TEKNIK REAKSI KIMIA III DEACTIVATION CATALYST REACTOR, SLURRY REACTOR DAN PEMILIHAN REAKTOR PADA JUDUL PABRIK PDF

Preview

Summary

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 UNIVERSITA...

Description

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 ...