Nelson Complexity Index

Nelson Complexity Index (NCI) merupakan ukuran relatif jumlah dan biaya relatif unit upgrading terhadap kapasitas unit distilasi. Indeks ini dikembangkan oleh Wilbur L. Nelson pada tahun 1960an guna mengukur biaya relatif komponen untuk mengembangkan suatu kilang. NCI membandingkan biaya pada berbagai unit upgrading, misalnya catalytic cracker ataupun reformer yang merupakan unit andalan kilang modern terhadap biaya yang diperlukan oleh Crude Distillation Unit (CDU).

Setelah minyak umpan diproses di CDU, sebagian komponen minyak akan diproses pada berbagai unit upgrading maupun unit-unit proses lainnya. Kapasitas kilang ditentukan berdasarkan kapasitas CDU-nya. NCI tersebut digunakan untuk menghitung biaya relatif berbagai unit upgrading berdasarkan kapasitas kilang.

Kapasitas kilang dinyatakan dalam dua jenis satuan, yakni Barrels per Calendar Day (BCD) dan Barrels per Stream Day (BSD). BCD menggunakan dasar jumlah hari kalender selama setahun kilang beroperasi. BSD menggunakan dasar 330 hari. Sehingga, pada umumnya nilai BSD 6% lebih besar dibandingkan BCD. Kapasitas kilang, pada berbagai situasi lebih lazim dinyatakan dalam BSD, meskipun jika disebutkan kapasitas kilang pada satuan BPD (Barrels per Day) kita tidak akan tahu apakah perhitungannya menggunakan calendar day atau stream day.

Pengaruh NCI Terhadap Biaya

Sebagai contoh di Amerika, rata-rata NCI kilang di sana adalah berkisar 10. Kilang dengan NCI sebesar 10 merupakan kilang dengan fasilitas unit konversi menengah. Kilang dengan NCI 12% membutuhkan biaya pembangunan 20% dibandingkan unit dengan kapasitas yang sama. Namun pada kenyataannya, NCI tidak memperhitungkan penggunaan kapasitas operasi dan juga usia kilang yang sebenarnya sangat mempengaruhi biaya dan operasional kilang itu sendiri. Setidaknya dengan adanya NCI, estimasi biaya dan value suatu kilang dapat dilakukan dengan mudah.

Duplikasi dan Skala Ekonomi

Nelson sangat berhati-hati dalam menentukan biaya kilang berkapasitas 50 MBSD dengan NCI sebesar 12%, tidak akan sama dengan kilang berkapasitas 100 MBSD dengan NCI sebesar 6%. Masih banyak faktor yang diperhitungkan. Informasi yang ada tidak menunjukkan jumlah unit yang dibutuhkan untuk proses tertentu. Unit proses yang kecil memiliki biaya konstruksi perunit yang relatif lebih tinggi. Nelson memperkirakan duplikasi dua buah unit dengan masing-masing kapasitas 40 MBSD dengan satu unit berkapasitas 80 MBSD akan meningkatkan biaya konstruksi sebesar 25%. Empat buah unit dibandingkan satu unit meningkatkan biaya konstrukis hingga 60% nya.

Berikut ini adalah perbandingan kompleksitas kilang di beberapa region. 

Nelson Complexity Index Kilang di Beberapa Regional

Berikut ini adalah perbandingan kompleksitas kilang di dunia.

Nelson Complexity Index Kilang di Dunia

Off Sites

Perhitungan kompleksitas di sini tidak memperhitungkan fasilitas off sites, seperti tangki timbun, tanah, perpipaan, terminal, dan utilities. Informasi-informasi tersebut jarang dipublikasikan. Meskipun sebenarnya Nelson telah mengevaluasi hubungan antara berbagai kilang yang berbeda dan fasilitas off sites yang terkait dan dikembangkan suatu hubungan agar secara empiris  dapat diperkirakan kompleksitas total suatu kilang termasuk di dalamnya kompleksitas proses dan juga off sites. Untuk itu, Nelson menambahkan faktor pengali terhadap sejumlah nilai kompleksitas sebagai berikut.

• Untuk kompleksitas 3, gunakan faktor pengali 3,25 untuk total kompleksitas sebesar 9,8.
• Untuk kompleksitas 4, gunakan faktor pengali 2,70 untuk total kompleksitas sebesar 10,8.
• Untuk kompleksitas 6, gunakan faktor pengali 2,26 untuk total kompleksitas sebesar 13,6.
• Untuk kompleksitas 10, gunakan faktor pengali 1,96 untuk total kompleksitas sebesar 19,6.   
• Untuk kompleksitas 16, gunakan faktor pengali 1,77 untuk total kompleksitas sebesar 28,3.

Meskipun demikian kompleksitas total seperti ini jarang digunakan, kebanyakan kilang masih fokus terhadap kompleksitas proses yang disebut sebagai indeks kompleksitas Nelson tersebut (NCI). Perhitungan tersebut berimplikasi pada suatu kilang grassroots dengan indeks 10, biaya untuk off sites akan bersaing dengan unit proses (unit distilasi dan upgrading).

Produk Kilang

Salah satu kelebihan dari kilang dengan tingkat konversi yang tinggi (ditunjukkan dengan NCI yang tinggi) adalah menghasilkan produk dengan nilai yang lebih tinggi. Residue dan produk lain yang secara ekonomis dan pemanfaatannya rendah, dikonversi menjadi produk-produk dengan fraksi hidrokarbon yang lebih rendah dengan nilai produk yang lebih tinggi.

Sementara kilang dengan indeks kompleksitas 3-5 mengalami defisit produk secara volumetrik, misalnya dari intake sebesar 100 MBCD, diperoleh hasil produk sejumlah 95 MBCD. Nilai tambah dan pertambahan kuantitas volumetrik produk merupakan basis penetapan dan pemilihan proses konversi dengan unit upgrading.

Berikut ini adalah tipikal produk berdasarkan klasifikasi NCI.

• Konversi Rendah (NCI = 2-3)-20% gasolin, 35% middle distillates, 30% fuel oil, 10% produk lainnya (termasuk refinery gas, LPG, solvent, coke, lubes, wax, dan bitumen), dan 5% loss
• Konversi Menengah (NCI = 5-6)-30% gasolin, 30% middle distillates, 30% fuel oil, 15% produk lain, dan 5% gain
• Konversi tinggi (NCI = 9-10+)-50% gasolin, 30% middle distillates, 15% fuel oil, 15% produk lain, 10% gain

Pengembangan di Masa Mendatang

Melihat perkembangan di dunia refining selama ini, diketahui bahwa total kapasitas kilang di seluruh dunia mencapai kurang lebih 74 juta BCD dengan Indeks Kompleksitas Keseluruhan berkisar 5,9. Tren peningkatan kemampuan konversi pada berbagai kilang akan meningkatkan indeks kompleksitas tersebut sehingga pemenuhan kebutuhan pasar dunia akan produk dengan fraksi hidrokarbon ringan dapat terpenuhi. Penggunaan kapasitas kilang (kurang dari 70% pada awal 1980-an) sudah mencapai 87% pada awal 1990-an. Hal ini ke depannya akan terus meningkat seiring meningkatnya efisiensi produksi kilang. Namun tetap saja permasalahan yang dihadapi kilang grassroots adalah rendahnya margin produksi. Inilah tantangan ke depannya bagi dunia refining.

source: Reliance Industries Limited – Nelson Complexity Index

contoh perhitungan Nelson Complexity Index

 Source: En*Vantage & OGJ presented in the 16th Annual PFAA Conference November 12, 2009

References:

David C. Johnston,Daniel Johnston, Intorduction To Oil Company Financial Analysis

Reliance Industries Limited – Nelson Complexity Index

http://www.ogj.com/articles/print/volume-94/issue-12/in-this-issue/general-interest/refining-report-complexity-index-indicates-refinery-capability-value.html

Catatan Kuliah Refinery IV

Read more »

Steam Cracking - Part 1

Steam Cracking merupakan salah satu proses dalam industri petrokimia yang memecah rantai hidrokarbon jenuh menjadi rantai hidrokarbon tak jenuh dengan jumlah atom karbon (C) yang lebih sedikit. Proses ini merupakan metode dasar dalam industri untuk memproduksi alkena yang lebih ringan atau yang biasa disebut olefin termasuk di dalamnya etena atau yang sering disebut etilena dan juga propena atau propilena.

Etilena dan propilena merupakan senyawa kimia yang sangat penting, penyusun 50-60% dari semua senyawa kimia organik. Tetapi karena tingkat reaktivitasnya yang sangat tinggi, keberadaan olefin di dalam gas alam hanya dalam jumlah yang sangat sedikit. Oleh karena itulah, senyawa-senyawa tersebut harus dihasilkan melalui proses cracking. Sementara C₄ olefin banyak dihasilkan melalui proses catalytic cracking (kecuali butadiena).

Di dalam proses steam cracking ini hidrokarbon, baik dalam fase gas maupun cair sebagai umpan proses misalnya nafta, LPG, maupun etana dicampur dengan steam dan dipanaskan di dalam furnace tanpa adanya gas oksigen dalam campuran tersebut. Biasanya, temperatur reaksi ini sangat tinggi, yakni sekitar 850^o Celcius tetapi reaksi yang berlangsung harus benar-benar memperhatikan faktor safety. Dalam cracking furnace modern, waktu tinggal (residence time) dapat diminimalisasikan hingga hitungan milisekon menghasilkan kecepatan gas yang lebih cepat dibandingkan kecepatan suara guna meningkatkan yield proses. Setelah temperatur cracking tercapai, gas yang terbentuk akan mengalami quenching untuk menghentikan reaksi cracking yang berlangsung sebelum memasuki heat exchanger.

Produk yang dihasilkan dalam reaksi tersebut bergantung pada komposisi umpan, rasio antara hidrokarbon dan steam serta temperatur cracking, dan waktu tinggal (residence time) di dalam furnace.

Umpan hidrokarbon ringan seperti etana, LPG, maupun light naphta menghasilkan stream produk yang kaya alkena rantai pendek termasuk etilena, propilena, dan butadiena. Umpan hidrokarbon yang lebih berat (heavy naphta, kerosin, dll.) menghasilkan produk yang sama, tetapi dihasilkan juga produk yang berupa hidrokarbon aromatik dan juga rantai hidrokarbon yang umum terdapat di dalam produk gasolin dan juga fuel oil. Temperatur cracking yang lebih tinggi (atau yang biasa disebut severity) akan meningkatkan produksi etena dan benzena. Sebaliknya, severity yang lebih rendah akan menghasilkan produk propena, hidrokarbon C₄ dan produk liquid yang lebih banyak. Proses tersebut juga menghasilkan deposit berupa coke, yang juga merupakan senyawa karbon yang biasa menempel pada dinding reaktor.

Keberadaan coke tersebut dapat menurunkan efisiensi dari reaktor itu sendiri, sehingga kondisi reaktor didesain untuk meminimalisasi pembentukan coke tersebut. Di samping itu, suatu cracking furnace juga terkadang hanya mampu beroperasi dalam beberapa bulan saja sebelum akhirnya harus silakukan proses de-coking. Proses de-coking dilakukan dengan menghentikan operasi furnace, kemudian mengalirkan sejumlah campuran steam dan udara ke dalam coil di dalam furnace. Proses ini akan mengubah senyawa carbon padat yang membentuk lapisan kerak di dinding coil menjadi karbon monoksida (CO) dan karbon dioksida (CO₂). Setelah proses de-coking ini selesai, furnace siap beroperasi kembali.

       I.            PROSES

Umpan utama steam cracking adalah LPG (C3H8+C4H10) dan NGL (C2H6, LPG, light naphta).

Semua olefin dilihat dari termodinamikanya memiliki sifat yang tidak stabil karena mudah bereaksi dan membentuk coke. Oleh karena itu untuk mengatur jumlah produk dan macam produk yang dihasilkan dari proses ini, maka jalannya proses dikontrol dengan mengatur parameter kinetik proses. Pengaturan tersebut meliputi tiga variabel pokok yang sangat mempengaruhi proses steam cracking ini, yaitu:

a.      Temperatur

Pada suhu 400^o C, rantai hidrokarbon mengalami pemutusan rantai pada ikatan di tengah-tengah molekul. Dengan meningkatkan temperatur, pemutusan rantai terjadi semakin pada ikatan yang mendekati ujung molekul, menghasilkan produk yang memiliki berat molekul yang lebih kecil dan jumlah yang lebih banyak, serta memungkinkan efisiensi waktu untuk residence time yang lebih singkat.

b.      Residence Time (waktu tinggal)

Waktu tinggal (residence time) yang singkat menghasilkan pembentukan olefin yang lebih banyak. Sementara itu, jika waktu tinggalnya meningkat, maka akan meningkatkan kemungkinan terjadinya secondary reaction, seperti pembentukan coke dan oligomerization.

c.       Hydrocarbon Pressure (tekanan hidrokarbon)

Pembentukan olefin yang memiliki berat molekul yang rendah akan meningkatkan tekanan. Oleh karena itu, reaksi diharapkan berlangsung dalam tekanan yang rendah. Penambahan steam dilakukan selama proses berlangsung guna menurunkan tekanan parsial dari hidrokarbon dan juga untuk menurunkan pembentukan coke.

Aliran proses terjadi ketika umpan hidrokarbon dipanaskan dengan steam hingga 1050^o C dan mengalir ke dalam tube reaktor Cr-Ni. Produk yang telah mengalami perengkahan keluar dari reaktor secara cepat pada temperatur 850^o C. Produk dipisahkan dari H2S dan CO2 yang masih terkandung di dalamnya, kemudian dikeringkan. Komponen C2 dan C3 dipisahkan dalam temperatur yang rendah melalui distilasi bertekanan. Komponen C4 dipisahkan dengan reaksi kimia karena titik didihnya yang berdekatan. 

Mekanisme Steam Cracking meliputi reaksi-reaksi seperti yang contoh reaksi pada uraian berikut ini.

[Dirangkum dari berbagai sumber]

See also:

Steam Cracking - Part 2

Steam Cracking - Part 3

Read more »