Kendali Utama FCC-RCC-RFCC

FCC-RCC-RFCC

A. INTRODUCTION

RFCC atau Residue Catalytic Cracking Unit,  merupakan sarana unit pengolah minyak sisa dari CDU (Crude Destilation  Unit minyak mentah) suatu Refinery, berupa long residu atau ditambah VGO, yang memiliki nilai ekonomi sisa yang rendah. RFCC memiliki advantage untuk memperbaiki keekonomian kilang, karena kemampuan meng-upgrade nilai produk hidrokarbon – (menjadi produk gasoline, LPG, Propylene, fuel gas dan LCO/DCO untuk komponen diesel dan marine fuel oil) – memiliki fleksibilitas operasi bila dikelola dengan cermat dan baik.

Namun manfaat RFCC di batasi parameter design yang perlu dikenal dan dikelola dengan baik, menjaga keseimbangan “beban alat operasi versus pola pemanfaatan” agar bisa operasi kontinyu > 36 handal, ekonomis dan stabil (TA to TA) .
Design RFCC ditujukan mengolah fraksi long residu dan heavy vacuum gas oil dengan kualitas tertentu (dikendalikan) untuk menjadi produk bernilai ekonomi tinggi berupa Offgas (biasa minimal*1), Propylene, LPG Propane, LPG Butane, Naphta oktan number tinggi (92-93.5), LCO dan DCO (slurry) diminimalkan oil*1 serta coke dikatalis (sebagai sumber enersi bagi RFCC di COB, cat.cooler dan enersi cracking di Riser Reaktor & pemanas bottom Fraksionator) dengan bantuan katalis silica alumina (dengan kualitas dan kendali velocity tertentu) pada suhu 515-545 oC dengan Cat/Oil tertentu, dengan contact time catalyst/oil beberapa  second di Riser Reactor.

Note *1 : via pemilihan katalis.

Riser Reactor, tempat konversi katalitik di design untuk: kondisi operasi tertentu, untuk feed kualitas tertentu, dengan bantuan katalis tertentu yang bisa diupgrade dengan vendor katalis (atau pengaturan jaga level aktifitas katalis dan metal content) dan variable operasi tertentu agar terkendali kearah produk sesuai design dan minimasi resiko dampak operasi tertentu.

B. OPERATIONAL
Ditahap operasi awal, diperlukan pemerataan pemahaman untuk seluruh team terkait, diantaranya untuk,

1. Mengenal dan Pembuktian Performace & Kehandalan design.
Operasi kontinyu dengan variable batasan design vs konversi tertentu dengan katalis dan parameter operasi tertentu yang telah dipilih.
Kendali operasi antara lain kualitas
(1) feed RFCC, (batasan spesifikasi feed vs suplai yang tersedia)
(2) parameter operasi (Oleh operator & Team) internal dan
(3) kualitas & kondisi katalis (Manfaatkan Supporting ahli & lab vendor katalis periodik)
1,2,3 versus daya tahan alat yang dikendalikan secara cermat.
Namun ada bahagian yang perlu dipantau, apakah ada yang overload ada variable berubah (konversi rendah, dipastikan LCO + DCO naik, beban alat bottom system, HE & pompa naik), akan membatasi kapasitas unit.

2. Kondisi awal Kilang baru.
Pada periode tahun awal operasi, tengah berproses terbangunnya supporting untuk terhadap RFCC, antara lain:
• Di sektor Upstream Kilang: supporting perencanaan arus minyak (Jakarta s/d Unit), vendor katalis diminta support data, vendor alat dan membangun supporting teknis eksternal luar kilang, chemicals, dll.),
• Internal Kilang: pengelolaan operasi dan kehandalan dan pengenalan karakter semua variable dan trend terkaitnya oleh pekerja.
• Dowstream kilang: mata rantai marketing, distribusi via pipa dan pengapalan serta truck distribusi.
Bila ada gangguan pada salah satu item diatas, potensi terjadi gangguan keseimbangan, bisa bergejolak, khusunya bila kapasitas RFCC besar.

3. Optimasi dalam batas design.

Bagi Kilang dengan multi jenis crude, akan cenderung berubah / merubah kondisi operasi hampir disetiap waktu ganti tanki (per 3 hari, dst), maka mengenal operasi via trend akan sangat membantu para pihak terlibat operasi, termasuk untuk feedback bagi pemasok Feed (Jakarta & unit Upstream RFCC).

Trend monitoring (operasi DCS) biasanya dibangun diantaranya untuk upaya mengenal perubahan kondisi operasi karena perubahan salah satu variable versus upaya perbaikkan / fine tunning, keterkaitan   sebab-akibat kondisi operasi.

Untuk persiapan feed dan upaya aplikasi RFCC terhadap pemanfaatat dalam pengolahan berbagai jenis residue crude oil, biasanya dibuat upaya memantau via data data jangka tertentu / trendding sebaba akibat. Contohnya,

(a) Jenis dan spesifikasi Feed, (mendekati ~ batasan design) vs konversi pada variable         operasi utama severity proses di Reaktor. Feed quality sesuai batas min-max.
(b) Mengenal Jenis dan kesesuaian katalis, menvariasikan injeksi vs hasil konversi pada       variable operasi yang sama.

  • Kualitas catalyst: Trend potensi konversi (performa katalist dijaga stabil pakai data feed lab vendor), aman alat (ada syarat teknis katalis vs hardness /psd/ attritian), arah konversi (maks gasoline or propylene, minimasi off gas dan LCO+DCO), keekonomian (qtt ijeksi lbs catalyst/bbl feed), pantau stabilitas qualitas (katalis activities, particle size, surface area dan reporting) vs feed & konversi bulanan, tahunan.
  • Memantau variable equilibrium catalyst vs kontaminas dan activities catalys vs feed yang diolah (konversi nyata di Rx).
  • Memanfaatkan Supporting vendor katalis untuk meneliti trend performa katalis, perbahan katalis dan daya konversi dan improvement next supplai shipment (no charge) atau analisa karekter feed vs katalis.

(c) Mengenal keterbatasan kapasitas alat dan daya tahan alat selama perubahan, untuk       optimasi kedepan.
(d) Membangun kapabilitas internal team.

  • Familiarisasi Operating parameter, (daily dan trend) antara (mcrt, uop k, jenis feed) vs konversi (dan Temp Rx, C/O), dan activity catalyst.
  • Mengenal dan menjaga kehandalan operasi, sambil membangun relasi supporting katalis vendor terkait, via presentasi periodik perbaikkan conversi (manfaat feed back timbal balik vendor – refiner)

(e) Short report monitoring Kontrol operasi via for management via laporan.

• Khusus U-101: (Feed: UOP K, mcrt, cut point feed),
• Rx-RG (Tem Rg, Temp Rx, Conversi, Cat Injection),
• Kolom Frationator (temp bottom kolom 350-360 C, ratio sirkulasi bottom 1.5-1.6 x          feed design bila terganggu potensi potong intake dan Shut/Down, dan cegah scaling /    fouling, velocity di pipa / HE bottom > minimum velocity),
• Boiler: Sirkulasi boiler water di tube Cat cooler 21x produksi steam, lindungi cat cooler    dan COB Steam production rate.

Semua perlu dikelola dengan baik, guna meminimasi resiko.
Manfaat monitoring Trend / data kecendrungan jangka panjang, untuk mengenal sebelum perubahan besar dilakukan. 1-3 tahun pertama membangun trend variable dan pembuktian sesuai design terhadap cycle TA to TA RFCC sebagai learning periode, mencegah gagal operasi via akurasi monitoring data.
Catatan: Selain faktor Feed & Kualitas katalis, ada Process Variable operasi yang berpengaruh.

C. Proses variabel RFCC yang paling berpengaruh
antara lain :
1. Cat/Oil ratio (5 s/d 10 banding 1)
2. Temperatur Reactor 515-540 oC (di pengaruh dari Temp.Regen & Feed)
3. Conversi, (rendah 50-60 %, tinggi bila 80-90 %).
Konversi –> Diukur dari {[Feed-(LCO+DCO]/feed} x 100%.
4. Flow rate Umpan. ( > 65 %, atau diatas minimum turn down ratio)
5. Temperatur Combine Feed. (240-275 oC )
6. Sirkulasi katalis. (45 – 70 ton/menit)
7. Lift Gas. (1.5-2 %wt dari feed rate, disesuaikan riser velocity).
8. Lift Steam. (1.5-2 % x feed rate disesuaikan riser velocity)
9. Stripping Steam. (1 – 2 kg/ton katalis disirkulasi)
10. Tekanan Reactor. (diatur dari main column ovhd press).
11. Pressure balance Regen-Reactor & Main Colomn. (via delta press Rx/Rg & Level Cat.      dan Tekanan Overhead Factionator)
12. Distribusi udara ke Regenerator. untuk regenerasi.
13. Pembakaran coke. (Upper Rg partial + 65-80 %, lower complete.)
14. Combustion air rate (upper Rg 70 %, Lower 30 %).
15. Temperatur upper regen. (dipengaruhi kwalitas feed, dan Reactor dan Pengaturan            rate udara).
16. Temperatur lower regen.(650-725 oC , berpengaruh pada T.Rx & C/O)
17. Level regen. (dikontrol via Flow through stand pipe).
18. Temperatur lower regen ( diatur sebagian via Flow Through Cat Cooler).
19. Tekanan Regenerator.(berpengaruh pada delta Press SLV)
20. Kwalitas dan kondisi feed. (MCRT, UOP K, Boiling Point, contaminant, Cut point)
21. Kondisi dan tipe katalis. (metal, MAT, size, SA) dll.

Dari Process Variabel tersebut, variabel yang dominan terhadap process dapat dikelompokkan sebagai berikut:
*)Reactor Severity :
Faktor yang dominan dalam hal ini : Temperatur, Concentrasi reactance & Catalyst,       resident time, permukaan catalyst, tekanan dan luas permukaan katalyst.
*) Regenerator Severity
Faktor yang dominan a.l.: Carbon level dikatalis, Air Rate & distribution, Temperatur,      Tekanan, design regen, Mode regenerasi, Resident time.
*) Kualitas dan kondisi feed stock
Feed rate & Recycle Rate, aspek fisis feed, dan suhu.
*) Type dan Kondisi katalis
Activity (MAT >65), Metal content (8000-16500ppm), Suface area (>130 M2/mg),         particle size distribution (5-10 % < 40 micron & kurang dari 5 % yang > 100                 micron), Re2 O3, wt % sekitar 2 %.

D. REAKSI KIMIA 

REAKSI CRACKING
Semua komponen crude oil yang mempunyai rentang titik didih diatas 350 °C dapat diklasifikasikan sebagai residu, termasuk HGO, VGO dan vacuum bottom.
Sebagian besar material ini mengandung mono, polynuclear naphtenes dan aromatik, resin dan asphaltenes. Residu mempunyai densitas dan viskositas serta kandungan conradson carbon, sulfur, basic nitrogen dan metal yang lebih besar dibanding pada gasoil.
Reaksi cracking merupakan reaksi pemecahan ikatan C-C, yang reaksinya bersifat endothermis dan secara thermodinamika reaksi tersebut dapat berlangsung dengan baik pada temperatur tinggi.
Serangkaian reaksi yang kompleks akan terjadi pada saat molekul umpan dikontakkan dengan katalis pada temperatur 650 – 760 °C. Distribusi produk yang dihasilkan tergantung pada banyak faktor termasuk kondisi umpan dan kekuatan sisi asam katalis.
Meskipun reaksi yang terjadi adalah catalytic cracking, namun reaksi thermal cracking juga terjadi akibat kurang idealnya kontak antara umpan dengan katalis dalam riser.
Reaksi-reaksi penting yang terjadi pada RFCC / RCC adalah sebagai berikut :
1. Cracking.
a. Paraffin terengkah menjadi olefin dan paraffin yang lebih kecil.
b. Olefin terengkah menjadi olefin yang lebih kecil.
c. Perengkahan rantai samping aromatik.
d. Naphthene (cycloparaffin) terengkah menjadi olefin,
2. Isomerisasi.
n-Olefin menjadi iso-Olefin
n-Paraffin menjadi iso-Paraffin.
3. Hydrogen transfer.
a. Naphthene + Olefin Aromatik + Paraffin
b. Cyclo aromatisasi.
c. olefin menjadi paraffin dan aromatik.
4. Alkyl grup transfer / transalkylation.
5. Cyclisasi olefin menjadi naphthene.
6. Dealkylasi.
7. Dehydrogenasi.
8. Reaksi kondensasi.

Reaksi perengkahan berlangsung secara endothermis, reaksi isomerisasi menghasilkan panas reaksi yang kecil dan reaksi perpidahan hidrogen bersifat eksothermis. Pada proses perengkahan reaksi endothermis selalu menonjol, besarnya pengaruh panas tergantung pada umpan, katalis dan kondisi reaksi.

A. THERMAL CRACKING.
Apabila hidrokarbon tanpa adanya katalis dikenakan temperatur tinggi (425 – 650 °C), maka akan terjadi thermal cracking melalui mekanisme pembentukan radikal bebas. Thermal cracking merupakan fungsi temperatur dan waktu. Langkah awal thermal cracking adalah dengan terjadinya homolysis ikatan carbon – carbon membentuk radikal bebas. Radikal bebas adalah “uncharge molecule” yang kehilangan pasangan elektronnya. Radikal bebas ini bersifat sangat reaktif dan berumur pendek, terbentuk akibat pemutusan ikatan C-C yang menghasilkan “uncharge species” dengan membagi pasangan elektronnya.

Radikal bebas ini amat sangat reaktif, dapat menjadi alpha dan betascission dan/atau berpolimerisasi. Beta scission menghasilkan olefin dan satu radikal bebas yang mempunyai dua atau lebih atom carbon. Radikal bebas baru dapat menjadi beta scission untuk menghasilkan ethylene. Beta scission berlanjut sampai terbentuk methyl radikal. Sequence reaksi tersebut akan menghasilkan bentuk produk akhir yang kaya C1 dan C2 sesuai dengan jumlah alpha olefin.

Thermal cracking juga dapat terjadi karena tingginya temperatur pada riser feed injection zone, makin tinggi temperatur maka thermal cracking rate makin lebih cepat dibanding catalytic cracking rate. Temperatur pada riser feed injection zone sangat dipengaruhi oleh temperatur regenerated catalyst dari regenerator yang umumnya antara 650 – 730 °C. Thermal cracking rate juga akan meningkat dengan kenaikkan berat molekul hydrokarbon, dan thermal cracking rate olefin lebih besar dibanding pada paraffin dengan jumlah carbon yang sama. Energy aktifasi reaksi thermal cracking adalah empat kali energy aktifasi reaksi catalytic cracking.

Ukuran oil droplet juga mempengaruhi reaksi thermal cracking, makin kecil ukuran oil droplet maka akan makin banyak jumlah oil droplet yang dapat kontak dengan catalyst grain sehingga meningkatkan thermal transfer efficiency yang mengakibatkan pendinginan catalyst grain secara cepat dan menurunkan thermal cracking rate.
Mekanisme Raksi Thermal cracking

Menurut teori free radical dari thermal cracking, “intermediate free radical” akan terbentuk disaat terjadinya perengkahan termis pada ikatan Carbon-Carbon atau Carbon-Hidrogen dari feedstock.
Free radical atau group hidrokarbon dengan elektron tidak-berpasangan, kemudian akan bereaksi menyusup pada ikatan beta dan mentransfer “hydride” nya. Selanjutnya terjadi reaksi berantai yang menyebabkan pengurangan / memotongan molekul dari reaktannya.

Enersi untuk memecah ikatan C-H lebih besar dari pada C-C, sehingga kecenderungan perengkahan ikatan karbon akan dominan. Enersi pemecahan ikatan pimer, secunder atau tertier dari Carbon-Carbon nyaris hampir sama (berbeda sedikit), sehingga mungkin akan ada sedikit variasi perbedaan reaksi. Akan tetapi lain pada ikatan rangkap Carbon-Carbon dan ikatan tunggal carbon yang berdekatan dengan ikatan rangkap carbon-carbon, akan lebih stabil (lebih kuat ikatannya) dibanding ikatan tunggal carbon-carbon yang jauh dari ikatan rangkap carbon-carbon.

Contoh, pada 1-butene, ikatan beta pada ikatan C-C (dua ikatan lebih jauh dari ikatan rangkap) lebih mudah direngkah dibanding ikatan alpha C-C (ikatan yang terdekat terhadap ikatan rangkap).

image002

Komponen lain seperti Cycloparafins lebih sulit direngkah. Aromatic mempunyai ketahanan terhadap pyrolisa, namun rantai cabangnya bisa direngkah.

B. CATALYTIC CRACKING.

Apabila hydrokarbon dikontakkan dengan regenerated catalyst panas, langkah awal yang terjadi adalah penguapan hydrokarbon tersebut oleh katalis,lalu dikuti dengan pembentukan “positive charge” atom  carbon yang disebut carbocation. Carbocation selanjutnya dapat terbagi menjadi carbenium dan  carbonium ion.

Carbenium ion R-CH2+ , berasal dari penambahan positive charge pada olefin

(Bronsted acid site) dan/atau dari lepasnya hydrogen dan dua elektron dari molekul paraffin (Lewis acid site).
Sisi Bronsted menyumbangkan proton pada molekul olefin dan sisi Lewis menghilangkan elektron dari  molekul paraffin. Sisi asam Bronsted dan Lewis pada katalis merupakan pembangkit carbenium ion.

Carbonium ion, CH+ , terbentuk dengan penambahan ion hydrogen (H+) pada

molekul paraffin. Carbonium ion charge kurang stabil dan sisi asam katalis kurang kuat
untuk membentuk sejumlah carbonium ion. Konsekuensinya hampir semua cat cracking chemistry adalah  carbenium ion chemistry.

Tiga reaksi dominan carbenium ion adalah :

Cracking of C-C bond.
Beta scission merupakan kunci ionic cracking yang memisahkan ikatan C-C pada kedua ikatan dari positive-charge atom carbon. Produk awal beta scission adalah olefin dan carbenium baru yang selanjutnya merupakan reaksi berantai. Hydrocarbon rantai panjang lebih reaktif dari pada hydrocarbon rantai pendek, sehingga rate reaksi cracking makin menurun dengan berkurangnya panjang rantai sampai pada titik tidak mungkin membentuk carbenium ion yang stabil.

Reaksi Isomerisasi.
Reaksi isomerisasi lebih sering terjadi pada catalytic cracking dibanding pada thermal cracking. Mekanisme pemecahan ikatan pada thermal dan catalytic cracking adalah melalui beta scission. Pada catalytic cracking sejumlah carboca tion cenderung untuk bergabung membentuk tertiary ion yang lebih stabil diban ding secondary maupun primary ion. Keuntungan reaksi isomerisasi adalah :
tingginya ON dan rendahnya cloud point untuk diesel fuel. Iso-paraffin dalam range titik didih gasoline mempunyai ON lebih tinggi dibanding n-paraffin.

Reaksi Hydrogen Transfer.
Hydrogen transfer atau lebih tepat disebut hydride transfer merupakan reaksi bimolekuler yang salah satu reaktannya adalah olefin. Contoh hydrogen transfer adalah reaksi dua olefin yang keduanya teradsorb pada sisi aktif dan salah satu olefin tersebut menjadi paraffin dan yang lain menjadi cyclo-olefin, dengan demikian terjadi perpindahan hydrogen dari olefin yang satu ke olefin yang lain. Cyclo-olefin selanjutnya ditransfer hydrogen oleh olefin yang lain menjadi cyclo di-olefin. Cyclodi-olefin akan rearange membentuk aromatik yang sangat stabil. Dengan demikian hydrogen transfer pada olefin dan mengkonversi olefin tersebut menjadi paraffin dan aromatik.
Reaksi hydrogen transfer biasanya menaikkan yield gasoline dan stabilitasnya. Hal ini terjadi dengan menurunkan reaktifitas gasoline yang dihasilkan.

Reaksi Katalitik Cracking

Reaksi katalitis berlangsung dengan membentuk “gugus antara” bermuatan positif berupa ion karbenium CR3+ atau ion karbonium CR4H+. R merupakan group alkil.

Pentingnya memilihan Feed yang tepat:
1) Olefin lebih mudah direngkah menjadi carbocation.
2) Kecepatan perengkahan normal parafin akan naik bila panjang rantainya bertambah,       s/d maksimum  C16 , kemudian berkurang.
3) Kecepatan reaksi perengkahan Isoparafin dan Naphthenes lebih cepat direngkah              dibanding n-parafin. Dan perengkahan Iso-parafin lebih cepat dari pada perengkahan      Aromatic.
4) Ring aromatis tidak mudah direngkah.
5) Catalyst FCC bisa terdeaktifkan oleh polynucler aromatics, karena acid site               catalystnya tertutupi.

Ada banyak reaksi dapat terjadi oleh bantuan zeolit dari katalis FCC, dipercepat dan berantai melalui pembentukkan reaksi karbokation (Membentuk ion karbenium atau karbonium). Produk terbentuk dapat berupa memotong rantai panjang, membentuk isomerisasi, disertai reaksi samping pemotongan gugus alkil dari aromatic.

C. ASPEK THERMODINAMIKA.
Catalytic cracking meliputi rangkaian reaksi secara simultan. Beberapa reaksi bersifat endothermis dan beberapa lainnya bersifat eksothermis.

Setiap reaksi mempunyai panas reaksi yang menyertainya. Secara keseluruhan panas reaksi mengacu pada net atau panas reaksi gabungan keseluruhan reaksi. Meskipun sejumlah reaksi bersifat eksothermis namun secara keseluruhan reaksi masih bersifat endothermis.

Regenerated catalyst mensuplai cukup energy untuk memanaskan feed sampai outlet riser temperatur, memanaskan udara pembakaran sampai temperatur flue gas, menyediakan panas reaksi endothermis dan mengkompensasi kehilangan panas ke atmosphir. Sumber energynya adalah pembakaran coke hasil reaksi.
Hal ini menunjukan bahwa type dan besarnya reaksi mempunyai dampak pada heat balance unit. Sebagai contoh, catalyst dengan karakteristik hydrogen transfer yang rendah akan mengakibatkan panas reaksi net menjadi lebih endothermis. Konsekuensinya, memerlukan sirkulasi katalis lebih besar dan memungkinkan coke yield yang lebih tinggi untuk menjaga heat balance.

Salam,

Syo

This entry was posted in Uncategorized. Bookmark the permalink.

Comments are closed.