Pengertian Cracking Perkembangan Catalytic Cracking Reaksi Perengkahan Katalis untuk Cracking Variabel Proses estimasi

Transkripsi

1 Pengertian Cracking Perkembangan Catalytic Cracking Reaksi Perengkahan Katalis untuk Cracking Variabel Proses estimasi

2 Pengertian Cracking Cracking merupakan proses perengkahan atau dekomposisi, penyusunan kembali hidrokarbon menjadi molekul hidrokarbon yang lebih ringan. Cracking terdiri dari dua tipe: Thermal Cracking dan Catalytic Cracking

3 Perkembangan Catalytic Cracking Thermal Cracking Proses refinery sederhana menggunakan kolom distilasi tidak mecukupi permintaan pasar. Tahun 1913 ditemukan proses cracking akibat suhu yang tinggi. Kualitas gasoline yang dihasilkan lebih tinggi (dari angka oktannya). Catalytic Cracking DitemukanolehMcAfee tahun1915 Aluminium klorida dapat memutuskan rantai hidrokarbon panjang Katalis menjadi ter-deaktivasi akibat deposit coke Belum ditemukan cara untuk regenerasi katalis, sehingga kembali ke thermal cracking.

4 Fixed-bed Catalytic cracking Ditemukan cara regenerasi katalis untuk catalytic cracking oleh Eugene Houndry pada tahun Coke yang terdeposit dapat dibakar dengan udara. Reaktor diisi katalis membentuk bed statis. Katalis berbentuk pellet. Umpan diuapkan masuk ke salah satu konverter berisi katalis. Setelah katalis jenuh dialirkan ke konverter lain, Katalis yang jenuh diregenerasi.

5

6 Proses Fixed-Bed Cataytic Cracking

7 Moved-bed Catalytic Cracking Fixed-bed tidak cukup efisien. Katalis perlu dialirkan antara komponen reaksi dan regenerasi. Mengurangi pembetukan coke dan de-aktivasi katalis. Meningkatkan 15% hasil gasoline dari fixed-bed system.

8 Fluidized-Bed Catalytic cracking Permintaan minyak yang besar saat terjadinya perang dunia ke-2 Dari penelitian ditemukan bahwa pengukuran ukuran katalis hingga menjadi seperti bubuk memperbesar luas permukaan. Reaksi lebih cepat. Mengalirkan katalis ini ke dalam aliran udara akan membuat katalis bertindak seperti fluida,

9 Fluidized-Bed Catalytic Cracking Menggunakan katalis dalam bentuk partikel-partikel kecil (sekitar 70 micrometer) Katalis yang terfluidisasi disirkulasikan secara kontinu antara daerah reaksi dan daerah regenerasi. Dua tipe dasar dari unit FCC yang digunakan pada masa ini: Tipe "side-by-side : reaktor dan generator katalis berada di dalam dua vessel yang berbeda (berdampingan) Tipe "orthoflow" atau "stacked reaktor dan regenerator katalis dimuat dalam vessel single dengan reaktor berada di atas generator katalis (atau sebaliknya) Umpan masuk FCC pada umumnya memiliki titik didih awal > 340 o C pada tekanan atmosfer dan rata-rata berat molekul yang berkisar dari

10 Contoh tipe side-by-side FCC

11 Spesifikasi FCC: FCC Input Atmosferik dan vakum gas oil ( F) Residual Gas Oil (1050 F) Slop Stream FCC Output Gasolin (mid-oktan) 50-60% Cracked distilat 15-20% Definic LPG 20% FCC process conditions Suhu reaktor F Suhu regenerator F Waktu Kontak 1,2-6,0 s Rasio Katalis terhadap minyak Tekanan reaktor: psig Preheat Feed: F 4-10 %wt

12

13 Contoh tipe orthoflow FCC

14 Proses FCC tipe side-by-side

15

16 Contoh FCC lain Shell Two Stage Fluid-Bed Catalytic Cracking

17 Reaksi Perengkahan Produk yang dibentuk didalam catalytic cracking adalah hasil dari reaksi utama dan samping. Reaksi utama dapat ditunjukan sebagai berikut : Parrafin Alkyl naphthene Alkyl aromatic Paraffin + Olefin Naphthene + Olefin Aromatic + Olefin

18 Contoh: reaksi cracking n-parafin untuk n-oktana Langkah 1 : Reaksi inisiasi thermal cracking (mild thermal cracking initiation reaction) n-c8h18 CH4 + R-CH=CH2 Langkah 2 : Perpindahan Proton (Proton Shift)

19 Cont d Langkah 3: Beta Scission Langkah 4: Mengurutkan struktur yang lebih stabil. Urutan kestabilan ion carbonium adalah tertiary > secondary > primary.

20 Cont d Langkah 5: Transfer ion hydrogen Pembentukan carbonium dengan jumlah besar lainnya berulang seterusnya. Pada variasi jenis hidrokarbon, mekanisme sama tetapi cara dan tingkat respon berbeda

21 Cracking untuk parafin Catalytic cracking dari parafin dikategorikan berdasarkan: 1. besar produksi C3 dan C4 pada gas rengkahan, 2. laju reaksi dan produk berdasar ukuran dan struktur parafin, 3. isomerisasi pada struktur bercabang dan formasi aromatik hidrokarbon yang berasal dari reaksi sekunder yang menyertakan olefin.

22 Cont d Berdasarkan laju reaksi efek dari katalis terlihat saat jumlah atom karbon meningkat, tapi efeknya tidak terlalu terlihat saat jumlah atom karbon minimal 6. Laju perengkahan juga dipengaruhi struktur molekul,, molekul dengan atom karbon ketiga (tersier) laju perengkahannya paling cepat, dan, atom karbon keempat (quarter) laju perengkahannya paling lambat. Senyawa yang mempunyai kedua tipe atom karbon tersebut cenderung saling menetralkan.

23 Cracking untuk Olefin Laju catalytic craking pada olefin lebih tinggi daripada parafin Reaksi-reaksi utamanya adalah: 1. Pemutusan ikatan karbon-karbon 2. Isomerisasi 3. Polimerisasi 4. Penjenuhan, aromatisasi, dan pembentukan karbon.

24 Cont d Isomerisasi olegin diikuti dengan penjenuhan dan aromatisasi tingginya angka oktan lemahnya perengkahan katalitik gasoline Makin tinggi kecepatan laju transfer hidrogen pada olegin bercabang rasio antara iso dan normal parafin lebih tinggi dari rasio kesetimbangan dari olefin murni

25 Cracking untuk naftenik Langkah yang paling penting adalah dehidrogenasi menjadi aromatik Dehidrogenasi terjadi sangat luas pada C9 dan nafta yang lebih besar dan menghasilkan gasoline dengan angka oktan lebih tinggi Terdapat juga pemutusan ikatan karbon, tapi pada suhu dibawah 1000 F (540 C),

26 Cracking untuk aromatik Reaksi cenderung dominan untuk senyawa aromatic dengan rantai alkyl yang panjang lebih mudah memutuskan ikatan tanpa merusak cincin

27 Katalis untuk Cracking Katalis untuk cracking dapat dibagi menjadi tiga kelas: 1. Acid-treated natural aluminosilicates, 2. Amorphous synthetic silics-alumina cobinatins dan 3. Crystalline synthetic silica-alumina catalysts yang disebut zeolites atau molecular sieves.

28 Cont d Kelebihan dari katalis zeolit dibanding katalis sintetik amorphus alami adalah: 1. Aktivitas lebih tinggi 2. Hasil gasoline lebih tinggi pada besar konversi yang ditentukan. 3. Produksi gasoline akan mengandung parafin dan senyawa aromatik yang lebih besar 4. Hasil karbon yang lebih sedikit 5. Produksi isobutana meningkat 6. Kemampuan untuk meningkatakan konverasi tanpa overcracking

29 Cont d Katalis untuk proses residu dalam FCC yang didisain secara khusus harus berada dalam distribusi ukuran pori tertentu : untuk menangani molekul-molekul berukuran besar dapat meningkatakn aktivitas katalis.

30 Variabel Proses Beberapa variabel operasi yang penting mempengaruhi konversi dan distribusi produk: 1. Aktivitas: Kemampuan untuk merengkah minyak dan gas menjadi fraksi yang titik didihnya lebih rendah. 2. Rasio katalis/minyak: C/O = lb katalis/lb feed 3. Konversi: 100 (volum feed volum cycle stock )/volum feed 4. Cycle stock: Fraksi dari hasil samping katalis perengkah yang tidak terkonversi menjadi nafta dan produk lain yang lebih ringan (umumnya zat yang mendidih pada 430 F) 5. Efisiensi: (% gasoline) X konversi

31 Cont d 6. Rasio recycle: volum recycle/volum umpan 7. Selektivitas: Rasio dari hasil produk yang diinginkan terhadap hasil produk samping. 8. Space velocity: dapat didefinisikan sebagai basis volum (LHSV) atau basis berat (WHSV). 9. LHSV: liquid hour space velocity pada volum feed. 10.WHSV: weight hour space velocity dalam lb feed/lb katalis (jam). Bila waktu tinggal katalis dalam jam, maka WHSV = l/(t)(c/o)

32 Cont d Dalam batasan kondisi operasi normal, peningkatan: 1. Suhu reaksi 2. Rasio katalis/minyak 3. Aktivitas katalis 4. Waktu kontak akan menghasilkan kenaikan dalam konversi dan penurunan dalam naiknya konversi space velocity.

33 Heat Recovery biaya langsung utama pada proses penyulingan minyak bumi adalah biaya bahan bakar dan energi Utilisasi energi offgas dari regenerator catalytic cracker

34 Skenario Pembakaran (tingkat konversi sama)

35 Cara-cara Utilisasi Energi waste heat boiler Power recovery turbin CO-burning waste heat boiler Kombinasi

36 Contoh Heat Recovery flue gas keluaran memiliki tekanan 20 psig (138 kpa) dan F (538 0 C)

37 Hasil FCC C4+ lighterx: mengandung banyak olefin seperti propilen, butilen, C5 dan juga terdapat kerosene atau jet fuel (distillat) Gasolin Gas Oil terdiri dari Light Gas Oil dan Heavy Gas Oil Slurry

38 Perlu estimasi??? menghitung yield untuk desain awal dan studi biaya menentukan tren dari yield, sehingga dapat ditentukan dengan mudah jika dilakukan perubahan level konversi.

39 Estimasi Hasil Struktur dari yield sangat bergantung pada tipe katalis, karakteristik umpan, dan kondisi reaktor Massa liquid yang dihasilkan biasanya 90-93%. Sisanya gas dan coke

40 Pengaruh Komposisi Feed Pada Konversi Dalam Kondisi Operasi Konstan

41 Estimasi Hasil

42 Estimasi Hasil Katalis Zeolit Menentukan yield dan berat dari seluruh produk (% wt Coke, % wt Fuel gas)

43 Gambar 2. Catalytic Cracking Yields. Zeolite Catalyst (coke)

44 Gambar 3. Catalytic Cracking Yields. Zeolite Catalyst (fuel gas)

45 Cont d Mencari komponen LPG (C3 dan C4) dalam % volume dan mengubahnya ke total LPG

46 Gambar 4. Propane and propene yields on zeolite catalyst.

47 Gambar 5. Butane, i-butane and butenes yields on zeolite catalyst.

48 Gambar 6. Total LPG yield on zeolite catalyst

49 Cont d Menentukan C5+ gasolin yield dalam % volume

50 Cont d Pada gambar 8 dan 9 memberikan repartisi produk pada % volume dan memberikan yield light dan heavy gas oil

51 Gambar 8. Products distribution on zeolite catalyst. Feed K UOP = 11,8.

52 Gambar 9. Products distribution on zeolite catalyst. Feed K UOP =12,35.

53 Distribusi Sulfur Pada Produk FCC

54 Grafik Densitas