini  digunakan software Aspen Plus. Model unit operasi yang digunakan adalah RadFrac. Model termodinamika yang digunakan adalah  model  UNIQUAC.  Desain  RDWC  yang  telah  dibuat  akan  dilakukan  optimasi  secara  bertahap  dengan variabel–variabel  optimasi, yaitu:  jumlah  tray reaktif,  tinggi  dinding,  jumlah  tray  total,  dan lokasi  DMC masuk. Pada penelitian ini diperoleh hasil bahwa RDWC pada produksi dietil karbonat menghasilkan nilai Total Annual Cost  (TAC)  yang  lebih  rendah  dibandingkan  dengan  metode  konvensional.  Nilai  TAC  optimum  yang  didapat adalah $1.310.706,938/tahun. Desain RDWC untuk produksi dietil karbonat yang optimum mempunyai jumlah tahap reaktif sebanyak 24, tinggi dinding sebanyak 26, jumlah tahap total sebanyak 77 dan lokasi umpan dimetil karbonat pada tahap ke-71.

## Kata Kunci: Distilasi, RDWC, Reaktif, TAC

## Abstract
In  this  era,  the  demand  for  chemicals  are  increasing.  One  of  them  is  an  additive  called  diethyl  carbonate  that  is produced by  the transesterification reaction of  dimethyl carbonate and ethanol. To produce diethyl carbonate by conventional distillation with high purity is expensive and requires a lot of energy, so that new breakthroughs and innovations are needed to overcome this problem. The new breakthrough and innovation proposed in this study is Reactive Dividing Wall Column (RDWC). The purpose  of this study is to design an RDWC model and optimize the Reactive  Dividing  Wall  Column.  In  this  study,  Aspen  Plus  software  was  used.  The  operating  unit  model  used  was RadFrac. The thermodynamic model used was the UNIQUAC model. The data was validated using the literature on reactive distillation. After validation, the data was used to design and optimize RDWC. Variables for optimization are: number of reactive trays, number of trays with a wall, total tray number and  DMC feed location. The results showed  that  RDWC  for  the  production  of  diethyl  carbonate  produced  a  lower  value  of  TAC  than  conventional methods. The TAC value obtained was $1,310,706,938/year. The Reactive Dividing Wall Column design for optimum diethyl carbonate production has a total number of 24 reactive stages, a total number of 26 wall stages, 77 total stages and dimethyl carbonate feed locations on the 71 st stage.
Keywords: Distillation, RDWC, Reactive, TAC

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

## 1. PENDAHULUAN
Salah  satu  upaya  untuk  mengurangi  emisi  yang dihasilkan  dari  penggunaan  bahan  bakar  adalah dengan  penambahan  zat  aditif.  Zat  aditif  akan menaikkan  bilangan  oktan  dan  dapat  membuat pembakaran menjadi sempurna sehingga emisi gas CO dapat dikurangi. Zat aditif yang biasa digunakan pada bahan  bakar  minyak  adalah  Tetra  Ethyl  Lead  (TEL) dan  Tetra  Methyl  Lead  (TML),  namun  TEL  dan  TML bersifat  racun  dan  berbahaya  karena  didalamnya terkandung  logam  berat  timbal  (Pb).  Karena  itu dikembangkan  zat  aditif  lain  yang  lebih  aman,  yaitu dietil  karbonat  (DEC).  Penggunaan  DEC  sebesar  5%- berat  dalam  bahan  bakar,  dapat  mengurangi  materi partikulat dan emisi bahan bakar diesel sebesar 50%. Sehingga  penggunaan  DEC  mempunyai  potensi  yang baik dalam aspek ekonomi dan lingkungan (Efransyah dkk., 2016).
Selain  sebagai  zat  aditif,  dietil  karbonat  juga banyak digunakan di bidang pertanian dalam produksi pupuk,  industri  percetakan,  dan  industri  tekstil sebagai  pelarut.  Dietil  karbonat  juga  merupakan senyawa  yang  ramah  lingkungan.  Produksi  dietil karbonat dengan kemurnian yang tinggi melalui reaksi antara  etanol  dan  dimetil  karbonat  (DMC), memerlukan  rangkaian  alat  berupa  reaktor  dan  dua kolom  distilasi  untuk  memisahkan  produk  dengan reaktan  yang  keluar  dari  reaktor,  seperti  penelitian yang  dilakukan  oleh  Wei  dkk.,  (2011).  Biaya  dan energi  yang  dihasilkan  dari  proses  tersebut  cukup tinggi.  Oleh  karena  itu  dilakukan  penelitian  untuk menemukan  alternatif  lain  untuk  memproduksi  dietil karbonat (Shukla dkk., 2016).
Penelitian  mengenai  penggunaan  kolom  RDWC dalam  produksi  dietil  karbonat  masih  belum  banyak diusulkan  sehingga  dilakukan  penelitian  mengenai produksi  dietil  karbonat  dalam  kolom  RDWC. Diharapkan  dengan  penggunaan  kolom  RDWC, produksi  dietil  karbonat  dapat  lebih  hemat.  Desain kolom  RDWC  yang  diusulkan  memiliki  dinding  (wall) pada  bagian  bawah  kolom,  dengan  produk  bawah (bottom)  berupa  DEC  murni  dan  etanol  serta  produk distilatnya  berupa  metanol.  Desain  RDWC  yang  telah dibuat kemudian disimulasikan pada simulator Aspen Plus,  kemudian  dilakukan  optimasi  bertahap  pada desain  kolom  RDWC  dengan  Total  Annual  Cost  (TAC) sebagai fungsi obyektifnya.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian  ini  terdiri  dari  2  tahap,  yaitu  validasi model dan optimasi model RDWC.

## 2.1 Validasi Model
Penelitian  diawali  dengan  membuat  model distilasi  reaktif  pada  Aspen  Plus  menggunakan  data yang  diberikan  oleh  Wei  dkk.,  (2011).  Hal  ini dilakukan  mengetahui  apakah  desain  awal  penelitian ini  sudah  valid  sebelum  penelitian  dilanjutkan  ke
tahap  optimasi  desain.  Jika  hasil  penelitian  ini  sudah memberikan  hasil  yang  sama  dengan  literatur  maka penelitian bisa dilanjutkan ke tahap optimasi.
Data  yang  digunakan  dalam  pembuatan  model distilasi ekstraktif ini disajikan dalam Tabel 1.
Tabel 1. Data Distilasi Ekstraktif (Wei dkk., 2011) Variabel Desain Kolom Reaktif Jumlah Tahap 42 Lokasi etanol masuk 6 Lokasi DMC masuk 32 Rasio refluks 5,09 Kondensor Total Tekanan kolom (atm) 1 Laju distilat (kmol/h) 33,15
Spesifikasi  umpan  yang  terdiri  dari  campuran etanol dan DMC disajikan dalam Tabel 2. Tabel 2. Spesifikasi Umpan (Wei dkk., 2011) Aliran Etanol DMC Laju molar umpan, kmol/jam 10,95 5,5 Temperatur, o C 30 30 Tekanan, atm 1 1 Komposisi, fraksi mol Etanol 1 0 DMC 0 1
Profil  temperatur  dan  komposisi  sepanjang kolom  digunakan  sebagai  data  validasi  seperti  yang disajikan  dalam  Gambar  1  dan  Gambar  2.  Hasil simulasi  awal  ini  diharapkan  memberikan  profil temperatur  dan  komposisi  yang  serupa  dengan  hasil literatur  yang  menandakan  bahwa  simulasi  awal  ini telah valid.
Gambar 1. Profil temperatur (Wei dkk., 2011)
Gambar 2. Profil komposisi (Wei dkk., 2011)

## 2.2 Desain dan Optimasi RDWC
Setelah  model  awal  valid  maka  penelitian dilakukan  dengan  mendesain  dan  mengoptimasi RDWC berdasarkan data dari desain awal. Konfigurasi RDWC disajikan dalam Gambar 3.

## Gambar 3. Diagram aliran proses RDWC
Pada  Aspen  Plus  belum  tersedia  model  yang menggambarkan  kolom  RDWC  sehingga  pada penelitian  ini  dimodelkan  menjadi  3  buah  kolom distilasi.  Kolom  B2  menggambarkan  bagian  atas kolom sedangkan  kolom B1 dan B3 menggambarkan bagian  bawah  kolom  yang  terpisah  dengan  adanya dinding  (wall).  Kolom  B1  merupakan  kolom  distilasi reaktif dimana terjadi reaksi sekaligus pemisahan.
Pada  penelitian  ini  terdapat  4  variabel  desain yang  digunakan  dalam  optimasi,  yaitu  jumlah  tahap reaktif  (N R ),  tinggi  dinding  (N W ),  jumlah  tahap  total (N T ),  dan  lokasi  DMC  masuk  (L DMC ).  Fungsi  objektif yang  diminimalkan  yaitu  Total  Annual  Cost  (TAC) yang  dihitung  berdasarkan  persamaan  sebagai berikut (Luyben 2010).
(1)
Optimasi  yang  digunakan  yaitu  optimasi bertahap  (sequential  optimization)  seperti  yang dilakukan oleh Luyben (2010). Diagram alir optimasi disajikan dalam Gambar 4 berikut ini.
Gambar 4. Diagram alir optimasi bertahap
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Validasi Model
Profil temperatur dan komposisi sepanjang kolom distilasi hasil penelitian ini dibandingkan dengan hasil penelitian  oleh  Wei  dkk.,  (2011)  seperti  disajikan dalam Gambar 1 dan Gambar 2. Profil temperatur dan komposisi pada penelitian ini disajikan dalam Gambar 4 dan Gambar 5.
Gambar 5. Profil komposisi pada kolom distilasi
Dari  Gambar  4  dan  Gambar  5  tersebut  terlihat bahwa  profil  temperatur  serta  komposisi  sudah mendekati hasil yang diperoleh  Wei dkk., (2011). Oleh karena  itu  penelitian  ini  sudah  bisa  dilanjutkan  ke penelitian  selannjutnya  yaitu  desain  dan  optimasi RDWC.

## 3.2 Desain dan Optimasi Desain
Desain  awal  RDWC  menggunakan  cara  yang disampaikan oleh Kiss (2013). Hasil desain awal RDWC disajikan dalam Tabel 3.
Tabel 3 Hasil Desain RDWC Variabel Nilai Beban Kondensor -3.135,5 kW Beban Reboiler 1 2.232,8 kW Beban Reboiler 2 939,25 kW Jumlah Tray DWC 30 Jumlah Tray Bagian Atas 49 Kemurnian Etanol 0,999 Kemurnian DEC 0,999 Kemurnian Metanol 0,998 Jumlah Tahap Reaktif 30 Vapor Liquid Split 0,61
Dari  desain  awal  RDWC  tersebut  dilakukan optimasi  secara  bertahap  dengan  fungsi  objektif  yaitu TAC.  Pengaruh  jumlah  tahap  reaktif  (N R )  terhadap biaya  disajikan  dalam  Gambar  6  sampai  dengan Gambar 8.
Gambar 6. Pengaruh N R terhadap biaya kapital
Gambar 7. Pengaruh N R terhadap biaya energi
Gambar 8. Pengaruh N R terhadap TAC
Jumlah  tahap  reaktif  divariasikan  dari  23  hingga 29.  Dari  Gambar  8  terlihat  bahwa  TAC  paling  rendah dicapai  saat  jumlah  tahap  reaktif  sebesar  24  tahap. Optimasi  selanjutnya  dilakukan  dengan  mengubah tinggi  dinding  (N W ).  Pengaruh  tinggi  dinding  terhadap biaya  disajikan  dalam  Gambar  9  sampai  dengan Gambar 11.
Gambar 9. Pengaruh N W terhadap biaya kapital
Gambar 10. Pengaruh N W terhadap biaya energi
Gambar 11. Pengaruh N W terhadap TAC
Dari Gambar 9 sampai dengan Gambar 11 terlihat bahwa  tinggi  dinding  mempengaruhi  biaya  kapital, energi,  dan  juga  TAC.  Kondisi  optimum  tercapat  saat tinggi  dinding  sebesar  26  tahap.  Untuk  tinggi  dinding yang  di  bawah  26  tidak  bisa  mencapai  kemurnian produk  yang  diinginkan.  Optimasi  selanjutnya dilakukan dengan mengubah jumlah tahap total kolom (N T ) yang disajikan dalam Gambar 12 s.d. Gambar 14.
Gambar 12. Pengaruh N T terhadap biaya kapital
Gambar 13. Pengaruh N T terhadap biaya energi
Gambar 14. Pengaruh N T terhadap TAC
Kenaikan  jumlah  tahap  total  mengakibatkan kenaikan  biaya  kapital  dan  penurunan  biaya  energi. Tetapi kenaikan biaya capital lebih signifikan sehingga TAC  minimum  tercapai  saat  jumlah  tahapnya  rendah yaitu  sebesar  77  tahap.  Untuk  kondisi  di  bawah  77 tahap  tidak  bisa  menghasilkan  produk  dengan kemurnian  yang  diinginkan.  Optimasi  dilanjutkan
dengan  mengubah  lokasi  umpan  masuk  DMC  (L DMC ). Pengaruh  lokasi  umpan  DMC terhadap  biaya  disajikan dalam Gambar 15 sampai dengan Gambar 17.
Gambar 15. Pengaruh L DMC terhadap biaya kapital
Gambar 16. Pengaruh L DMC terhadap biaya energi
Gambar 17. Pengaruh L DMC terhadap TAC
Dari  Gambar  15  sampai  dengan  Gambar  17 terlihat  bahwa  lokasi  umpan  DMC  tidak  berpengaruh secara  signifikan  terhadap  TAC  jika  dibandingkan
dengan  variabel  yang  lain.  TAC  minimum  dicapai  saat DMC dimasukkan pada tahap ke 71.

## 4. KESIMPULAN
Desain optimum yang dihasilkan  pada penelitian ini  dengan  TAC  sebagai  fungsi  objektif  yaitu  jumlah tahap  reaktif  sebesar  24,  tinggi  dinding  sebesar  26. Jumlah tahap total 77 tahap dan lokasi umpan masuk DMC pada tahap 71. TAC yang dihasilkan pada kondisi optimum ini yaitu $1.310.706,938/tahun.
Penelitian selanjutnya bisa dilakukan
menggunakan  optimasi  serempak  menggunakan perangkat  lunak  Multisimplex  untuk  menghasilkan titik optimum yang lebih akurat.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
Efransyah, F. A., Anggoro, R. L., Kuswandi, Wibawa, G., Pendirian  Pabrik  Dietil  Karbonat  dari  CO2  dan Etanol  Melalui  Proses  Direct  Synthesis,  Jurnal Teknik ITS, 2016, 5, hal. 2337-3539.
Kiss, A. A., Advanced Distillation Technologies Design, Control  and  Applications.  The  Atrium,  Southern Gate,  Chichester,  West  Sussex:  John  Wiley  &  Sons Ltd., 2013. Luyben,  W.  L.,  Distillation  Design  and  Control  Using Aspen  Simulation,  New  Jersey:  John  Wiley  &  Sons, Inc., 2006. Luyben,  W.  L.,  Principles  and  Case  Studies  of Simultaneous  Design.  New  Jersey:  John  Wiley  & Sons, Inc., 2011. Luyben,  W.  L.,  Chien,  I.-L.,  Design  And  Control  Of Distillation  Systems  For  Separating  Azeotropes. New Jersey: John Wiley and Sons, Inc., 2010. Perry, R. H., Green, D. W., Perry's Chemical Engineers'
Handbook 8th Edition. New York: The McGraw-Hill Companies, Inc., 2008. Shukla, K., Srivastava, V. C.,  Diethyl carbonate:  critical review  of  synthesis  routes,  catalysts  used  and engineering aspects, RSC Adv., 2016, 6, hal. 32624-
32645.
Smith,  R.,  Chemical  Process  Design  and  Integration, 2005, John Wiley and Sons.
Wei, H.Y., Rokhmah, A., Handogo, R., Chien, I. L., Design and control  of reactive-distillasion process for the production  of  diethyl  carbonate  via  two consecutive  trans-esterification  reactions,  Journal of Process Control, 2011, 21, pp. 1193-1207.