MAKALAH REAKTOR FIXED BED

TEKNIK REAKSI KIMIA

Disusun oleh :

Kelompok 5 : 1. ‘Aisyah Nur’Aini I8313001

2. Andrian Sularso I8313003

3. Faradila Ardhining T. I8313020

4. M. Faiz Hardiansyah 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

1

makin keatas makin kecil, tetapi pada bagian atas katalisator disusun dari

butir kecil makin keatas makin besar.

2. Multi bed

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 masing-

masing. 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 fungsi-

fungsi 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

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

5

profil suhu gelombang non-sinusoidal.

Reaktor dengan internal yang penukar panas multitublar..

Dua terakhir umumnya lebih disukai untuk 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.

6

7

BAB III

DESAIN UMUM

Multitube fixed bed reactor single bed – 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://refiners-notes.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-fix-bed.html).