Sumber Aneka Karya Abadi - Your trusted partner for laboratory instrument

Search
Analisa Total Nitrogen pada Minyak Bumi

Analisa Total Nitrogen pada Minyak Bumi

Tuesday, 19 May 2020

Seberapa pentingkah Analisa Nitrogen pada Minyak Bumi?

Nitrogen adalah salah satu unsur yang terdapat dalam minyak bumi selain hidrokarbon dan sulfur. Sama seperti Sulfur, semakin besar persentase nitrogen yang dikandung maka kualitas minyak bumi semakin buruk. Hal ini karena unsur nitrogen dapat mengganggu proses pengolahan minyak bumi seperti pembentukkan lem (gum), sebagai penghalang dan dapat menon-aktifkan katalis asam, dapat menyebabkan korosi dan sebagai penyebab pembentuk kompleks dengan logam sehingga produk minyak yang dihasilkan tidak murni. Selain itu, adanya nitrogen dapat menyebabkan terhasilkannya senyawa NOx pada hasil pembakaran, gas ini tergolong toksik untuk lingkungan maupun manusia. Oleh karena itu, pengujian total nitrogen pada minyak bumi sangat penting dilakukan untuk menjaga kualitas hasil bahan bakar yang nantinya diperoleh. Berdasarkan standar American Society for Testing and Materials (ASTM) Nomor D3228-96, analisa total nitrogen pada minyak bumi dapat dilakukan dengan menggunakan metode Kjeldahl.

Minyak bumi adalah salah satu sumber daya alam yang tidak bisa diperbarui dan jumlahnya semakin menipis. Komposisi minyak bumi sebagian besar terdiri dari senyawa alkana rantai panjang, alkana siklik, dan senyawa aromatik. Komponen lainnya seperti sulfur, oksigen, nitrogen dan senyawa lainnya hanya terdapat sedikit dalam minyak bumi, keseluruhan persentase untuk kelimpahan unsur yang ada pada minyak bumi dapat ditunjukkan oleh diagram pada Tabel 1.

Tabel 1. Kisaran Kandungan Unsur – Unsur dalam Minyak Bumi

Unsur

Persentase (% berat)

Karbon (C)

83 – 87

Hidrogen (H)

10 -14

Sulfur (S)

0.05 – 6.0

Oksigen (O)

0.05 – 1.5

Nitrogen (N)

0.1 - 2.0

Logam

0.00001 – 0.01

 

Dari Tabel 1 dapat disimpulkan bahwa Minyak bumi yang terdapat di alam masih dalam bentuk campuran sehingga diperlukan proses pengolahan untuk menjadi produk - produknya. Adapaun beberapa contoh produk minyak bumi diantaranya adalah bensin (gasoline), solar (gasoil), minyak tanah, minyak bakar untuk industri, avtur, avgas, dan biodiesel. Meski proses setiap minyak bumi tidak sama, namun secara umum proses pengolahan minyak bumi terdiri dari 2 tahap yang terdiri dari destilasi (distillation) dan tahap pemantapan (Finishing). Keseluruhan proses ini ditunjukkan pada Gambar 1 dan dijelaskan sebagai berikut :

1.Tahap Destilasi (Distillation process)

Pada tahap ini fraksi – fraksi minyak bumi dipisahkan dengan pemanasan berdasarkan perbedaan titik didihnya. Terdapat 2 unit yang digunakan untuk tahap ini yaitu distilasi secara atmosfer dan distilasi secara vakum. Tahap ini diawali dengan penghilangan garam melalui pencucian dan setelah minyak bersih dari garam (brine), proses dilanjutkan ke tahap pemanasan menggunakan tabung tanur tinggi dimana fraksi yang memiliki titik didih paling rendah akan terpisah terlebih dahulu dan terkondensasi secara selektif. Fraksi – fraksi yang dihasilkan dari proses ini ditunjukkan pada Tabel 2. Masing – masing fraksi tersebut nantinya akan diolah lebih lanjut sesuai dengan produk yang akan dibuat.

Tabel 2. Fraksi Hasil Proses Destilasi Atmosphere

Destilat Komponen Suhu (°C)
Arus sisi pertama

Kerosina (Kerosene)

193 - 249
Arus sisi kedua Minyak gas ringan (Light Gas oil) 249 - 321.1
Arus sisi ketiga Minyak gas berat (Heavy gas Oil) 321.1 - 365,6
Residu bahan Bakar Minyak (Fuel Oil) > 365.6

 

Untuk senyawa hidrokarbon rantai panjang, proses destilasi akan dilanjutkan pada unit destilasi vakum sehingga menghasilkan Fraksi – fraksi yang ditunjukkan pada Tabel 3.

 

Tabel 3. Fraksi Hasil Proses Destilasi Vakum

Destilat Komponen Suhu  (°C)
Arus sisi atas

Minyak gas vakum ringan (Light Vacuum gas oil)

365,6 - 398
Arus sisi kedua Minyak gas vakum berat (heavy vacuum gas oil) 398 - 529
Residu Bitumen > 529

 

2. Tahap pemantapan (Finishing Process)

Fraksi – fraksi yang telah dihasilkan dari proses destilasi kemudian diolah lebih lanjut untuk mendapatkan suatu produk yang sesuai dengan permintaan konsumen. Proses tersebut meliputi :

 

a. Unit Penggabungan Ringan (The Light Ends Unit)

Setelah diperoleh destilat dari proses destilasi, seluruh destilat nafta dari unit destilasi atmosfer dipindahkan untuk diolah dan dijadikan produk dengan membaginya menjadi 2 yaitu produk komponen volatil dan produk minyak ringan. Proses ini terbagi atas 4 unit destilasi yang terdiri dari unit debutanizer , unit depropanizer, unit deethanizer, dan naptha splitter.

 

b. Proses Pemecahan (Cracking process)

Proses ini merupakan proses pembelahan atau penguraian partikel – partikel hidrokarbon rantai panjang menjadi partikel – partikel hidrokarbon yang lebih kecil. Proses ini secara umum dapat dilakukan dengan 3 cara yaitu dengan panas (Thermal Cracking), dengan suhu tinggi dan tekanan rendah (Catalytic Cracking), dan pemanasan dengan adanya aliran gas hidrogen (Hydrocracking). Pada tahap ini senyawa – senyawa pengotor seperti sulfur, nitrogen dan logam logam berat dihilangkan agar tidak mengganggu proses selanjutnya.

 

c. Proses Pembentukan ulang (Reforming process)

Proses ini disebut juga sebagai proses isomerisasi yang bertujuan untuk mengubah struktur pada molekul fraksi dengan mutu buruk menjadi fraksi molekul dengan mutu lebih baik. Proses ini dapat dilakukan dengan menggunakan katalis atau proses pemanasan.

 

d. Proses Polimerisasi dan Alkilasi (Polimrization and Alkilation process)

Proses alkilasi adalah proses penambahan jumlah atom pada suatu fraksi molekul sehingga rantai karbon pada fraksi menjadi lebih panjang dan bercabang. Proses alkilasi dilanjutkan pada proses polimerisasi untuk menghasilkan fraksi dengan mutu yang lebih baik.

 

e. Proses Pemurnian (treating process)

Proses pemurnian ini adalah proses untuk memurnikan fraksi minya bumi melalui tahap eliminasi bahan pengotor yang terlibat dalam proses pengolahan seperti bau tidak sedap, parafin, lumpur, warna, aspal serta sulfur dengan tujuan adalah untuk meningkatkan kualitas produk yang nantinya dihasilkan.

 

f. Proses pencampuran (blending process)

Tahap ini biasanya dilakukan pada tahap akhir pengolahan minyak bumi. Pada proses ini dilakukan peningkatan kualitas produk siap pakai dengan menambahkan bahan – bahan aditif ke dalam fraksi mniyak bumi. Salah satu contohnya adalah penggunaan TEL (Tetra Ethyl Lead) pada bensin yang yang dimaksudkan untuk meningkatkan bilangan oktan.

Gambar 1. Proses Pengolahan Minyak Bumi

 

Analisa Total Nitrogen pada Minyak Bumi

 

Nitrogen pada minyak Bumi diklasifikasikan sebagai nitrogen basic dan non-basic. Nitrogen basic meliputi senyawa turunan piridina seperti pyridine, quinoline, dan azapyrene, sedangkan nitrogen non-basic meliputi senyawa turunan pirol seperti indole, carbazole, dan tetrapriole. Senyawa Nitrogen lainnya terdapat dalam minyak bumi dalam keadaan berikatan dengan oksigen membentuk N1O1, N1O2, N2, N2O1, N1O3, dan N1O4. Penentuan senyawa – senyawa nitrogen dapat dilakukan dengan menggunakan alat GC-MS maupun HPLC. Namun secara mudah, total keseluruhan senyawa nitrogen dapat ditentukan dengan menggunakan metode kjeldahl sesuai Standard American Standard Testing and Materials (ASTM) nomor D3228-96.

Sedikit berbeda dengan uji kjeldahl pada umumnya, jika pada uji kjeldahl katalis yang umum digunakan adalah VCM, namun katalis yang digunakan untuk pengujian pada minyak bumi adalah tablet VST dengan salah satu kandungannya adalah logam selenium. Hal ini dikarenakan material yang terkandung pada minyak bumi jauh lebih kompleks dibandingkan material yang terkandung pada makanan, sehingga proses yang dilakukan bukanlah proses destruksi melainkan proses mineralisasi. Adapun tahapan analisa kjeldahl meliputi Mineralisasi, destilasi dan titrasi yang dapat dijelaskan sebagai berikut :

1.Tahap Mineralisasi

Pada tahap ini, direkomendasikan untuk menggunakan nitrogen free weighing boats sebagai wadah penimbangan sampel, hal ini untuk mencegah kontaminasi dan terembesnya minyak akibat gejala kapilaritas. Perlakuan yang diberikan pada tahap ini adalah penambahan reagen asam sulfat pekat (96 – 98 %), asam proksida 35% dan katalis VST yang dilanjutkan pada tahap pemanasan. Pemanasan untuk tahap ini dilakukan secara bertahap (ramp) yang dimulai pada suhu 100 °C dan dilanjutkan pada suhu 420 °C. Serangkaian proses ini bertujuan untuk memecah ikatan N – N dan N – O yang ada pada sampel sehingga dapat mempermudah proses yang selanjutnya dilakukan. Reaksi yang terjadi pada tahap ini adalah sebagai berikut.

Tahap ini dapat dilakukan dengan cara modern yaitu dengan menggunakan instrument maupun secara manual dengan menggunakan glassware. Namun jika tahap ini dilakukan secara manual, maka waktu yang dibutuhkan akan jauh lebih lama berkisar lebih dari 8 jam, sedangkan bila menggunakan Alat DKL/DK series waktu yang dibutuhkan hanya berkisar 5 jam. Hal ini karena waktu pencapaian suhu Alat DKL/DK series lebih cepat serta memiliki kestabilan yang lebih tinggi dibandingkan pemanas biasa. Selain itu, adanya SMS Scrubber dan resikulator pada tahap ini menjadikan penggunaan rangkaian Alat DKL/DK series lebih aman untuk Analis. Rangkaian Alat untuk tahap mineralisasi ditunjukkan pada Gambar 2.

                            JP Pump                              SMS Scrubber                                    DK/DKL Series                          

Gambar 2. Rangkaian Alat Tahap Mineralisasi

2.Tahap Destilasi

Hasil destruksi yang berupa cairan bening kemudian dilanjutkan pada proses destilasi. Pada tahap ini ammonium sulfat ((NH4)2SO4) akan diubah menjadi gas ammonia (NH3) dengan adanya penambahan larutan natrium hidroksida (NaOH) pekat yang disertai pemanasan pendinginan uap destilat. Gas ammonia yang dihasilkan akan ditangkap oleh Asam borat yang berfungsi sebagai larutan penerima (Receiver solution) sehinga larutan akan berubah warna dari merah menjadi biru dengan persamaan reaksi sebagai berikut :

Tahap ini dapat dilakukan secara konvensional dengan rangkaian alat glassware. Namun sistem ini sangat beresiko akan terjadinya kebocoran maupun kecelakaan kerja saat analisa berlangsung karena rangkaian alat yang mudah pecah. Selain itu, sistem glassware dapat menghabiskan waktu yang cukup lama untuk terkumpulnya semua destilat dan dikhawatirkan destilat yang dihasilkan yang kurang optimal. Namun semua masalah ini dapat dituntaskan dengan penggunaan instrument, karena :

a. Destilasi dapat berlangsung lebih cepat dengan waktu destilasi yang diperlukan hanya 5 menit;

b. Hasil destilasi yang bebas dari kontaminan;

c. Adanya pompa pendorong dapat mengoptimalkan destilat yang dihasilkan;

d. Lebih mudah dan praktik karena penambahan reagen dilakukan dengan menggunakan Alat;

e. Lebih aman untuk Analis dengan adanya safety guard pada Alat.

 

3.Tahap Titrasi

Tahap titrasi merupakan tahap akhir dari serangkaian metode kjeldahl. Pada tahap ini, larutan hasil proses destilasi dititrasi dengan larutan asam secara kolorimetri maupun potensiometri dengan persamaan reaksi sebegai berikut:

Pada titrasi kolorimetri, titrasi dilakukan hingga warna larutan titar berubah dari biru menjadi merah sedangkan pada potensiometri titrasi dihentikan secara otomatis jika titik ekuivalen telah tercapai. Titrasi kolorimetri dapat dilakukan secara konvensional dengan menggunakan buret glassware maupun secara modern dengan menggunakan instrument, sedangkan titrasi potensiometri hanya dapat dilakukan dengan menggunakan instrument. Namun, titrasi dengan menggunaan buret glassware bersifat subjektif baik dalam observasi warna maupun skala. Disamping itu, titrasi secara manual membutuhkan waktu lebih lama dibandingkan titrasi dengan menggunakan instrument serta harus melakukan perhitungan dengan menggunakan Rumus 1.

Keterangan :

V1 adalah volume asam yang digunakan pada titrasi sampel (mL);

V2 adalah volume asam yang digunakan pada titrasi blanko (mL);

N adalah Normalitas asam yang digunakan sebagai titran (N);

W adalah bobot sampel yang digunakan (g);

14.008 adalah massa atom relatif Nitrogen (g/mol);

f adalah faktor pengenceran.

 

Dari penjabaran diatas, uji kjeldahl pada analisa nitrogen lebih efisien dan lebih optimal jika dilakukan dengan menggunaan instrument dibandingkan cara konvensional yang menggunakan glassware. Oleh karena itu, penggunaan instrument lebih direkomendasikan untuk uji kjeldahl.

 

Referensi :

American Society for Testing and Materials. Standard Test Method D 3228-96 Total Nitrogen in Lubricating Oils and Fuel Oils by Modified Kjeldahl Method.

Jones, David S. J. 2014. Handbook of Petroleum Processing : Introduction to Crude Oil and Petroleum Processing. Calgary : Springer

Prado, Glaucia H.C., Yuan rao dan Arno de Klerk. 2017. Nitrogen Removal From Oil : A Review, Energy & Fuels, vol 31, 14 – 46

Barker, Colin. .1985. Developments in Petroleum Vol 17, Part A : Origin, Composition and Properties of Petroleum, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376736108705648

Pavlova, I Antoaneta, dkk. 2009. Determination of Total Nitrogen Content by different approches in petroleum matrices, fuel, vol 88, 27 – 30

Redaksi IlmuGeografi. 2020. Enam Proses Pengolahan Minyak Mentah Menjadi Minyak Bumi, https://ilmugeografi.com/ilmu-bumi/proses-pengolahan-minyak-mentah

Dincer, Ibrahim.dan Marc A Rosen. 2013. Exergy (Second Edition) Chapter 16 – Exergy Analyziz of Crude Oil Distillation Systems, Energy, Environment and Sustainable Dvelopment, 335 - 346

Previous Article

Analisis Coliform pada Air Limbah

Monday, 11 May 2020
VIEW DETAILS

Next Article

Moisture Analyzer untuk Kadar Padatan Total (Total Solid) dalam Cat

Tuesday, 26 May 2020
VIEW DETAILS