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 »

Crude Oil (Part 4) - Interpretasi Data Distilasi

Sebagaimana yang telah saya bahas sebelumnya mengenai macam-macam distilasi laboratorium, berikut ini adalah pembahasan mengenai interpretasi data distilasi.

Karakterisasi komponen penyusun suatu campuran dilakukan dengan melakukan pengeplotan data temperatur dan jumlah volume yang terekoveri. Sebagai contoh, suatu campuran, tersusun atas komponen A sebanyak 30% dan komponen B sebanyak 70%. Komponen A mendidih pada Ta dan komponen B mendidih pada Tb. Kurva distilasinya adalah sebagai berikut.

Pada campuran dengan komponen penyusun yang lebih banyak, maka hasil kurva distilasinya akan diperoleh sebagaimana gambar di bawah ini.

Korelasi Kurva Distilasi ASTM - TBP - EFV

Dengan karakter pengujian yang berbeda, maka hasil kurva distilas dari ketiga metode distilasi lab yang dilakukan juga akan berbeda. Namun ketiga metode distilasi tersebut memiliki korelasi satu sama lainnya. Korelasi tersebut yang pada akhirnya dapat digunakan untuk memprediksi kurva distilasi lainnya jika salah satu data distilasi sudah diketahui.

Kurva korelasi data distilasi ASTM - TBP - EFV dapat dilihat di buku Distillation karangan Mathew Van Winkle maupun buku karangan Edmister, Applied Hydrocarbon Thermodynamics.

Interpretasi Data Kurva Distilasi
Kembali lagi berbicara mengenai crude assay, di mana di dalam crude assay terdapat data distilasi serta cutting product dari crude yang dievaluasi. Sebagai contoh adalah Crude Oil Dulang yang pernah saya analisis sewaktu AKA III. Kebetulan pada analisis crude oil ini, data distilasi yang diperoleh langsung berupa data distilasi TBP. Apabila data yang ada adalah data distilasi ASTM, maka perlu dikonversi ke data distilasi TBP dengan menggunakan kurva korelasi data distilasi ASTM - TBP (Edmister). Berikut ini adalah data distilasi Hempel/TBP dari Crude Oil Dulang.

Berikut ini adalah data cut point product yang dipersyaratkan. % volume yield on crude diperoleh dari cutting kurva TBP berdasarkan cut point masing-masing produk.

 Berikut ini adalah kurva distilasi Hempel/TBP Crude Oil Dulang. Dengan mengeplotkan cut point (temperatur) produk pada sumbu Y (ordinat kurva), maka setelah ditarik secara horizontal memotong kurva kemudian dari perpotongan tersebut ditarik secara vertikal dan dibaca persen volume produk dari crude yang didistilasi. Dengan demikian, persentase volume produk yang diperoleh dari crude oil tersebut sudah diperoleh.

Selanjutnya adalah menentukan temperatur umpan masuk kolom distilasi. Dasar penentuan temperatur umpan masuk kolom distilasi adalah cutting kurva distilasi EFV dengan dasar %volume distilat yang diharapkan (diperoleh dari data kurva distilasi TBP). Sebelum melakukan cutting, tentunya kita harus membuat kurva distilasi EFV-nya. Berhubung data distilasi yang ada hanya kurva distilasi TBP, maka harus kita konversi data distilasi TBP ke EFV dengan menggunakan kurva korelasi data distilasi TBP - EFV (Edmister). Hasil konversi kurva TBP ke EFV adalah sebagai berikut.

Berikut ini adalah kurva distilasi TBP dan EFV hasil konversi dari kurva distilasi TBP.

Dari hasil cutting kurva TBP sebelumnya, diketahui bahwa jumlah distilat yang diharapkan (jumlah % volume produk LPG, Naphta, Kerosine, Light Gasoil, dan Heavy Gasoil) adalah sebesar 67,84% volume. Maka dengan mengeplotkan %volume dan menari garis vertikal hingga memotong kurva distilasi EFV, kemudian ditarik garis secara horizontal dan diperoleh temperatur umpan masuk adalah 325 C. Dengan asumsi heat loss perpipaan outlet furnace hingga inlet kolom fraksinasi adalah sebesar 10 C, maka COT (Coil Outlet Temperature) yang diharapkan adalah sebesar 335 C. 

Referensi:
Mathew Van Winkle. 1967. Distillation. USA: McGraw-Hill, IncEdmister, Applied Hydrocarbon Thermodynamics
Materi Kuliah AKAMIGAS-STEM: Perancangan Proses Migas - D IV





Crude Oil (Part 1) - Klasifikasi Crude
Crude Oil (Part 2) - Evaluasi Crude
Crude Oil (Part 3) - Pengujian Distilasi

Read more »

Crude Oil (Part 3) - Pengujian Distilasi

Setelah pembahasan mengenai klasifikasi crude oil dan juga evaluasi crude, kali ini saya akan sharing mengenai macam-macam pengujian distilasi. Hal ini sangat penting untuk diketahui apalagi bagi para refiners, mulai dari field operator, panelman, apalagi process engineer. Hasil pengujian distilasi tersebut merupakan dasar penentuan spesifikasi umpan & produk, serta yang tidak kalah pentingnya adalah digunakan sebagai dasar penentuan kondisi operasi dan perancangan proses yang terkait, terutama Distilasi atmosferis dan vacuum.

• Distilasi ASTM (American Society for Testing and Materials) 

Distilasi ASTM dilaksanakan dalam suatu labu Engler. Pada distilasi ini, tidak dipergunakan struktur tray maupun packing serta refluks yang ada merupakan efek kehilangan panas (heat loss) pada struktur leher labu engler. Metode distilasi ini paling banyak digunakan karena biayanya murah, lebih sederhana, membutuhkan jumlah sample yang sedikit, serta waktu pengujian yang lebih singkat dibandingkan distilasi TBP (kurang lebih 1/10 kali waktu pengujian TBP). Distilasi ASTM dilakukan guna mengetahui kualitas produk (product quality control). Beberapa metode distilasi ASTM adalah sebagai berikut.
            a. ASTM method D86
Metode distilasi ini digunakan untuk menguji motor gasoline, aviation gasoline, aviation turbine, naphta,  kerosine, diesel, distillate fuel oil dan produk-produk yang serupa. Pengujiannya dilakukan pada tekanan atmosferis. Digunakan termometer yang dipaparkan langsung dalam labu engler dan hasil pembacaannya tidak ada koreksi stem.
            b. ASTM method D216
Metode distilasi ini digunakan untuk menguji natural gasoline. Dilakukan pada tekanan atmosferis.
            c. ASTM method D1160
Metode distilasi ini digunakan untuk menguji produk migas fraksi berat yang dapat diuapkan secara parsial maupun keseluruhan pada suhu maksimal 750 F pada tekanan absolut hingga 1 mmHg dan dikondensasikan menjadi fase liquid pada tekanan pengujian. Tekanan operasi pengujian berkisar antara 1-760 mmHg absolut. Temperatur diukur dengan perangkat thermocouple.
            d. ASTM method D2887
Metode ini merupakan metode simulasi distilasi yang dilakukan dengan gas chromatography (GC). Metode ini merupakan metode yang paling sederhana yang dapat melakukan analisis cut point dan boiling range fraksi hidrokarbon dengan ketelitian tinggi.

• Distilasi TBP (True Boiling Point)

Distilasi TBP dilakukan dalam sebuah kolom distilasi dengan 15 - 100 plates (trays) teoritis dengan reflux ratio yang tinggi (5 : 1 atau lebih). Tingkat fraksinasi yang tinggi pada pengujian ini memberikan distribusi komponen campuran yang akurat. Kekurangan distilasi TBP adalah tidak adanya standadisasi alat dan prosedur pengujian. Meskipun demikian, variasi antara laboratorium pengujian yang ada hanya sedikit karena pemisahan komponen campuran dapat tercapai dengan baik dengan pengujian yang dilakukan. Distilasi TBP ini dilakukan untuk mengetahui % volume produk yang diperoleh dari cutting kurva berdasarkan cut point produk yang dihaapkan.

• Distilasi EFV (Equilibrium Flash Vaporization)

Distilasi EFV sangat identik dengan distilasi pada unit distilasi yang sebenarnya. Oleh karenanya hasil pengujian distilasi EFV ini dijadikan dasar penentuan kondisi operasi. Pada pengujian distilasi EFV ini, terjadi kesetimbangan vapor-liquid. Namun demikian, proses pengujian yang menargetkan terjadinya kesetimbangan vapor-liquid tersebut memakan waktu yang relatif lebih lama dibandingkan metode pengujian yang lainnya. Metode ini juga bersesuaian dengan perhitungan secara flash (flash calculation method). Distilasi EFV ini berfungsi untuk menentukan kondisi operasi unit distilasi.

Data hasil pengujian distilasi terdiri atas temperatur dan persen recovery. Dari data tersebut dapat dibuat kurva distilasi yang mana kurva tersebutlah yang digunakan dalam perancangan dan penentuan kondisi operasi proses distilasi. Kurva distilasi terbentuk oleh kombinasi data persen volume terekoveri yang ada di absis grafik, dan temperatur pada ordinat grafik.

Pembahasan lebih lanjut mengenai interpretasi data kurva distilasi akan dibahas pada posting berikutnya.

Referensi:
ASTM Standard for Distillation
Mathew Van Winkle. 1967. Distillation. USA: McGraw-Hill, Inc




Crude Oil (Part 1) - Klasifikasi Crude
Crude Oil (Part 2) - Evaluasi Crude
Crude Oil (Part 4) - Interpretasi Data

Read more »

Distilasi

1. Pengertian Proses Distilasi

Distilasi merupakan suatu proses pemisahan komponen penyusun suatu zat berdasarkan titik didihnya. Pada proses pengolahan minyak bumi, proses distilasi yang merupakan proses primer (primary process) disebut juga dengan proses fraksinasi. Hal ini karena pada proses distilasi minyak bumi (crude oil), umpan (crude oil) yang telah dipanaskan terlebih dahulu dipisahkan di dalam sebuah kolom (menara) menjadi fraksi-fraksinya berdasarkan trayek didih fraksi-fraksi tersebut. Pada proses fraksinasi digunakan dasar pemisahan trayek didih (boiling range) bukan titik didih (boiling point) karena fraksi minyak bumi bukanlah zat murni. Fraksi minyak bumi merupakan sekumpulan komponen penyusun minyak bumi yang terdiri atas beberapa jenis hidrokarbon yang secara fisika dibatasi oleh titik didih awal (Initial Boiling Point, IBP) dan titik didih akhir (Final Boiling Point, FBP). IBP dan FBP itulah yang dijadikan dasar pada penentuan kondisi operasi pada kolom fraksinasi supaya diperoleh produk fraksi-fraksi minyak bumi sesuai spesifikasi yang diharapkan.

2. Jenis-Jenis Proses Distilasi pada Proses Pengolahan Minyak Bumi

Proses distilasi yang terjadi pada proses pengolahan minyak bumi pada dasarnya dibedakan menurut tekanan operasinya. Pembedaan tekanan operasi ini didasarkan pada:1)

• Boiling range umpan

Boiling range umpan sangat penting untuk diketahui guna pemilihan jenis distilasi yang digunakan. Umpan yang memiliki titik didih yang sangat tinggi akan sangat sulit didistilasi pada tekanan atmosferis tanpa mengalami dekomposisi komponen hidrokarbon penyusunnya. Sementara ada pula umpan yang dengan temperatur kamar saja sudah dalam fase uap (vapor) sehingga untuk mendistilasinya harus dengan tekanan yang tinggi.

Dekomposisi hidrokarbon penyusun umpan proses distilasi secara massive terjadi pada temperatur di atas 710 degF (376,7 degC). Oleh karena itu, umpan dengan fraksi berat (fraksi long residue) tidak dapat didistilasi dengan tekanan atmosferis melainkan dengan tekanan vacuum dan/atau dengan tambahan stripping steam dalam jumlah yang banyak.

Gambar 1. Range Distilasi Umpan Tipikal Mid-Continent (2)

Berdasarkan grafik di atas, dapat diketahui kurva distilasi yang meliputi titik didih pada tekanan atmosferis dan persen terdistilasi dari umpan dan fraksi-fraksi hasil distilasi dari minyak Mid-Continent. Dengan melihat kurva distilasi tersebut, kita dapat mengetahui tekanan operasi yang diperlukan untuk mendistilasi umpan menjadi produk intermediet dan dari produk intermediet menjadi produk jadi (finished product).

• Stabilitas umpan terhadap temperatur

Secara umum, komponen hidrokarbon minyak mentah (crude oil) mulai terdekomposisi pada temperatur 680 degF (360 degC) menghasilkan produk dengan boiling range yang lebih rendah. Namun kondisi ini bisa memicu terjadinya perubahan warna pada produk. Perubahan warna pada produk hasil distilasi dapat ditangani dengan proses treating pascadistilasi. 

Penggunaan temperatur yang sangat tinggi untuk mendistilasi umpan juga dapat meningkatkan risiko berkurangnya heavy lubricating-oil stock dari 10-15%. Dekomposisi ringan yang terjadi dari fraksi heavy lubricating-oil stock tersebut menghasilkan light lubricating-oil dan gasoil. Berikut ini adalah tipikal temperatur vaporiser dan heater outlet untuk beberapa jenis umpan.

Tabel 1. Temperatur Vaporiser untuk Berbagai Jenis Umpan (3)

• Spesifikasi produk yang diharapkan

Spesifikasi produk sangat mempengaruhi dalam penentuan jenis distilasi yang digunakan. Hal ini terkait dengan boiling range sebagaimana terdapat pada gambar 1. Dengan rentang temperatur yang sangat tinggi (di atas temperatur dekomposisi umpan, maka untuk mendapatkan produk sesuai spesifikasinya tidak dapat dilakukan dengan tekanan atmosferis, melainkan harus dengan tekanan hampa (vacuum).

Berikut ini adalah jenis-jenis proses distilasi berdasarkan tekanan operasinya.

• Distilasi Atmosferis

Distilasi atmosferis merupakan proses distilasi yang mana tekanan operasinya adalah tekanan atmosferis (1 atm) atau sedikit di atas tekanan atmosferis. Contoh unit proses yang menggunakan proses distilasi atmosferis ini adalah pada Crude Distilling Unit (CDU).

• Distilasi Bertekanan

Distilasi bertekanan merupakan proses distilasi yang mana tekanan operasinya di atas tekanan atmosferis (>1 atm). Proses distilasi bertekanan digunakan pada proses pemisahan umpan yang berupa gas. Pada tekanan atmosferis, umpan yang berada dalam fase gas masuk ke kolom distilasi berupa gas, sehingga tidak dapat dipisahkan. Dengan tekanan yang lebih tinggi, maka titik didih komponen penyusun umpan akan naik, sehingga pada temperatur yang sama, umpan dapat berubah fase menjadi cair (liquid). Dengan demikian, umpan proses distilasi bertekanan tersebut dapat dipisahkan di dalam kolom distilasi. Contoh unit proses yang menggunakan proses distilasi bertekanan adalah pada Light End Unit (LEU).

• Distilasi Hampa

Distilasi hampa (vacuum distillation) merupakan proses distilasi yang mana tekanan operasinya di bawah tekanan atmosferis (<1 atm). Proses distilasi hampa biasanya digunakan untuk memisahkan fraksi-fraksi dari umpan minyak berat (long residue, bottom product dari CDU) yang tidak memungkinkan dilakukan pada tekanan atmosferis. Dengan tekanan yang lebih rendah, maka diharapkan fraksi-fraksi penyusun umpan pada distilasi hampa dapat terpisah pada temperatur yang lebih rendah dari titik didih normalnya (pada 1 atm) sehingga tidak terjadi proses thermal cracking pada proses distilasi tersebut. Contoh unit proses yang menggunakan proses distilasi hampa adalah High Vacuum Unit (HVU).

Referensi:

(1) Nelson, W. L., Petroleum Refinery Engineering (New York: McGraw-Hill Book Company, 1958), hal. 226.

(2) Nelson, W. L., Petroleum Refinery Engineering (New York: McGraw-Hill Book Company, 1958), hal. 227.

(3) Nelson, W. L., Petroleum Refinery Engineering (New York: McGraw-Hill Book Company, 1958), hal. 228.

Read more »