## REKAYASA PROSES DISTILASI EKSTRAKTIF PADA PEMBUATAN PELARUT BERBASIS HIDROKARBON DENGAN MENGGUNAKAN ENTRAINER SULFOLANA
Haniif Prasetiawan * , Ratna Dewi Kusumaningtyas, Bayu Triwibowo, Dhoni Hartanto, Muhammad Fikkri Al Ghifari, Syifa Karimah 1
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang Kampus Sekaran, Gunungpati, Sekaran, Semarang 50229, Indonesia
* Email: haniif.prasetiawan@mail.unnes.ac.id

## Abstrak
Pelarut  atau  solvent  merupakan  salah  satu  komponen  penting  dalam  proses  kimia  pada industri  kimia.  Salah  satu  jenis  pelarut  yang  sering  digunakan  pada  industri  cat  dan  pelapis yaitu pelarut berbasis hidrokarbon yang terdiri dari campuran cairan kompleks yang beragam dan  mengandung  unsur  alifatik,  alisiklik  dan  aromatik  (C5-C8) . Aromatik  hidrokarbon merupakan  polutan  lingkungan  yang  terkenal  bersifat  toksik,  karsinogenik  dan  mutagenik sehingga dibutuhkan pelarut berbasis hidrokarbon dengan kandungan aromatik dibawah 1%. Metode  pemisahan  yang  tepat  untuk  memisahkan  komponen  aromatik  dan  nonaromatik yang memiliki  titik  didih  berdekatan  adalah  distilasi  ekstraktif  dengan  entrainer  sulfolana.  Pada penelitian  ini,  sistem  distilasi  dengan  entrainer  sulfolana  dijalankan  menggunakan  process simulation  software  Aspen  Plus  V.10  dengan  tujuan  untuk  mengetahui  pengaruh  jumlah sulfolana, feed stage dan jumlah stage terhadap sifat fisis pelarut berbasis hidrokarbon serta analisis  energi  dan  ekonominya.  Simulasi  ini  difokuskan  pada  variasi  rasio  sulfolana:crude feed ( 7:1, 7,5:1, 8:1, 8,5:1), variasi feed stage (stage ke-10 sampai ke-35) dan variasi jumlah stage  (70,75,80).  Hasil  penelitian  didapatkan  kondisi  optimum  yaitu  menggunakan  rasio sulfolana:crude feed  8,5:1, feed stage ke-25 dan jumlah stage 80.
Kata kunci : aromatik, aspen plus, distilasi ekstraktif, hidrokarbon, pelarut, sulfolana.

## 1. PENDAHULUAN
Pelarut  atau solvent merupakan  salah  satu komponen  penting  dalam  proses  kimia  pada industri  kimia  dan  industri  farmasi  yang  dapat mempengaruhi  kinetika  dan  termodinamika reaksi serta dapat mengubah selektivitas produk (Varghese  dan  Mushrif,  2019).  Kegunaan  dari pelarut  yaitu  untuk  memproses,  membersihkan dan memisahkan bahan dengan cara melarutkan atau mengekstraksi bahan lain.
Salah  satu  jenis  pelarut  yang  sering digunakan  pada  industri  cat  dan  pelapis  yaitu pelarut  berbasis  hidrokarbon  (Stoye,  1994). Bahan  baku  pembuatan  pelarut  berbasis hidrokarbon  salah  satunya  bersumber  dari minyak mentah ( crude oil ) yang melalui proses fisik  pada  industri  petrokimia,  seperti  proses catalytic  reforming. Melalui  proses  tersebut minyak mentah diubah menjadi produk minyak berkualitas  yang  terdiri  dari  campuran  cairan kompleks  yang  beragam  dan  mengandung unsur  alifatik,  alisiklik  dan  aromatik  (C5-C8) (Wang  dkk . ,  2018).  Unsur-unsur  tersebut merupakan  komponen  dalam  pelarut  berbasis hidrokarbon,  namun  aromatik  hidrokarbon merupakan  polutan  lingkungan  yang  terkenal bersifat  toksik,  karsinogenik  dan  mutagenik
terhadap kesehatan manusia dan sistem ekologi (Sonwani  dkk . ,  2021),  sehingga  industri mencoba  untuk  mengganti  pelarut  berbasis hidrokarbon tinggi aromatik dengan
dearomatized hydrocarbon solvent yang memiliki  unsur  utama  alifatik  dan  naftenat hidrokarbon dengan kandungan aromatik hidrokarbon  dibawah  1%  (Lund  dkk . ,  1996). Pemisahan aromatik hidrokarbon dari campuran hidrokarbon  lainnya  tidak  dapat  dilakukan dengan menggunakan proses distilasi konvensional  karena  titik  didih  komponen aromatik  dengan  nonaromatik  hidrokarbon yang  sangat  dekat  (Franck  dan  Stadelhofer, 1988).  Metode  yang  mungkin  digunakan  yaitu ekstraksi  cair-cair,  distilasi  ekstraktif,  dan distilasi  azeotropik  (Meindersma  dan  de  Haan, 2008).
Dari ketiga metode, distilasi ekstraktif lebih disukai  daripada  ekstraksi  cair-cair  karena membutuhkan  peralatan  utama  yang  jauh  lebih sedikit,  hanya  terdiri  dari  dua  kolom  distilasi yang  diperlukan  yaitu  kolom  ekstraksi  dan kolom  pemulihan  pelarut  (Fink,  2016)  dan distilasi  ekstraktif  juga  memiliki  konsumsi energi  yang  lebih  rendah  dibandingkan  dengan distilasi azeotropik (Lei dkk., 2003).
Distilasi ekstraktif
dalam prosesnya membutuhkan  pelarut  tambahan  ( entrainer ) untuk  mengubah  volatilitas  relatif  komponen yang  akan  dipisahkan  (Lei  dkk.,  2005). Entrainer sebagai separating  agent yang  dapat mempengaruhi  kinerja  dan  ekonomi  dalam suatu  desain  proses  karena  bekerja  dengan meningkatkan  selektivitas  komponen  yang diekstraksi  dari  umpan  campuran,  sehingga diinginkan  pelarut  dengan  selektivitas  yang tinggi  (Woo  dan  Kim,  2019).  Beberapa  contoh entrainer yang  digunakan  berupa  pelarut organik  seperti  sulfolana,  n-methylpyrrolidone (NMP), N,N dimethylformamide (NFM) (Brouwer  dan  Schuur,  2020).  Diantara  pelarut organik,  sulfolana  memiliki  nilai  selektivitas yang paling tinggi, diambil dari data pemisahan antara heksana dan benzena nilai selektivitasnya yaitu 1,12 sedangkan
selektivitas  NFM  sebesar  0,96  dan  NMP sebesar 0,81 (Wang dkk . , 2017). Sulfolana juga dinilai  sebagai  pelarut  yang  paling  efisien dibandingkan  pelarut  NMP  karena  dapat memisahkan  99%  aromatik  hidrokarbon  dari campuran  nonaromatik  hidrokarbon  dengan kandungan  aromatik  sebesar  55%  karena tingginya  nilai  selektivitas  yang  dimiliki (Hamid dan Ali, 1996).
Oleh  karena  itu,  pada  penelitian  ini  akan dilakukan  rekayasa  proses  distilasi  ekstraktif untuk  produksi  pelarut  berbasis  hidrokarbon rendah  kandungan  aromatik  menggunakan entrainer sulfolana pada perangkat lunak Aspen Plus V10.

## 2. METODOLOGI
Pada  simulasi  rekayasa  proses  untuk produksi  pelarut  berbasis  hidrokarbon  rendah kandungan aromatik, bahan baku diperoleh dari
literatur  (Wang  dkk . ,  2018)  yang  dapat  dilihat pada  tabel  2.1.  Variabel  yang  akan  digunakan pada  penelitian  ini  yaitu  variasi  rasio crude feed :sulfolana  (1:7;  1:7,5;  1:8;  1;8,5),  variasi jumlah stage (70, 75, 80) dan variasi feed stage ( stage ke-10  sampai  ke-35).  Proses  simulasi terdiri  dari  tiga  kolom  yaitu  kolom  distilasi ekstraktif  (K1),  kolom  pemurnian  (K2)  dan kolom entrainer recovery (K3).
Tabel 1. Komposisi Crude Feed Komponen Fraksi Massa n-Butana 0,00016 n-Pentana 0,016 n-Hexana 0,108 n-Heptana 0,055 n-Oktana 0,014 Sikloheksana 0,019 Sikloheptana 0,012 Siklooktana 0,004 Benzena 0,378 Toluena 0,387 P-Xylena 0,002 M-Xylena 0,004 O-Xylena 0,00084
Kolom  distilasi  ekstraktif  (K1)  terdiri  dari dua    aliran  umpan,  yaitu crude  feed dan sulfolana sebagai masukan awal kolom distilasi ekstraktif.  Laju  alir  untuk crude  feed sebesar 55.716  kg/jam  dan  laju  alir  untuk  sulfolana berdasarkan  pada  variabel  bebas  variasi  rasio crude  feed :sulfolana  (1:7;  1:7,5;  1:8;  1;8,5), variasi  jumlah stage (70,  75,  80)  dan  variasi feed stage ( stage ke-10 sampai ke-35).
Hasil  atas  kolom  distilasi  ekstraktif  masuk ke  kolom  distilasi  ekstraktif  (K2)  yang  terdiri dari  senyawa  nonaromatik  dan  sedikit  sisa aromatik.  Sedangkan  hasil  bawah  kolom
Gambar 1. Flowsheet Rekayasa Proses Pembuatan Pelarut Berbasis Hidrokarbon
distilasi ekstraktif  yang  berisikan  sulfolana  dan senyawa  aromatik  masuk  ke  kolom entrainer recovery (K3) untuk dilakukan proses recovery sulfolana.  Kemudian  aliran make  up sulfolana ditambahkan  karena  terdapat  sulfolana  yang hilang  selama  dilakukan  proses recovery sulfolana.
Konfigurasi  untuk  simulasi  pada  penelitian ini  ditunjukkan  pada  tabel  2.  Konfigurasi  ini bersifat  tetap  selama  melakukan  analisis sensitivitas dengan variasi rasio sulfolana: crude feed, variasi  jumlah stage dan  variasi feed stage.
Tabel  2.  Konfigurasi  Simulasi  Distilasi
Ekstraktif Parameter Nilai Suhu crude feed (◦C) 95 Suhu entrainer (◦C) 98 Entrainer feed stage 1 Jumlah stage K2 12 Feed stage nonaromatik 36 Jumlah stage K3 34 Suhu stripwater (◦C) 176 BTX Sulfo feed stage 25 Stripwater feed stage 35
Distilasi  adalah  metode  pemisahan  atau pemurnian  dengan  prinsip  kerja  berdasarkan pada kesetimbangan uap-cair atau vapour liquid equillibrium (VLE)  (Shen  dan  Chien,  2020). Model termodinamika digunakan untuk memprediksi  sifat VLE  pada  suhu  dan  tekanan tertentu.  E quation-of-state (EOS)  dan activity coefficient (γ) model adalah model termodinamika yang digunakan dalam perhitungan VLE (Gebreyohannes dkk., 2014).
Non  Random  Two  Liquid  (NRTL)  dan Redlich  Kwong  (RK)  merupakan equation-of- state (EOS)  dan activity  coefficient (γ)  model yang  digunakan  dalam  penelitian  ini.  Model NRTL banyak digunakan untuk fluida nonideal untuk  memprediksi  kesetimbangan  uap-cair (VLE),  karena  menawarkan  keseimbangan terbaik  antara  kesederhanaan  dan  keandalan, serta  penerapannya  cocok  untuk  campuran dengan multikomponen (Vetere, 2004). Sedangkan  model  RK  banyak  digunakan  untuk aplikasi  pemrosesan  campuran  hidrokarbon pada  tekanan  rendah  hingga  tinggi  (Aspen, 2005).

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  penelitian  ini,  dilakukan  simulasi proses  pemisahan  aromatik  dari  nonaromatik hidrokarbon  pada  distilasi  ekstraktif  dengan menggunakan entrainer sulfolana.  Jurnal  yang di  jadikan  acuan  dalam  melakukan  simulasi pada  penelitian  ini  yaitu  jurnal  penelitian (Wang  dkk . ,  2018).  Setelah  dilakukan  simulasi proses  pembuatan  pelarut  berbasis  hidrokarbon rendah kandungan aromatik selanjutnya dilakukan  analisis  sensitivitas  dengan  tujuan untuk  mengetahui  pengaruh  variasi  jumlah sulfolana,  jumlah stage dan  variasi feed  stage terhadap  kandungan  aromatik  pada  pelarut berbasis hidrokarbon.
3.1. Pengaruh Feed  Stage dan  Jumlah Stage terhadap Kandungan Aromatik
Kandungan  aromatik  menunjukkan  tingkat kemurnian  pada  pelarut  berbasis  hidrokarbon. Pada  gambar  2  menunjukkan  hasil  analisis sensitivitas feed  stage dan  jumlah stage terhadap kandungan aromatik dengan entrainer feed  stage sebagai  variabel  tetap  sehingga entrainer feed stage tidak berpengaruh.
Berdasarkan  grafik  tersebut  kandungan aromatik  paling  rendah  terdapat  pada  stage  ke- 25  dengan  jumlah  stage  80,  sebesar  0,19245 %wt dengan kemurnian 99,80755 %wt. Hal ini dikarenakan  waktu  kontak  antara entrainer sulfolana  dengan crude  feed semakin  lama sehingga  semakian  bawah feed  stage dan semakin  banyak  jumlah stage ,  kemurnian  yang dihasilkan  tinggi,  yang  artinya  kandungan aromatik semakin rendah (Hartanto dkk . , 2019).
3.2. Pengaruh  Jumlah  Sulfolana  dan Jumlah Stage terhadap Kandungan Aromatik Gambar 2. Pengaruh Feed Stage dan Jumlah Stage terhadap Kandungan Aromatik
Grafik  pada  gambar  3  menunjukkan pengaruh jumlah sulfolana
dengan menggunakan  variasi  rasio  sulfolana:crudefeed atau  solvent-to-feed  (S/F)  ratio  serta  jumlah stage terhadap  kandungan  aromatik  pada pelarut  berbasis  hidrokarbon  dengan entrainer feed stage sebagai variabel tetap sehingga tidak mempengaruhi hasil simulasi ini.
Berdasarkan pengamatan pada grafik, persentase massa aromatik pada produk pelarut berbasis hidrokarbon secara signifikan mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya rasio (S/F).
Hal  ini  dikarenakan  kenaikan  rasio  S/F menyebabkan terjadinya peningkatan volatilitas relatif antara komponen aromatik dan nonaromatik  hidrokarbon  yang  memiliki  titik didih berdekatan (Navarro dkk . , 2018). Kandungan  aromatik  paling  rendah  terdapat pada  rasio  S/F  8,5  dan  jumlah  stage  80  yaitu sebesar  4,83E-07  %wt  dengan  kemurnian pelarut  berbasis  hidrokarbon  sebesar  99,999 %wt.
1.4 Pengaruh Feed Stage terhadap
Konsumsi Energi
Gambar 4. Pengaruh Feed Stage terhadap Konsumsi Energi
Konsumsi energi ditunjukkan dengan jumlah  beban  kondensor  dan  beban reboiler
pada  simulasi  proses  pembuatan  pelarut berbasis hidrokarbon.
Pada Gambar 4 dapat dilihat beban reboiler lebih  tinggi  daripada  beban  kondensor,  karena proses  distilasi  dengan  umpan  yang  memiliki titik didih berdekatan atau campuran azeotropik membutuhkan  energi  lebih  besar  pada reboiler (Hartanto  dkk,  2019). Feed  Stage tidak berpengaruh  secara  signifikan  terhadap  beban kondensor  dan  beban reboiler ,  hasil  pengaruh variasi feed  stage terhadap  beban  kondensor dan  beban reboiler cenderung  konstan.  Beban kondensor mengalami sedikit penurunan. Sedangkan  beban reboiler mengalami  sedikit peningkatan  seiring  meningkatnya feed  stage , Hal ini disebabkan oleh transfer massa dari fase uap  ke  fase  cair  meningkat  (Wibowo  dkk., 2020)
1.5 Pengaruh Jumlah Sulfolana terhadap Total Annual Cost (TAC) Total  annual  cost (TAC)  merupakan rumus penjumlahan dari biaya energi dan biaya investasi  modal  tahunan  yang  diasumsikan sebagai  investasi  modal  dibagi  dengan  periode pengembalian modal (Luyben, 2005).
Persamaan TAC dituliskan sebagai berikut:
(1)
Pada  penelitian  ini,  analisis  ekonomi bertujuan  untuk  mengetahui  variasi  jumlah sulfolana  terhadap total  annual  cost (TAC) dengan  jumlah stage 80,  karena  pada  jumlah stage 80,  dihasilkan  kemurnian  distilasi  yang paling  optimal.  Dalam  perhitungan  TAC, energy  cost merupakan  penjumlahan  biaya energi dari beban kondensor dan reboiler. Jenis steam yang  digunakan  adalah low  pressure steam yaitu steam dengan  tekanan  atmosferik. Capital  cost merupakan  hasil  perhitungan  dari tinggi  dan  diameter  kolom  distilasi  ekstraktif, Sedangkan  waktu  pengembalian  modal  atau payback  period diasumsikan  dalam  jangka waktu 5 tahun.
Berdasarkan  grafik  TAC  pada  gambar  5 terjadi  kenaikan  harga  TAC  dari  jumlah sulfolana terendah ke jumlah sulfolana tertinggi.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  semakin banyak  jumlah  sulfolana  yang  ditambahkan maka  semakin  besar  biaya  produksi  tahunan yang harus dikeluarkan karena kenaikan jumlah sulfolana  berarti  meningkatkan  aliran  cairan dalam  reboiler.  Peningkatan  aliran  cairan berefek  pada  meningkatnya  beban  reboiler
Gambar 3. Pengaruh Jumlah Sulfolana dan Jumlah Stage terhadap Kandungan Aromatik
karena  semakin  banyak  cairan  yang  akan dipanaskan dalam reboiler. Alasan ini dapat jadi bahan pertimbangan bahwa S/F yang digunakan tidak boleh terlalu tinggi (Zhou dkk., 2016).
Gambar 5. Pengaruh Jumlah Sulfolana terhadap Total Annual Cost (TAC)

## KESIMPULAN
Rekayasa  proses  distilasi  ekstraktif  dengan menggunakan entrainer sulfolana
menggunakan variasi rasio crude feed :sulfolana (1:7; 1:7,5; 1:8; 1;8,5), variasi jumlah stage (70, 75,  80)  dan  variasi feed stage ( stage ke-10 sampai  ke-35)  menghasilkan  pelarut  berbasis hidrokarbon dengan kandungan aromatik dibawah 1%. Kondisi optimum pelarut berbasis hidrokarbon berada pada rasio crude feed :sulfolana  1:8,  jumlah stage 80  dan feed stage ke 25.

## DAFTAR PUSTAKA
Aspen,  I.,  (2005), Aspen  Properties ,  Aspen tech, Bedford, pp. 12–18.
Brouwer, T. and Schuur, B., (2020), Bio-based solvents  as  entrainers  for  extractive distillation  in  aromatic/aliphatic  and olefin/paraffin separation, Green Chemistry , 22, pp. 5369–5375.
Fink,  J.,  (2016), Guide  to  the  Practical  Use  of Chemicals  in  Refineries  and  Pipelines , Guide to the Practical Use of Chemicals in Refineries and Pipelines , Gulf Professional Publishing, Austria.
Franck,  H.-G.  and  Stadelhofer,  J.  W.,  (1988),
Industrial  Aromatic  Chemistry ,  1 st Ed., Springer, Berlin, pp. 99 - 131. Gebreyohannes, S., Neely, B. J. and Gasem, K. A.  M.,  (2014),  Generalized  nonrandom two-liquid  (NRTL)  interaction  model parameters  for  predicting  liquid-liquid equilibrium  behavior, Industrial  and Engineering  Chemistry  Research ,  53, ppp. 12445–12454.
Hamid,  S.  H.  and  Ali,  M.  A.,  (1996),
Comparative  study  of  solvents  for  the extraction  of  aromatics  from  naphtha, Energy Sources , 18, pp. 65–84.
Hartanto,  D.,  Handayani,  P.  A.,  Sutrisno,  A., Anugrahani, V. W.,  Mustain, A., Khoiroh,  I.  (2019),  Isopropyl  Alcohol Purification through Extractive Distillation using Glycerol as an Entrainer: Technical Performances Simulation  and  Design, Jurnal  Bahan Alam Terbarukan , 8, pp. 133–143. Lei, Z., Chen, B. and Ding, Z., (2005), Special Distillation  Processes ,  Elsevier,  Austria, pp. 59–144. Lei, Z., Li, C. and Chen, B., (2003), Extractive distillation:  A  review, Separation  and Purification Reviews , 32, pp. 121–213.
Lund, S. P., Simonsen, L. Hass, U., Ladefoged, O.  Lam,  H.  R.,  and  Ostergaard,  G.,
(1996), Dearomatized white spirit inhalation  exposure  causes  long-lasting neurophysiological  changes  in  rats,
Neurotoxicology  and  Teratology ,  18,  pp. 67–76.
Luyben,  W.  L.,  (2005),  Effect  of  feed composition  on  the  selection  of  control structures for high-purity binary distillation columns, Industrial Engineering  Chemistry  Research,  44, 7800 - 7813. Meindersma, G. W. and de Haan, A. B., (2008), Conceptual process design for aromatic/aliphatic  separation  with  ionic liquids, Chemical  Engineering  Research and Design , 86, pp. 745–752.
Navarro, P., Larriba, M., Delgado-Mellado, N., Ayuso,  M.,  Romero,  M.,  García,  J., Rodríguez,  F.,  (2018),  Experimental screening  towards  developing  ionic liquid-based  extractive  distillation  in  the dearomatization  of  refinery  streams,
Separation  and  Purification  Technology ,
201, pp. 268–275.
Shen,  W.  C.  and  Chien,  I.  L.,  (2020),  Energy-
efficient  design  of  extraction-distillation process for 2,2,3,3-tetrafluoro-1- propanol/water separation with thermodynamically  verified  liquid-liquid and  vapor-liquid  equilibrium  behaviors,
Separation  and  Purification  Technology , 238, pp. 116-447. Zhou, S; Patty, A., Shiming, C, (s), Advance in energy Science and Equipment Engineering II . 1 st Ed., CRC Press., New York.
Sonwani, R. K., Kim, K. H., Zhang, M., Tsang,
Y. F., Lee, S. S., Giri, B. S., Singh, R. S.,
Rai,  B.  N.,  (2021),  Construction  of biotreatment  platforms  for  aromatic hydrocarbons and their future perspectives, Journal  of  Hazardous Materials , 416, p. 125968.
Stoye,  D.,  (1994), Paints,  coatings  and solvents , Composites Science and Technology ,  John  Wiley  &  Sons  Inc.,
New Jersey, pp. 11 - 100.
Varghese,  J.  J.  and  Mushrif,  S.  H.,  (2019), Origins  of  complex  solvent  effects  on chemical  reactivity  and  computational tools  to  investigate  them:  A  review, Reaction  Chemistry  and  Engineering ,  4, pp. 165–206.
Vetere,  A.,  (2004),  The  NRTL  equation  as  a predictive tool for vapor-liquid equilibria,
Fluid Phase Equilibria , 218, pp. 33–39. Wang, A. Q.  Chen, J. Y., Pan, M., He, C., He, C. C., Zhang, B. J., Chen, Q. L., (2018),
A  New  Sulfolane  Aromatic  Extractive Distillation Process and Optimization for Better  Energy  Utilization,  Chemical Engineering  and  Processing  -  Process Intensification, 128, pp. 80 - 95.
Wang, Q. , Wang, Q., Zhang, B. J., He, C., He, C.  .  and  Chen,  Q.  L.,  (2017),  Optimal Design  of  a  New  Aromatic  Extractive Distillation  Process  Aided  by  a  Co- solvent  Mixture, Energy  Procedia ,  105, pp. 4927–4934.
Wibowo,  Agung  A.  and  Pramono,  N.  A.  E.,
(2020),  Simulasi  Pengaruh  Feed  Tray Pada  Pre-Kolom  Distilasi  Ekstraktif Dalam  Proses  Pemurnian  Metil  Asetat Menggunakan  Chemcad, Distilat: Jurnal Teknologi Separasi , 6, pp. 265–270.
Woo,  H.  C.  and  Kim,  Y.  H.,  (2019),  Solvent selection  for  extractive  distillation  using molecular  simulation, AIChE  Journal ,
65, pp. 1–10.