Reactive Distillation

Pengertian Distilasi

Distilasi atau penyulingan adalah suatu metode pemisahan bahan kimia berdasarkan perbedaan kecepatan atau kemudahan menguap (volatilitas) bahan. Dalam penyulingan, campuran zat dididihkan sehingga menguap, dan uap ini kemudian didinginkan kembali ke dalam bentuk cairan. Zat yang memiliki titik didih lebih rendah akan menguap lebih dulu. Metode ini termasuk sebagai unit operasi kimia jenis perpindahan massa. Penerapan proses ini didasarkan pada teori bahwa pada suatu larutan, masing-masing komponen akan menguap pada titik didihnya.

Pengertian Reactive Distillation

Reactive distillation adalah kombinasi dari reaksi kimia dengan distilasi dalam satu unit alat. Awal ditemukannya pada tahun 1921, kemudian dilakukan riset lagi lebih mendalam sejak tahun 1980an dalam berbagai aspek, seperti: modelling, sintesis proses, dan bahan material kolom dan isian kolom. Performa dari reaksi dengan separasi dalam satu unit alat ini memberikan banyak keuntungan. Terutama untuk reaksi yang terbatas kesetimbangan, seperti esterifikasi dan reaksi esterhidrolisis. Konversi dapat jauh ditingkatkan melebihi konversi kesetimbangan kimia dengan pengambilan produk pada kolom reaksi secara kontinyu. Dengan proses ini, reaksi samping bisa dihindari dan panas eksotermis dari reaksi tersebut bisa dimanfaatkan untuk pemurnian produk pada proses distilasi. Selain itu dapat mengurangi biaya investasi dan mengurangi penggunaan sumber daya yang digunakan. 

Karena interaksi yang kompleks antara reaksi kimia dan pemisahan, performa dari reactive distillation bergantung pada beberapa parameter, seperti ukuran dan lokasi bagian kolom reaktif dan non-reaktif, reflux ratio, dan lokasi umpan. Untuk prosedur pengembangan scale-up dan analisa sensitivitas membutuhkan sebuah simulasi yang harus berdasarkan pada pengalaman yang sistematis dan terencana.

Parameter Desain yang berbeda antara Reactive Distillation dan Distilasi Konvensional:

1.      Suhu dan tekanan operasi

Pada Distilasi Konvensional, suhu dan tekanan operasi diatur untuk memastikan pemisahan yang terjadi lebih mudah (biasanya dijaga pada tekanan yang tidak terlalu tinggi). Namun, untuk Reactive Distillation, suhu dan tekanan operasi selain mempengaruhi pemisahan yang terjadi pada bagian rectifying dan stripping, juga mempengaruhi reaksi kimia yang terjadi. Suhu di kolom mempengaruhi keseimbangan fase dan kinetika kimia. Suhu rendah yang memberikan volatilitas relatif tinggi dapat memperkecil laju reaksi yang terjadi sehingga akan memerlukan hold-up cairan yang sangat besar (atau jumlah katalis yang sangat banyak) untuk mencapai konversi yang diinginkan. Sebaliknya, suhu yang tinggi dapat memberikan konstanta kesetimbangan yang kecil (untuk reaksi eksotermis reversible) yang membuat lebih sulit untuk mendorong reaksi ke arah produk. Temperatur yang tinggi juga dapat meningkatkan terjadinya reaksi samping yang tidak diinginkan. Sehingga, pemilihan tekanan dan suhu operasi optimum menjadi sangat penting dalam mendesain reactive distillation.

2.      Hold-up cairan pada tray.

Desain ukuran distilasi konvensional (yang steady-state) tidak dipengaruhi oleh hold-up cairan pada tray karena desain diameter kolom ditentukan oleh laju aliran uap maksimal yang terhitung sesuai dengan tingkat pemisahan yang diinginkan (parameter yang diutamakan adalah komposisi (kemurnian) distilat dan bottom product). Namun, pada reactive distillation, hold-up cairan pada tray sangat penting karena laju reaksi secara langsung bergantung pada hold-up cairan (atau jumlah katalis) pada setiap tray reaktif. Sehingga, hold-up cairan harus diketahui sebelum kolom tersebut dirancang dan sebelum diameter kolom diketahui. Akibatnya, prosedur desain reactive distillation adalah secara iteratif. Hold-up diasumsikan dahulu, selanjutnya kolom dirancang untuk mencapai konversi yang diinginkan dan produk kemurnian. Diameter kolom terhitung dari laju aliran uap maksimum. Kemudian ketinggian cairan pada tray reaktif yang diperlukan dengan hold-up cairan yang diasumsikan sebelumnya dihitung. Ketinggian cairan yang lebih besar dari 10-15 cm (4-6 inci) tidak diinginkan karena tekanan hidrostatis yang besar (menghambat aliran uap). Dengan demikian, jika tinggi cairan dihitung terlalu besar, diasumsikan holdup yang lebih kecil dan diulang kalkulasinya. Sebuah alternatif yang memungkinkan untuk mengatasi masalah diatas (namun dengan modal tetap yang lebih mahal) adalah dengan membuat kolom yang berdiameter lebih besar daripada yang dibutuhkan oleh beban uap.

3.      Rasio umpan reaktan.

Karena melibatkan reaksi kimia dan proses pemisahan, maka kontrol rasio umpan reaktan yang masuk menjadi hal yang penting dalam menjalankan proses reactive distillation sehingga bisa mendapatkan produk dengan kemurnian yang diinginkan.

Keterbatasan Reactive Distillation

Meskipun distilasi reaktif terdengar seperti ide bagus, luas penerapannya cukup dibatasi. Baik kimia dan uap-cair kesetimbangan kesetimbangan fasa harus cocok.

1.           Kecocokan suhu

Keterbatasan prinsipnya adalah bahwa harus ada kecocokan dalam suhu yang menguntungkan untuk reaksi dan suhu yang menguntungkan untuk pemisahan. Karena reaksi dan pemisahan keduanya terjadi dalam satu wadah tekanan tunggal.

2.           Volatilitas yang tidak sesuai

Keterbatasan besar kedua untuk aplikasi distilasi reaktif adalah bahwa relative volatilitas komponen harus sedemikian rupa sehingga reaktan yang terkandung dalam kolom dan produk dapat dengan mudah dipisahkan dari atas dan atau dari bawah. Misalnya, kita ingin menghasilkan asam asetat dan metanol dari metil asetat dan air. Sekarang metil asetat adalah yang paling ringan, dan itu akan sangat sulit untuk tetap di zona reaktif dan tidak banyak yang kearah distilat dengan metanol yang sedang diproduksi. Proses ini tidak akan cocok untuk distilasi reaktif.

3.           Reaksi lambat

Pembatasan lain untuk distilasi reaktif adalah kebutuhan kecepatan untuk reaksi tertentu cukup besar. Jika reaksi sangat lambat, wadah yang dibutuhkan untuk menampung reaktan akan terlalu besar dan tidak ekonomis.

4.           Pembatasan lain

Distilasi reaktif terbatas untuk reaksi fase cair, karena ada sangat sedikit di hold-up uap fase. Panas reaksi harus secukupnya untuk mencegah perubahan fasa uap dan cair yang melalui zona reaktif. Reaksi yang sangat eksotermik bisa membuat seluruh tray-nya kering.

Kelebihan Reactive Distillation

1.           Biaya operasi dan investasi yang lebih terjangkau karena konfigurasi alat lebih sedikit dan konsumsi energi yang lebih sedikit pula (memanfaatkan energi hasil reaksi).

2.           Large hold-up (waktu tinggal lebih lama).

3.           Fleksibel dalam distribusi hold-up.

4.           Dapat diaplikasikan untuk katalis homogen dan heterogen.

5.           Kemudahan dalam penggantian katalis.

6.           Pengembangan dari skala laboratorium menuju skala industri relatif lebih sederhana.

7.           Limbah produk yang dihasilkan relatif lebih sedikit.

8.           Potensi degradasi akibat kalor yang sedikit lebih kecil.

Kelemahan Reactive Distillation

1.           Kondisi tidak optimal, karena desain kolom merupakan kombinasi dari reaktor kimia dan kolom distilasi

2.           Proses introduksi ke operator lebih sulit karena dibutuhkan pemahaman interaksi uap-cair yang kompleks, kecepatan transfer massa dan difusi, dan kinetika kimia.

3.           Untuk beberapa reaksi, rekasi samping memberikan hasil lebih baik, yaitu kondisi dimana kolom umpan dan zona reaksi dipisahkan. Hal ini dilakukan apabila kondisi optimal untuk reaksi dan distilasi tidak berbeda jauh.