8/18/2019 231252958 Trickle Bed Reactor

1/10

 

Teknik Reaksi imia

Oleh :

Eka Lutfi Septiani NRP.2313201012

JURUSAN TEKNIK KIMIA

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2014

Tugas Paper - Ujian Akhir Semester

TRICKLE BED REACTOR

8/18/2019 231252958 Trickle Bed Reactor

2/10

Reaktor trickle bed adalah reaktor dengan packing katalis dimana fasa cair dan gas mengalir

searah ke bawah yang mengalami interaksi pada katalis padatan. Reaktor ini banyak digunakan

pada industri perminyakan dan aplikasinya dalam bidang proses kimia, petroleum, industri

biokimia dan pengolahan limbah. Kata “trickle” mendeskripsikan karakteristik operasional reactor

ini dimana liquid mengalir secara bertahap melewati katalis solid dalam bentuk film, anak air

ataupun droplet. Biasanya, partikel padatan katalis di pak secara acak didalam bed dimana fase gas

dan liquid mengalir. Dalam sebagian besar industri reactor trickle bed,  partikel katalis yang

digunakan biasanya berpori dan berbentuk bermacam-macam seperti bola, silinder, ektrudat,

trilobe, atau multilobe seperti pada gambar berikut :

Gambar 1. Bentuk partikel katalis yang digunakan

Reaktor trickle bed memberikan performa yang lebih baik dalam pengontakan gas-liquid-

solid dengan memberikan efisiensi yang tinggi dibandingkan oleh reactor lain seperti stirred slurryreactors  yang memberikan keterbatasan pengaplikasisan pada system reaksi yang cepat

membutuhkan muatan katalis yang rendah dengan tekanan operasi rendah dan volume sedang

seperti bahan kimia khusus dan kecil, ejector loop reactors digunakan untuk reactor cepat yang

menyirkulasikan slurry  menggunakan tekanan tinggi mempunyai keterbatasan dalam mengatasi

pemuatan solid, Bubble column slurry reactors  dan  packed bubble bed reactors  memberikan

pengadukan kembali didalam reactor yang bisa menyebabkan konversi rendah dan memicu

terbentuknya produk samping. Konfigurasi reactor trickle bed diklasifikasikan menjadi tiga tipe : 

1. 

Reaktor trickle bed konvensional : berisikan partikel katalis berpori secara acak didalam

 packed bed .

2. 

Reaktor trickle bed semi-struktur : berisikan partikel yang di pak teratur atau katalis yang

dilapiskan pada packing terstruktur.

3.  Reaktor trickle bed-mikro : berisikan beberapa saluran-mikro yang di pak dengan partikel

katalis.

Ketiga tipe ini ditampilkan secara skematik dalam gambar di bawah ini :

Gambar 2. Skematik reactor trickle bed

8/18/2019 231252958 Trickle Bed Reactor

3/10

 

Gambar 3. (A) reactor trickle bed terstruktur dan (B) Photomicrograph reaktor trickle bed-micro

dengan katalis karbon aktif.

Reaksi yang terjadi dalam reactor trickle bed seringkali bersifat eksotermis dan melepaskan

3energy dikarenakan reaksi kimia yang terbawa oleh aliran komponen gas dan liquid.Pengontrolan

temperature bed   merupakan hal yang perlu diperhatikan dalam reactor trickle bed baik

menggunakan jaket eksternal ataupun koil internal. Dalam beberapa kasus, aliran gas dan/atau

liquid direcycle  agar meningkatkan kecepatan efektif fluida untuk mengontrol temperature dan

memanipulasi besarnya konversi yang diinginkan. Reactor trickle bed terstruktur dapat digunakan

pada kekuatan katalis yang kurang baik dan memberikan  pressure drop yang rendah. Pengaturan

pelepasan 3energi tanpa menyebabkan efek yang tidak diinginkan pada performa alat merupakan

hal terpenting dalam desain reactor trickle bed. Performa reactor trickle bed bergantung pada

beberapa hal seperti karakteristik bed   katalitis (konfigurasi  packing, porositas, ukuran

partikel/ketebalan pelapisan), distribusi aliran yang tidak merata, pembasahan partikel katalis,

panas interfase lokal, laju transfer massa, massa intrapartikel, perpindahan panas, dan kinetika

reaksi. Konfigurasi dan karakteristik bed katalitis mempengaruhi dinamika fluida didalam reaktor

dimana dinamika fluida membuat scale-up dan scale-down reactor menjadi susah. 

Dalam reaktor trickle bed, secara teknis reaktan gas dapat mencapai permukaan katalis

dengan melewati fase liquid ataupun kontak langsung bergantung pada derajat pembasahan. Difusi

intrapartikel dari gas terlarut, adsorpsi pada permukaan katalis dan reaksi kimia terjadi secara

simultan di dalam partikel katalis. Fraksi volume liquid didalam reactor trickle bed biasanyadikarakterisasi sebagai dynamic liquid holdup  dan static liquid holdup, kuantitas perubahan

terhadap keduanya digunakan untuk menentukan residence time distribution  didalam reactor

trickle bed. Laju alir fase gas dan liquid menentukan pemberkuan  flow regime dimana perbedaan

 flow regime memberikan perbedaan pengontakkan dan karakteristik pengadukannya.

Saat reaktan gas dan liquid melewati bed katalis, terjadi proses berskala makro (macro-scale) yakni

pada skala bed, meso-scale (terjadi pengelompokan partikel), dan micro-scale (terjadi pada sisi

(A) (B)

8/18/2019 231252958 Trickle Bed Reactor

4/10

katalis dan menghubungkan termodinamika, reaksi dan step perpindahan) pada waktu dan skala

panjang yang berbeda. Skematik dari proses ini dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Proses yang terjadi skala makro, meso, dan mikro.

Flow Regime

Flow regime  didalam reactor trickle bed jika dibagi menurut bilangan Reynold (Rep)

partikelnya dimana = /. Untuk aliran dengan laju alir sangat kecil dan creeping flow  

untuk Rep

8/18/2019 231252958 Trickle Bed Reactor

5/10

lebih besar dari 100. Bubbling flow regime digunakan pada laju alir gas rendah dan laju alir liquid

tinggi sehingga membentuk bubble. Keuntungan regime ini adalah terjadi pembasahan secara

merata.

Parameter hidrodinamik yang perlu diestimasi adalah pressure drop, liquid holdup,

pembasahan partikel, koefisien transfer massa gas-liquid-solid, dan disperse aksial.

Perpindahan panas didalam reactor trickle bed terdapat dalam beberapa tingkatan yakniperpindahan panas didalam pellet katalis dimana terdapat reaksi, perpindahan paans dari pellet ke

lingkungan fluida, perpindahan panas dari pellet ke pellet, perpindahan panas dari bed ke dinding

reactor. Kenaikan perpindahan panas dipengaruhi oleh naiknya laju alir gas, pada kenaikan laju alir

liquid tidak memberikan efek yang signifikan.

Teknik Reaksi pada Reaktor Trickle Bed

Hal – hal yang mempengaruhi performa proses dengan reactor trickle bed adalah :

  Homogenitas bed, distribusi liquid, dan factor geometri.

  Cara operasi : aliran gas-liquid secara concurrent   atau countercurrent , aliran recycle,

pembasahan partikel katalis, distribusi aliran, pengadukan axial dan radial.

 

Transfer massa : gas-liquid, fluid-particle.

  Kinetika laju reaksi : persamaan laju reaksi, deaktivasi katalis.

  Efek non-isotermal : reaksi eksoterm atau endoterm, penguapan solvent reaktan.

Untuk reaksi bimolecular A(g) + v B(l)  produk, dimana mekanisme reaksi ini digambarkan dalam

Gambar 5 :

Gambar 5. Konsentrasi profil untuk tiga fase reaksi katalis tiga-fase dibawah kondisi berbeda

8/18/2019 231252958 Trickle Bed Reactor

6/10

laju reaksi dapat dideskripsikan dalam langkah sebagai berikut :

(i) 

Transfer perpindahan fase gas reaktan A dari fase gas ke bulk liquid.

(ii) 

Transfer A dan B dari bulk liquid ke permukaan katalis.

(iii) 

Difusi intrapartikel A dan B dengan pori katalis.

(iv) 

Adsorpsi A dan B pada sisi katalis dan reaksi permukaan kimia dari A dan B teradsorbsi

untuk menghasilkan produk.(v)

 

Desorpsi produ, ke fase bulk liquid. 

Karakterisasi Reaktor Trickle Bed

Objek utama dalam mendesain reactor trickle bed adalah untuk meningkatkan kontak secara

efektif dari reaktan fase gas dan liquid dengan sisi katalis aktif. Faktor – factor yang didesain untuk

operasi pada reaktor trickle bed adalah :

 

Pressure drop  : biaya operasi reactor trickle bed secara langsung dihubungkan dengan

pressure drop sepanjang bed. Untuk mendapatkan pressure drop yang diinginkan, dapatmemanipulasikan struktur bed.

  Luas permukaan spesifik : efektif pengontakkan reaktan dengan katalis dan efisiensi

perpindahan panas maupun massa ditentukan oleh luas permukaan spesifik.

  Residence Time Distribution (RTD) : untuk mendapatkan RTD yang diinginkan dapat

dilakukan dengan memanipulasikan struktur bed juga dan memaipulasi metode packing.

  Pengadukan : pengadukan mempengaruhi efektivitas utilitas dari pak katalis, adanya dead

zone dapat menurunkan efektivitas utilitas dari pak katalis maka struktur bed harus

didesain untuk memperkecil dead zone.

 

Liquid holdup : tingginya liquid holdup biasanya dimanipulasi untuk mencapai liquid holdup

yang tinggi untuk meningkatkan efisiensi laju perpindahan massa dan laju reaksi.

  Perpindahan panas dan perpindahan massa : Perpindahan panas dan perpindahan massa

menjadi penting saat reaksi terjadi pada perpindahan massa yang terbatas atau reaksi yang

sensitive terhadap temperature.

Beberapa factor diatas dapat diperoleh variable yang diinginkan dengan cara memanipulasikan

struktur bed, tipe – tipe struktur packing konvensioanal yang digunakan pada reaktor trickle

bed yaitu gauze packing, corrugated sheet packing, mesh-type packing, monoliths atau honeycomb,

dan three layer packing. 

8/18/2019 231252958 Trickle Bed Reactor

7/10

 

Gambar 6. Berberapa tipe struktur bed

Scale up dan Scale down pada reaktor

Scale up dan scale down merupakan langkah penting dalam teknik reactor dari reactor

trickle bed. Metodologi scale up dan scale down dimulai dengan mengevaluasi parameter kinetic,

untuk scale up membutuhkan data eksperimen pada skala yang lebih kecil ( pilot plant ), parameter

kinetic dan evaluasi termodinamika, model matematis untuk menghitung perangkat reactor dan

parameter hidrodinamika, kemudian dilakukan scale up pada reactor dengan memperoleh

diameter reactor yang besar, meratanya liquid, dan transfer panas yang kecil. Untuk scale down,

setelah mengevaluasi parameter kinetic, dilakukan perubahan informasi dari skala besar ke skala

kecil, memodelkan perangkat reactor dan hidrodinamika secara matematis, kemudian dilakukan

scale down dengan memperoleh rasio diameter reactor terhadap diameter partikel (D/dp) yang

rendah, variasi porositas tinggi, pembasahan sebagian, dan aliran pada dinding. Variasi parameter

dengan skala berbeda – beda dapat dilihat pada tabel 1.

8/18/2019 231252958 Trickle Bed Reactor

8/10

Tabel 1. Variasi parameter dengan skala berbeda – beda

Aplikasi reactor tricke bed

Reactor trickle bed mempunyai beberapa keuntungan seperti menyederhanakan operasi,

pemuatan katalis per unit volume tinggi, dan biaya kapital dan biaya operasi yang rendah. Contoh

dari pengaplikasian raktoe trickle bed adalah proses reaksi hidrogenasi, reaksi hidroproses, dan

reaksi oksidasi. Dalam proses reaksi hidrogenasi, komposisi organic tak jenuh dikontakkan dengan

hydrogen pada permukaan katalis aktif untuk membuat derajat kejenuhan komposisi organic yangbervariasi. Katalis yang digunakan bisa berbahan logam maupun non logam seperti Palladium,

Platinum, Ruthenium, Rhodium, Nickel, Cobalt, Molybdenum, Copper, dan kombinasi silica, alumina

ataupun karbon aktif. Contoh reaksi hidrogenasi Achetophenon (ACPH) dengan mekanisme reaksi

sebagai berikut :

Dimana laju hidrogenasi dapat dinyatakan dalam persamaan berikut

(1)

Parameter/skala

reaktor

Reactor skala

comersial

Reactor

skala Pilot

Reactor

skala Bench

Reactor

mikro

Laju alir gas

Panjang bed (m)

Efisiensi embasahan

Li uid holdu

La u alir li uid

8/18/2019 231252958 Trickle Bed Reactor

9/10

Dengan skematik perancangan alat pada Gambar 7(a), diperoleh kecenderungan efek dari

kecepatan liquid pada reaksi hidrogenasi yaitu semakin tinggi kecepatan liquid maka laju

dehidrogenasi akan semakin menurun seperti yang terlihat dalam Gambar 7(b).

Gambar 7. (a) skematik alat reactor trickle bed untuk reaksi dehidrogenasi, (b) efek kecepatan

liquid pada laju dehidrogenasi dengan berbagai temperatur

Reaksi hidroproses biasanya terdapat pada industri petroleum merupakan prosespenting untuk

memproduksi bahan bakar, meingkatkan minyak sintetis dan proses pencairan batu bara. Proses

ini dibutuhkan untuk mengontrol emisi sulfur dan nitrogen untuk meningkatkan alat pembuangan.

Emisi gas dibutuhkan untuk respon kualitas bahan bakar (bilangan oktan, kelarutan, warna dan

sebagainya), contohnya penyulingan bahan bakar hydrogenasi (HYD) dan hydrodearomatic (HDA)

menikuti asumsi :

1. 

Tekanan reactor seragam (pressure drop tidak signifikan diabndingkan tekanan operasi).

2. 

Reaktor trickle bed bereaksi secara isothermal (terbatasnya perpindahan panas).

3. 

Fase gas terdapat hydrogen dan produk H2S, hukum gas ideal diaplikasikan.

4. 

Reaktan fase liquid non volatile.

5. 

Transfer massa gas-liquid terbatas.

6. 

Partikel katalis terbasahi sempurna.

Reaksi yang terjadi :

(a) (b)

8/18/2019 231252958 Trickle Bed Reactor

10/10

Dengan pemodelan CFD (Computational Fluid Dynamic) dan skematik alat seperti pada Gambar

8(a) diperoleh konversi komposisi sulfur aromatic pada temperatur yang berbeda – beda seperti

dalam Gambar 8(b).

(a) 

(b)

Gambar 8. (a)skematik alat reaksi hidroproses pada reactor komersial, (b)%konversi sulfur

aromatic terhadap berbagai suhu

Dari gambar 8(b) dapat dilihat juga bahwa pada reactor skala komersial memberikan konversi yang

lebih tinggi daripada reactor skala laboratorium dengan suhu optimal 633 K.

Reaksi oksidasi dengan katalis padatan merupakan aplikasi penting menggunakan reactor trickle

bed, contohnya oksidasi SO2 menjadi SO3 untuk manufaktur asam sulfur dan penghilang SO2 sebagai

polutan, pengolahan limbah untuk menghilangkan polutan organic, dan oksidasi larutan polutanorganic dari limbah industri. Reactor trickle bed memberikan keuntungan yang signifikan

(contohnya kecilnya kehilangan aktivitas katalis dikarenakan polimerisasi) dibandingkan reactor

lainnya untuk proses udara basah.