(in CATALYST TECHNOLOGY  Lecture )

Instructor: Dr. Istadi(h // ki di id/ f/i di )(http://tekim.undip.ac.id/staf/istadi )

Email: istadi@undip.ac.id

I t t ’ B k dInstructor’s Background

BEng. (1995): Universitas DiponegoroMeng. (2000): Institut Teknologi BandungPhD. (2006): Universiti Teknologi Malaysia

Specialization: Catalyst Design for Energy ConversionP  D i  f  E  C iProcess Design for Energy ConversionCombustion EngineeringComputational Fluid Dynamic (CFD)Computational Fluid Dynamic (CFD)

Hubungan Reaksi Kimia dan Katalisgbagaimanakah kita bisa tahu bahwa suatu katalis adalahbaik dan cocok untuk suatu reaksi kimia?bagaimana cara menyelidiki sifat-sifat suatu katalis?bagaimana cara membuat katalis?bagaimana kita bisa tahu bahwa suatu katalis masihbagaimana kita bisa tahu bahwa suatu katalis masihbaik?apakah hubungan antara sifat-sifat katalis denganki j d l t k i ki i ?kinerjanya dalam suatu reaksi kimia?bagaimanakah cara meregenerasi katalis agar bisadipakai kembali?pMasih banyak lagi pertanyaan-pertanyaan yang timbuljika kita memikirkan tentang hubungan antara katalis danreaksi kimiareaksi kimia

A KTIFITAS TING G IALIRAN FLUIDA

Atuk

≅ Aktifitas bahan kim ia≅ Perm ukaan aktif spesifik

yang tinggi≅ Pellet berpori

A KTIFITAS TING G IALIRAN FLU IDA≅ D istribusi a liran≅ Penurunan tekanan yang

rendah≅ Kekuatan m ekanik Aktifitas

Ukura

n, B

entu

Porositaek

uata

n

UPELET

KATALIS

asKe

k

U m ur Panjang

STABILITASTahan terhadap:

- sin tering- racun katalis- fou lingfouling

Pertimbangan Komersialisasi Katalis

Terdapat banyak faktor yang menjadi pertimbangan olehvendor katalis dalam rangka komersialisasi suatugkatalis, dan banyak data‐data eksperimen laboratoriumdiperlukan untuk mencapai kinerja katalis yang cukupp p j y g pmenguntungkan untuk dikomersialisasikan. Katalis untuk sebagian besar proses kimia dioptimasiberdasarkan pada beberapa pertimbangan, seperti: 

efisiensi proses, komposisi umpan spesifik, konfigurasi reaktor, gkeselamatan (safety), dan kinerja katalis untuk pemakaian jangka panjang ataustabilitas katalis.

Prinsip‐Prinsip Dasar Pemilihan Katalis

Pemilihan katalis komersial adalah suatu proses yang panjang, memerlukan beberapa informasi yang pentingp j g, p y g p gyang tidak hanya diperoleh melalui pengujian skala labAktifitas, selektifitas, stabilitas, kekuatan mekanik darikatalis dan faktor harga atau biaya menjadi kriteria pentingkatalis dan faktor harga atau biaya menjadi kriteria pentingdalam pemilihan katalisSalah satu fitur paling penting dari sebuah katalis adalah kondisi proses kondisi proses Dua parameter kunci di dalam desain katalis adalahtemperatur dan tekanan (Jika sebuah katalis didesain untukdi ik d k i i  k di di ikdioperasikan pada tekanan tinggi, kemudian dioperasikanpada tekanan 1 atm atau bahkan kondisi vakum, makaterjadilah penyimpangan hasil yang serius)

Komposisi UmpanKomposisi umpan adalah sebuah parameter kunci dari suatu proseskimia. J l h i  di d l ( i l   f i )   i k  Jumlah uap air di dalam umpan (misal steam reforming), rasio reaktan, dan/atau jenis bahan umpan dapat merupakan parameter kritis untukkinerja sebuah katalis. P l if b h d li l  dPenggunaan alternatif bahan umpan dan aliran recycle dapatmenimbulkan racun bagi katalis dan mengakibatkan deaktivasi katalis. Sebagai contoh, penggunaan umpan yang diambil dari beberapa lokasi( l l ( )) d l h d k k k(misalnya gas alam (LNG)) adalah tidak konsisten komposisinya yang sangat tergantung pada sumbernya. Komposisi etana, propana, ataubutana adalah tidak sama untuk setiap lokasi, demikian juga dengankandungan CO2 dan sulfurnya  kandungan CO2 dan sulfurnya. Namun demikian penggunaan campuran gas sintetik di laboratoriumjuga selalu tidak merepresentasikan kondisi umpan yang sebenarnya

Mekanisme Reaksi KimiaBagaimana suatu proses sebenarnya beroperasi, menjadiparameter yang penting dalam pemilihan suatu katalis  parameter yang penting dalam pemilihan suatu katalis. Dalam operasinya, terdapat beberapa interupsi proses yang terjadi karena penggantian umpan dengan bahan inert, j p gg p gperubahan temperatur dari temperatur operasi dantemperatur kamar, atau perubahan‐perubahan bahanbaku  baku. Perubahan‐perubahan tersebut bisa menimbulkan deviasikinerja katalis. Katalis komersial biasanya sudah dikondisikan sedemikianrupa sehingga lebih tahan terhadap beberapainterupsi/deviasi kondisi operasi dari suatu prosesinterupsi/deviasi kondisi operasi dari suatu proses

Catalyst PretreatmentCatalyst PretreatmentCatalyst pretreatment atau dengan kata lain aktifasi katalisjuga memegang peranan penting dalam proses katalitik  juga memegang peranan penting dalam proses katalitik. Aktifasi katalis ini merupakan langkah akhir dari prosespembuatan katalis. pKatalis biasanya diaktifasi dengan menggunakan pereduksiatau pengoksidasi pada keadaan atmosfir, atau kadang‐kadang hanya dengan menaikkan temperatur saja  kadang hanya dengan menaikkan temperatur saja. Mengapa katalis perlu diaktifasi? Katalis perlu diaktifasisalah satunya adalah agar fitur‐fitur bilangan atau keadaany g goksidasi dari komponen aktif dapat dikendalikan sesuaiyang diinginkan

Aktifitas KatalisAktifitas katalis adalah sangat penting, yang biasadinyatakan dengan laju reaksi per satuan volume katalisdinyatakan dengan laju reaksi per satuan volume katalisyang terkait sekali dengan selektifitas katalis. Aktifitas katalis tidak hanya menyangkut jumlah situs aktifdi dalam katalis, namun juga aktifitas seluruh situs didi dalam katalis, namun juga aktifitas seluruh situs didalam volume bahan. Katalis biasanya dijual sesuai dengan ukuran reaktortertentu, yang dinyatakan dalam volume spesifik (bukan, y g y p (massa spesifik). Kinetika katalis tentunya juga penting yang tergantungkepada kondisi‐kondisi reaksi seperti tekanan, temperatur, p p , p ,laju pengadukan dan recycle, solvent, dan lain‐lain. Perlu diingat bahwa laju reaksi total ditentukan darikomposisi katalis, bentuk/struktur katalis, porositas, danp pbahan tambahan

Penggunaan PromoterPromoter 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 :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  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  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  memaksimalkan jumlah situs aktif, dan mengontrol ukuran kristal. Oksida asam juga dapat digunakan untuk menetralisasi komponen oksida basa di dalamkatalis. Oksida‐oksida lainnya dapat juga mengendalikan struktur elektronik di situs‐situs aktif yang mempengaruhi proses adsorpsi reaktan ke permukaan situs aktif.

Umur KatalisUmur KatalisSalah satu faktor kunci kinerja katalis adalah umur katalis. Kadang kadang engineers mengorbankan aktifitas danKadang‐kadang engineers mengorbankan aktifitas danselektifitas katalis dengan menggunakannya melewatiumur katalis. Pengujian pengujian laboratorium tidak bisa digunakanPengujian‐pengujian laboratorium tidak bisa digunakanuntuk menguji umur katalis nyata, paling tidak hanya bisatahu kecenderungan dari umur katalis. Kebanyakan katalis menunjukkan kehilangan aktifitasKebanyakan katalis menunjukkan kehilangan aktifitasdengan berlangsungnya waktu operasi, tetapi biasanyaoperator mengkompensasi deaktifasi katalis denganmenaikkan temperatur atau memvariasi parameter‐p pparameter proses yang lain untuk mengubah yield produk. Kadang‐kadang promoter yang digunakan untukmenaikkan kekuatan mekanik bahkan bisa memblok situsaktif yang ada

Bentuk KatalisBentuk KatalisBentuk katalis harus didesain agar bisa sesuai dengan ukuran reaktor. Untuk reaktor fixed‐bed harus diusahakan agar penurunan tekananUntuk reaktor fixed bed harus diusahakan agar penurunan tekanansepanjang reaktor tidak terlalu besar dengan cara membuat katalisdengan bentuk yang lebih langsing dan kecil dibandingkan denganbentuk pelet. Untuk hal ini terdapat kajian‐kajian yang berkaitan dengan external and internal diffusion limitation agar ukuran katalis bisa sesuai denganukuran reaktor tanpa mengorbankan penurunan tekanan. 

k fl d d b d l k b k k lReaktor fluidized bed memerlukan bentuk katalis yang memungkinkan agar katalis mudah terfluidisasi, tentunya bentuk yang paling sesuai adalah bulat. Penurunan porositas katalis juga mengakibatkan reaktan tidak bisaPenurunan porositas katalis juga mengakibatkan reaktan tidak bisamencapai semua bagian katalis selama waktu tinggal di dalam reaktor, sehingga kekerasan pellet harus disesuaikan dengan porositasoptimumoptimum

Biaya Fabrikasi KatalisBiaya Fabrikasi KatalisBiaya fabrikasi atau harga katalis juga merupakan parameter penting lainnyadalam pemilihan katalis. pPenggunaan logam‐logam mulia (seperti Pt, Rh, Ru, dan lain‐lain) mempunyaibiaya fabrikasi lebih tinggi di atas level yang dapat diterima dibandingkandengan logam‐logam transisi seperti Fe, Mn, Ti, dan lain‐lain. Penggunaan katalis homogen mungkin bisa menaikkan aktifitas dan situsPenggunaan katalis homogen mungkin bisa menaikkan aktifitas dan situsaktif, tetapi cenderung terdapat kesulitan dalam pemisahan dan perolehankembali 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 berkurangselama proses pembuatannya atau bahkan bisa menurunkan jumlah situs aktifper berat katalis. Dalam hal ini tidak hanya jenis katalis saja yang menjadi bahan pertimbangan  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 suatuproduk atau tidak