Pengertian CrackingPerkembangan Catalytic CrackingReaksi PerengkahanKatalis untuk CrackingVariabel Prosesestimasi

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

Perkembangan Catalytic Cracking

Thermal CrackingProses refinery sederhana menggunakan kolom distilasi tidak mecukupi permintaan pasar.Tahun 1913 ditemukan proses cracking akibat suhuyang tinggi.Kualitas gasoline yang dihasilkan lebih tinggi (dariangka oktannya).

Catalytic CrackingDitemukan oleh McAfee tahun 1915Aluminium klorida dapat memutuskan rantaihidrokarbon panjangKatalis menjadi ter-deaktivasi akibat deposit cokeBelum ditemukan cara untuk regenerasi katalis, sehingga kembali ke thermal cracking.

Fixed-bed Catalytic crackingDitemukan cara regenerasi katalis untukcatalytic cracking oleh Eugene Houndry padatahun 1936.Coke yang terdeposit dapat dibakar denganudara.Reaktor diisi katalis membentuk bed statis.Katalis berbentuk pellet.Umpan diuapkan masuk ke salah satukonverter berisi katalis.Setelah katalis jenuh dialirkan ke konverterlain,Katalis yang jenuh diregenerasi.

Proses Fixed-Bed Cataytic Cracking

Moved-bed Catalytic CrackingFixed-bed tidak cukup efisien.Katalis perlu dialirkan antara komponen reaksidan regenerasi.Mengurangi pembetukan coke dan de-aktivasikatalis.Meningkatkan 15% hasil gasoline dari fixed-bed system.

Fluidized-Bed Catalytic crackingPermintaan minyak yang besar saatterjadinya perang dunia ke-2Dari penelitian ditemukan bahwapengukuran ukuran katalis hingga menjadiseperti bubuk memperbesar luaspermukaan.Reaksi lebih cepat.Mengalirkan katalis ini ke dalam aliranudara akan membuat katalis bertindakseperti fluida,

Fluidized-Bed Catalytic Cracking

Menggunakan katalis dalam bentuk partikel-partikelkecil (sekitar 70 micrometer)Katalis yang terfluidisasi disirkulasikan secara kontinuantara daerah reaksi dan daerah regenerasi. Dua tipe dasar dari unit FCC yang digunakan padamasa ini:

Tipe "side-by-side“: reaktor dan generator katalis berada didalam dua vessel yang berbeda (berdampingan)Tipe "orthoflow" atau "stacked“ reaktor dan regenerator katalis dimuat dalam vessel single dengan reaktor berada diatas generator katalis (atau sebaliknya)

Umpan masuk FCC pada umumnya memiliki titik didihawal > 340 oC pada tekanan atmosfer dan rata-rata berat molekul yang berkisar dari 200 - 600.

Contoh tipe “side-by-side” FCC

Spesifikasi FCC:FCC Input

Atmosferik dan vakum gas oil (640-1050 F)Residual Gas Oil (1050 F)Slop Stream

FCC OutputGasolin (mid-oktan) 50-60%Cracked distilat 15-20%Definic LPG 20%

FCC process conditionsSuhu reaktor 920-1020 FSuhu regenerator 1200-1400 FWaktu Kontak 1,2-6,0 sRasio Katalis terhadap minyak 4-10 %wtTekanan reaktor: 10-35 psigPreheat Feed: 300-700 F

Contoh tipe “orthoflow” FCC

Proses FCC tipe “side-by-side”

Contoh FCC lain

Shell Two Stage Fluid-Bed Catalytic Cracking

Reaksi Perengkahan

Produk yang dibentuk didalam catalyticcracking adalah hasil dari reaksi utama dan samping.Reaksi utama dapat ditunjukan sebagai berikut :

Parrafin Paraffin + OlefinAlkyl naphthene Naphthene + OlefinAlkyl aromatic Aromatic + Olefin

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)

Cont’d

Langkah 3: Beta Scission

Langkah 4: Mengurutkan struktur yang lebih stabil. Urutan kestabilan ion carbonium adalah tertiary > secondary > primary.

Cont’d

Langkah 5: Transfer ion hydrogen

Pembentukan carbonium dengan jumlah besar lainnya berulang seterusnya.Pada variasi jenis hidrokarbon, mekanisme sama tetapi cara dan tingkatrespon berbeda

Cracking untuk parafin

Catalytic cracking dari parafindikategorikan berdasarkan:

1. besar produksi C3 dan C4 pada gas rengkahan,

2. laju reaksi dan produk berdasar ukurandan struktur parafin,

3. isomerisasi pada struktur bercabang danformasi aromatik hidrokarbon yang berasal dari reaksi sekunder yang menyertakan olefin.

Cont’d

Berdasarkan laju reaksi efek dari katalisterlihat saat jumlah atom karbon meningkat, tapi efeknya tidak terlalu terlihat saat jumlahatom karbon minimal 6.Laju perengkahan juga dipengaruhi strukturmolekul, , molekul dengan atom karbonketiga (tersier) laju perengkahannya paling cepat, dan , atom karbon keempat (quarter) laju perengkahannya paling lambat. Senyawa yang mempunyai kedua tipe atom karbon tersebut cenderung salingmenetralkan.

Cracking untuk Olefin

Laju catalytic craking pada olefin lebihtinggi daripada parafinReaksi-reaksi utamanya adalah:

1. Pemutusan ikatan karbon-karbon2. Isomerisasi3. Polimerisasi4. Penjenuhan, aromatisasi, dan

pembentukan karbon.

Cont’d

Isomerisasi olegin diikuti denganpenjenuhan dan aromatisasi tingginyaangka oktan lemahnya perengkahankatalitik gasoline

Makin tinggi kecepatan laju transfer hidrogen pada olegin bercabang rasioantara iso dan normal parafin lebih tinggidari rasio kesetimbangan dari olefin murni

Cracking untuk naftenik

Langkah yang paling penting adalahdehidrogenasi menjadi aromatikDehidrogenasi terjadi sangat luas padaC9 dan nafta yang lebih besar danmenghasilkan gasoline dengan angkaoktan lebih tinggiTerdapat juga pemutusan ikatan karbon, tapi pada suhu dibawah 1000 F (540 C),

Cracking untuk aromatik

Reaksi cenderung dominan untuk senyawa aromatic dengan rantai alkyl yang panjang lebih mudah memutuskanikatan tanpa merusak cincin

Katalis untuk Cracking

Katalis untuk cracking dapat dibagimenjadi tiga kelas:

1. Acid-treated natural aluminosilicates, 2. Amorphous synthetic silics-alumina

cobinatins dan3. Crystalline synthetic silica-alumina

catalysts yang disebut zeolites ataumolecular sieves.

Cont’d

Kelebihan dari katalis zeolit dibanding katalissintetik amorphus alami adalah:

1. Aktivitas lebih tinggi2. Hasil gasoline lebih tinggi pada besar

konversi yang ditentukan.3. Produksi gasoline akan mengandung parafin

dan senyawa aromatik yang lebih besar4. Hasil karbon yang lebih sedikit5. Produksi isobutana meningkat6. Kemampuan untuk meningkatakan

konverasi tanpa overcracking

Cont’d

Katalis untuk proses residu dalam FCC yang didisain secara khusus harus beradadalam distribusi ukuran pori tertentu :

untuk menangani molekul-molekul berukuranbesardapat meningkatakn aktivitas katalis.

Variabel Proses

Beberapa variabel operasi yang penting mempengaruhikonversi dan distribusi produk:

1. Aktivitas: Kemampuan untuk merengkah minyak dangas menjadi fraksi yang titik didihnya lebih rendah.

2. Rasio katalis/minyak: C/O = lb katalis/lb feed3. Konversi: 100 (volum feed – volum cycle stock )/volum

feed4. Cycle stock: Fraksi dari hasil samping katalis

perengkah yang tidak terkonversi menjadi nafta danproduk lain yang lebih ringan (umumnya zat yang mendidih pada 430 F)

5. Efisiensi: (% gasoline) X konversi

Cont’d

6. Rasio recycle: volum recycle/volum umpan7. 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 volumfeed.

10.WHSV: weight hour space velocity dalam lb feed/lb katalis (jam). Bila waktu tinggal katalisdalam jam, maka WHSV = l/(t)(C/O)

Cont’d

Dalam batasan kondisi operasi normal, peningkatan:

1. Suhu reaksi2. Rasio katalis/minyak3. Aktivitas katalis4. Waktu kontakakan menghasilkan kenaikan dalam

konversi dan penurunan dalam naiknyakonversi space velocity.

Heat Recovery

biaya langsung utama pada prosespenyulingan minyak bumi adalah biayabahan bakar dan energi

Utilisasi energi offgas dari regenerator catalytic cracker

Skenario Pembakaran(tingkat konversi sama)

Cara-cara UtilisasiEnergi

waste heat boilerPower recovery turbinCO-burning waste heat boilerKombinasi

Contoh Heat Recovery

flue gas keluaran memiliki tekanan 20 psig (138 kPa) dan 1000 0F (538 0C)

Hasil FCC

C4+ lighterx: mengandung banyak olefin seperti propilen, butilen, C5 dan jugaterdapat kerosene atau jet fuel (distillat)GasolinGas Oil terdiri dari Light Gas Oil danHeavy Gas OilSlurry

Perlu estimasi ???

menghitung yield untuk desain awal danstudi biayamenentukan tren dari yield, sehingga dapatditentukan dengan mudah jika dilakukanperubahan level konversi.

Estimasi Hasil

Struktur dari yield sangat bergantungpada tipe katalis, karakteristik umpan, dankondisi reaktorMassa liquid yang dihasilkan biasanya 90-93%. Sisanya gas dan coke

Pengaruh Komposisi Feed Pada KonversiDalam Kondisi Operasi Konstan

Estimasi Hasil

Estimasi Hasil KatalisZeolit

Menentukan yield dan berat dari seluruhproduk (% wt Coke, % wt Fuel gas)

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

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

Cont’d

Mencari komponen LPG (C3 dan C4) dalam % volume dan mengubahnya ketotal LPG

Gambar 4. Propane and propene yields on zeolite catalyst.

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

Gambar 6. Total LPG yield on zeolite catalyst

Cont’d

Menentukan C5+ gasolin yield dalam % volume

Cont’d

Pada gambar 8 dan 9 memberikanrepartisi produk pada % volume danmemberikan yield light dan heavy gas oil

Gambar 8. Products distribution on zeolite catalyst. Feed KUOP = 11,8.

Gambar 9. Products distribution on zeolite catalyst. Feed KUOP =12,35.

Distribusi Sulfur PadaProduk FCC

Grafik Densitas