Apa itu Reaktor di Pabrik Minyak: Tujuan, Jenis, dan Cara Kerjanya

Apa Itu Reaktor di Kilang Minyak: Tujuan, Jenis, dan Cara Kerjanya

Menjawab pertanyaan inti: Apa itu reaktor di kilang minyak? Reaktor adalah bejana bertekanan tempat terjadinya kimia, satu-satunya tempat di kilang di mana molekul sengaja dipecah atau dibangun kembali daripada hanya dipilah. Segala sesuatu yang lain di pabrik memisahkan, memanaskan, mendinginkan, atau memindahkan material; reaktor mengubah apa material itu. Hydrotreater beroperasi pada suhu 300-400°C dan tekanan 30-100 bar, mengalirkan aliran distilat dengan hidrogen di atas katalis kobalt-molibdenum yang menghilangkan sulfur. Hydrocracker beroperasi pada suhu 350-450°C dan tekanan 100-200 bar dan melangkah lebih jauh, memecah minyak gas berat menjadi bahan bakar diesel dan jet. Reformer katalitik beroperasi pada suhu 480-525°C di atas platinum untuk mengubah nafta menjadi reformate beroktan tinggi. Riser perengkahan katalitik fluida beroperasi pada suhu 500-540°C dengan waktu kontak hanya 2-5 detik. Bejana-bejana ini adalah item terbesar dan terberat di pabrik, dengan ketebalan dinding 100-300 mm dan berat mencapai 1.200 ton, dan mereka juga yang paling diawasi ketat, karena profitabilitas kilang ditentukan di dalamnya.

1. Apa yang Sebenarnya Terjadi di Dalam Reaktor Kilang

Empat hal terjadi di setiap reaktor, dan memahaminya menjelaskan seluruh desain:

• Umpan Bertemu Katalis: Hampir semua reaktor kilang mengandung katalis padat, bahan berpori dengan luas permukaan internal yang sangat besar, seringkali 150-400 m2 per gram, di mana reaksi terjadi. Umpan dipompa dan dipanaskan hingga suhu reaksi lalu mengalir melalui lapisan pelet katalis yang padat, biasanya berdiameter 1-3 mm. Laju dinyatakan sebagai kecepatan ruang, biasanya 0,5-5 jam-1, yang berarti umpan melewati volume katalis antara 0,5 dan 5 kali per jam, dan angka ini menentukan konversi yang dicapai. Karena katalis adalah tempat nilai diciptakan, segala sesuatu yang lain di dalam reaktor ada untuk melayaninya: distributor untuk menyebarkan umpan secara merata, kisi-kisi penyangga untuk menahannya, termokopel untuk membaca suhunya, dan sistem pendingin untuk mengendalikannya.
• Panas Dilepaskan atau Diserap: Ini adalah faktor yang paling membentuk desain mekanis. Hydrotreating dan hydrocracking melepaskan panas, sehingga reaktor dibangun dengan beberapa lapisan katalis terpisah dan hidrogen dingin disuntikkan di antaranya untuk menurunkan suhu kembali, membatasi kenaikan di setiap lapisan hingga 20-40°C. Reformasi katalitik adalah kebalikannya: reaksi yang menciptakan aromatik menyerap panas, sehingga reaktor diatur dalam tiga atau empat tahap adiabatik dengan tungku di antaranya untuk mengembalikan panas. Perengkahan katalitik fluida memecahkan masalah secara berbeda, mengedarkan katalis secara terus menerus antara reaktor dan regenerator, di mana kokas yang mengendap selama perengkahan dibakar pada suhu 650-730°C, dan katalis regenerasi panas membawa panas itu kembali ke reaktor untuk memasok reaksi perengkahan.
• Katalis Perlahan Mati: Setiap katalis kehilangan aktivitas seiring waktu, dan mekanismenya tergantung pada prosesnya. Dalam perengkahan, kokas mengendap dalam hitungan detik. Dalam hydrotreating, kokas ditambah logam seperti nikel dan vanadium secara bertahap menyumbat pori-pori, dan operasi berakhir setelah satu hingga lima tahun. Dalam reformasi katalitik, kokas menumpuk selama enam hingga dua puluh empat bulan. Operator mengkompensasi dengan menaikkan suhu secara perlahan selama kampanye, yang mengembalikan laju tetapi juga mempercepat deaktivasi, sehingga operasi berakhir ketika suhu maksimum yang diizinkan, penurunan tekanan di seluruh lapisan, atau spesifikasi produk tercapai. Reaktor kemudian dimatikan untuk regenerasi atau penggantian katalis, yang merupakan alasan terbesar untuk penghentian kilang.
• Tekanan, Metalurgi, dan Penahanan: Reaktor kilang adalah bejana bertekanan dengan tugas luar biasa. Ketebalan dinding 100-300 mm dalam baja kromium-molibdenum paduan rendah adalah normal, dan alasannya bukan hanya tekanan tetapi kombinasi hidrogen, hidrogen sulfida, dan suhu. Hidrogen atom pada tekanan parsial tinggi menyerang karbon dalam baja biasa dan membentuk metana di dalam logam, mode kegagalan yang disebut serangan hidrogen suhu tinggi, itulah sebabnya bahan dipilih berdasarkan kurva Nelson API 941. Bejana dibangun sesuai ASME VIII Divisi 2 dengan lapisan las tahan karat pada semua permukaan yang basah, dan dilengkapi dengan suhu minimum bertekanan, biasanya 90-150°C, di bawahnya tidak boleh diberi tekanan karena baja menjadi rapuh setelah penggunaan jangka panjang.

2. Reaktor Utama yang Akan Anda Temukan di Kilang

Kilang modern berisi lima hingga lima belas reaktor, dan masing-masing memiliki tugas spesifik dalam skema aliran:

• Hydrotreater: Reaktor paling umum di kilang mana pun dan yang memungkinkan spesifikasi bahan bakar modern. Ini menghilangkan sulfur, nitrogen, oksigen, logam, dan olefin dengan mereaksikannya dengan hidrogen di atas katalis kobalt-molibdenum atau nikel-molibdenum pada suhu 300-400°C dan tekanan 30-100 bar. Hasilnya adalah hidrogen sulfida dan amonia, yang dipisahkan dan dikirim ke pabrik sulfur, dan produk bersih yang memenuhi batas sulfur 10 ppm untuk diesel sulfur ultra-rendah. Hampir setiap aliran di kilang melewatinya: nafta sebelum reformer, karena sulfur meracuni platinum; kerosin sebelum pencampuran bahan bakar jet; diesel sebelum dijual; minyak gas sebelum FCC atau hydrocracker; dan minyak gas vakum sebelum konversi.
• Hydrocracker: Reaktor konversi yang paling parah dan paling berharga. Beroperasi pada suhu 350-450°C dan tekanan 100-200 bar dan melakukan dua hal sekaligus: memecah molekul berat menjadi molekul rentang diesel dan bahan bakar jet menggunakan komponen zeolit asam, dan menghidrogenasinya menggunakan komponen logam. Karena perengkahan terjadi di lingkungan yang kaya hidrogen, produknya jenuh dan rendah sulfur serta olefin, sehingga diesel dan jet hydrocracker termasuk komponen pencampuran berkualitas tertinggi yang tersedia. Reaktor adalah bejana berdinding tebal masif dengan empat hingga enam lapisan katalis, pendinginan hidrogen dingin di antaranya, dan tahap hydrotreating terpisah di depan tahap perengkahan untuk melindungi katalis perengkahan dari nitrogen dan sulfur.
• Reaktor dan Regenerator Perengkahan Katalitik Fluida: Produsen bensin utama di sebagian besar kilang, dan satu-satunya unit utama di mana katalis bersirkulasi terus menerus. Minyak disuntikkan ke bagian bawah riser vertikal di mana ia bertemu katalis yang diregenerasi pada suhu 500-540°C dan retak dalam 2-5 detik. Katalis dan uap dipisahkan dalam siklon, katalis dihilangkan hidrokarbonnya dengan uap, lalu mengalir ke regenerator di mana udara membakar kokas pada suhu 650-730°C, memulihkan aktivitas dan menghasilkan panas yang mendorong perengkahan. Katalis regenerasi, sekarang panas dan bersih, kembali ke riser. Seluruh sirkulasi dapat melebihi 20-50 ton per menit dalam unit besar, dan peralatan dilapisi dengan refraktori tahan erosi daripada dilapisi baja, karena katalis sangat abrasif.
• Reformer Katalitik dan Reaktor yang Lebih Kecil: Reformer katalitik mengambil nafta berat dengan oktan 40-60 dan meningkatkannya menjadi 95-105 dengan mengubah naftena menjadi aromatik dan parafin menjadi isomer bercabang, di atas katalis platinum-rhenium pada suhu 480-525°C dan tekanan 5-35 bar, dalam tiga atau empat reaktor secara seri dengan tungku di antaranya. Ini juga merupakan sumber utama hidrogen di kilang. Di samping ini terdapat beberapa reaktor yang lebih kecil: reaktor isomerisasi yang mengubah parafin nafta ringan menjadi isomer beroktan lebih tinggi pada suhu 120-250°C; reaktor alkilasi yang menggabungkan olefin dengan isobutana pada suhu 5-20°C menggunakan asam sulfat atau asam hidrofluorat; reaktor hidrosulfurisasi atau hidrogenasi selektif yang menghilangkan di-olefin dari nafta retak; dan, di pabrik sulfur, reaktor termal Claus pada suhu 1.000-1.300°C diikuti oleh dua atau tiga reaktor katalitik pada suhu 200-320°C yang mengubah hidrogen sulfida menjadi sulfur unsur.

Matriks Perbandingan Reaktor Kilang Utama

Pertanyaan yang Sering Diajukan (FAQ)

T: Apa perbedaan antara reaktor dan kolom distilasi?

J: Kolom distilasi memisahkan apa yang sudah ada; reaktor menciptakan apa yang belum ada. Dalam kolom, molekul bergerak antara uap dan cairan hingga mereka memilah diri berdasarkan titik didih, dan tidak ada ikatan kimia yang putus atau terbentuk. Dalam reaktor, ikatan putus dan terbentuk kembali, sehingga material yang keluar secara kimia berbeda dari material yang masuk. Perbedaan ini terlihat dalam desain: kolom penuh dengan nampan atau kemasan dan beroperasi pada gradien suhu dari bawah ke atas, sementara reaktor penuh dengan katalis dan beroperasi pada suhu yang dikontrol dengan hati-hati yang hampir seragam atau sengaja bertahap. Ini juga terlihat dalam apa yang mereka konsumsi: kolom mengonsumsi panas dan pendinginan, reaktor mengonsumsi katalis, hidrogen, dan, dalam perengkahan, kokas yang terbentuk pada katalis.

T: Mengapa reaktor kilang begitu besar dan berat?

J: Tiga alasan bertambah. Tekanan dan suhu: hydrocracker pada 200 bar dan 450°C membutuhkan dinding cangkang 150-300 mm dalam baja paduan rendah, yang saja membuat bejana kosong berbobot beberapa ratus ton. Volume: inventaris katalis harus cukup besar sehingga umpan menghabiskan waktu yang tepat dalam kontak dengannya, dan pada kecepatan ruang 1 jam-1, umpan 300 m3 per jam membutuhkan 300 m3 katalis, sehingga bejana berukuran besar berdasarkan definisi. Dan bagian dalam: distributor, kisi-kisi penyangga, sistem pendingin, termokopel, dan kolektor keluar menambah kompleksitas dan ketinggian internal. Reaktor hydrocracker terbesar melebihi 1.200 ton, yang melebihi kapasitas sebagian besar rute transportasi dan seringkali melebihi kapasitas derek bengkel fabrikasi, sehingga dibangun di dekat jalur air atau diangkut dalam bagian dan diselesaikan di lokasi.

T: Berapa lama reaktor kilang beroperasi sebelum dimatikan?

J: Ini sepenuhnya tergantung pada seberapa cepat katalis menonaktifkan. Katalis perengkahan katalitik fluida dinonaktifkan dalam hitungan detik dan terus diregenerasi, sehingga unit beroperasi tiga hingga lima tahun antara penghentian, dibatasi oleh kondisi mekanis dan refraktori daripada oleh katalis. Hydrotreater beroperasi satu hingga lima tahun; hydrotreater nafta pada umpan bersih dapat mencapai enam tahun, sementara hydrotreater diesel pada umpan retak dapat dibatasi hingga delapan belas bulan. Hydrocracker beroperasi dua hingga lima tahun. Reformer katalitik semi-regeneratif beroperasi enam hingga dua puluh empat bulan sebelum regenerasi di tempat, sementara unit dengan regenerasi katalis berkelanjutan beroperasi tanpa batas pada prinsipnya dan dibatasi oleh interval inspeksi mekanis. Dalam setiap kasus, faktor pembatas adalah salah satu dari tiga: peningkatan penurunan tekanan di seluruh lapisan, mencapai suhu lapisan maksimum yang diizinkan, atau gagal memenuhi spesifikasi produk.

T: Apa yang membuat reaktor kilang berbahaya?

J: Empat bahaya, semuanya dikelola oleh desain daripada hanya oleh prosedur. Tekanan dan suhu tinggi dalam inventaris hidrokarbon dan hidrogen, yang berarti kebocoran dapat melepaskan inventaris yang mudah terbakar dalam jumlah besar dan, dalam layanan hidrogen, menyala dengan nyala api yang hampir tidak terlihat. Serangan hidrogen suhu tinggi, di mana hidrogen pada tekanan parsial tinggi bereaksi dengan karbon dalam baja untuk membentuk metana, menyebabkan keretakan internal yang tidak dapat dilihat dari luar; inilah sebabnya pemilihan material mengikuti kurva Nelson API 941 dan mengapa inspeksi menggunakan metode ultrasonik canggih. Pelarian eksotermik, terutama dalam hydrocracking dan hydrotreating, di mana hilangnya aliran atau distribusi yang buruk menciptakan titik panas yang mempercepat reaksi lebih lanjut, dikelola oleh sistem pendingin, termokopel ganda, dan sistem penurunan tekanan darurat yang diukur sesuai API 521. Dan besi sulfida piroforik, yang terbentuk di bagian dalam bejana dalam layanan sulfur dan menyala secara spontan ketika bejana dibuka ke udara selama penghentian, dikelola oleh oksidasi terkontrol atau dengan menjaga bejana tetap basah selama pembongkaran katalis.