(in CATALYST TECHNOLOGY Lecture ) Instructor: Dr. Istadi.

(1)

(in CATALYST TECHNOLOGY Lecture )

Instructor: Dr. Istadi

(h

// ki

di

id/

f/i

di )

(http://tekim.undip.ac.id/staf/istadi )

Email: [email protected]

(2)

I t

t ’ B k

d

Instructor’s Background

y

BEng. (1995): Universitas Diponegoro

y

Meng. (2000): Institut Teknologi Bandung

y

PhD. (2006): Universiti Teknologi Malaysia

y

Specialization:

y _{Catalyst Design for Energy Conversion} P D i f E C i y _{Process Design for Energy Conversion} y Combustion Engineering y _{Computational Fluid Dynamic (CFD)} y _{Computational Fluid Dynamic (CFD)}

(3)

Hubungan Reaksi Kimia dan Katalis

g

y bagaimanakah kita bisa tahu bahwa suatu katalis adalah baik dan cocok untuk suatu reaksi kimia?

y bagaimana cara menyelidiki sifat-sifat suatu katalis?

y bagaimana cara membuat katalis?

y bagaimana kita bisa tahu bahwa suatu katalis masih

y bagaimana kita bisa tahu bahwa suatu katalis masih baik?

y apakah hubungan antara sifat-sifat katalis dengan

ki j d l t k i ki i ?

kinerjanya dalam suatu reaksi kimia?

y bagaimanakah cara meregenerasi katalis agar bisa dipakai kembali?p

y Masih banyak lagi pertanyaan-pertanyaan yang timbul jika kita memikirkan tentang hubungan antara katalis dan reaksi kimia

(4)

A K T IF IT A S T IN G G I A L IR A N F L U ID A A tuk ≅ A k tifita s b a h a n k im ia ≅ P e rm u k a a n a k tif s p e s ifik y a n g tin g g i ≅ P e lle t b e rp o ri A K T IF IT A S T IN G G I A L IR A N F L U ID A ≅ D is trib u s i a lira n ≅ P e n u ru n a n te k a n a n y a n g re n d a h ≅ K e k u a ta n m e k a n ik A kti fita_s Uku ran , B en tu P o ro sit_a eku ata n U P E L E T K A T A L IS a_s Ke k U m u r P a n ja n g S T A B IL IT A S T a h a n te rh a d a p : - s in te rin g - ra c u n k a ta lis - fo u lin gfo u lin g

(5)

(6)

Pertimbangan Komersialisasi Katalis

y Terdapat banyak faktor yang menjadi pertimbangan oleh vendor katalis dalam rangka komersialisasi suatug

katalis,

y dan banyak data‐data eksperimen laboratorium diperlukan untuk mencapai kinerja katalis yang cukupp p j y g p menguntungkan untuk dikomersialisasikan.

y Katalis untuk sebagian besar proses kimia dioptimasi berdasarkan pada beberapa pertimbangan, seperti:

y efisiensi proses,

y komposisi umpan spesifik,

y konfigurasi reaktor, g

y keselamatan (safety),

y dan kinerja katalis untuk pemakaian jangka panjang atau

(7)

Prinsip‐Prinsip Dasar Pemilihan Katalis

y Pemilihan katalis komersial adalah suatu proses yang panjang, memerlukan beberapa informasi yang penting

p j g, p y g p g

yang tidak hanya diperoleh melalui pengujian skala lab

y Aktifitas, selektifitas, stabilitas, kekuatan mekanik dari

katalis dan faktor harga atau biaya menjadi kriteria penting katalis dan faktor harga atau biaya menjadi kriteria penting dalam pemilihan katalis

y Salah satu fitur paling penting dari sebuah katalis adalah kondisi proses

kondisi proses

y Dua parameter kunci di dalam desain katalis adalah

temperatur dan tekanan (Jika sebuah katalis didesain untuk

di ik d k i i k di di ik

dioperasikan pada tekanan tinggi, kemudian dioperasikan pada tekanan 1 atm atau bahkan kondisi vakum, maka

(8)

Komposisi Umpan

y Komposisi umpan adalah sebuah parameter kunci dari suatu proses kimia.

J l h i di d l ( i l f i ) i k

y Jumlah uap air di dalam umpan (misal steam reforming), rasio reaktan, dan/atau jenis bahan umpan dapat merupakan parameter kritis untuk kinerja sebuah katalis.

P l if b h d li l d

y Penggunaan alternatif bahan umpan dan aliran recycle dapat

menimbulkan racun bagi katalis dan mengakibatkan deaktivasi katalis.

y Sebagai contoh, penggunaan umpan yang diambil dari beberapa lokasi

( l l ( )) d l h d k k k

(misalnya gas alam (LNG)) adalah tidak konsisten komposisinya yang sangat tergantung pada sumbernya. Komposisi etana, propana, atau butana adalah tidak sama untuk setiap lokasi, demikian juga dengan kandungan CO2 dan sulfurnya

kandungan CO2 dan sulfurnya.

y Namun demikian penggunaan campuran gas sintetik di laboratorium juga selalu tidak merepresentasikan kondisi umpan yang sebenarnya

(9)

Mekanisme Reaksi Kimia

y Bagaimana suatu proses sebenarnya beroperasi, menjadi parameter yang penting dalam pemilihan suatu katalis parameter yang penting dalam pemilihan suatu katalis.

y Dalam operasinya, terdapat beberapa interupsi proses yang terjadi karena penggantian umpan dengan bahan inert, j p gg p g

perubahan temperatur dari temperatur operasi dan temperatur kamar, atau perubahan‐perubahan bahan baku

baku.

y Perubahan‐perubahan tersebut bisa menimbulkan deviasi kinerja katalis.

y Katalis komersial biasanya sudah dikondisikan sedemikian rupa sehingga lebih tahan terhadap beberapa

interupsi/deviasi kondisi operasi dari suatu proses interupsi/deviasi kondisi operasi dari suatu proses

(10)

Catalyst Pretreatment

y Catalyst pretreatment atau dengan kata lain aktifasi katalis juga memegang peranan penting dalam proses katalitik juga memegang peranan penting dalam proses katalitik.

y Aktifasi katalis ini merupakan langkah akhir dari proses pembuatan katalis.

p

y Katalis biasanya diaktifasi dengan menggunakan pereduksi atau pengoksidasi pada keadaan atmosfir, atau kadang‐

kadang hanya dengan menaikkan temperatur saja kadang hanya dengan menaikkan temperatur saja.

y Mengapa katalis perlu diaktifasi? Katalis perlu diaktifasi salah satunya adalah agar fitur‐fitur bilangan atau keadaany g g oksidasi dari komponen aktif dapat dikendalikan sesuai yang diinginkan

(11)

Aktifitas Katalis

y Aktifitas katalis adalah sangat penting, yang biasa

dinyatakan dengan laju reaksi per satuan volume katalis dinyatakan dengan laju reaksi per satuan volume katalis yang terkait sekali dengan selektifitas katalis.

y Aktifitas katalis tidak hanya menyangkut jumlah situs aktif di dalam katalis, namun juga aktifitas seluruh situs di

di dalam katalis, namun juga aktifitas seluruh situs di dalam volume bahan.

y Katalis biasanya dijual sesuai dengan ukuran reaktor

tertentu, yang dinyatakan dalam volume spesifik (bukan, y g y p ( massa spesifik).

y Kinetika katalis tentunya juga penting yang tergantung

kepada kondisi‐kondisi reaksi seperti tekanan, temperatur, p p , p , laju pengadukan dan recycle, solvent, dan lain‐lain.

y Perlu diingat bahwa laju reaksi total ditentukan dari

komposisi katalis, bentuk/struktur katalis, porositas, danp p bahan tambahan

(12)

Penggunaan Promoter

y Promoter dapat memberikan tambahan kinerja katalis dengan memodifikasi katalis asal.

y Promoter dapat berupa logam‐logam transisi atau logam mulia, ataupun anion‐anion yang aktif seperti sulfat untuk membuat katalis jadi bersifat asam.

y Promoter tersebut menjadi bahan tambahan yang dapat :

y menstabilisasi bilangan atau kekuatan oksidasi dari suatu katalis,

y mengoptimalisasi fasa atau struktur aktif dari bahan penyusun katalis,

y memberikan jalur alternatif untuk memfasilitasi reaksi,

y mengubah konsentrasi keadaan oksidasi dari fase aktif katalis

y mengubah konsentrasi keadaan oksidasi dari fase aktif katalis,

y meningkatkan aktifitas atau selektifitas,

y menambah kekuatan mekanik dan mencegah sintering,

y meningkatkan luasan permukaan aktif dari katalis,

y ataupun mengubah tektur katalis

y ataupun mengubah tektur katalis.

y Proses penyiapan atau pembuatan katalis juga menentukan keaktifan dari promoter, misalnya dengan impregnasi, kopresipitasi, atau sol‐gel.

y Promoter struktur tertentu dapat ditambahkan untuk mengendalikan porositas katalis, memaksimalkan jumlah situs aktif dan mengontrol ukuran kristal

memaksimalkan jumlah situs aktif, dan mengontrol ukuran kristal.

y Oksida asam juga dapat digunakan untuk menetralisasi komponen oksida basa di dalam katalis. Oksida‐oksida lainnya dapat juga mengendalikan struktur elektronik di situs‐ situs aktif yang mempengaruhi proses adsorpsi reaktan ke permukaan situs aktif.

(13)

Umur Katalis

y Salah satu faktor kunci kinerja katalis adalah umur katalis.

y Kadang kadang engineers mengorbankan aktifitas dan

y Kadang‐kadang engineers mengorbankan aktifitas dan selektifitas katalis dengan menggunakannya melewati umur katalis.

y Pengujian pengujian laboratorium tidak bisa digunakan

y Pengujian‐pengujian laboratorium tidak bisa digunakan untuk menguji umur katalis nyata, paling tidak hanya bisa tahu kecenderungan dari umur katalis.

y Kebanyakan katalis menunjukkan kehilangan aktifitas

y Kebanyakan katalis menunjukkan kehilangan aktifitas dengan berlangsungnya waktu operasi, tetapi biasanya operator mengkompensasi deaktifasi katalis dengan menaikkan temperatur atau memvariasi parameter‐p p

parameter proses yang lain untuk mengubah yield produk.

y Kadang‐kadang promoter yang digunakan untuk

menaikkan kekuatan mekanik bahkan bisa memblok situs aktif yang ada

(14)

Bentuk Katalis

y Bentuk katalis harus didesain agar bisa sesuai dengan ukuran reaktor.

y Untuk reaktor fixed‐bed harus diusahakan agar penurunan tekananUntuk reaktor fixed bed harus diusahakan agar penurunan tekanan sepanjang reaktor tidak terlalu besar dengan cara membuat katalis dengan bentuk yang lebih langsing dan kecil dibandingkan dengan bentuk pelet.

y Untuk hal ini terdapat kajian‐kajian yang berkaitan dengan external and internal diffusion limitation agar ukuran katalis bisa sesuai dengan ukuran reaktor tanpa mengorbankan penurunan tekanan.

k fl d d b d l k b k k l

y Reaktor fluidized bed memerlukan bentuk katalis yang

memungkinkan agar katalis mudah terfluidisasi, tentunya bentuk yang paling sesuai adalah bulat.

y Penurunan porositas katalis juga mengakibatkan reaktan tidak bisa

y Penurunan porositas katalis juga mengakibatkan reaktan tidak bisa mencapai semua bagian katalis selama waktu tinggal di dalam reaktor, sehingga kekerasan pellet harus disesuaikan dengan porositas

optimum optimum

(15)

Biaya Fabrikasi Katalis

y Biaya fabrikasi atau harga katalis juga merupakan parameter penting lainnya dalam pemilihan katalis. p

y Penggunaan logam‐logam mulia (seperti Pt, Rh, Ru, dan lain‐lain) mempunyai biaya fabrikasi lebih tinggi di atas level yang dapat diterima dibandingkan

dengan logam‐logam transisi seperti Fe, Mn, Ti, dan lain‐lain.

y Penggunaan katalis homogen mungkin bisa menaikkan aktifitas dan situs

y Penggunaan katalis homogen mungkin bisa menaikkan aktifitas dan situs aktif, tetapi cenderung terdapat kesulitan dalam pemisahan dan perolehan kembali katalis setelah dipakai, sehingga juga bisa menaikkan biaya.

y Aktifitas katalis biasanya tergantung pada densitas situs aktif (dispersi logam, kandungan logam, densitas situs asam, dan lain‐lain) yang bisa berkurang

selama proses pembuatannya atau bahkan bisa menurunkan jumlah situs aktif per berat katalis.

y Dalam hal ini tidak hanya jenis katalis saja yang menjadi bahan pertimbangan Dalam hal ini tidak hanya jenis katalis saja yang menjadi bahan pertimbangan, tetapi juga bagaimana katalis itu digunakan dalam beberapa proses yang

menentukan apakah katalis tersebut dapat diterima untuk menghasilkan suatu produk atau tidak