Alvian S P (6211090) Ega Edwin P (6211110) Ginanjar K P (6211112)
Pemilihan Tipe/Bentuk dan Ukuran Katalis dalam Reaktor Berkatalis
Padatan
Pendahuluan
Di dalam industri kimia terdapat berbagai macam tipe reaktor kimia yang dioperasikan.Reaktor-reaktor kimia tersebut memiliki banyak kelebihan tersendiri, contohnya dalam mengatasi reaksi-reaksi yang terjadi dalam industri(nyata).Dasar-dasar perancangan reaktor ditentukan pada jenis reaksi yang berlangsung.Pada reaksi Homogen digunakan tipe reaktor batch,reaktor semi batch,RATB,dan RAP.Sedangkan pada reaksi-reaksi Heterogen digunakan reaktor-reaktor seperti fixed-bed reactor,trickle-bed reactor,atau moving-bed reactor.
Pada umumnya, dunia industri melakukan proses dengan menggunakan reaktor -reaktor heterogen .Reaktor heterogen atau reaktor multifasa adalah reaktor yang digunakan untuk mereaksikan komponen-komponen lebih dari satu fasa dan minimal terdapat 2 fasa.
Suatu reaksi memerlukan waktu yang cukup panjang untuk mencapai kesetimbangan.Oleh karena itu,dibutuhkan suatu katalis yang berguna untuk mempercepat kesetimbangan suatu reaksi. Dalam pemilihan katalis hendaknya tidak menggunakan katalis yang sulit ditemukan atau yang harganya mahal karena hal tersebut menyebabkan biaya proses menjadi mahal . Karena fungsinya yang sangat penting, maka penggunaan katalis menjadi kebutuhan yang sangat penting dalam berbagai industri. Kebutuhan akan katalis dalam berbagai proses industri cenderung mengalami peningkatan. Hal ini terjadi karena proses kimia yang menggunakan katalis cenderung lebih ekonomis.
Reaktor-reaktor yang umumnya merupakan suatu reaktor dengan katalis padatan adalah Fixed-Bed Reactor,Fluidized-Bed Reactor,slurry reactor,dan riser bed.Terdapat banyak
1
industry yang menggunakan reaktor-reaktor ini,contohnya pada pembuatan bahan bakar elemen nuklir dan produksi high bulk density.
Fixed-bed reaktor adalah jenis yang paling penting dari reaktor-reaktor yang telah ada untuk dapat menunjang sintesis kimia. Dalam suatu reaktor , reaksi berlangsung dengan katalis heterogen pada permukaan katalis yang disusun sebagai pipa dalam reaktor . Selain sintesis kimia yang berharga , reaktor fixed-bed semakin sering digunakan dalam beberapa industri penting yang menunjukkan peran vital penggunaannya .
Peranan penting penggunaan katalis dalam reaktor ini, seperti contoh meluapnya minyak yang sangat besar saat terjadinya perang dunia ke -2 , menjelaskan bahwa pengukuran ukuran katalis hingga menjadi seperti bubuk akan memperbesar luas permukaan dan membuat suatu reaksi berjalan lebih cepat.Oleh karena itu,didapatkan suatu estimasi baru dengan mengalirkan suatu katalis ini ke dalam aliran udara , akan membuat katalis bertindak seperti fluida.Reaktor yang beroperasi seperti tersebut merupakan Fluidized-Bed Reaktor.
Pembahasan Singkat dan Prinsip Dasar
Fluidized Bed Reactor (FBR) adalah reaktor katalitik yang menggunakan katalis padat yang terfluidisasikan. FBR menggunakan katalis yang bersifat heterogen, katalis tersebut digunakan dengan jumlah yang cukup banyak dan kemudian partikel katalis dialirkan dengan kecepatan yang cukup tinggi sehingga katalis tersebut dapat dianalogikan seperti fluida (fluidisasi). Fluidisasi bertujuan agar pengadukan atau pencampuran umpan dengan katalis berlangsung dalam tiap sudut reaktor.FBR mampu menampung banyak aliran umpan dan katalis dalam prosesnya , karena pada umumnya FBR berukuran sangat besar.
Katalis pada FBR biasanya berbentuk padatan, biasanya berbentuk seperti pasir. Ukuran katalis pada FBR biasanya berukuran 10-300 microns, dengan tujuan agar partikel katalis dapat mudah difluidisasikan. Apabila ukuran katalis yang digunakan terlalu besar partikel akan sulit difluidisasikan disebabkan massa katalis yang terlalu berat , sehingga katalis tidak dapat mengalir saat umpan atau reaktan dialirkan. .
2
Berikut merupakan contoh – contoh ukuran beberapa katalis padatan :
Pemilihan tipe/bentuk dan ukuran katalis yang keliru pada reactor berkatalis padatan akan menyebabkan chanelling . Suatu kolom akan mengalami fluidiasasi dengan baik bila bed yang ada dalam kolom tersebut tidak mengalami channeling .berikut merupakan sedikit penjelasan mengenai chanelling :
Channeling
Channeling adalah kondisi abnormal yang ditemui pada proses fluidisasi, yaitu karakter aliran abnormal yang ditunjukkan dengan terbentuknya aliran kecil dari liquid yang berada diantara tumpukan bed. Hal ini disebabkan karena aliran fluida yang melewati tumpukan bed tersebut terlalu besar.Kondisi channeling pada reactor dan regenerator fixed bed akan sulit untuk bisa kembali dari kondisi minimum fluidization state ke fixed bed state meskipun aliran dari fluida telah dikurangi.
Gambar : Tipikal kondisi channeling pada bed padatan Timbulnya
channeling pada suatu proses aplikasi fluidisasi sangat berpengaruh pada hasil reaksi. Akibat dari channeling maka kepadatan dari suatu bed tidak homogen. Karena ada sebagian dari katalis yang tidak mengalami kontak secara baik dengan fluida sehingga hasil yang diperoleh tidak optimal. Selain itu, akan terjadi ketidakseragaman ukuran katalis yang telah mengalami kontak dengan fluida.
3
Efek lainnya yang timbul adalah terjadinya perbedaan yang besar antara local space velocity di dalam bed dengan over all space velocity yang telah direncanakan. Akibat perbedaan dari space velocity yang besar ini maka akan timbul perubahan suhu yang tidak menentu yang akhirnya berpengaruh pada usia katalis yang pendek.atau diluar yang telah direncanakan. Pada proses carbon burn off di regenerator, umumnya memerlukan waktu yang lama. Pada proses ini, temperatur harus dikontrol dengan benar yaitu pada bagian reactor inlet temperature dijaga antara 700 – 750 F dan pada bagian reactor outlet temperature dijaga maksimal 850 oF . Bila temperatur tidak dijaga pada batas maksimalnya maka akan terjadi kerusakan pada katalis, katalis akan tidak stabil sehingga lifetimenya berkurang.
Pada proses yang tidak melibatkan reaksi, seperti pada proses pengeringan padatan, yang mana pada proses ini hanya terjadi mass transfer, kontak yang tidak homogen akan mengakibatkan ketidakefisienan dalam operasinya dan akan membutuhkan design peralatan yang lebih besar.
Kecenderungan untuk terjadi channeling pada bed solid umumnya dapat diindikasi dengan rendahnya pressure drop selama proses fluidisasi berlangsung. Perbedaan pressure drop secara teori dan pressure drop hasil pengamatan dilapangan dapat digunakan sebagai tolak ukur awal untuk menduga adanya channeling di bed Beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya channeling, yaitu antara lain :
1. Size Distribution (ukuran padatan katalis)
2. Shape and Density of Solid (bentuk dan densitas dari padatan katalis) 3. Chamber Diameter (diameter ruang terjadinya fluidisasi)
4. Design of gas-inlet device 5. Moisture content of the solid
Channeling terjadi pada bed katalis synthetis pada proses cracking yang memiliki ukuran kurang dari 10 micron dengan kecepatan aerasi sampai dengan 1 fps (feed persecond). Untuk material yang sama, tapi ukuran materialnya 25 micron dan dengan kecepatan yang sama, akan membentuk agregat kecil berbentuk bola. Pada saat ukuran material ditingkatkan menjadi 40 micron, fluidisasi tanpa adanya channeling berlangsung pada saat kecepatan gas 0,01 fps. Hal
ini menunjukkan bahwa ukuran dari padatan katalis dan kecepatan aliran fluida mempengaruhi terbentuk atau tidaknya channeling pada bed saat proses fluidisasi berlangsung.
Fixed Bed Reactor atau Packed Bed Reactor (PBR) menggunakan katalis heterogen seperti halnya FBR , namun katalis yang digunakan tidak difluidisasikan, melainkan katalis yang digunakan dipadatkan atau dengan kata lain tidak terpengaruh oleh arus dari umpan . Proses yang terjadi pada PBR merupakan kebalikan dari proses yang terjadi pada FBR. Umpan akan lebih banyak melakukan kontak pada katalis karena katalis mengikuti gaya gravitasi sehingga umpan harus melewati celah-celah yang ada pada katalis. Dalam pemilihan katalis PBR ada hal-hal yang harus diperhatikan, seperti:
1. Umur aktif katalis, merupakan lama katalis yang dapat dipakai sebelum diregenerasi atau diganti dengan yang baru.
2. Bentuk dan ukuran katalis. Katalis yang digunakan pada PBR biasanya berbentuk granular dan berukuran 1-5 mm.
3. Pressure Loss. Proses penggunaan katalis yang mengalir pada industri umumnya menyebabkan hilang tekan, hilangnya tekanan pada flow system yang membuat pompa atau compressor bekerja lebih keras untuk menghasilkan laju yang diinginkan.
Biasanya katalis yang digunakan pada PBR merupakan gabungan dari senyawa nikel, tembaga, platinum, atau rhodium.Berikut merupakan contoh – contoh jenis/bentuk beberapa katalis padatan :
Aspek Teknis Pengoperasian/Perancangan
Note FBCR : Fixed-Bed Catalytic Reactor
Pertimbangan karakteristik dalam pemilihan partikel dan katalis dalam reaktor Fixed-bed reactor :
Komposisi kimia : aktivitas katalis
Sifat-sifat fisika : ukuran ,bentuk ,densitas, dan porositas Bentuk katalis : silinder ,bola ,dan plat
Volume reaktor Densitas bulk Rongga katalis
Sedangkan dalam reaktor fluidized-bed , aliran cairan diarahkan melalui partikel dengan kecepatan di atas ' fluidisasi kecepatan minimum ' . Ini adalah kecepatan di mana penurunan tekanan sama dengan berat partikel per unit permukaan dan terangkat oleh unggun. Tingkat penyelesaian tetes sebagai fraksi padatan pada bed meningkat , dan akibatnya kecepatan fluidisasi minimum jauh lebih rendah dari kecepatan pengendapan partikel tunggal . Desain sistem seperti dalam hal kecepatan cairan yang cukup ini tidak terlalu sulit , tetapi dalam reaktor jenis ini ukuran dan kepadatan agregat atau partikel akan tergantung pada pertumbuhan dan kondisi hidrodinamik yang sangat sulit untuk diprediksi secara akurat . Perluasan atau kecepatan fluidisasi minimum sangat sensitif terhadap dua parameter tersebut . Hal ini menghasilkan suatu sistem yang kompleks ditambah tidak mudah dijelaskan secara akurat . Namun, jika partikel pendukung agak berat dan langkah-langkah yang diambil untuk ketebalan film stabil , operasi yang baik dan desain yang mudah akan mungkin dilakukan .Oleh karena hal tersebut , perancangan dapat dilakukan dengan cara substrat dilewatkan keatas melalui katalis secara dinamik dengan kecepatan yang cukup tinggi untuk mengangkat partikel . Namun, kecepatan tidak harus tinggi sehingga katalis dapat terangkat dari reaktor seluruhnya. Hal ini menyebabkan beberapa pencampuran terangkat naik yang terlihat seperi model piston - aliran dalam fixed-bed reactor , tetapi terjadi pencampuran sempurna seperti pada model CSTR Jenis reaktor ini sangat ideal untuk reaksi yang sangat eksoterm karena menghilangkan hot-spot yang terbentuk , karena massa dan karakteristik perpindahan panas berjalan dengan cepat dan efektif.
Gambar 1
Sebuah reaktor fluidized -bed terdiri dari tiga bagian utama (Gambar 1 ) :
1. Tempat masuk gas atau distributor bagian gas fluidisasi di bagian bawah, pada dasarnya pelat logam berlubang yang memungkinkan masuknya gas melalui sejumlah lubang ;
2. Fluidized - bed sendiri , terkecuali operasi dalam adiabatik , termasuk permukaan perpindahan panas untuk mengontrol T ;
3. Pada bagian freeboard terletak diatas bed ,terdapat ruang kosong untuk memungkinkan pelepasan partikel padat dari aliran , pada bagian tersebut dapat digunakan siklon untuk membantu dalam pemisahan gas - padat .
Sebuah model reaktor fluidized-bed menggabungkan model hidrodinamika gelembung dan aliran emulsi. Berbagai model hidrodinamik yang digunakan sebagai model reaktor tergantung pada aliran dan kondisi pencampuran dalam bed .
1. Jika reaksi sangat lambat , atau waktu tinggal melalui tempat tidur sangat pendek , maka pilihan model hidrodinamika tidak penting .
2. Namun, untuk reaksi yang sangat cepat , atau jika waktu kontak sangat panjang , transfer massa, lokasi padat , dan sifat pencampuran dan aliran dalam masing-masing daerah menjadi penting .
Contoh Aplikasi Nyata dalam Industri
Fluidized bed dan Fixed-bed reactor umumnya digunakan untuk metode cracking pada batu bara dan minyak bumi. Katalis yang digunakan berupa senyawa alumina (biasanya alumunium klorida), katalis ini mampu memutuskan rantai karbon panjang pada batubara serta minyak bumi. Namun katalis ini mengalami deaktivasi dikarenakan deposit coke yang dihasilkan selama proses cracking berlangsung.
Katalis yang sudah terdeaktivasi sulit untuk diregenerasi .Oleh karena itu diperlukan proses tambahan untuk mengurangi coke yang dihasilkan agar waktu aktif katalis menjadi lebih lama. Pada Fixed bed reactor, coke yg terdeposit dibakar lalu katalis yang telah digunakan dialirkan ke converter lain untuk diregenerasi, namun produkm yang dihasilkan kurang efesien dikarenakan ukuran partikel katalis terlampau besar, sehingga untuk memperoleh konversi yang maksimum digunakan fluidized reactor. Fluidized reactor menggunakan katalis yang berukuran lebih kecil dibanding fixed bed reactor, sehingga dengan luas permukaan yang lebih besar bisa didapatkan produk dengan konversi lebih baik dibandingkan dengan fixed bed reaktor.
Pustaka : http://www.umich.edu/~elements/probsolv/tentypes/hetero/page2.htm http://www.engin.umich.edu/dept/che/kinetics/asyLearn/bits/pbr/index.htm http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2009/4798/pdf/eig16.pdf http://jbrwww.che.wisc.edu/home/jbraw/chemreacfun/ch7/slides-masswrxn.pdf http://www.engin.umich.edu/dept/che/kinetics/asyLearn/bits/pbr/index.htm http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/IMMOB/fluidized-bed.htm http://www.umich.edu/~elements/12chap/html/FluidizedBed.pdf http://www.metal.ntua.gr/~pkousi/e-learning/bioreactors/page_10.htm http://jbrwww.che.wisc.edu/home/jbraw/chemreacfun/ch7/slides-masswrxn.pdf http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2009/4798/pdf/eig16.pdf http://xa.yimg.com/kq/groups/20870728/548165220/name/CATALYTIC.pdf www.chemguide.co.uk
CD-ROM FOGLER 4TH EDITION https://www.google.com/url?
sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=39&cad=rja&ved=0CFsQFjAIOB4&url=http %3A%2F%2Fseminar.uny.ac.id%2Fsemnasmipa%2Fsites%2Fseminar.uny.ac.id.semnasmipa %2Ffiles%2Fpaper%2FKimia%2FDewi%2520Yuanita%2520Lestari%2C%2520M.
%2520Sc.-Makalah_semnas%2520mipa%25202012_Dewi%2520Yuanita.docx&ei=IQ-fUrSRIMumrQfrnICYDw&usg=AFQjCNE2nv0XBChRBzIMb5xnugCoFGNpJg&sig2=7AA znQzOZQleL5DF72y3ng&bvm=bv.57155469,d.bmk
