Prinsip dasar pemilihan katalis - Teknik Kimia UNDIP

(in CATALYST TECHNOLOGY Lecture )
Instructor: Dr. Istadi
(http://tekim.undip.ac.id/staf/istadi id/ )
Email: istadi@undip.ac.id

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)

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

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

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.

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 harga atau 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 padatekanan tinggi, i kemudian dioperasikanik
pada tekanan 1 atm atau bahkan kondisi vakum, maka
terjadilah penyimpangan hasil yang serius)

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

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 operasi dari suatu proses

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 satunyaadalahagar fitur‐fitur bilangan atau keadaan
oksidasi dari komponen aktif dapat dikendalikan sesuai
yang diinginkan

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

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.

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

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.
• 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
• 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 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,
tetapi juga bagaimana katalis itu digunakan dalam beberapa proses yang
menentukan apakah katalis tersebut dapat diterima untuk menghasilkan suatu
produk atau tidak