(in CATALYST TECHNOLOGY Lecture )
Instructor: Dr. Istadi (h (http://tekim.undip.ac.id/staf/istadi // ki di id/ f/i di ) Email:
[email protected]
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 y Process Design for Energy Conversion P D i f E C i y Combustion Engineering y Computational Fluid Dynamic (CFD)
Hubungan g Reaksi Kimia dan Katalis y bagaimanakah kita bisa tahu bahwa suatu katalis adalah y y y y y y
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 ki j kinerjanya d l dalam suatu t reaksi k i kimia? ki i ? bagaimanakah cara meregenerasi katalis agar bisa dipakai p kembali? Masih banyak lagi pertanyaan-pertanyaan yang timbul jika kita memikirkan tentang hubungan antara katalis dan reaksi kimia
A L IR A N F L U ID A
≅
A ktifita s b a h a n k im ia P e rm u ka a n a k tif sp e s ifik ya n g tin g g i P e lle t b e rp o ri
tas tifi Ak
Be ntu k
≅ ≅
Uk ur an ,
≅
D istrib u si a lira n P e n u ru n a n te ka n a n ya n g re n d a h K e ku a ta n m e ka n ik
PELET K A T A L IS
a sit ro Po s
Ke ku ata n
≅ ≅
A K T IF IT A S T IN G G I
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 : - sin te rin g - ra cu n ka ta lis - fo u lin g
Pertimbangan Komersialisasi Katalis y Terdapat banyak faktor yang menjadi pertimbangan oleh
g komersialisasi suatu vendor katalis dalam rangka katalis, y dan banyak data‐data eksperimen laboratorium diperlukan p untuk mencapai p kinerja j katalis yyang cukup g p menguntungkan untuk dikomersialisasikan. y Katalis untuk sebagian besar proses kimia dioptimasi berdasarkan pada beberapa pertimbangan, seperti: y y y y y
efisiensi proses, komposisi umpan spesifik, konfigurasi g reaktor, keselamatan (safety), dan kinerja katalis untuk pemakaian jangka panjang atau stabilitas katalis.
Prinsip‐Prinsip Dasar Pemilihan Katalis y Pemilihan katalis komersial adalah suatu proses yang
p j g, p informasi yyang penting gp g panjang, memerlukan beberapa yang tidak hanya diperoleh melalui pengujian skala lab y Aktifitas, selektifitas, stabilitas, kekuatan mekanik dari katalis dan faktor harga atau biaya menjadi kriteria penting dalam pemilihan katalis y Salah satu fitur paling penting dari sebuah katalis adalah kondisi proses y Dua parameter kunci di dalam desain katalis adalah temperatur dan tekanan (Jika sebuah katalis didesain untuk di dioperasikan ik pada d tekanan k tinggi, kemudian i i k di dioperasikan di ik pada tekanan 1 atm atau bahkan kondisi vakum, maka terjadilah penyimpangan hasil yang serius)
Komposisi Umpan y Komposisi umpan adalah sebuah parameter kunci dari suatu proses
kimia. y Jumlah umpan (misal J l h uap air di i di dalam d l ( i l steam reforming), rasio f i ) i reaktan, k dan/atau jenis bahan umpan dapat merupakan parameter kritis untuk kinerja sebuah katalis. y Penggunaan P alternatif l if bahan b h umpan dan d aliran li recycle dapat l d
menimbulkan racun bagi katalis dan mengakibatkan deaktivasi katalis. y Sebagai contoh, penggunaan umpan yang diambil dari beberapa lokasi
((misalnya l gas alam l ( (LNG)) adalah )) d l h tidak d k konsisten k k komposisinya yang sangat tergantung pada sumbernya. Komposisi etana, propana, atau butana adalah tidak sama untuk setiap lokasi, demikian juga dengan kandungan CO2 dan sulfurnya. sulfurnya y Namun demikian penggunaan campuran gas sintetik di laboratorium
juga selalu tidak merepresentasikan kondisi umpan yang sebenarnya
Mekanisme Reaksi Kimia y Bagaimana suatu proses sebenarnya beroperasi, menjadi
parameter yang penting dalam pemilihan suatu katalis. katalis y Dalam operasinya, terdapat beberapa interupsi proses yang terjadi j karena p penggantian gg umpan p dengan g bahan inert, 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
Catalyst Pretreatment Catalyst Pretreatment y Catalyst pretreatment atau dengan kata lain aktifasi katalis
juga memegang peranan penting dalam proses katalitik. 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. saja y Mengapa katalis perlu diaktifasi? Katalis perlu diaktifasi salah satunya y adalah agar fitur‐fitur g bilangan g atau keadaan oksidasi dari komponen aktif dapat dikendalikan sesuai yang diinginkan
Aktifitas Katalis y Aktifitas katalis adalah sangat penting, yang biasa y y y y
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 ,y g y dalam volume spesifik p ((bukan tertentu, yang dinyatakan massa spesifik). Kinetika katalis tentunya juga penting yang tergantung kepada p kondisi‐kondisi reaksi seperti p tekanan, temperatur, , p , laju pengadukan dan recycle, solvent, dan lain‐lain. Perlu diingat bahwa laju reaksi total ditentukan dari p katalis, bentuk/struktur katalis, porositas, dan p komposisi bahan tambahan
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 y
y y y
yang aktif seperti sulfat untuk membuat katalis jadi bersifat asam. 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, 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. 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 aktif dan mengontrol ukuran kristal. kristal 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.
Umur Katalis y Salah satu faktor kunci kinerja katalis adalah umur katalis. y Kadang‐kadang Kadang kadang engineers mengorbankan aktifitas dan
selektifitas katalis dengan menggunakannya melewati umur katalis. y Pengujian‐pengujian 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 dengan berlangsungnya waktu operasi, tetapi biasanya operator mengkompensasi deaktifasi katalis dengan menaikkan temperatur p atau memvariasi p parameter‐ 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
Bentuk Katalis y Bentuk katalis harus didesain agar bisa sesuai dengan ukuran reaktor. bed harus diusahakan agar penurunan tekanan y Untuk reaktor fixed fixed‐bed harus
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. y Reaktor k fluidized bed memerlukan fl d d b d l k bentuk b k katalis k l yang memungkinkan agar katalis mudah terfluidisasi, tentunya bentuk yang paling sesuai adalah bulat. 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
Biaya Fabrikasi Katalis y Biaya fabrikasi atau harga katalis juga merupakan parameter penting lainnya y
y
y
y
dalam p pemilihan katalis. 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. 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, pertimbangan tetapi juga bagaimana katalis itu digunakan dalam beberapa proses yang menentukan apakah katalis tersebut dapat diterima untuk menghasilkan suatu produk atau tidak
