Equipments of Reactive Distillation

Homogeneous reactive distillation

• Reaktan dan katalis memiliki fase yang sama.

• Pada RD homogen kontak antara cairan dan uap dapat terjadi dalam multitray column ataupun di kolom dengan susunan packing.

• Reaksi homogen pada RD membuat waktu tinggal dapat diatur dan kecepatan reaksi dapat ditingkatkan dengan pengambilan melalui distilasi produk yang diinginkan.

• Packed column memiliki lower liquid hold up dibandng dengan multitray, sehingga multitray lebih sering digunakan pada RD homogen.

Counter-current vapor-liquid contact in mulistage tray column

Counter-current vapor-liquid contact in packed column

Kolom tray dapat dioperasikan dengan bentuk spray, mixed froth, atau bubbly flow

Pada distilasi biasa, low weirs, liquid holdup rendah, residence time distribution cairan tidak penting.

Pada RD, high weirs, liquid holdup tinggi, residence time distribution cairan penting.

Kolom distilasi konvensional biasanya beroperasi pada kecepatan high superficial vapor di bagian spray atau froth . hal ini terjadi karena keinginan untuk meningkatkan proses di kolom dan untuk meningkatkan vapor –liquid interfacial area. Situasi yang terjadi pada distilasi reaktif cukup berbeda. Reaksi terjadi di fase liquid untuk membuat “ruangan” untuk reaksi kimia, kita harus mengusahakan liquid hold-up dan waktu tinggal fase liquid yang tinggi.

Perbedaan antara homogeneus reactive distillation (a) dengan heterogeneus reactive distillation (b) dengan mengambil contoh pada proses pembuatan etil asetat:

Panas yang dibutuhkan pada (a) lebih sedikit daripada (b) Pada (a) katalis yang digunakan merupakan asam sulfat (fase cair), sedangkan pada (b)

katalis yang digunakan purolite CT179 (fase padat) Data-data lain mengenai peredaan antara distilasi reaktif homogen dan distilasi reaktif

heterogen:

Katalis Reaksi Heterogen

Katalis

Katalis merupakan suatu senyawa yang dapat mempercepat terjadinya reaksi atau meningkatkan laju reaksi

Jenis – jenis katalis yang dingunakan dalam reactive distillation :

Katalis Homogen

Katalis Heterogen

Keuntungan Menggunakan Katalis

Laju reaksi yang tinggi untuk kondisi operasi yang sama .

Laju reaksi yang ekivalen tetapi hasil reaksi yang lebih banyak atau reaktor yang lebih kecil

Laju reaksi yang ekivalen pada suhu dan tekanan yang lebih rendah dimana yield keseimbangan meningkat, operasi menjadi lebih mudah, deaktifasi menjadi lebih kurang, atau selektifitas yang lebih baik

Katalis Heterogen

Katalis heterogen merupakan katalis yang memiliki fase yang berbeda dengan reaktan.

Katalis jenis ini berada di dalam kolom distilasi, baik yang ada pada tray tower maupun pada packed tower.

Biasanya merupakan padatan yang memiliki permukaan yang aktif sehingga laju reaksi bisa meningkat.

Laju reaksi dikendalikan oleh fenomena‐fenomena adsorpsi, absorpsi, dan desorpsi

Biasanya berada dalam fasa padatan

Struktur Penyusunan Katalis Heterogen

1. Spherical Baskets : Berbentuk bola yang berdekatan satu sama lain, sehingga membentuk pori. Terisi oleh katalis di dalamnya.

2. Cylindrical Container : Berbentuk silinder dengan beberapa lubang pada bagian sisi samping

serta dasar dan bagian atasnya. Di dalamnya terdapat katalis.

3. Wire Gauze Envelopes : Berbentuk seperti kawat tergulung yang diregangkan. Bentuk yang dapat dihasilkan antara lain: bola, tablet, berbentuk donat, dll

4. Horizontally Disposed Gutters : Dinamakan “gutter” karena bentuknya yang menyerupai saluran air horisontal (selokan). Pada tiap unitnya diisi oleh katalis

5. Horizontally Disposed Wire Gauze Tubes : Bentuknya hampir sama dengan horizontally disposed gutter, yang membedakan adalah pada horizontally disposed wire gauze tubes disusun menyilang dan tiap unitnya diletakkan secara diagonal dan diisi katalis.

6. KATAPAK –S : (S diambil dari “Sandwich”) adalah struktur katalis yang digunakan pada reaksi gas-cair seperti, reaktor tickle-bed, bubble column atau proses reactive-distillation. Sesuai untuk berbagai aplikasi reaksi katalisis seperti reaksi esterifikasi, eterifikasi, dan hidrogenasi. KATAPAK-S terdiri dari dua unit plat persegi bergelombang yang direkatkan ujungnya dengan butir katalis diisikan diantara pelat tersebut sehingga membentuk “sandwich” . Kemudian beberapa “sandwich” ini diikat bersama hingga membentuk kubus. Kubus-kubus ini dimasukkan ke dalam kolom distilasi dan berfungsi sebagai bahan isian pada kolom untuk memberi berat pada kolom.

7. HYFLUX : structured packing yang dibuat dari stainless steel 304 dan 316, yang biasanya digunakan apabila stages yang digunakan banyak, namun tower memiliki tinggi terbatas. HYFLUX berbahan dasar dari kawat logam yang berjumlah banyak kemudian dianyamkan pada tabung dan dibentuk lagi (dipipihkan, dikerutkan, dll) sesuai spesifikasi yang dibutuhkan.

8. Catalyst Bales : Partikel katalis direkatkan dan dibentuk seperti bungkusan. Katalis tersebut diikat dengan benang fiberglass. Bungkusan tersebut berisi kantong – kantong yang akan diisi katalis. Bungkusan – bungkusan dirangkai yang akan menghasilkan sabuk – sabuk “catalyst quilt” dan sabuk – sabuk tersebut dirangkai menjadi suatu silinder “catalyst bales”

9. Catalytically Active Raschig Ring : sebuah alternatif dengan membuat pack menjadi katalis aktif, seperti Rascing Ring yang diisi katalis.

10. Catalyst Envelopes : Envelopes yang diletakkan vertikal dan sejajar dengan aliran fluida pada tray. Pressure drop kecil. Kontak antara katalis dan liquid cukup baik

The Side-Reactor Concept

Untuk menyelesaikan ketidaksesuaian dalam persyaratan reaksi (high liquid dan holdup katalis) dan pemisahan (high vapor-liquid interfacial area), dilakukan pendekatan dengan menggunakan side-reactor. Side-reactor diperkenalkan untuk mengatasi batasan desain peralatan yang diakibatkan oleh kebutuhan penambahan katalis memerlukan proses shut down pada alat. Side-reactor mempunyai potensi untuk mengurangi pemuatan katalis di reactive section. Ini menyebabkan seksi reaktif yang digunakan lebih sedikit dan mengurangi biaya operasional kolom dalam menyediakan jumlah katalis yang diperlukan dengan pengurangan diameter atau tinggi kolom. Side-reactor dapat diperlakukan

dengan cara yang sama seperti pre-reactor, di antaranya kemudahan dalam proses shut down dan penggantian katalis.

Dalam operasionalnya, cairan mengalir dari kolom pada bagian atas reactive section dan masuk sebagai umpan side-reactor, kemudian terjadi reaksi di side-reactor. Produk (arus keluar side-reactor) dikembalikan ke kolom yang sama pada bagian bawah reactive section.

Penyediaan residence time yang cukup untuk reaksi akan menghasilkan keseimbangan konversi pada side-reactor. Contoh dalam produksi MeOAc.

Keuntungan:

- Memperkecil capital costs dengan mengurangi jumlah reactive stages.- Mengurangi beban penggunaan reboiler.

Contoh lain: esterifikasi asam asetat (Hac) menghasilkan etil asetat (EtAc)

HAc + EtOH EtAc + H2O

Dari gambar di atas, umpan side-reactor mengalir dari kolom dengan jumlah reaktan paling besar, yaitu dari bagian bawah kolom. Menurut teori, jalur side stream kembali ke tray (kolom) analog dengan jalur umpan yang optimal bagi arus umpan ke tray. (B.H. Bisowarno et al)Diasumsikan aliran dalm reaktor plug flow adiabatis dengan rasio panjang/diameter 5. Pada efek loading katalis dalam kolom (gambar bawah), jumlah katalis paling banyak digunakan terjadi saat seluruh jumlah catalyst loading untuk proses reactive distillation ada bagian bawah menara (Wcat,bot=Wcat,RD)

Aplikasi Reactive Distillation

• Syarat Penggunaan Reactive Distillation

1. Kesetimbangan dapat digeser dengan pengurangan salah satu produk.

2. Jika produk utama dan produk samping mempunyai titik didih yang berbeda.

3. T reaksi = T distilasi.

4. Katalis stabil.

5. Tidak terjadi panas yang ekstrim.

6. Tidak terbentuk azeotrop.*

• Contoh Reactive Distillation di Industri– Memisahkan asam asetat dari air

Asam asetat menjadi hasil samping pada beberapa reaksi. Turunan asam asetat dimanfaatkan untuk industri farmasi, makanan, bahan peledak, kedokteran dan sebagai solven.

Namun asam asetat merupakan polutan dalam air limbah dari suatu reaksi dan harus dipisahkan.

Pembuatan etilen glikol dari pencampuran etilen oksida dengan air (hidrolisis).

Reaksi: C2H4O(g) + H20(l) → C2H4(OH)2(aq)

– Sintesis metil/etil asetat

Metil asetat sebagai intermediate dalam pembuatan poliester, seperti : photographic film base, cellulose acetate, tenite cellulosic plastic, dan Estron acetate.

Sebelum tahun 1980, hanya menggunakan multiple reaktor kemudian dikembangkan menjadi Reactive Distillation.

– Pembuatan metil asetat adalah contoh dari keberhasilan teknologi reactive-distillation

– Setelah penemuan dan aplikasi komersial dari teknologi ini untuk metil asetat, sistem ini digunakan juga sebagai model untuk mencoba desain baru yang merupakan pengembangan dari reaksi kesetimbangan kimia yang terbatas, contoh: reaksi yang sangat cepat

– Tradisional Vs Reactive Distillation

– Potensi Menggunakan Reactive Distillation

– Improve Selectivity : Reduce Raw Materials Usage, Reduce Byproducts Prevent Pollution

– Reduce Energy Use

– Handle Difficult Separations : Avoid Separating Reactants , Eliminate/Reduce Solvents

– Enhance Overall Rates

– “Beat” Low Equilibrium Constants

– Sintesis butil asetat

– Butil asetat disintesis dengan esterifikasi dari n-butanol dan asam asetat menggunakan katalis asam.

– Kesulitan: separasi katalis dari arus produk

– Keuntungan: pencapaian konversi hampir 100% dari rasio stoikiometri, biaya lebih murah, 4 kali lebih efisien

– Pembuatan etil laktat

Pembuatan etil laktat dari pencampuran asam laktat dengan etanol.

Reaksi: Asam laktat + etanol ↔ etil laktat + air

– Sintesis C4 – C5 asetat : Esterifikasi asam asetat dengan alkohol seperti n-butanol, isobutil alkohol, amil alkohol, dan heksanol.