TUGAS INSTRUMENTASI INDUSTRI

CONTROL PROSES PADA REAKTOR FIX BED MULTITUBE PADA PEMBUATAN FORMALDEHIDE

Dikerjakan oleh:

Nama : Rizal Agustian Thamrin

NPM : 3335101322

FAKULTAS TEKNIKJURUSAN TEKNIK KIMIA

UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA2014

1.REAKTOR

1.1 Definisi Reaktor

Reaktor kimia dapat di definisikan sebagai sebuah alat industri kimia , dimana tempat terjadi reaksi bahan mentah menjadi bahan separuh jadi atau bahan jadi yang dapat memberikan nilai tambah. Untuk dapat menghasilkan produk secara ekonomis, reaksi kimia yang berlangsung harus dioperasikan pada keadaan yang tepat agar memperoleh produk yang berkualitas dengan nilai konversi tinggi

Di dalam teknik kimia, reaktor kimia adalah alat dirancang untuk berisi reaksi kimia. Perancangan suatu bahan kimia reaktor berhadapan dengan berbagai aspek teknik kimia. Insinyur kimia mendisain reaktor untuk memaksimalkan net present value untuk suatu reaksi Para perancang memastikan bahwa reaksi menghasilkan efisiensi yang paling tinggi ke arah produk keluaran yang diinginkan, memproduksi hasil produk yang banyak sementara membutuhkan  sedikit uang untuk membeli bahan dan beroperasi. Biaya operasi normal meliputi masukan energi, perpindahan energi, bahan baku, tenaga kerja, dan lain lain. Perubahan energi berbentuk dalam wujud pemanasan atau pendinginan, memompa untuk meningkatkan tekanan, frictional pressure loss ( seperti pressure drop pada suatu pipa  siku 90o atau suatu lempeng orifis dan lain lain.

Adapun beberapa tujuan dari pemilihan reactor adalah sebagai berikut :

• Mendapat keuntungan yang besar

• Biaya produksi rendah

• Modal kecil/volume reaktor minimum

• Operasinya sederhana dan murah

• Keselamatan kerja terjamin

• Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil-kecilnya

Sedangkan Pemilihan jenis reaktor dipengaruhi oleh :

• Fase zat pereaksi dan hasil reaksi

• Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi samping

• Kapasitas produksi

• Harga alat (reactor) dan biaya instalasinya

• Kemampuan reactor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas

Keadaan Operasi yang dipilih berdasarkan :

• Dapat menghasilkan produk yang sebanyak-banyaknya

• Mudah dan sederhana cara kerjanya

• Hemat energi, misalnya dengan mengoperasikan reaktor secara adiabatis

• Reaktor bekerja dengan volum minimum, konversi yang optimum, atau waktu reaksi yang optimum (pada reaktor batch)

1.2 Jenis-Jenis Reaktor

Berdasarkan bentuknya

1. Reaktor tangki

Dikatakan reaktor tangki ideal bila pengadukannya sempurna, sehingga komposisi dan suhu didalam reaktor setiap saat selalu uniform. Dapat dipakai untuk proses batch, semi batch, dan proses alir.

2. Reaktor pipa

Biasanya digunakan tanpa pengaduk sehingga disebut Reaktor Alir Pipa. Dikatakan ideal bila zat pereaksi yang berupa gas atau cairan, mengalir didalam pipa dengan arah sejajar sumbu pipa (tidak ada diffusi-axial maupun pencampuran balik).

1.3 Jenis-Jenis Reaktor Berdasarkan Prosesnya

Klasifikasi reaktor berdasarkan prosesnya dibagi menjadi :

1. Reaktor Batch

Reaktor batch adalah reaktor dimana tidak  terjadinya aliran masuk atau aliran keluar selama proses biasanya digunakan untuk mereaksikan fase cair dan berkapasitas kecil.

Keuntungan operasi BATCH

• Untuk produk dalam jumlah kecil• Untuk pembuatan produk yang berbeda-beda• Resiko penyumbatan pipa penyalur dapat dihindari• Lebih Ekonomis untuk reaksi yang lambat• Pemasangan dan pembuatan reaktor lebih murah• Pengendalian proses lebih mudah• Lebih mudah untuk memulai dan mengendalikan reaksi

Kekurangan operasi BATCH

• Memakan banyak waktu untuk persipan dan penyesuaian operasi• Biaya energi lebih tinggi• Pemakaian Operator lebih banyak

2. Reaktor Alir Semi-Batch

Reactor semibatch atau semi alir biasanya berbentuk  tangki yang berpengaduk. Cara operasinya dengan jalan  memasukan sebagian zat pereaksi atau salah satu zat pereaksi kedalam reaktor sedangkan zat pereaksi yang lain atau sisanya dimasukan secara kontinyu kedalam reactor

Reaktor Semi Batch baik dipakai untuk :

Reaksi yang sangat eksotermis Untuk mengurangi terjadinya reaksi samping yang tidak diinginkan Untuk reaksi reversibel yang jika salah satu hasil atau lebih dapat dikeluarkan sehingga

menyebabkan reaksi bergeser ke kanan.

 3. Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (CSTR)

Reaktor alir tangki berpengaduk hampir sama  dengan reaktor batch tetapi umpan dan produk mengalir secara kontinyu dan pada reaktor CSTR dilengkapi dengan alat penambahan zat pereaksi dan pengambilan produk secara kontinyu

Kelebihan operasi Kontinyu

• Kebutuhan Personil lebih sedikit

• Kualitas produk yang stabil

• Keamanan operasi yang tinggi

• Biaya Energi dapat dihemat

• Biaya investasi lebih kecil

Kelemahan operasi Kontinyu

• Biaya yang besar untuk perlengkapan penunjang

• Fleksibilitas rendah

1.4 Jenis-Jenis Reaktor Berdasarkan Operasinya

1. Reaktor Isotermal

Reactor yang disebut beroperasi secara isotermal jika umpan yang masuk ke reactor, campuran dalam reactor dan lairan yang keluar dari reactor selalu uniform dan suhunya sama dan keadaan awal secara oprasionil sulit dilaksanakan sebab perpindahan panas yang terjadi harus selalu dapat mengimbangi panas reaksi yang terjadi (untuk reaksi exsoterm) arau panas diperlukan untuk reaksi endoterm.

 2. Reaktor Adiabatis

Reactor yang disebut beroperasi secara  adiabatic, jika tidak ada perpindahan panas antara reactor dengan sekelilingnya. Ditinjau dari segi operasionalnya, reactor adiabatic yang paling

sederhana, cukup dengan menyekat reactor, sehingga tidak ada panas yang hilang ke sekelilingnya.

2. Proses control pada reactor

Untuk mendukung agar reaktor dapat berfungsi maksimal dan aman terkendali, maka diperlukan

sistem pengendalian proses yang menggunakan beberapa alat tambahan.

Beberapa contoh dari aksesoris tersebut umumnya adalah :

1. Level Controller (LC), suatu alat yang menjaga agar volum (isi) reaktor tetap terjaga, tidak

kehabisan reaktan ataupun kelebihan yang dapat menyebabkan kenaikan tekanan. Cara kerja

dari alat ini adalah dengan terus mendeteksi ketinggian permukaan bahan dalam reaktor, jika

kurang dari toleransi yang diberikan (set point) maka kran keluaran (output) akan mengecil

sampai ketinggian mencapai tinggi yang telah di set. Sebaliknya jika melebihi kran keluaran

akan dibuka lebih lebar untuk mengurangi bahan dalam reaktor.

2. Pressure Controller (PC), Suatu alat yang bertugas untuk menjaga agar tekanan dalam reaktor

masih berada pada kisaran yang ditetapkan. Biasanya diterapkan pada reaktor yang memakai

reaktan berfase gas. Cara kerjanya mirip dengan LC yaitu dengan membuka dan menutup

kran.

3. Temperature Controller (TC), suatu alat yang bertugas agar suhu di dalam reaktor masih

berada dalam kisaran suhu operasinya. TC juga bekerja dengan membuka dan menutup kran,

namun kran yang diintervensi adalah kran utilitas. Misalnya CSTR berpemanas, jika suhu

drop maka kran koil uap panas (steam) akan diperbesar sehingga steam yang masuk akan

lebih banyak yang akhirnya suplai panas pun bertambah dan akhirnya suhu reaktor akan

bertambah dan suhu reaktor pun dapat kembali ke suhu yang normal. Sebaliknya jika suhu

reaktor bertambah

2.1 Proses control pada reactor semibatch pada reaksi yang eksotermis

reaksi eksotermis pada reactor semibatch terjadi pada pembuatan formaldehyde ,pada pembuatan formal dehide proses reaksi dilakukan menggunakan proses metal oxide catalyst atau dengan kata lain reaksi berlangsung dengan penambahan katalis oksida metal selama reaksi berlangsung

2.1.1 Proses Metal Oxide Catalyst

Proses pembuatan formaldehid menggunakan methanol dan katalis Iron Molybdenum Oxide. Katalis ini mempunyai umur sekitar 12 sampai 18 bulan. Proses ini beroperasi pada suhu

300 - 400 oC, dan tekanan 1 - 1,5 atm. Reaksi yang terjadi :

CH3OH + ½ O2 CH2O + H2O ΔH = - 37,28 kkal/mol (Othmer, Vol 11, hal 494)

Methanol uap dicampur dengan udara dan gas recycle kemudian direaksikan dengan katalis iron-molybdenum oxide dalam sebuah reaktor fixed bed multitube. Konversi yang diperoleh bisa mencapai 98% dengan yield formaldehid 94,4 % ( Ketta, vol 23, hal 364).Reaksi tersebut berlangsung secara eksotermis dan suhu reaktor dipertahankan pada suhu dimana katalis masih aktif bereaksi agar tidak terjadi reaksi samping (www.casale.com).Pada prarancangan pabrik formaldehid ini reaksi samping diabaikan mengingat suhu dalam

reaktor akan dipertahankan pada temperatur dibawah 400oC. Produk hasil reaktor kemudian dimurnikan di dalam alat absorber dari sisa metanol dan gas-gas hasil reaksi, sebelum masuk kedalam tangki penampungan.

Kondisi Operasi

Kondisi operasi sangat menentukan proses dan produk reaksi. Operasi komersial pada

pembentukan formaldehid berlangsung pada suhu 300-400oC dan tekanan 1-1,5 atm (Othmer, Vol 11, hal 494).

Pada prarancangan ini dipilih kondisi operasi pada suhu 300oC dan tekanan 1,3 atm. Hal yang menjadi pertimbangan bahwa pada persamaan kecepatan reaksi pembentukan formaldehid, jika suhu reaksi tinggi maka kecepatan reaksi akan semakin besar sehingga konversi reaksi akan semakin besar pula, namun reaksi oksidasi metanol menjadi formaldehid merupakan reaksi katalitik sehingga kondisi operasi harus pada rentang suhu dimana katalis dalam keadaan aktif. Oleh karena itu dipilih suhu dimana kecepatan reaksi tinggi dan katalis masih dalam keadaan aktif.

Katalis

Katalis merupakan suatu zat yang berpengaruh terhadap kecepatan reaksi kimia dan tidak berubah pada akhir reaksi. Suatu katalis dapat mempercepat reaksi kimia yaitu dengan menurunkan barrier energi/energi pengaktifan dari suatu reaksi. Katalis hanya merubah kecepatan reaksi tapi tidak berpengaruh terhadap kesetimbangan termodinamika suatu reaksi. Dalam reaksi katalitik heterogen biasanya katalis berupa padatan, sedangkan reaktan dan produknya berupa gas atau liquid (Fogler, 1999).Katalis yang biasa digunakan dalam proses pembentukan formaldehid adalah kristal perak dan metal oksida. Pada proses ini digunakan katalis oksida besi molybdenum karena tidak mudah terkontaminasi dan umur katalis lama (18 bulan) (Othmer, hal 494).

 Gambar skematik P&ID proses pembentukan produk formaldehyde pada reactor fixed bed multitube (ada di lembar gambar P&ID)

2.1.2 Berikut penjelasan Tahap pembentukan produk formaldehyde berdasarkan gambar pada skematik proses

Campuran metanol, udara dan off gas absorber pada suhu 300oC dan tekanan 1,3 atm diumpankan pada reaktor fixed bed multi tube melalui bagian atas reactor dengan kondisi non isothermal dan non adiabatis. Di dalam reaktor akan terjadi reaksi oksidasi (reaksi bersifat eksotermis dan irreversible) sebagai

berikut :

CH3OH (g) + ½ O2 (g) HCHO (g) + H2O (g)

Reaksi terjadi pada fase gas dengan katalis padat Fe dan Mo. Pada temperatur 300-

400oC dan tekanan + 1,3 atm metanol teroksidasi membentuk formaldehid, dan besarnya konversi metanol dapat mencapai 98 % mol. Temperatur sangat mempengaruhi konversi yang terbentuk.

Apabila suhu reaktor mencapai > 400oC atau diluar kisaran suhu yang diijinkan (300-400oC) maka akan terbentuk reaksi samping.

CH2O(g) + ½ O2(g) CO(g) + H2O(g) ∆H = -51 kkal/mol

(Mc. Ketta, vol. 23, hal. 361)

Oleh karena itu dipergunakan medium pendingin karena hal itu sangat berperan penting untuk mencegah terbentuknya reaksi samping yang tidak diinginkan.Di dalam reaktor akan terjadi kenaikan temperatur akibat dari reaksi yang bersifat eksotermis,

sehingga untuk mempertahankan suhu reaksi keluar dari reaktor kurang dari 400oC diperlukan pendingin yang mengalir di shell reaktor. Pendingin yang digunakan adalah berasal dari cooler. Setelah digunakan sebagai media pendingin, aliran keluaran dari proses pendinginan sebagian ada yg ditreatment kembali dan sebagian ada digunakan kembali dengan terlebih dahulu melewati cooling water system selanjutnya diumpankan kembali ke dalam shell reaktor.

Adapun variable yg dijaga pada proses formaldehyde ini selain temperature adalah proses pemasukan umpa methanol degan udara dengen perbandingan 1:2,pada proses ini system control menggunakan sitem cascade hal itu terlihat pada control temperature pada reactor dan jaket pendingin yang saling sinergis ,kondisi pada reactor (TT1) akan mengirimkan sinyal atau data pada system pendingin reactor yg bekerja secara feedback (TT2),data lalu ditrannsmisikan melalui tranducer yg memberikan aliran sinyal pada valve system pedingin untuk mengalirkan air dinginya (cooling water),selain control temperature ,kondisi umpan juga diatur umpan yg masuk dibuat set point dengan system cascade yang mana apabila umpan methanol dalam hal ini sudah megalirkan umpan sebesar 100 kg/mol maka udara akan Mengali

rkan umpan

sebesar 2 kalinya yakni 200 kg/mol hal ini karena pada data control unit sudah diatur set pointnya