Fixed Bed Reactor: Basic Design Consideration (Part 1)

Fixed Bed Reactor merupakan suatu reaktor yang mana katalis berdiam di dalam reactor bed. Di dalam reaktor, katalis ditopang oleh suatu struktur catalyst support berupa perforated tray dengan tambahan lapisan inert semacam ceramic balls dengan diameter bervariasi sesuai dengan ukuran partikel katalis baik di sisi terbawah maupun di lapisan teratas bed katalisator.

Secara spesifik, fixed bed reactor yang ada di unit pengolahan minyak bumi dirancang oleh vendor berdasarkan kebutuhan proses. Struktur internal reaktor pun berbeda dari vendor satu dengan lainnya. Karena sifatnya yang sangat spesifik, perancangan reaktor itu sendiri biasanya juga terkait dengan lisensor prosesnya, misalnya perancangan fixed bed reactor untuk Unicracking akan berbeda dengan perancangan fixed bed reactor untuk MSDW Lube Catalytic Dewaxing. Hal ini terkait dengan kebutuhan proses, terutama terkait dengan kebutuhan katalis yang sangat spesifik tergantung pada vendornya masing-masing. Meskipun demikian, secara umum bagian-bagian internal reaktor tetap sama, hanya saja tiap lisensor proses maupun vendor reaktor tersebut memiliki typical design masing-masing yang diharapkan mampu mengoptimalkan fungsi dari reaktor tersebut.

Bagian utama dari sebuah fixed bed reactor adalah reactor vessel, reactor internals, katalisator, inert dan graded katalisator. Reactor vessel merupakan bagian yang menyediakan tempat bagi katalis dan tempat berlangsungnya kontak antara minyak umpan dan katalis yang kemudian terjadi reaksi. Reactor vessel dirancang dengan dasar perancangan pressure vessel  (ASME BPVC Section VIII Division 2). Kunci dari perancangan reactor vessel ini adalah pemilihan material, allowable working pressure, dimensi dan ketebalan dinding vessel.

Perancangan Reactor Vessel

Pemilihan material untuk reactor vessel harus memperhatikan sistem reaksi yang terjadi di dalam reaktor. Apabila di dalamnya terdapat penggunaan gas hidrogen, maka harus diperhatikan risiko terjadinya hydrogen attack. Keberadaan gas hidrogen di dalam suatu sistem peralatan menimbulkan potensi terjadinya penetrasi gas hidrogen ke dalam struktur carbon steel. Kemudian gas hidrogen bereaksi dengan karbon membentuk metana. Tekanan yang dihasilkan karena reaksi tersebut akan menyebabkan berkurangnya ductility (hydrogen embrittlement) dan kerusakan karena retak atau pun rapuhnya material baja. Berkurangnya kandungan karbon akibat adanya reaksi dengan gas hidrogen akan menurunkan kekuatan material baja tersebut. Oleh karena itu, untuk material reactor vessel yang memerlukan spesifikasi khusus karena melibatkan gas hidrogen di dalam reaksinya perlu memperhatikan grafik Nelson API RP 941 supaya pemilihan material dapat mengakomodasi kebutuhan reaksi. Dengan grafik tersebut, berdasarkan tekanan parsial hidrogen dan temperatur operasi dapat diperoleh kandungan material (Cr – Mo) yang paling sesuai dengan reaktor yang akan dibuat. Untuk material lain, misalnya untuk menangani minyak yang korosif dapat dilihat dalam ASME Section II Material Code.

Allowable working pressure juga memiliki peranan penting dalam menentukan perancangan reactor vessel. Hal ini terkait dengan perhitungan ketebalan yang dibutuhkan untuk reactor vessel tersebut. Allowable working pressure merupakan tekanan tertinggi yang diizinkan dan yang seharusnya dapat diakomodasi oleh reactor vessel. Dalam perancangan, tekanan maksimal yang diizinkan merupakan 120% dari tekanan operasi maksimal. Hal ini sebagai safety factor dan berlaku untuk semua aspek perancangan peralatan. Sedangkan untuk temperatur desain ditentukan dengan maksimal temperatur operasi yang diizinkan ditambah 50^o (baik dalam satuan Celcius maupun Fahrenheit). (Howard F. Rase, 1957)

Tahap selanjutnya yang tak kalah pentingnya adalah menentukan dimensi dan ketebalan reactor vessel. Dimensi reaktor (diameter dan tinggi) ditentukan berdasarkan kebutuhan volume bed yang nantinya ditambah dengan reactor internals lainnya seperti quench zone dan feed distributor. Sedangkan untuk ketebalan dinding reactor vessel ditentukan dengan banyak faktor perhitungan. Untuk perhitungan utamanya menggunakan rumus pada ASME BPVC Section VIII Division 2 seperti halnya pressure vessel lainnya. Kemudian dilakukan perbandingan hasil perhitungan ketebalan berdasarkan internal pressure tersebut dengan hasil perhitungan ketebalan berdasarkan windload dan dead weight. Ketebalan yang lebih besar itulah yang digunakan. Perhitungan ketebalan windload dan dead weight sangat perlu dilakukan guna meyakinkan apakah reactor vessel yang dirancang mampu menahan posisi dan struktur di dalamnya karena adanya terpaan angin dan beratnya beban reactor vessel tersebut.

Pemilihan Katalisator

Katalisator merupakan salah satu hal vital dalam sistem reaksi di dalam reaktor. Pasalnya, pada perancangan reaktor semua variabel proses ditentukan oleh physical properties dan kebutuhan reaksi dari katalisator. Misalnya batasan pressure drop untuk reaksi maupun regenerasi tidak boleh melebihi crushing strength dari partikel katalisator. Begitu halnya dengan temperatur. Temperatur dibatasi dengan melting point komponen penyusun katalisator. Selain itu temperatur sistem reaktor yang eksotermis misalnya, akan sangat rentan terjadi overheating pada reactor vessel. Oleh karena itu, pemilihan material reactor vessel, penentuan sistem distribusi panas, ukuran diameter dan tinggi bed katalisator akan memerlukan perhatian khusus dalam perancangannya. Begitu pula dengan instrumentasi yang dibutuhkan terutama thermocouple (temperature sensor element). Baik jumlah maupun konfigurasinya dalam sistem axial maupun radial akan sangat menunjang monitoring ketat distribusi panas di dalam bed katalisator agar tidak terjadi runaway.

Perbedaan physical properties, aktivitas, selektivitas, dan stabilitas dari tiap-tiap katalisator akan membutuhkan sistem kondisi operasi yang berbeda. Misalkan untuk katalisator Catalytic Dewaxing Process berikut ini.

Untuk jenis katalis komersial biasanya jarang di-publish secara umum, baik itu spesifikasi maupun kondisi operasi tipikalnya. Hal ini terkait dengan data katalisator yang merupakan propriatery atau patent dari tiap-tiap vendor. Berikut ini ada beberapa contoh jenis katalisator beserta vendornya yang sudah diinventarisasi oleh Oil and Gas Journal.

[leave a comment for the complete catalysts compilation data]

Reactor Internals

Selain reactor vessel, struktur internal reaktor juga sangat menunjang optimalnya kinerja dari sistem reaksi yang terjadi di dalam reaktor tersebut. Beberapa kata kunci seperti distribusi umpan, distribusi panas, fouling, distribusi lapisan katalisator, dan juga temperatur reaksi merupakan beberapa hal yang mewakili peran dari struktur internal reaktor tersebut. Secara umum struktur internal terdiri atas feed distributor, distribution tray, scale basket, quench distributor, collector ring, inert and catalyst graded. Klik link berikut untuk melihat reactor internals 3D model.

• Feed Distributor

Feed distributor merupakan struktur internal yang terletak di bagian inlet reaktor. Feed distributor ini berupa struktur yang memiliki baffle dan deflector yang memungkinkan umpan masuk ke dalam reaktor didistribusikan secara merata ke dalam bed katalisator. Distribusi umpan ini merupakan kunci dari sitem reaksi di dalam bed katalisator. Dengan meratanya distribusi umpan, maka distribusi panas di dalam bed juga akan merata dan reaksi dapat berlangsung dengan optimal. Salah satu dampak negatif dari tidak meratanya distribusi umpan adalah akan terjadi hotspot pada titik tertentu pada bed katalisator yang lama-kelamaan akan terjadi channeling dan hal ini akan mempengaruhi lifetime dari katalisator.

• Distribution Tray

Distribution tray pada intinya melanjutkan tugas dari feed distributor yakni memeratakan distribusi umpan ke dalam bed katalisator. Distribution tray ini berada pada bagian teratas dari bed katalisator pertama di dalam reaktor. Distribution tray berupa tray dengan struktur slotted-chimneys dan/atau bubble cap tray yang memungkinkan terjadinya kontak antara fase vapor dan liquid. Melalui kontak ini, akan terjadi transfer massa dan transfer panas dan pada akhirnya vapor dan liquid dari umpan dapat didistribusikan secara merata ke dalam bed katalisator.

• Scale Basket

Scake basket merupakan struktur semacam mesh strainer yang disusun pada layer pertama bed katalisator dengan konfigurasi tertentu. Pemasangan scale basket ini merupakan salah satu upaya guna mengurangi terjadinya fouling pada bed katalisator sehingga pressure drop bed katalisator dapat terjaga.

• Quench Distributor

Quench distributor merupakan suatu struktur yang dipasang di antara dua bed katalisator. Quench distributor dipasang pada reaktor dengan sistem reaksi eksotermis. Fungsinya adalah untuk me-maintain temperatur outlet bed sebelum memasuki bed katalisator berikutnya. Pasalnya, temperatur outlet bed akan selalu lebih tinggi dari inletnya karena sistem reaksinya eksotermis. Apabila temperatur outlet bed pertama sudah tinggi, maka setelah melalui bed kedua temperatur akan naik lagi. Jika kondisi ini tidak diatur, maka potensi terjadinya runaway akan lebih besar. Oleh karena itu, dibuatlah struktur quench distributor yang akan mendistribusikan quench gas pada effluent bed pertama guna menurunkan (menjaga) temperatur sebelum memasuki bed berikutnya.

Struktur quench distributor secara umum antara lain quench pipe sebagai transfer line quench gas (misalnya hydrogen) ke dalam reaktor (quench zone). Pada beberapa desain tipikal quench distributor, terdapat pula suatu struktur yang mendistribusikan quench gas berupa silinder tertutup dengan beberapa lubang di sisinya disebut quench sparger. Kemudian mixing table yang merupakan tempat terjadinya percampuran antara quench gas dan effluent bed pertama. Dan struktur paling bawah adalah distribution tray. Struktur distribution tray pada quench zone ini hampir sama dengan struktur distribution tray pada lapisan teratas bed pertama. Tujuan utamanya pun sama, suapaya terjadi heat transfer sehingga temperatur effluent bed pertama dapat diatur sesuai kebutuhan sebelum memasuki bed berikutnya.

• Inert and Catalyst Graded

Pada bed katalisator, inert balls diletakkan di bagian atas dan bawah katalisator. Di bagian atas katalisator, inert balls berfungsi meredam energi tumbukan dari aliran umpan guna menjaga distribusi katalisator di dalam bed katalisator. Di bagian bawah bed katalisator, inert balls berfungsi sebagai support untuk menopang katalisator dan juga menjaga agar katalisator tidak ikut mengalir keluar bed katalisator bersama aliran umpan.

Graded katalisator merupakan partikel-partikel yang ditambahkan di atas ataupun di bawah katalisator di dalam bed katalisator yang memiliki fungsi-fungsi tertentu sesuai komposisinya. Fungsi graded katalisator antara lain sebagai treatment awal, menahan deposit, menyerap logam, dan lain-lain. Beberapa jenis graded katalisator ditambahkan ke dalam bed katalisator guna mengoptimalkan aktivitas katalisator.

Pemilihan graded katalisator dilakukan berdasarkan karakteristik katalisator utama di masing-masing reaktor. Karakteristik katalisator akan mempengaruhi proses reaksi yang berlangsung pada tiap-tiap bed katalisator. Dengan pemilihan graded katalisator yang tepat diharapkan reaksi yang berlangsung dapat terjadi secara optimal dan menghasilkan produk sesuai yang diharapkan.

• Collector Ring

Collector ring merupakan perlengkapan internal reaktor yang mencegah katalisator mengalir keluar reaktor. Collector ring ini dipasang pada bagian bawah reaktor. Jumlah area terbuka di dalam collector ring harus lebih besar dari lima kali luas area outlet nozzle sehingga rentang penurunan aliran tidak menimbulkan pressure drop yang berlebihan.

Pada akhir perancangan fixed bed reactor, perlu dievaluasi pressure drop per bed maupun total reaktor. Hal ini sangat menentukan kebutuhan tekanan operasi terkait dengan rotating equipment yang dibutuhkan. Perhitungan pressure drop tidak hanya dihitung berdasarkan pressure drop yang ditimbulkan oleh partikel katalisator, inert, dan graded katalisator saja tetapi juga dengan adanya struktur internal reaktor seperti inlet diffuser, quench distributor, dan collector ring. Hal ini karena keberadaan struktur internal reaktor tersebut juga berkontribusi terhadap pressure drop yang terjadi di dalam reaktor. Pada akhirnya, maksimum pressure drop dapat ditentukan berdasarkan pressure drop total (dalam kondisi katalis bersih) ditambah fouling factor sesuai rekomendasi dari process licensor. Itulah yang menjadi dasar bagi perancangan rotating equipments penunjang reactor section tersebut.

Referensi:

Farr, James R. Et al., 2001, “Guidebook for Design of ASME Section VIII Pressure Vessel Second Edition”, The American Society of Mechanical Engineer, New York.

Rase, Howard F and M. H Barrow, 1957, Project Engineering of Process Plant, John Wiley and Son, New York.

Harriott, Peter, 2003, “Chemical reactor Design”, Marcell Dekker, New York.

Dan beberapa catatan kuliah AKA IV.

Read more »

Hydrocracking Process (Part 2)

Reaksi Hydrocracking

Reaksi hydrocracking mengubah umpan fraksi berat menjadi produk dengan berat molekul yang lebih ringan dengan disertai  penghilangan sulfur dan nitrogen serta penjenuhan senyawa olefin dan aromatik. Sulfur organik diubah menjadi senyawa H₂S sedangkan senyawa nitrogen diubah menjadi NH₃ dan senyawa oksigen (tidak selalu ada) diubah menjadi H₂O. Reaksi pada hydrocracking dapat dikelompokkan menjadi dua kategori: reaksi yang diharapkan dan reaksi yang tidak diharapkan.

Reaksi yang diharapkan di sini meliputi treating, penjenuhan, dan reaksi cracking. Reaksi yang tidak diharapkan adalah terjadinya keracunan katalisator oleh kontaminan (impurities) dalam bentuk reaksi coking pada katalisator.

Terdapat dua tipe reaksi yang terjadi pada unit hydrocracking, yakni treating (disebut juga pre-treating) dan cracking (disebut juga hydrocracking). Reaksi cracking membutuhkan katalis dual fungsi (bi-functional catalyst) yang mengkatalisis dua jenis reaksi, yakni cracking dan hidrogenasi (penjenuhan).

Reaksi Treating

Reaksi treating yang terjadi pada unit hydrocracking antara lain reaksi penghilangan sulfur, nitrogen, senyawa organo-metallic, oksigen, dan juga senyawa halida. Senyawa sulfur, nitrogen, dan oksigen merupakan tiga senyawa yang selalu ada dalam umpan unit hydrocracking. Kadarnya beragam, tergantung pada sumber dan jenis feedstock. Senyawa lainnya tidak selalu ada dalam umpan unit hydrocracking.

Secara umum, konsumsi hidrogen untuk reaksi treating dapat dilihat pada tabel berikut ini.

Reaksi hidrodesulfurisasi terjadi dengan penghilangan sulfur yang diikuti dengan reaksi penjenuhan senyawa olefin yang terbentuk. Berikut ini adalah contoh reaksi hidrodesulfurisasi.

Reaksi denitrogenasi terjadi dengan pola yang berbeda. Mekasnisme hidrodenitrogenasi bermula dengan reaksi penjenuhan aromatik diikuti dengan hidrogenolisis dan diakhiri dengan denitrogenasi. Berikut ini adalah contoh beberapa mekanisme hidrodenitrogenasi.

Reaksi Cracking

Reaksi hydrocracking berlangsung dengan mekanisme bi-functional. Mekanisme bi-functional membutuhkan dua tipe sisi katalis yang berbeda guna mengkatalisis tahapan reaksi yang terpisah dalam suatu rangkaian reaksi. Dua fungsi yang dimaksud adalah fungsi asam yang mengkatalisis reaksi cracking dan isomerisasi serta fungsi logam yang mengkatalisis reaksi pembentukan olefin dan hidrogenasi. Reaksi cracking membutuhkan panas sedangkan reaksi hidrogenasi menghasilkan panas. Secara keseluruhan, reaksi hydrocracking menghasilkan panas. Sebagaimana pada reaksi treating, reaksi hydrocracking juga merupakan fungsi dari konsumsi hidrogen, artinya semakin banyak konsumsi hidrogen, maka akan semakin eksotermis reaksi yang terjadi.

Konsumsi hidrogen pada reaksi hydrocracking secara umum (termasuk pre-treating) adalah 1200 - 2400 SCFB/wt% dengan perubahan sebesar 200 – 420 Nm³/m³ tiap %wt perubahan kapasitas umpan. Panas yang dihasilkan dari reaksi antara 50 – 100 Btu/SCF H₂ atau jika dinyatakan dalam kenaikan temperatur adalah sebesar 0,065^oF/SCF hidrogen yang dikonsumsi (0,006^oC/Nm³/m³ H₂).

Secara umum, reaksi hydrocracking dimulai dengan pembentukan olefin atau siklo-olefin pada sisi logam katalis. Selanjutnya sisi asam akan menambahkan proton pada olefin atau siklo-olefin tersebut untuk menghasilkan ion carbonium. Ion carbonium tersebut akan terrengkah menjadi ion carbonium yang lebih kecil dan senyawa olefin yang lebih kecil. Produk tersebut merupakan produk utama hydrocracking. Proses terminasi pada reaksi hydrocracking terjadi dengan reaksi penjenuhan senyawa olefin pada sisi logam katalisator. Berikut ini adalah tahapan reaksi pada rangkaian reaksi hydrocracking terhadap suatu senyawa n-parafin.

Dari reaksi tersebut dapat diketahui bahwa pada awal reaksi hydrocracking terbentuk senyawa olefin yang dikatalisis oleh sisi logam. Kemudian olefin tersebut diubah menjadi ion carbonium. Ion carbonium tersebut terisomerisasi menjadi ion carbonium tersier yang lebih stabil. Selanjutnya terjadi perengkahan ion carbonium tersebut pada ikatan pada posisi β terhadap muatan ion carbonium tersebut. Posisi β merupakan ikatan kedua dari muatan ion. Ion carbonium dapat bereaksi dengan olefin untuk mentransferkan muatan dari satu fragmen ke fragmen lainnya. Dengan cara ini muatan dapat ditransfer dari senyawa hidrokarbon rantai pendek ke senyawa hidrokarbon rantai lebih panjang yang dapat mengakomodasi muatan dengan lebih baik. Akhirnya, reaksi penjenuhan terhadap olefin terjadi pada sisi logam katalisator.

Reaksi hydrocracking merupakan reaksi yang selektif terhadap parafin dengan jumlah atom karbon yang banyak. Hal ini terjadi dalam rangka mencapai kesetimbangan untuk membentuk olefin dengan jumlah atom karbon yang banyak. Di samping itu, parafin dengan jumlah atom karbon lebih banyak dapat mengadsorb lebih kuat. Ion carbonium intermedia menyebabkan isomerisasi yang berlebih pada produk reaksi khususnya pada α-metil isomer. Hal ini karena ion carbonium tersier lebih stabil. Oleh karena itu, produksi C₁ dan C₃ rendah karena produksi gas hidrokarbon tersebut terjadi ketika terbentuknya ion carbonium primer dan sekunder yang sebenarnya kurang dikehendaki. Senyawa-senyawa lain seperti alkil-naften, alkil-aromat, dan lain sebagainya bereaksi dengan mekanisme serupa melalui reaksi pembentukan ion carbonium.

Berikut ini adalah data termodinamika dari beberapa reaksi utama pada proses hydrocracking.

Di samping reaksi-reaksi tersebut, selama reaksi hydrocracking terjadi pula beberapa reaksi penting lainnya antara lain penjenuhan aromat, pembentukan polynuclear aromatics (PNA) dan pembentukan coke. Reaksi penjenuhan aromat terjadi pada seksi treating dan sebagian terjadi pada seksi cracking. Reaksi penjenuhan aromat ini merupakan satu-satunya reaksi dalam hydrocracking yang dibatasi kesetimbangannya ketika temperatur yang lebih tinggi sudah tercapai. Hal ini berkaitan dengan usia katalisator. Karena pembatasan kesetimbangan inilah, reaksi penjenuhan aromat yang sempurna tidak dapat tercapai karena peningkatan temperatur yang dibutuhkan dapat memperpendek usia katalisator. Karena hal itulah, terbentuk coke dan pengendapan (deposition). Reaksi coking akan dibahas secara lengkap pada kesempatan berikutnya. Sedangkan untuk reaksi pembentukan HPNA dapat dilihat pada postingan sebelumnya.

Referensi:

David S. J. “Stan” Jones and Peter R. Pujado, 2006, Handbook of Petroleum Processing, Netherland: Springer

Hydrocracking Process (Part 1)

Read more »