RESIDUE FLUID CATALYTIC CRACKING UNIT

FCC/RFCC/RCC

A. INTRODUCTION

RFCC merupakan sarana unit pengolah minyak sisa dari CDU suatu Refinery, berupa long residu atau ditambah VGO. RFCC memiliki advantage untuk memperbaiki keekonomian kilang, karena kemampuan mengupgrade nilai produk hidrokarbon, memiliki fleksibilitas operasi bila dikelola dengan cermat.

FCC mirip RFCC, mengolah feed Vacum Gas Oil dan memiliki hanya satu stage regeretor untuk meregenarasi katalis yang terkontaminasi (coke) ex digunakan reaksi catalityc cracking di reaktor (riser) FCC.

RCC mirim RFCC, mengolah hanya long reside ex CDU (Crude Distilling Unit)  suatu refinery, memiliki dua stage regenerator. Sedang RFCC mengolah VGO dan Long residu ex CDU.

Secara teori, reaksi catalytic cracking dan thermal cracking terjadi di RFCC, mengingat reaksi berlangsung pada suhu tinggi, suhu cracking terjadi. Penggunaan katalis sebagai upaya mengarahkan dan mengendalikan tujuan utama reaksi, namun dibatasi pada area tempat pertemuan katalis dengan Oil panas, yaitun di Riser FCC/RFCC/RCC. Batasan itu diperoleh dari oleh para Process Licensor & katalis vendor.

Dalam memanfaatan RFCC,  batasan parameter design  perlu pahami dan dikelola dengan baik, menjaga keseimbangan “beban alat operasi versus pola pemanfaatan” agar bisa operasi kontinyu, konversi optimal dan operasi > 36 bulan handal berkesinamungan (sesuai design daya tahan alat) , 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
  • LCO komponen IFO maupun Diesel oil dan
  • DCO (slurry) diminimalkan oil*1 serta
  • Coke dikatalis (sebagai sumber enersi bagi RFCC, Nasa Flue gas dan CO yang di COB jadi bahan bahar sedang panas di katalis jadi sumber enersi di catalyst cooler dan enersi cracking di Riser Reaktor & pasan dari oil+vapour ke fraksionator jadi pemanas bottom Fraksionator)

Reaksi berlangsing dengan bantuan katalis silica alumina panas (dengan kualitas dan kendali velocity tertentu) pada suhu tinggi tertentu dengan ratio Cat/Oil tertentu, dengan contact time catalyst/oil tertentu 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
(1) Feed RFCC, (batasan spesifikasi feed vs suplai yang tersedia)
(2) Parameter operasi (Oleh operator & Team) internal dan
(3) Kualitas & kondisi katalis
Pengaruh 1,2,3 versus daya tahan alat perlu dikendalikan secara cermat.
Ada bahagian yang perlu dipantau, konversi. Bila konversi rendah, dipastikan LCO + DCO naik, beban alat bottom system, HE & pompa naik, akan membatasi kapasitas unit.

2. Kondisi awal Kilang baru.
Pada setiap kilang baru, periode tahun awal operasi, tengah berproses terbangun suporting terhadap Kilang baru tersebut, antara lain:
• Di sektor Up stream : supporting perencanaan arus minyak, vendor katalis & support data, vendor alat dan mulai terbangun , dll.),
• Internal Kilang: Familiarisasi  operasi,  kehandalan dan pengenalan karakter vs trend terbangun.
• Dowstream kilang: mata rantai marketing, distribusi dan pengapalan mulai berjalan.
Bila  salah satu terganggu keseimbangan, gejolak, serta kejutan terjadi, khususnya untuk Unit yang 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).

Variable Operasi yang berpengaruh, antara lain :

1. Cat/Oil ratio
2. Temperatur Reactor  (di pengaruh dari Temp.Regen & Feed)
3. Conversi, (rendah, tinggi ).
4. Flow rate Umpan. (diatas minimum turn down ratio)
5. Temperatur Combine Feed.
6. Sirkulasi katalis. (ton/menit)
7. Lift Gas. (disesuaikan riser velocity).
8. Lift Steam. ( disesuaikan riser velocity)
9. Stripping Steam. ( kg/ton katalis disirkulasi)
10. Tekanan Reactor.
11. Pressure balance Regen-Reactor & Main Colomn.
12. Distribusi udara ke Regenerator. untuk regenerasi.
13. Pembakaran coke. (Upper Rg partial vs lower Regen &  complete combustion.)
14. Combustion air rate (upper , Lower ).
15. Temperatur upper regen. .
16. Temperatur lower regen.(vs  pengaruh 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.
21. Kondisi dan tipe katalis. (metal, MAT, size, SA) dll.

Process Variabel tersebut, variabel yang dominan terhadap process.

Secara pengendalian, variable tersebut dikelompokan menjadi yang berpengaruh terhadap:

*)Reactor Severity :
Faktor Faktor yang dominan apa saja? perlu dipahami  untuk pengendalian operasi
*) Regenerator Severity
Faktor yang dominan apa saja? perlu dipahami dalam pengendalian operasi

*) Kualitas dan kondisi feed stock
Feed rate & Recycle Rate, aspek fisis feed, dan suhu.
*) Type dan Kondisi katalis
Keaktifan dan kualitas katalis,  Activity , Metal content , Suface area , PSD, make up rate,  dll.

Reaksi-reaksi penting yang terjadi antara lain 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 , 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 tinggi bisa sampai s/d 750 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).     C=C-C-C

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, CH5+, 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 adalahmelalui 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 yg lebih tinggi untuk menjaga heat balance.

Dalam design alat, mekanisme reaksi (katalitik dan thermal cracking hidrokarbon) terjadi dalam batas waktu tertentu sejak dari feed nozzle riser reactor, kontak dengan katalis panas tinggi dalam waktu tertentu dengan ratio Catalyst/oil tertentu, bahkan pasca separasi oil dengan katalis di ujung riser (tersisa thermal cracking) dan cyclone dan kemudian reaksi distop di kolom fraksionator dengan penurunan suhu di main kolom fraksionator.
Proses catalytic cracking dibantu dan diarahkan oleh katalis terpilih dan design reactor sebagai pengarah proses menjadi produk tertentu.

Selanjutnya adalah proses pemisahan secara fraksinasi (titik didih) dan treating kontaminant secara chemicals untuk mendapatkan kualitas tertentu yang dipersyaratkan dengan peralata yang didesign tertentu.

Hal terpenting untuk dikendalikan adalah

1. Kualitas feed

2. Variable operasi, (saat ini mulai diterapkaninstrumentasi terbaru, terintegrasi antar peralatan dan variable indikatornya via pengunaan soft ware), memudahkan kendali operasi.

3.  Kualitas Katalis (Katalis baru maupun katalis yang tengah dijaga via make-up dan withdrawal untuk menjaga kinerja katalis).

4. Daya tahan Alat (Design & Batasan operasi aman) vs parameter operasi dijaga aman.

Demikian sepintas teknology Fluid Catalytic Cracking Unit yang mengolah minyak fraksi berat Hasil Destilasi di Refinery.

Leave a Reply