MAKALAH REAKTOR FIXED BED TEKNIK REAKSI KIMIA
Disusun oleh : Kelompok 5 : 1. ‘Aisyah Nur’Aini 2. Andrian Sularso 3. Faradila Ardhining T. 4. M. Faiz Hardiansyah
I8313001 I8313003 I8313020 I8313032
PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2015
BAB I PENDAHULUAN Reaktor adalah suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi berlangsung, baik itu reaksi kimia atau nuklir dan bukan secara fisika. Dengan terjadinya reaksi inilah suatu bahan berubah ke bentuk bahan lainnya, perubahannya ada yang terjadi secara spontan alias terjadi dengan sendirinya atau bisa juga butuh bantuan energi seperti panas (contoh energi yang paling umum). Perubahan yang dimaksud adalah perubahan kimia, jadi terjadi perubahan bahan bukan fase misalnya dari air menjadi uap yang merupakan reaksi fisika. Beberapa jenis reaktor kimia khusus:
Reaktor gelembung Reaktor jenis ini banyak digunakan pada proses industri kimia dengan reaksi yang sangat lambat, proses produksi yang menggunakan mikroba (biorektor) dan juga pada unit pengolahan limbah secara biologis menggunakan lumpur aktif.
Fixed bed reactor Reaktor Fixed Bed adalah reaktor dengan menggunakan katalis padat yang diam dan zat pereaksi berfase gas. Butiran-butiran katalisator yang biasa dipakai dalam reaktor fixed bed adalah katalisator yang berlubang di bagian tengah, karena luas permukaan persatuan berat lebih besar jika dibandingkan dengan butiran katalisator berbentuk silinder, dan aliran gas lebih lancar. Bentuk reaktor Fixed Bed dapat dibagi menjadi : 1. Reaktor dengan satu lapis tumpukan katalisator (Single Bed) Sebagai penyangga katalisator dipakai butir-butir alumunia (bersifat inert terhadap zat pereaksi) dan pada dasar reaktor disusun dari butir yang besar makin keatas makin kecil, tetapi pada bagian atas katalisator disusun dari butir kecil makin keatas makin besar. 2. Multi bed 1
Katalisator diisi lebih dari satu tumpuk katalisator, fixed bed dengan katalisator lebih dari satu tumpuk banyak dipakai dalam proses adiabatik.
Fluidized bed reactor Merupakan tempat landasan suatu partikel yang pemasangan gasnya naik melalui suatu titik pencapaian dengan peningkatan laju alir gas pada steam sehingga menimbulkan percepatan aliran gas masuk dan menghubungkan percepatan fluidized minimum. Tujuan dari penggunaan reaktor ini adalah: Untuk memprediksikan penurunan konversi pada pencampuran di dalam reaktor.
Slurry reactor Reaktor slurry biasa digunakan untuk mereaksikan liquid atau larutan yang mengandung reaktan dengan katalis padatan. Supaya transfer massa dan pengadaan katalis efektif digunakan katalis berbentuk granular atau serbuk antara 0,05-1mm (0,02-0,039 in), sebagai batas minimum agar dapat difiltrasi. Diameter yang kecil digunakan dengan tujuan memperbesar luas permukaan. Reaktor ini berisi partikel padat.
Reaktor membran Reaktor membran adalah sistem reaktor baru yang mengkombinasikan pemisahan dengan membran dan reaksi kimia. Reaktor membran memiliki dua tipe, yaitu reaktor membran packed-bed dan reaktor membran katalitik. Reaktor membran dengan katalis packed-bed memiliki area pemisahan yang terpisah dari area reaksi, sedangkan pada reaktor membran katalitik, reaksi dan pemisahan terjadi secara simultan.
2
BAB II TEORI II.1 Pengertian Reaktor Fixed Bed Reaktor Fixed Bed merupakan suatu reaktor yang mana katalis berdiam di dalam reaktor bed. Di dalam reaktor, katalis ditopang oleh suatu struktur catalyst support berupa perforated tray dengan tambahan lapisan inert semacam ceramic balls dengan diameter bervariasi sesuai dengan ukuran partikel katalis baik di sisi terbawah maupun di lapisan teratas bed katalisator. Secara spesifik, reaktor fixed bed yang ada di unit pengolahan minyak bumi dirancang oleh vendor berdasarkan kebutuhan proses. Struktur internal reaktor pun berbeda dari vendor satu dengan lainnya. Karena sifatnya yang sangat spesifik, perancangan reaktor itu sendiri biasanya juga terkait dengan lisensor prosesnya, misalnya perancangan reaktor fixed bed untuk unicracking akan berbeda dengan perancangan reaktor fixed bed untuk MSDW Lube Catalytic Dewaxing. Hal ini terkait dengan kebutuhan proses, terutama terkait dengan kebutuhan katalis yang sangat spesifik tergantung pada vendornya masingmasing. Meskipun demikian, secara umum bagian-bagian internal reaktor tetap sama, hanya saja tiap lisensor proses maupun vendor reaktor tersebut memiliki typical design masing-masing yang diharapkan mampu mengoptimalkan fungsi dari reaktor tersebut. Bagian utama dari sebuah reaktor fixed bed adalah reaktor vessel, reaktor internals, katalisator, inert dan graded katalisator. 1.
Reaktor vessel Merupakan bagian yang menyediakan tempat bagi katalis dan tempat berlangsungnya kontak antara minyak umpan dan katalis yang kemudian terjadi reaksi. Reaktor vessel dirancang dengan dasar perancangan pressure vessel (ASME BPVC Section VIII Division 2). Kunci dari perancangan reaktor vessel ini adalah pemilihan material, allowable working pressure,
3
dimensi dan ketebalan dinding vessel. Reaktor fixed bed biasanya digunakan untuk umpan (pereaktan) yang mempunyai viskositas kecil. 2.
Reaktor Internal Selain reaktor vessel, struktur internal reaktor juga sangat menunjang optimalnya kinerja dari sistem reaksi yang terjadi di dalam reaktor tersebut. Beberapa kata kunci seperti distribusi umpan, distribusi panas, fouling, distribusi lapisan katalisator, dan juga temperatur reaksi merupakan beberapa hal yang mewakili peran dari struktur internal reaktor tersebut. Secara umum struktur internal terdiri atas feed distributor, distribution tray, scale basket, quench distributor, collector ring, inert and catalyst graded.
3.
Katalisator Katalisator merupakan salah satu hal vital dalam sistem reaksi di dalam reaktor. Pasalnya, pada perancangan reaktor semua variabel proses ditentukan oleh physical properties dan kebutuhan reaksi dari katalisator. Misalnya batasan pressure drop untuk reaksi maupun regenerasi tidak boleh melebihi crushing strength dari partikel katalisator. Begitu halnya dengan temperatur. Temperatur dibatasi dengan melting point komponen penyusun katalisator.
4.
Inert dan Catalytst Graded Pada bed katalisator, inert balls diletakkan di bagian atas dan bawah katalisator. Di bagian atas katalisator, inert balls berfungsi meredam energi tumbukan dari aliran umpan guna menjaga distribusi katalisator di dalam bed katalisator. Di bagian bawah bed katalisator, inert balls berfungsi sebagai support untuk menopang katalisator dan juga menjaga agar katalisator tidak ikut mengalir keluar bed katalisator bersama aliran umpan. Graded katalisator merupakan partikel-partikel yang ditambahkan di atas ataupun di bawah katalisator di dalam bed katalisator yang memiliki fungsifungsi tertentu sesuai komposisinya. Fungsi graded katalisator antara lain sebagai treatment awal, menahan deposit, menyerap logam, dan lain-lain. Beberapa jenis graded katalisator ditambahkan ke dalam bed katalisator guna mengoptimalkan aktivitas katalisator.
4
II.2 Kelebihan dan Kekurangan Reaktor Fixed Bed Kelebihan Reaktor Fixed Bed o Dapat digunakan untuk mereaksikan dua macam gas sekaligus, o Kapasitas produksi cukup tinggi, o Pemakaian tidak terbatas pada kondisi reaksi tertentu (eksoterm atau endoterm) sehingga pemakaian lebih fleksibel, o Aliran fluida mendekati plug flow, sehingga dapat diperoleh hasil konversi yang tinggi, o Pressure drop rendah, o Oleh karena adanya hold-up
yang tinggi, maka menghasilkan
pencampuran radial yang lebih baik dan tidak ditemukan pembentukan saluran (channeling), o Pemasokan katalis per unit volume reaktor besar, o Hold up liquid tinggi, o Katalis benar-benar dibasahi, o Kontrol temperature lebih baik, o Transfer massa gas-liquid lebih tinggi daripada reaktor trickle bed karena interaksi gas-liquid lebih besar. Kekurangan Reaktor Fixed Bed o Resistansi difusi intra partikel sangat besar, o Nilai transfer massa dan transfer panas rendah, o Pemindahan katalis sangat sulit dan memerlukan shut down alat, o Konversi lebih rendah, o Ada kemungkinan terjadi reaksi samping homogen pada liquid.
II.3 Macam-macam Reaktor Fixed Bed 5 Bentuk reaktor fixed bed dapat dibagi menjadi : 1. Single Bed Sebagai penyangga katalisator dipakai butir-butir alumunia (bersifat inert terhadap zat pereaksi) dan pada dasar reaktor disusun dari butir yang besar makin keatas makin kecil, tetapi pada bagian atas katalisator disusun dari butir kecil makin keatas makin besar. 2. Multi tube
Katalisator diisi lebih dari satu tumpuk katalisator, fixed bed dengan katalisator lebih dari satu tumpuk banyak dipakai dalam proses adiabatik. Jika reaksi yang terjadi sangat eksotermis pada konversi yang masih kecil suhu gas sudah naik sampai lebih tinggi dari suhu maksimum yang diperbolehkan untuk katalisator, maka gas harus di dinginkan terlebih dahulu kedalam alat penukar panas diluar reaktor untuk di dinginkan dan selanjutnya dialirkan kembali ke reaktor melalui tumpukan katalisator kedua, jika konversi gas yang keluar dari tumpukan kedua belum mencapai yang direncanakan, tetapi suhu gas sudah lebih tinggi dari yang diperbolehkan maka dilakukan pendinginan lagi dengan mengalirkan gas kea lat penukar panas kedua kemudian di kembalikan ke reaktor yang masuk melalui tumpukan katalisator ketiga dan seterusnya sampai diperoleh konversi yang diinginkan. Jika reaksi bersifat endotermis maka penukar panas diluar reactor dapat digunakan untuk pemanas gas reaksi. 3. Multi bed Reaksi katalitik umumnya dilakukan dalam reaktor unggun tetap, karena kesederhanaan teknologi dan operasi. Kesederhanaan ini jelas untuk adiabatik reaktor, tetapi ketika panas penting dari reaksi yang terlibat, pertukaran panas mungkin lebih, untuk operasi yang optimal, untuk menghindari landasan pacu dan deaktivasi katalis. Jadi perpindahan panas sangat sering masalah utama yang dihadapi dalam desain reaktor unggun tetap. Tiga kelas penting dari reaktor non adiabatik adalah sebagai berikut: Multiband reaktor adiabatik dengan pertukaran panas antara mengarah ke
profil suhu gelombang non-sinusoidal. Reaktor dengan internal yang penukar panas multitublar.. Dua terakhir umumnya lebih disukai6untuk reaktor adiabatik multibed saat sangat reaksi eksotermik atau endotermik berlangsung, atau ketika optimum profil suhu yang diinginkan. Aspek lain adalah penurunan tekanan melalui tempat tidur. Dalam rangka untuk membatasi, lebih besar partikel katalis dapat digunakan, namun keterbatasan difusi juga akan meningkat. Klasifikasi model: Reaktor unggun tetap pada dasarnya dijelaskan oleh kontinum jenis model, tetapi sel model telah dikembangkan untuk menjelaskan struktur dua fase reaktor. Kebanyakan reaksi katalitik adalah reaksi aliran aksial klasik, paling. Model diandalkan adalah model kontinum klasik.
7
BAB III DESAIN UMUM
single bed – fixed bed reactor
Multitube fixed bed reactor
8
BAB IV CONTOH KASUS
Bahan bakar minyak, dewasa ini telah menjadi kebutuhan primer bagi masyarakat. Bahan bakar minyak yang dijual yang dapat digunakan oleh masyarakat biasanya dalam beberapa komponen nafta yang memiliki nilai oktan yang rendah. Untuk meningkatkan nilai oktan digunakan beberapa senyawa seperti TEL dan MTBE. TEL sudah tidak digunakan lagi karena kandungan timbal yang dapat membahayakan jaringan otak. Seiring dengan meningkatnya perkembangan dan tuntutan kesehatan dan lingkungan hidup, penelitian yang bertujuan meningkatkan bilangan oktan dengan mengindahkan unsur
safety
dan
lingkungan
menghasilkan
sebuah
senyawa
yang
mempunyai potensi meningkatkan bilangan oktan yaitu ETBE (Ethyl ter-butyl ether). ETBE diperoleh dari hasil reaksi antara TBA (tert-butyl alcohol)dan etanol. Reaktor berjalan pada fase cair dalam sebuah fixed bed reactor. Persamaan reaksi pebuatan ETBE adalah sebagai berikut :
TBA
+
Etanol
ETBE
+
Water
Pada pembuatan Ethyl Tertiary Butyl Ether (ETBE) dari isobutylene dan ethanol di pabrik berdasarkan Tugas Akhir Perancangan Pabrik Ethyl Tertiary Butyl Ether (ETBE) Dari Isobutylene dan Ethanol dengan Kapasitas 100.000 Ton per Tahun oleh Citra Kartika Asri (I 1505008) dan Robert Ari Kristanto (I 1505019) digunakan reaktor fixed bed multitube. Reaktor tipe fixed bed multitube digunakan untuk tempat berlangsungnya reaksi antara isobutylene dan ethanol membentuk ETBE. Kondisi operasi pada suhu 50 oC dan tekanan 7 atm.
9
Secara umum, proses pembuatan ETBE dari ethanol dan isobutylene melalui 4 tahapan : 1.
Tahap penyimpanan bahan baku Bahan baku isobutylene yang terkandung dalam campuran C4 disimpan dalam tangki isobutylene yang berbentuk silinder horizontal pada kondisi cair dengan suhu 30oC dan tekanan 5 atm. Sedangkan bahan baku ethanol disimpan dalam tangki ethanol yang berbentuk silinder tegak pada konsdisi cair dengan suhu 30oC.
2. Tahap penyaluran bahan baku
Isobutylene dipompa menuju preheater untuk dipanaskan. Kemudian ethanol feed dan ethanol recycle dari menara destilasi dipompa menuju preheater untuk dipanaskan. Ethanol dan isobutylene dengan perbandingan 1:1 mengalir menuju reaktor. 3.
Tahap pembentukan produk Reaksi terjadi pada fase cair pada suhu 50oC dan tekanan 7 atm dengan katalis amberlyst 15 wet. Reaksi yang terjadi bersifat eksotermis cair-cair dengan katalis padat karena itu digunakan reaktor fixed bed multitube (R) dengan pendingin isotermal non adiabatis. Produk keluaran berupa cairan dengan komposisi ETBE dengan konversi mencapai 90%, sisa reaktan, dan campuran C4.
4.
Tahap pemurnian produk Produk dari reaktor fixed bed multitube dialirkan ke menara destilasi untuk dipisahkan dari fraksi ringan sisa reaktan dan campuran C4. Hasil atas menara destilasi berupa sisa reaktan isobutylene, campuran C4, dan sedikit ETBE. Sedangkan hasil bawah menara destilsi adalah ETBE, ethanol, dan air. Hasil bawah ini akan diturunkan tekanannya menjadi 1 atm dengan throtling valve kemudian dialirkan ke menara destilasi kedua. Di menara destilasi kedua, ETBE dipisahkan dengan etanol. Hail atas dari menara destilasi kedua adalah ETBE. Sedangkan hasil bawah berupa ethanol, air, dan sedikit ETBE lalu 10
dialirkan ke menara destilasi ketiga. Di menara destilasi ketiga, ETBE dipisahkan dari ethanol dan air. Hasil atas berupa ethanol yang akan di recycle ke aliran menuju reaktor. Hasil bawah berupa air dan sedikit ethanol. Spesifikasi reaktor fixed bed multitube : Diameter luar tube
: 0,0381 m
Diameter dalam tube : 0,0312 m Jumlah tube
: 1391 buah
Triangular pitch
: 0,0476 m
Diameter dalam shell : 2 m Tinggi
:5,9292 m
Tebal shell
: 0,01 m
Tebal head
: 0,022 m
Jarak baffle
: 0,5 m
Waktu tinggal reaktor : 7,81 detik Jumlah
:1
Spesifikasi Produk : Ethyl Tertiary Butyl Ether (ETBE) Fase
: cair
Kemurnian
: 97,5 %
Impuritas %
: ethanol 2,2% dan n-C4H10 0,0006 %
Suhu
: 30OC
Tekanan
: 1 atm
Spesifikasi Bahan Pembantu (Katalis) Katalis Amberlist-15wet Bentuk
: porous spherical beads
Diameter
: 0,06 cm
Bulk density
: 0,875 g/cm3
Porositas
: 0,36
11
Diagram Alir Proses Pembuatan ETBE 12
DAFTAR PUSTAKA Asri,Kartika Citra dkk. 2010. “Tugas Akhir Perancangan Pabrik Ethyl Tertiary Butyl Ether(ETBE) Dari Isobutylene dan Ethanol dengan Kapasitas 100.000 Ton per Tahun”. NN. 2012. “Fixed Bed Reaktor”. Diakses di (http://refinersnotes.blogspot.com/2012/11/fixed-bed-reactor-basic-design.html).
David. 2014. “Perbedaan fludized bed dan fix bed”. Diakses (http://davitchemicalz.blogspot.com/2014/03/perbedaan-fludized-bed-dan-fixbed.html).
