TEKNIK REAKSI KIMIA III DEACTIVATION CAT
UPN VETERAN JAWA TIMUR
UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL
“VETERAN”
JAWA TIMUR
PAPER – TEKNIK REAKSI KIMIA III
DEACTIVATION CATALYST REACTOR, SLURRY REACTOR
DAN PEMILIHAN REAKTOR PADA JUDUL PABRIK
Disusun oleh :
HASAN DJADID ASSEGAFF
NPM 1431010056
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL“VETERAN” JAWA TIMUR
SURABAYA
2017
Pemilihan Tipe/Bentuk dan Ukuran Katalis dalam Reaktor Berkatalis
•
Di
Padatan
Pendahuluan
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 komponenkomponen 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 FixedBed Reactor ,Fluidized-Bed Reactor ,slurry reactor,dan riser bed.Terdapat banyak 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. .
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.
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
•
Bentuk katalis : silinder ,bola ,dan plat
•
Densitas bulk
•
Sifat-sifat fisika : ukuran ,bentuk ,densitas, dan porositas
•
Volume reaktor
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 langkahlangkah 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
memungkinkan
logam
berlubang
masuknya
gas
yang
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.
•
Reaktor untuk Reaksi Heterogen
Multi Bed Reactor
Konsep:
Katalisator diisi lebih dari satu tumpuk katalisator.
Mekanisme Kerja :
Jika reaksi yang terjadi sangat eksotermis pada konversi yang masih kecil
sedangkan suhu gas sudah naik sampai lebih tinggi dari suhu maksimum yang
diperbolehkan untuk katalisator, maka gas harus di dinginkan terlebih dahulu
kedalam heat exchanger diluar reactor untuk di dinginkan dan selanjutnya
dialirkan kembali ke reaktor melalui tumpukan katalisator kedua, bila keadaan
yang sama terjadi maka dilakukan hal yang sama yangitu pendinginan dengan
heat exchanger.
Keuntungan :
Sangat tepat untuk penggunaan pada kondisi yang tidak terlalu eksotermik
maupun endotermik
Aplikasi :
1. Reaksi ammonia
2. Reaksi cumene
Gambar: Multiple-Bed Reactor
•
Multiple Tube Reactor
✓ Konsep
Pipa-pipa(tubes) diisi oleh partikel kecil yang berperan sebagai katalis. Pemilihan
rekator ini digunakan di mana reaktor membutuhkan transfer panas.
✓ Mekanisme Kerja
Reaksi berjalan di dalam tube-tube yang berisi katalis sedangkan pemanas maupun
pendingin berada di luar tube di dalam shell.
✓ Keuntungan
1. Luas area permukaan tempat terjadi pertukaran panas sangat baik
2. Tepat untuk penggunaan pada keadaan reaksi yang sangat eksotermik maupun
endotermik
✓ Aplikasi
1. Preparation of phthalic anhydride (PA)
2. Acrylic acid
3. Methacrylic acid (MAA)
SLURRY REACTOR
Reaktor slurry tiga reaktor fase (padat / cair / gas). Digambarkan di bawah adalah reaktor slurry
digunakan dalam produksi produk polyethylene.
(Copyright INEOS Technologies, United Kingdom)
INFORMASI UMUM
Reaktor slurry adalah reaktor tiga fase, yang berarti mereka dapat digunakan untuk bereaksi padat,
cair, dan gas secara bersamaan. Reaktor ini biasanya terdiri dari katalis (padat) tersuspensi dalam
cairan, melalui mana gas ditiupkan. Mereka dapat beroperasi baik secara semi-batch ataupun
kontinu.
CONTOH PENGGUNAAN
Reaktor slurry adalah reaktor yang paling sering digunakan ketika reaktan cair harus terkontak
dengan katalis padat, dan ketika reaksi memiliki panas reaksi yang tinggi . Reaktor ini dapat
digunakan dalam aplikasi seperti hidrogenasi, oksidasi, hydroformation, dan ethynylation. Reaktor
yang ditunjukkan pada di bawah ini adalah reaktor hidrogenasi fase slurry.
KEUNTUNGAN
•
•
•
•
•
Kontrol suhu yang baik.
Baik dalam pemulihan panas.
Konstan aktivitas katalitik dipertahankan dengan mudah dengan penambahan sejumlah kecil
katalis.
Berguna untuk katalis yang tidak dapat pelet.
Kapasitas panas dari reaktor bertindak sebagai fitur keamanan terhadap ledakan.
KEKURANGAN
•
•
•
•
Reaktor dapat tersumbat.
Ketidakpastian dalam proses desain.
Menemukan cairan yang cocok mungkin sulit.
Rasio yang lebih tinggi dari cairan katalis dibandingkan reaktor lainnya.
PABRIK DIAMMONIUM PHOSPHATE DARI ASAM
PHOSPHATE DAN AMMONIA DENGAN PROSES
VACUUM CRYSTALLIZER
Uraian Proses
Asam fosfat dan amoniak dari tangki penyimpanan bahan baku diumpankan menuju reaktor. Asam
fosfat diumpankan pada suhu 30oC dan tekanan 1 atm, sedangkan amoniak dari tangki peluru
(bullet tank) t\diumpankan melalui sparger pada suhu 30oC dan tekanan 20 psia. Di dalam reactor
terjadi reaksi amoniasi asam fosfat menjadi monoammonium phosphate yang berlangsung pada
suhu 80oC.
Reaksi yang terjadi adalah :
H3PO4(l) + NH3(g) (NH4)2HPO4(s)
(NH4)2HPO4(s) + NH3(G) (NH4)2HPO4(s) (nptel, 2010)
Reaksi ini bersifat ekso termis sehingga dibutuhkan jaket pendingin dengan menggunakan media
air pendingin.
Produk yang keluar reactor berupa slurry dengan pH 5,5 dipompa menuju ke evaporator. Uap air
yang keluar dari evaporator dialirkan ke dalam barometric kondensor untuk diubah dari fase uap
menjadi fase liquid. Uap air yang terkondensasi dipompa dengan jet ejector untuk menurunkan
tekanan dalam evaporator sehingga terjadi vacuum sebesar 0,13 atm.
Slurry yang keluar mengandung 33% air, 46% Kristal moniammonium phosphate , dan
21% kristal ammonium phosphate, kemudian dipompa menuju kristalizer dengan suhu 100OC .
Media pendingin menggunakan air pendingin yang diambil dari unit utilitas. Gas NH 3 diumpankan
ke dalam kristalizer menggunakan sparger. Penambahan gas NH dihentikan apabila pH slurry
mecapai 6. Tujuan dari penambahan gas NH3 ini adalah untuk mengamoniasi slurry sehingga
terjadi kenaikan perbandingan jumlah mol NH3 : (NH4) H2PO4 sebesar 1 untuk merubah Kristal
monoammonium phosphate menjadi diammonium phosphate . Produk keluar dari kristalizer
diumpankan ke centrifuge untuk memisahkan antara kristal diammonium phosphate dengan
mother liquornya. Mother liquor yang terbentuk ditampung di dalam tangki penampungan menjadi
pupuk diammonium phosphate cair untuk dijual.
Kristal diammonium phosphate dibawa oleh screw conveyor menuju rotary dryer untuk
dikurangi kadar airnya dengan bantuan udara panas yang dialirkan secara berlawanan arah, dimana
udara panas berasar dari udara bebas yang dihembuskan oleh blower dan dipanaskan dengan heater
hingga mencapai suhu 125oC. Udara panas dan padatan terikut kemudian dipisahkan pada cyclone,
dimana udara panas diserap dengan air proses pada scrubber sebelum dibuang ke udara bebas dank
e pengolahan limbah cair, sedangkan padatan terpisah diumpankan bersamaan dengan peroduk
dryer ke cooling conveyor untuk didinginkan sampai suhu kamar (30 oC).
Kristal diammonium phosphate diumpankan menggunakan bucket elevator menuju ball
mill untuk diseragamkan ukuran partikelnya sebesar 20 mesh. Kristal diammonium phosphate dari
ball mill masuk scree untuk diayak, partikel oversize direcycle menuju ball mill sedangkan partikel
undersize menuju ke bagian pengemasan produk diammonium phosphate.
Pemilihan Reaktor
Pada reactor, perbandingan jumlah mol NH3 : H3PO4 adalah sebesar 1 : 13 . Hal ini
bertujuan agar didapat kelarutan amoniak pada kondisi maksimum sehingga memaksimalkan
amoniak yang tidak bereaksi. Jenis reactor yang digunakan adalah mixed flow.
DAFTAR PUSTAKA
Pamungkas, Ginanjar :
https://www.academia.edu/9009626/Pemilihan_Tipe_Bentuk_dan_Ukuran_Katalis_dalam_Reak
tor_Berkatalis_Padatan
Rachmaniar, Rizka :
https://www.academia.edu/12929577/MacamMacam_Reaktor_Natural_Gas_Reforming_Downst
ream_Process
http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/Reactors/Slurry/Slurry.html
TUGAS TEKNIK REAKSI KIMIA III
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVER“ITA“ PEMBANGUNAN NA“IONAL VETERAN JAWA TIMUR
UPN VETERAN JAWA TIMUR
UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL
“VETERAN”
JAWA TIMUR
UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL
“VETERAN”
JAWA TIMUR
PAPER – TEKNIK REAKSI KIMIA III
DEACTIVATION CATALYST REACTOR, SLURRY REACTOR
DAN PEMILIHAN REAKTOR PADA JUDUL PABRIK
Disusun oleh :
HASAN DJADID ASSEGAFF
NPM 1431010056
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL“VETERAN” JAWA TIMUR
SURABAYA
2017
Pemilihan Tipe/Bentuk dan Ukuran Katalis dalam Reaktor Berkatalis
•
Di
Padatan
Pendahuluan
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 komponenkomponen 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 FixedBed Reactor ,Fluidized-Bed Reactor ,slurry reactor,dan riser bed.Terdapat banyak 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. .
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.
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
•
Bentuk katalis : silinder ,bola ,dan plat
•
Densitas bulk
•
Sifat-sifat fisika : ukuran ,bentuk ,densitas, dan porositas
•
Volume reaktor
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 langkahlangkah 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
memungkinkan
logam
berlubang
masuknya
gas
yang
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.
•
Reaktor untuk Reaksi Heterogen
Multi Bed Reactor
Konsep:
Katalisator diisi lebih dari satu tumpuk katalisator.
Mekanisme Kerja :
Jika reaksi yang terjadi sangat eksotermis pada konversi yang masih kecil
sedangkan suhu gas sudah naik sampai lebih tinggi dari suhu maksimum yang
diperbolehkan untuk katalisator, maka gas harus di dinginkan terlebih dahulu
kedalam heat exchanger diluar reactor untuk di dinginkan dan selanjutnya
dialirkan kembali ke reaktor melalui tumpukan katalisator kedua, bila keadaan
yang sama terjadi maka dilakukan hal yang sama yangitu pendinginan dengan
heat exchanger.
Keuntungan :
Sangat tepat untuk penggunaan pada kondisi yang tidak terlalu eksotermik
maupun endotermik
Aplikasi :
1. Reaksi ammonia
2. Reaksi cumene
Gambar: Multiple-Bed Reactor
•
Multiple Tube Reactor
✓ Konsep
Pipa-pipa(tubes) diisi oleh partikel kecil yang berperan sebagai katalis. Pemilihan
rekator ini digunakan di mana reaktor membutuhkan transfer panas.
✓ Mekanisme Kerja
Reaksi berjalan di dalam tube-tube yang berisi katalis sedangkan pemanas maupun
pendingin berada di luar tube di dalam shell.
✓ Keuntungan
1. Luas area permukaan tempat terjadi pertukaran panas sangat baik
2. Tepat untuk penggunaan pada keadaan reaksi yang sangat eksotermik maupun
endotermik
✓ Aplikasi
1. Preparation of phthalic anhydride (PA)
2. Acrylic acid
3. Methacrylic acid (MAA)
SLURRY REACTOR
Reaktor slurry tiga reaktor fase (padat / cair / gas). Digambarkan di bawah adalah reaktor slurry
digunakan dalam produksi produk polyethylene.
(Copyright INEOS Technologies, United Kingdom)
INFORMASI UMUM
Reaktor slurry adalah reaktor tiga fase, yang berarti mereka dapat digunakan untuk bereaksi padat,
cair, dan gas secara bersamaan. Reaktor ini biasanya terdiri dari katalis (padat) tersuspensi dalam
cairan, melalui mana gas ditiupkan. Mereka dapat beroperasi baik secara semi-batch ataupun
kontinu.
CONTOH PENGGUNAAN
Reaktor slurry adalah reaktor yang paling sering digunakan ketika reaktan cair harus terkontak
dengan katalis padat, dan ketika reaksi memiliki panas reaksi yang tinggi . Reaktor ini dapat
digunakan dalam aplikasi seperti hidrogenasi, oksidasi, hydroformation, dan ethynylation. Reaktor
yang ditunjukkan pada di bawah ini adalah reaktor hidrogenasi fase slurry.
KEUNTUNGAN
•
•
•
•
•
Kontrol suhu yang baik.
Baik dalam pemulihan panas.
Konstan aktivitas katalitik dipertahankan dengan mudah dengan penambahan sejumlah kecil
katalis.
Berguna untuk katalis yang tidak dapat pelet.
Kapasitas panas dari reaktor bertindak sebagai fitur keamanan terhadap ledakan.
KEKURANGAN
•
•
•
•
Reaktor dapat tersumbat.
Ketidakpastian dalam proses desain.
Menemukan cairan yang cocok mungkin sulit.
Rasio yang lebih tinggi dari cairan katalis dibandingkan reaktor lainnya.
PABRIK DIAMMONIUM PHOSPHATE DARI ASAM
PHOSPHATE DAN AMMONIA DENGAN PROSES
VACUUM CRYSTALLIZER
Uraian Proses
Asam fosfat dan amoniak dari tangki penyimpanan bahan baku diumpankan menuju reaktor. Asam
fosfat diumpankan pada suhu 30oC dan tekanan 1 atm, sedangkan amoniak dari tangki peluru
(bullet tank) t\diumpankan melalui sparger pada suhu 30oC dan tekanan 20 psia. Di dalam reactor
terjadi reaksi amoniasi asam fosfat menjadi monoammonium phosphate yang berlangsung pada
suhu 80oC.
Reaksi yang terjadi adalah :
H3PO4(l) + NH3(g) (NH4)2HPO4(s)
(NH4)2HPO4(s) + NH3(G) (NH4)2HPO4(s) (nptel, 2010)
Reaksi ini bersifat ekso termis sehingga dibutuhkan jaket pendingin dengan menggunakan media
air pendingin.
Produk yang keluar reactor berupa slurry dengan pH 5,5 dipompa menuju ke evaporator. Uap air
yang keluar dari evaporator dialirkan ke dalam barometric kondensor untuk diubah dari fase uap
menjadi fase liquid. Uap air yang terkondensasi dipompa dengan jet ejector untuk menurunkan
tekanan dalam evaporator sehingga terjadi vacuum sebesar 0,13 atm.
Slurry yang keluar mengandung 33% air, 46% Kristal moniammonium phosphate , dan
21% kristal ammonium phosphate, kemudian dipompa menuju kristalizer dengan suhu 100OC .
Media pendingin menggunakan air pendingin yang diambil dari unit utilitas. Gas NH 3 diumpankan
ke dalam kristalizer menggunakan sparger. Penambahan gas NH dihentikan apabila pH slurry
mecapai 6. Tujuan dari penambahan gas NH3 ini adalah untuk mengamoniasi slurry sehingga
terjadi kenaikan perbandingan jumlah mol NH3 : (NH4) H2PO4 sebesar 1 untuk merubah Kristal
monoammonium phosphate menjadi diammonium phosphate . Produk keluar dari kristalizer
diumpankan ke centrifuge untuk memisahkan antara kristal diammonium phosphate dengan
mother liquornya. Mother liquor yang terbentuk ditampung di dalam tangki penampungan menjadi
pupuk diammonium phosphate cair untuk dijual.
Kristal diammonium phosphate dibawa oleh screw conveyor menuju rotary dryer untuk
dikurangi kadar airnya dengan bantuan udara panas yang dialirkan secara berlawanan arah, dimana
udara panas berasar dari udara bebas yang dihembuskan oleh blower dan dipanaskan dengan heater
hingga mencapai suhu 125oC. Udara panas dan padatan terikut kemudian dipisahkan pada cyclone,
dimana udara panas diserap dengan air proses pada scrubber sebelum dibuang ke udara bebas dank
e pengolahan limbah cair, sedangkan padatan terpisah diumpankan bersamaan dengan peroduk
dryer ke cooling conveyor untuk didinginkan sampai suhu kamar (30 oC).
Kristal diammonium phosphate diumpankan menggunakan bucket elevator menuju ball
mill untuk diseragamkan ukuran partikelnya sebesar 20 mesh. Kristal diammonium phosphate dari
ball mill masuk scree untuk diayak, partikel oversize direcycle menuju ball mill sedangkan partikel
undersize menuju ke bagian pengemasan produk diammonium phosphate.
Pemilihan Reaktor
Pada reactor, perbandingan jumlah mol NH3 : H3PO4 adalah sebesar 1 : 13 . Hal ini
bertujuan agar didapat kelarutan amoniak pada kondisi maksimum sehingga memaksimalkan
amoniak yang tidak bereaksi. Jenis reactor yang digunakan adalah mixed flow.
DAFTAR PUSTAKA
Pamungkas, Ginanjar :
https://www.academia.edu/9009626/Pemilihan_Tipe_Bentuk_dan_Ukuran_Katalis_dalam_Reak
tor_Berkatalis_Padatan
Rachmaniar, Rizka :
https://www.academia.edu/12929577/MacamMacam_Reaktor_Natural_Gas_Reforming_Downst
ream_Process
http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/Reactors/Slurry/Slurry.html
TUGAS TEKNIK REAKSI KIMIA III
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVER“ITA“ PEMBANGUNAN NA“IONAL VETERAN JAWA TIMUR
UPN VETERAN JAWA TIMUR
UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL
“VETERAN”
JAWA TIMUR