BAB X
VISBREAKING PROCESS
I. Pendahuluan
Proses perengkahan panas (thermal cracking process) adalah suatu proses pemecahan rantai hydrocarbon dari senyawa rantai panjang menjadi hydrocarbon dengan rantai yang lebih pendek dengan bantuan panas. Proses perengkahan panas bertujuan untuk mendapatkan fraksi minyak bumi dengan boiling range yang lebih rendah dari feed (umpannya). Dengan melalui proses ini dihasilkan gas, LPG, gasoline (naphtha), gas oil (diesel), residue atau coke. Feednya dapat berupa gas oil atau residue.
Visbreaking Unit biasanya didisain untuk mengolah Vacuum Distillation Unit residue (atau dapat juga untuk mengolah gas oil). Proses perengkahan residue ini dimungkinkan dengan pemanasan umpan menggunakan visbreaking unit fired heater dan rapid quenching fluida keluar fired heater, yang memudahkan terjadinya perengkahan panas dan perubahan viscosity untuk proses lebih lanjut. Produk visbreaking unit adalah overhead tail gas, naphtha, dan bottom.
II. Teori Perengkahan Panas dan Proses Visbreaking
Saat hydrocarbon dipanaskan dan didekomposisi dalam kondisi perengkahan panas, hydrocarbon dapat diasumsikan terpecah menjadi dua atau lebih radikal bebas. Radikal-radikal bebas tersebut kemudian bereaksi menghasilkan total produk yang mencakup rentang berat molekul yang besar mulai dari hydrogen hingga bitumen dan coke. Terkait dengan teori perengkahan panas, reaksi-reaksinya, sebagai contoh, dapat digambarkan sebagai berikut :
C10H22 Æ C8H17* + C2H5* (1)
Radikal-radikal yang sangat reaktif tidak keluar sebagai effluent produk perengkahan panas, tetapi tergantung ukuran dan lingkungannya : (a) bereaksi dengan hydrocarbon lain, (b) terdekomposisi menjadi olefin, (c) bergabung dengan radikal-radikal lain, dan (d) bereaksi dengan permukaan logam.
Secara umum, radikal-radikal kecil lebih stabil daripada radikal-radikal yang lebih besar, dan akan lebih siap bereaksi dengan hydrocarbon lain dengan menangkap satu atom hydrogen, sebagai contoh :
C2H5* + C6H14 Æ C2H6 + C6H13* (2)
Radikal-radikal besar tidak stabil dan terdekomposisi untuk membentuk olefin dan radikal-radikal yang lebih kecil, sebagai contoh :
C6H13* Æ C5H10 + CH3* (3)
C8H17* Æ C4H8 + C4H9* (4)
C4H9* Æ C4H8 + H* (5)
Reaksi-reaksi rantai radikal bebas tersebut berakhir saat dua radikal bergabung, sebgai contoh :
C8H17* + H* Æ C8H18 (6)
Atau saat sebuah radikal bereaksi dengan suatu logam atau racun.
Reaksi-reaksi kondensasi dan polimerisasi yang terjadi pada kondisi perengkahan panas dapat menjadi aromatic tar, sebagai contoh :
xC4H8 + yC4H8 + zC3H6 Æ multi-aromatic-ring (7)
Coke dan bitumen adalah jenis polimer utama. Molekul-molekul tersebut bisa menjadi sangat besar. Kekurangan hydrogen dan berat molekul yang besar mengurangi kelarutannya dalam hydrocarbon. Coke mempunyai rasio atom hydrogen-carbon sekitar 2:1.
III. Feed dan Produk Visbreaking
Spesifikasi produk visbreaking process unit harus disesuaikan dengan spesifikasi blending fuel oil dan sifat komponen blending lainnya. Jika viscosity visbroken bottom tinggi, maka fuel oil blending memerlukan lebih banyak fuel dan temperature keluar fired heater yang lebih tinggi. Hal tersebut akan meningkatkan kecenderungan terbentuknya coking pada tube fired heater. Oleh karena itu, spesifikasi produk harus disesuaikan berdasarkan maksimalisasi keuntungan untuk keseluruhan kilang.
Sifat umpan visbreaker process unit yang berupa vacuum residue dengan cut point 550 oC+ adalah sebagai berikut :
Parameter Value TBP Cut Point, ºC 550 Gravity, ºAPI (SpGr) 7.80 (1.0158) Total Sulfur wt% 3.90 Conradson Carbon, wt% 16.800 Kinetic Viscosity @ 50ºC, cst 20,500 Kinetic Viscosity @100ºC ,cst 480 Nitrogen, wtppm 3,200
Ni + V, wtppm 89
Sodium, wtppm 10 max
Visbreaking process unit biasanya didisain untuk memproduksi produk-produk sebagai berikut :
• Off gas yang akan diolah di Gas Concentration Process Unit
• Unstabilized naphtha yang juga akan dioleh di Gas Concentration Process Unit • Visbroken bottom residue yang akan dikirim ke fuel oil blending (normal) atau
refinery fuel oil (jika diperlukan).
Produksi naphtha diminimumkan dengan tetap mempertahankan spesifikasi flash point fuel oil.
Spesifikasi off gas yang dihasilkan oleh visbreaker adalah sebagai berikut :
Parameter Case1
Berat molekul (wet) 35.12
H2S, wt% 6.75
Estimated Mercaptans in C3/C4 Fraction
Methyl Mercaptan, wtppm (Design) 1,200 (1,600) Ethyl Mercaptan, wtppm (Design) 120 (150) Propyl Mercaptan, wtppm (Design) 30 (35)
Perkiraan komposisi off gas yang dihasilkan oleh visbreaker adalah sebagai berikut :
Komponen Komposisi, %mol
H2O 2.31 H2S 6.96 H2 4.01 C1 28.65 C2= 1.30 C2 17.43 C3= 5.07 C3 13.54 iC4 1.84 nC4 4.91 C4= 4.77 iC5 0.62 C5= 1.14 nC5 1.11 C6+ 6.34 Total 100.00
Spesifikasi unstabilized naphtha yang dihasilkan oleh visbreaker adalah sebagai berikut : Parameter Value TBP Cut Points, ºC 21 - 150 Gravity, ºAPI @ 15.5ºC 64.72 Sulfur, wt% 0.85 Nitrogen, wt% 0.00 Bromine Number 85.8
Octane Number, Clear 73.7
Paraffins, vol% 33.3
Olefins, vol% 38.1
Naphthenes, vol% 22.7
Aromatics, vol% 5.8
Sedangkan analisa distilasi (ASTM D-86) unstabilized naphtha tersebut adalah sebagai berikut : Distilasi, %LV Temperature, oC IBP -59 5 -1 10 21 30 70 50 92 70 113 90 134 95 148 FBP 159
Sedangkan spesifikasi visbroken bottom yang dihasilkan oleh visbreaking process unit adalah sebagai berikut :
Parameter Value TBP Cut Points, ºC 150+ Gravity, ºAPI @ 15.5ºC 10.38 Sulfur, wt% 3.92 Nitrogen, wt% 0.34 Concarbon, wt% 18.08 Ni + V, wtppm 94 Viscosity, cks @ 50ºC 1748 Viscosity, cks @ 100ºC 81 PMCC Flash Point, ºC 66
Analisa distilasi (ASTM D-1160 @ 760 mmHg) visbroken bottom tersebut adalah sebagai berikut : Distilasi, %LV Temperature, oC IBP 120 10 309 30 439 50 532 70 640 90 856 FBP 971
IV. Aliran Visbreaking Process Unit Vacuum Column Visbreaker Fractionator FUEL PIC FUEL PC TIC FIC PC TIC LIC LIC FIC FIC FIC RESIDUE QUENCH FIC
Gambar 1. Control Flow Plan Of Charge E1A-D
HBM : Heater Burner Management
HBM HBM Pump TIC G.O QUENCH Visbreaker
Surge Drum Visbreaker
Fired Heater
H1A/B/C
TIC LIC FIC FIC LIC FIC HEATER OUT G.O PUMP AROUND FIC TIC FIC Cooler FT BOTTOM 130-E7 Pump GO Stripper Pump Visbreaker Fractionator G.O QUENCH FT
TIC FIC FIC G.O PRODUCT LIC TIC HEATER OUT RESIDUE QUENCH Visbreaker Fractionator BOTTOM QUENCH TIC Pump HE HE Cooler Cooler VISBROKEN BOTTOMS TO BLENDER
Gambar 3. Control Flow Plan Of Fractionator Bottom FT
LIC TIC PIC LIC FIC PV Fract Ovhd Drum PV Pump Cooler Visbreaker Fractionator HE
Gambar 4. Control Flow Plan Of Fractionator Overhead Pump
SOUR WATER Pump
OFF GAS TO FLARE
UNSTAB NAPH TO GASCON OFF GAS TO GASCON
V. Variabel Proses Hydrocracking V.1. Temperature
Fired heater memberikan panas reaksi visbreaking (endothermic). Semakin tinggi temperature outlet fired heater, maka semakin tinggi juga konversi umpan menjadi yield liquid yang lebih ringan. Semakin rendah temperature outlet fired heater, maka semakin rendah juga yield liquid yang lebih ringan.
Pembentukan coke di dalam tube fired heater tidak terhindarkan saat proses pemanasan umpan dalam tube fired heater yang dapat menyebabkan unit harus turun feed. Jika feed ke fired heater dikurangi, maka steam injeksi tekanan tinggi yang mengalir di dalam tube harus dinaikkan untuk mengurangi residence time (waktu tinggal) minyak di dalam furnace. Kenaikan jumlah injeksi steam tersebut juga harus dilakukan selama startup dan shutdown untuk mencegah pembentukan coke pada tube fired heater. Pada saat normal operasi pun steam ini diinjeksikan untuk meningkatkan velocity umpan dan mengurangi residence time umpan di dalam tube sehingga dapat menghindari pembentukan coke di dalam tube fired heater.
Inlet temperature fired heater adalah 316 oC, sedangkan temperature outlet fired heater sebelum quenching adalah 470 oC (maksimum outlet temperature = 496
o
C). Setelah quenching, umpan dialirkan ke kolom fraksinasi visbreaker pada temperature 385 oC.
V.2. Tekanan
Tekanan inlet fired heater didisain pada tekanan 14 kg/cm2 saat tube fired heater dalam kondisi clean dan 21 kg/cm2 saat tube fired heater dalam kondisi kotor akibat pembentukan coke pada permukaan bagian dalam tube fired heater. Akibat pembentukan coke pada permukaan bagian dalam tube fired heater adalah meningkatnya tekanan inlet fired heater. Kenaikan tekanan inlet fired heater dari 14 s/d 18 kg/cm2 biasanya berlangsung lambat (trendingnya landai), tetapi jika sudah mencapai 18 kg/cm2, tekanan bisa sewaktu-waktu naik mendadak hingga > 21 kg/cm2. Jika hal tersebut terjadi maka visbraking process unit harus distop dan tube fired heater harus dilakukan steam-air decoking (SAD) atau pigging.
V.3. Stripping Steam Kolom Fraksinasi dan Fractionator Side Stripper (Gas Oil Stripper)
Jumlah stripping steam normal yang di-supply ke kolom fraksinasi visbraker adalah 1,9 kg steam setiap 100 kg jumlah gabungan quenching feed dan bottom kolom fraksinasi. Sedangkan jumlah stripping steam normal yang di-supply ke side stream stripper (steam gas oil stripper) adalah 2,9 kg steam setiap 100 kg produk gas oil.
VI. Istilah-istilah
• Fired heater : alat pemanas yang menggunakan bahan bakar berupa fuel oil atau fuel gas untuk menaikkan temperatur minyak ke temperature yang cukup tinggi, biasanya digunakan jika tidak memungkinkan memanfaatkan panas produk menggunakan heat exchanger/alat penukar panas.
• LPG / Liquified Petroleum Gas : Fraksi ringan hasil reaksi di unit proses yang komponen utamanya adalah C3 dan C4. Pada kondisi ruang/atmosferik LPG
berbentuk gas. Karena itu LPG biasanya diproses dan disimpan pada tekanan tinggi.
• Naphtha : Produk yang dihasilkan oleh CDU, HCU, FCC, atau DCU, yang merupakan komponen blending bensin/gasoline/premium.
• Quenching : pendinginan secara mendadak.
VII. Daftar Pustaka
Operation Manual for Unit : 130 Visbraking Process Unit Pakistan-Arab Refinery Limited (PARCO), Mid-Country Refinery Project, Mahmood Kot, Pakistan
