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

Transkripsi

1 (in CATALYST TECHNOLOGY Lecture ) Instructor: Dr. Istadi ( id/ ) istadi@undip.ac.id

2 Instructor s t Background BEng. (1995): Universitas Diponegoro Meng. (2000): Institut Teknologi Bandung PhD. (2006): Universiti Teknologi Malaysia Specialization: Catalyst Design for Energy Conversion Process Design for Energy Conversion Combustion Engineering Computational Fluid Dynamic (CFD)

3 Hubungan Reaksi Kimia dan Katalis bagaimanakah kita bisa tahu bahwa suatu katalis adalah baik dan cocok untuk suatu reaksi kimia? bagaimana cara menyelidiki sifat-sifat suatu katalis? bagaimana cara membuat katalis? bagaimana kita bisa tahu bahwa suatu katalis masih baik? apakah hubungan antara sifat-sifat katalis dengan kinerjanya dalam suatu reaksi kikimia? i bagaimanakah cara meregenerasi katalis agar bisa dipakai kembali? Masih banyak lagi pertanyaan-pertanyaan yang timbul jika kita memikirkan tentang hubungan antara katalis dan reaksi kimia

4 ALIRAN FLUIDA AKTIFITAS TINGGI Distribusi aliran Penurunan tekanan yang rendah Kekuatan mekanik tuk Ukuran, Bentu Aktifitas Aktifitas bahan kimia Permukaan aktif spesifik yang tinggi Pellet berpori Kek ekuatan PELET KATALIS Porosita as Umur Panjang STABILITAS Tahan terhadap: - sintering - racun katalis - fouling

5

6 Pertimbangan Komersialisasi Katalis Terdapat banyak faktor yang menjadi pertimbangan oleh vendor katalis dalam rangka komersialisasi suatu katalis, dan banyak data data eksperimen laboratorium diperlukan untuk mencapai kinerja katalis yang cukup menguntungkan untuk dikomersialisasikan. Katalis untuk sebagian besar proses kimia dioptimasi berdasarkan pada beberapa pertimbangan, seperti: efisiensi proses, komposisi umpan spesifik, konfigurasi reaktor, keselamatan (safety), dan kinerja katalis untuk pemakaian jangka panjang atau stabilitas katalis.

7 Prinsip Prinsip Dasar Pemilihan Katalis Pemilihan katalis komersial adalah suatu proses yang panjang, memerlukan beberapainformasiyang gpenting yang tidak hanya diperoleh melalui pengujian skala lab Aktifitas, selektifitas, stabilitas, kekuatan mekanik dari katalis dan faktor hargaatau biaya menjadi kriteria penting dalam pemilihan katalis Salah satu fitur paling penting dari sebuah katalis adalah kondisi proses Dua parameter kunci di dalam desain katalis adalah temperatur dan tekanan (Jika sebuah katalis didesain untuk dioperasikanik pada tekanan tinggi, i kemudian dioperasikanik pada tekanan 1 atm atau bahkan kondisi vakum, maka terjadilah penyimpangan hasil yang serius)

8 Komposisi Umpan Komposisi umpan adalah sebuah parameter kunci dari suatu proses kimia. Jumlah uap air di dalam dl umpan (misal steam reforming), rasioreaktan, dan/atau jenis bahan umpan dapat merupakan parameter kritis untuk kinerja sebuah katalis. Penggunaan alternatif bh bahan umpan dan aliran recycle dapat menimbulkan racun bagi katalis dan mengakibatkan deaktivasi katalis. Sebagai contoh, penggunaan umpan yang diambil dari beberapa lokasi (misalnya gas alam (LNG)) adalah dlhtidak dkkonsisten komposisinya yang sangat tergantung pada sumbernya. Komposisi etana, propana, atau butana adalah tidak sama untuk setiap lokasi, demikian juga dengan kandungan CO2 dan sulfurnya. Namun demikian penggunaan campuran gas sintetik di laboratorium juga selalu tidak merepresentasikan kondisi umpan yang sebenarnya

9 Mekanisme Reaksi Kimia Bagaimana suatu proses sebenarnya beroperasi, menjadi parameter yang penting dalam pemilihan suatu katalis. Dalam operasinya, terdapat beberapa interupsi proses yang terjadi karena penggantian umpan dengan bahan inert, perubahan temperatur dari temperatur operasi dan temperatur kamar, atau perubahan perubahan bahan baku. Perubahan perubahan tersebut bisa menimbulkan deviasi kinerja katalis. Katalis komersial biasanya sudah dikondisikan sedemikian rupa sehingga lebih tahan terhadap beberapa interupsi/deviasi kondisi operasidari suatuproses

10 Catalyst Pretreatment Catalyst pretreatment atau dengan kata lain aktifasi katalis juga memegang peranan penting dalam proses katalitik. Aktifasi katalis ini merupakan langkah akhir dari proses pembuatan katalis. Katalis biasanya diaktifasi dengan menggunakan pereduksi atau pengoksidasi pada keadaan atmosfir, atau kadang kadang hanya dengan menaikkan temperatur saja. Mengapa katalis perlu diaktifasi? Katalis perlu diaktifasi salah satunyaadalah agar fitur fitur bilangan atau keadaan oksidasi dari komponen aktif dapat dikendalikan sesuai yang diinginkan

11 Aktifitas Katalis Aktifitas katalis adalah sangat penting, yang biasa dinyatakan dengan laju reaksi per satuan volume katalis yang terkait sekali dengan selektifitas katalis. Aktifitas katalis tidak hanya menyangkut jumlah situs aktif di dalam katalis, namun juga aktifitas seluruh situs di dalam volume bahan. Katalis biasanya dijual sesuai dengan ukuran reaktor tertentu, yang dinyatakan dalam volume spesifik (bukan massa spesifik). Kinetika katalis tentunya juga penting yang tergantung kepada kondisi kondisi reaksi seperti tekanan, temperatur, laju pengadukan dan recycle, solvent, dan lain lain. Perlu diingat bahwa laju reaksi total ditentukan dari komposisi katalis, bentuk/struktur katalis, porositas, dan bahan tambahan

12 Penggunaan Promoter Promoter dapat memberikan tambahan kinerja katalis dengan memodifikasi katalis asal. Promoter dapat berupa logam logam transisi atau logam mulia, ataupun anion anion yang aktif seperti sulfat untuk membuat katalis jadi bersifat asam. Promoter tersebut menjadi bahan tambahan yang dapat : menstabilisasi bilangan atau kekuatan oksidasi dari suatu katalis, mengoptimalisasi fasa atau struktur aktif dari bahan penyusun katalis, memberikan jalur alternatif untuk memfasilitasi reaksi, mengubah konsentrasi keadaan oksidasi dari fase aktif katalis, meningkatkan aktifitas atau selektifitas, menambah kekuatan mekanik dan mencegah sintering, meningkatkan luasan permukaan aktif dari katalis, ataupun mengubah tektur katalis. Proses penyiapan atau pembuatan katalis juga menentukan keaktifan dari promoter, misalnya dengan impregnasi, kopresipitasi, atau sol gel. Promoter struktur tertentu dapat ditambahkan untuk mengendalikan porositas katalis, memaksimalkan jumlah situs aktif, dan mengontrol ukuran kristal. Oksida asam juga dapat digunakan untuk menetralisasi komponen oksida basa di dalam katalis. Oksida oksida lainnya dapat juga mengendalikan struktur elektronik di situssitus aktif yang mempengaruhi proses adsorpsi reaktan ke permukaan situs aktif.

13 Umur Katalis Salah satu faktor kunci kinerja katalis adalah umur katalis. Kadang kadang engineers mengorbankan aktifitas dan selektifitas katalis dengan menggunakannya melewati umur katalis. Pengujian pengujian laboratorium tidak bisa digunakan untuk menguji umur katalis nyata, paling tidak hanya bisa tahu kecenderungan dari umur katalis. Kebanyakan katalis menunjukkan kehilangan aktifitas dengan berlangsungnya waktu operasi, tetapi biasanya operator mengkompensasi deaktifasi katalis dengan menaikkan temperatur atau memvariasi parameter parameter proses yang lain untuk mengubah yield produk. Kadang kadang promoter yang digunakan untuk menaikkan kekuatan mekanik bahkan bisa memblok situs aktif yang ada

14 Bentuk Katalis Bentuk katalis harus didesain agar bisa sesuai dengan ukuran reaktor. Untuk 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. 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. Reaktor fluidized d bed bdmemerlukan bentukkatalis yang memungkinkan agar katalis mudah terfluidisasi, tentunya bentuk yang paling sesuai adalah bulat. Penurunanporositas katalis juga mengakibatkan reaktan tidak bisa mencapai semua bagian katalis selama waktu tinggal di dalam reaktor, sehingga kekerasan pellet harus disesuaikan dengan porositas optimum

15 Biaya Fabrikasi Katalis Biaya fabrikasi atau harga katalis juga merupakan parameter penting lainnya dalam pemilihan katalis. Penggunaan logam logam mulia (seperti Pt, Rh, Ru, dan lain lain) mempunyai biaya fabrikasi lebih tinggi di atas level yang dapatditerimadibandingkan dengan logam logam transisi seperti Fe, Mn, Ti, dan lain lain. 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. 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. 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