Reef Octopus CR-140 Reverse Flow Calcium Reactor from CoralVue

Pengoperasian reaktor secara tak tunak yang dapat memberikan kelebihan yang besar bagi unjuk kerja suatu proses baru-baru ini mulai membuka jalan baru dalam intensifikasi proses. Berbeda dengan pengoperasian proses kontinu tradisional yang memfokuskan pada keadaan tunak, reaktor kontinu dipaksa untuk bekerja pada keadaan tak tunak (unsteady state). Salah satu alternatif pengoperasian reaktor tak tunak adalah dengan cara mengubah arah aliran yang melalui reaktor secara periodik dalam selang waktu tertentu yang disebut switching time. Konsep ini dikenal dengan nama Reverse Flow Reactor atau Reaktor Aliran Bolak-balik (RABB).

RABB telah menunjukkan keuntungan yang besar untuk reaksi eksotermis dalam hal energy saving. Selain itu dengan mengubah arah aliran dan mengatur frekuensi ubah (switching  frequency) alirannya RABB juga akan mengakibatkan terjadinya deviasi dari keadaan tunak yang dipercaya dapat meningkatkan selektifitas dan konversi. Akan tetapi diperlukan pemilihan frekuensi yang tepat karena apabila switching time terlalu cepat akan mengakibatkan konversi menjadi turun karena akan ada reaktan yang belum sempat bereaksi terdorong keluar dari reaktor saat arah aliran diubah. Karena itu pengaturan RABB untuk setiap proses berbeda-beda tergantung pada kondisi pengoperasiannya.

Skema sederhana Reaktor Aliran Bolak-Balik (Reverse Flow Reactor)

Skema proses dari RABB ditunjukkan secara sederhana pada gambar 1. Selama berlangsung siklus pertama, aliran mengalir melalui 1-2-R-3-4, dan selama berlangsung siklus kedua, aliran mengalir melalui 1-2-R-3-4.  Pada kasus-kasus RABB pada umumnya, katalis di dalam reaktor bukan hanya berperan untuk mempercepat laju reaksi, tetapi juga dapat berperan sebagai penyimpan panas yang dihasilkan dari reaksi eksotermik. Hal ini dapat terjadi karena katalis memiliki kapasitas panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan fluida yang mengalir di dalam reaktor, baik yang diumpankan maupun yang dihasilkan. Untuk memaksimalkan penghematan energi maka arah aliran sebaiknya diganti saat temperatur aliran keluar mulai meningkat setelah pengubahan arah aliran pertama. Jika aliran dibalik arahnya secara periodik, maka aliran umpan tidak lagi memerlukan pemanas awal untuk mencapai temperatur mula reaksi (reaction ignition temperature).

RABB beroperasi pada dinamika beda temperatur yang besar sepanjang unggun katalis karena adanya pertukaran panas antara unggun katalis dan gas yang bereaksi. Pergerakan beda temperatur ini harus dipantau terus menerus, karena hal ini dapat menyebabkan gradien temperatur yang besar dan dapat merusak unggun katalis. Sistem kontrol operasi RABB adalah salah satu hambatan penerapan teknologi ini di industri. Pengoperasian sistem monitor dan kontrol diperlukan untuk menghindari pemadaman reaksi (extinction) serta kelebihan panas (overheating) pada unggun katalis. Selain itu, peralatan seperti kerangan yang dapat beroperasi pada frekuensi ubah (switching frequency) yang tinggi belum memadai, serta membutuhkan investasi yang mahal.

Referensi:
Simulation of Reverse Flow Operation for Manipulation of Catalyst Surface Coverage in the Selective Oxidation of Ammonia. Y.W. Budhi, dkk. 2004
Reverse Flow Operation with Reactor Side Feeding: Analysis, Modeling, and Simulation. Y.W. Budhi, dkk. 2009.

Pada proses pembuatan semen secara tradisional, semen menghasilkan gas rumah kaca dari proses pemanasannya dan proses memasak bahan baku seperti limestone (batu kapur). Pembakaran dan kebutuhan energi tersebut menghasilkan CO2. Dan sampai sekarang, belum ada orang yang mampu merubah fundamental pembuatan semen tersebut, hingga Nikolaos Vlasopoulos mengungkapkan hasil penelitiannya.

“Formula baru yang ramah lingkungan ini dapat merubah industri semen menjadi penyerap karbon yang baik,” kata kepala peneliti Novacem yang berbasis di London. Penelitian yang mendapat dukungan dari para pecinta lingkungan ini, menggunakan material berbeda untuk bahan dasar pembuatan semen. Novacem yang didirikan oleh Vlasopoulos dan rekan-rekannya di Imperial College London telah menarik perhatian perusahaan konstruksi besar seperti Rio Tinto Minerals, WSP Group dan Laing O’Rourke, dan banyak investor termasuk Carbon Trust.

Semen Novacem tersebut berbasis magnesium silikat dan tidak membutuhkan energi yang besar pada pemanasannya. Semen tersebut juga akan menyerap CO2 pada saat ia mengeras. Perusahaan ini pemulai Pilot Plant senilai £1.5m didanai oleh Technology Strategy Board, sebuah badan milik pemerintah UK. Bila sema berjalan lancar, Vlasopoulos memperkirakan produk Novacem akan ada di pasaran dalam lima tahun lagi. “Di UK perubahan iklim ini memaksa kita untuk mengurangi emisi CO2 dan seluruh sektor harus berperan didalamnya. Industri konstruksi harus bertanggung jawat penuh atas pengaruh lingkungan yang disebabkan oleh industri itu sendiri.” dikatakan oleh Jonathan Essex, seorang civil engineer konsultan Bioregional yang juga duduk dalam panel kepedulian lingkungan untuk Institusi Civil Engineers. Bila Novacem dapat membuat semen mereka dengan harga yang kompetitif,m langkah selanjutnya adalah menggunakan energi terbarukan untuk tungku pemanas agar dapat mengurangi lagi emisi CO2-nya.

Menurut Novacem, peroduknya dapat menyerap sekitar 0,6 ton CO2 setiap ton semen. Dapat dibandingkan dengan emisi karbon 0,4 ton setiap pembuatan semen standar. Sebelumnya telah ada beberapa usaha untuk membuat semen yang lebih ramah lingkungan, ada yang menggunakan tambahan aggregate pada campuran konsentratnya sehingga menggunakan semen yang lebih sedikit, akan tetapi belum mampu mengatasi permasalahan utama emisi CO2 proses pembuatan semennya. Usaha lainnya adalah dengan membuat campuran polimer tapi tetap tidak berpengaruh besar pada pasar.

Pembicara dari Asosiasi Semen British mengungkapkan keraguannya pada berbagai penelitian laboratorium untuk semen-semen jenis baru dan permasalahannya. “Realitanya terdapat ketersedian geologis dan distribusi globan dari sumber daya alam yang sesuai, disandingkan dengan besarnya validasi yang dibutuhkan untuk memastikan kesesuaian tujuan, membuat semen-semen tersebut sangat tidak sesuai sebagai alternatif yang realistis bahan bangunan.”

Vlasopoulos merespon bahwa magnesium silikat banyak sekali terdapat di seluruh dunia, sekitar 10.000 milyar ton tersedia menurut beberapa perkiraan. “Sebagai tambahan, proses produksi semen ini adalah alamiah secara kimia, artinya semen ini dapat menggunakan berbagai produk samping industri yang terdapat magnesium didalamnya.” Ia percaya bahwa material ini cukup kuat untuk digunakan sebagai bahan bangunan, tetapi ia mengakui bahwa untuk mendapatkan lisensi kebenarah hal itu membutuhkan waktu beberapa tahun percobaan.

Perbandingan: Semen Ecofriendly dengan Tradisional

Semen standar, biasa diketahui dengan Portland cement, dibuat dengan cara memanaskan batu kapur (limestone) atau tanah liat (clay) pada temperatur sekitar 1.500 C. Dari proses ini, pembakaran bahan baku tersebut melepaskan 0,8 ton CO2 setiap ton semen yang diproduksi. Ketika dicampur dengan air untuk digunakan sebagai bahan bangunan, setiap ton semen dapat menyerap 0,4 ton CO2, tapi tetap saja keseluruhan proses menyisakan emisi karbon 0,4 ton setiap ton semen.

Semen Novacem, yang masih belum dipatenkan, menggunakan magnesium silikat sehingga tidak menghasilkan CO2 dari proses pembuatannya. Proses produksinya juga berjalan pada temperatur yang lebih rendah yakni 650 C. Hasil akhir menunjukkan bahwa semen Novacem menghasilkan emisi CO2 sebesar 0,5 ton setiap ton semen. Akan tetapi, dengan formula Novacem ini, semen mampu menyerap CO2 lebih banyak, sekitar 1,1 ton. Sehingga proses keseluruhannya adalah carbon negative, mampu menyerap 0,6 ton CO2 dari udara setiap ton semen yang digunakan.

Sumber:
Guardian Enviromental Network

Katalis hampir selalu ada di dalam reaktor industri.. Senyawa tambahan yang berjumlah amat sedikit bila dibandingkan laju alir reaktan dan produk, namun membawa dampak sedemikian besar terhadap karakteristik produk baik secara kualitas dan kuantitas.. Bagaimana ya produksi katalis di Indonesia? Dari sekian banyak pabrik kimia yang ada, berapa persen ya kira-kira pabrik yang menggunakan katalis produksi nasional?? Tapi sebelum melangkah lebih jauh, ada baiknya kita menyegarkan pikiran kita tentang apa katalis itu sebenarnya.. Untuk teman-teman yang sudah expert, harap bersabar.. banyak pembaca kita yang bahkan baru memulai semester pertamanya di jurusan Teknik Kimia.. Hehehe..

Definisi

Hmmm… teman-teman ingat tidak? Dulu waktu SMA guru kita pernah menerangkan definisi katalis: zat yang mempercepat reaksi tanpa ikut bereaksi. Nahh berhubung kita sekarang sudah mahasiswa, ada baiknya definisi tersebut kita perbaiki karena pada dasarnya definisi tersebut kurang tepat. Definisi yang lebih tepat ialah zat yang dapat mempercepat reaksi tanpa ikut terkonsumsi oleh keseluruhan reaksi. Mengapa demikian? Karena pada dasarnya katalis justru HARUS ikut bereaksi dengan reaktan untuk membentuk suatu zat antara yang aktif. Zat antara ini kemudian bereaksi dengan molekul reaktan yang lain menghasilkan produk. Pada akhirnya, produk kemudian terlepas dari permukaan katalis. Untuk lebih jelasnya, lihat contoh berikut :

Reaksi A + B -> D hendak dilakukan dengan menggunakan C sebagai katalis. Mekanisme reaksi yang terjadi ialah:

Penggolongan dan Struktur Katalis

Berdasarkan fasanya, katalis bisa digolongkan menjadi 2 yaitu katalis heterogen (fasa katalis tidak sama dengan campuran reaksi) dan homogen (fasa katalis sama dengan campuran reaksi). Namun, katalis heterogen lebih disukai karena proses pemisahan katalis dan hasil-hasil reaksi lebih mudah untuk dilakukan. Suatu katalis padat terdiri dari 3 komponen utama, yaitu (1) fasa aktif, (2) penyangga, dan (3) promotor. Fasa aktif berfungsi untuk mempercepat dan mengarahkan reaksi, peyangga berfungsi untuk memberikan luas permukaan yang lebih besar bagi fasa aktif, dan promotor berfungsi untuk meningkatkan kinerja katalis. Fasa aktif dari katalis bisa menjadi tidak aktif (terdeaktivasi) karena beberapa sebab seperti kehadiran CO, CO₂, dan senyawa-senyawa sulfur serta temperatur operasi yang terlalu tinggi.

Cara Kerja dan Sifat-sifat Katalis

Sebelum membahas bagaimana cara kerja dari katalis, ada baiknya kita mengetahui syarat-syarat yang diperlukan agar reaksi dapat berlangsung. Syarat berlangsungnya reaksi ialah (1) Terjadi kontak (tumbukan) dengan orientasi yang tepat, dan (2) disertai dengan energi yang cukup (melebihi energi aktivasi reaksi). Dengan adanya katalis, kedua syarat di atas dapat terkomodasi dengan baik. Katalis dapat “mengantarkan” reaktan melalui jalan baru yang lebih mudah untuk berubah menjadi produk. Jalan baru yang dimaksud yaitu jalan dengan energi aktivasi yang lebih rendah. Keberadaan katalis juga dapat meningkatkan jumlah tumbukan dengan orientasi yang tepat. Hal itu disebabkan molekul-molekul reaktan akan teradsorp pada permukaan aktif katalis sehingga kemungkinan terjadinya tumbukan antar molekul-molekul reaktan akan semakin besar. Selain itu, ketepatan orientasi tumbukan pun akan semakin meningkat.Katalis memiliki beberapa sifat-sifat tertentu, yang pertama ialah katalis tidak mengubah kesetimbangan dan katalis hanya berpengaruh pada sifat kinetik seperti mekanisme reaksi. Oleh karena itu, sebagus apa pun katalis yang digunakan, konversi yang dihasilkan tidak akan melebihi konversi kesetimbangan. Selain itu, katalis juga bersifat spesifik, satu katalis hanya sesuai untuk satu jenis reaksi saja. Dan bagaimana efek penggunaan katalis terhadap keseluruhan reaksi? Sebagai gambaran, pada sintesis amonia, dibutuhkan sekitar 100 meter kubik katalis untuk menghasilkan 1500 ton amonia/hari dengan masa kerja 10 tahun.

Katalis di Indonesia

Nah.. dari definisi dan cara kerja di atas, teman-teman semua pasti sudah memiliki gambaran yang cukup tentang bagaimana pentingnya penggunaan katalis dalam sebuah reaktor industri. Bayangkan saja, tanpa katalis suatu reaksi dapat menjadi 1.000.000 kali lebih lambat dalam menghasilkan produk. Salah satu pabrik katalis yang ada di Indonesia ialah pabrik di Kawasan Industri Kujang Cikampek dengan kapasitas produksi 1.100 ton/tahun. Pengelola pabrik ini adalah P.T. Kujang Süd-Chemie Catalysts, yaitu sebuah perusahaan patungan PT. Pupuk Kujang dengan Süd-Chemie Jepang dan Jerman. Namun untuk memberi gambaran tentang bagaimana keadaan industri katalis di Indonesia, berikut ini sedikit kutipan dari Harian Umum Kompas:

Meski peneliti di perguruan tinggi dan lembaga penelitian di Indonesia berhasil mengembangkan teknologi katalis yang bernilai ekonomi, belum ada industri yang berminat memproduksi hasil inovasi itu. Hal ini, antara lain, disebabkan produksi katalis tidak menjanjikan skala produksi dan keuntungan yang tinggi. Akibatnya, hampir seluruh kebutuhan tersebut diimpor dan sebagian kecil diproduksi di Indonesia dengan lisensi dari luar negeri. Sejauh ini, pengembangan katalis belum menjadi perhatian secara terpadu dari pemerintah, industri, dan lembaga penelitian.

Hal tersebut disampaikan Ketua Masyarakat Katalis Indonesia (MKI) Dr. Subagjo dalam Simposium dan Kongres I Teknologi Katalis Indonesia 2005 di Serpong, Banten. Kongres terakhir MKI diselenggarakan di Universitas Diponegoro pada tahun 2006 lalu dan kongres ketiga akan diselenggarakan di Universitas Gadjah Mada tahun ini.

Cu/Zn/Al2O3: Katalis yang digunakan untuk reaksi reformasi metanol penyedia hidrogen untuk fuel cell. Dibuat dengan metode impregnasi kering gamma-alumina (Al2O3) dengan larutan Cu(NO3)2 dan Zn(NO3)2. Penelitian dari Makertihartha, Janitra, dan Sianturi ini mengemukakan bahwa katalis ini menghasilkan konversi metanol sebesar 90% pada suhu 225 C.

Bagaimana pendapat teman-teman mendengar keadaan tersebut? Cukup disayangkan bukan? Seluruh kebutuhan katalis diimpor dan hanya sebagian kecil yang diproduksi di Indonesia.. Itupun dengan lisensi dari luar negeri.. Yang artinya katalis tersebut diproduksi oleh pabrik tertentu dengan komposisi, kondisi operasi, dan resep-resep lainnya yang sudah dipatenkan dan kita harus membayar sekian rupiah kepada negara luar untuk setiap katalis yang dihasilkan. Padahal, pada dasarnya Indonesia memiliki sumber daya dan teknologi yang cukup untuk memproduksi katalis sendiri. Dan apa kira-kira penyebab industri Indonesia tidak bisa menjanjikan kebutuhan katalis dalam skala yang besar? Bukankah setiap industri di Indonesia membutuhkan katalis dalam tiap reaktornya? Apakah kualitas katalis Indonesia masih kurang baik dibandingkan kualitas buatan luar negeri? Ataukah memang pada dasarnya industri Indonesia lebih yakin akan kualitas katalis buatan luar negeri dibandingkan dengan katalis buatan Indonesia??

Tapi untungnya, masyarakat katalis Indonesia cukup peka terhadap keadaan tersebut dan beberapa gerakan telah dilakukan untuk menginisiasi pengembangan katalis mandiri yang berkualitas buatan Indonesia.
Berikut ini kutipan lain dari Harian Kompas:

Lebih dari itu, beberapa institusi anggota MKI, ujar peneliti dari Pusat Penelitian Kimia Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Dr Hery Haerudin, telah melaksanakan pengembangan katalis dan teknologi pemprosesnya. Di antaranya hydrotreating minyak mentah untuk menghilangkan pengotor; katalis asam padat dengan memanfaatkan tanah liat untuk memproduksi bio-diesel atau bahkan biogasoline, pengembangan katalis proses produksi hidrogen untuk fuel cell, serta pengembangan katalis perengkahan minyak berat.

Semoga teman-teman sedikit tersadarkan akan pentingnya suatu senyawa (atau campuran senyawa) bernama katalis yang secara kuantitas amatlah kecil bila dibandingkan dengan volume produksi pabrik, namun memegang peranan yang sedemikian pentingnya dalam industri. Bahkan minyak bumi sekalipun, yang diheboh-hebohkan dan diperebutkan oleh negara-negara di dunia, tetap membutuhkan katalis-katalis dalam rangkaian pemrosesannya sebelum akhirnya dapat kita nikmati sebagai bahan bakar untuk rumah tangga dan kendaraan pribadi kita. Dan bukan salah industri Indonesia apabila mereka lebih mempercayai kualitas katalis luar negeri ketimbang katalis buatan sendiri. Mungkin memang pada dasarnya mereka jauh lebih baik dari kita. Atau mungkin mahasiswa dan peneliti Indonesia yang masih kurang sadar akan pentingnya katalis berkualitas buatan negeri sendiri. Dan sepertinya, sudah menjadi tugas kita sebagai mahasiswa untuk memajukan kualitas katalis buatan Indonesia agar terpercaya dan terjamin performa dan reliability-nya.

Ayo majukan produksi katalis Indonesia!

Sumber: Harian Umum Kompas, Situs Masyarakat Katalis Indonesia