Penangkap CO2 di Kilang Minyak

Hampir kebanyakan industri menghasilkan emisi CO2, begitu juga dengan kilang minyak. Sehingga dibutuhkan proses penangkap CO2. Secara global, emisi CO2 dari kilang minyak sekitar 5% dari emisi yang yang dihasilkan manusia (global anthropogenic emissions) dan sekitar 850 Mt-CO2 yang diemisikan ke udara pada tahun 2008. Berdasarkan analisis IPCC, dari 638 kilang rata-rata menghasilkan emisi CO2 1,25 Mt-CO2 per tahun.

Minyak bumi sebagai umpan dikilang adalah campuran hidrokarbon dari metana (paling ringan dengan BM=16) hingga molekul dengan rantai panjang dengan BM ratusan. Proses di kilang diperlihatkan gambar dibawah.

Dimulai dengan pemisahan menjadi 10 fraksi melalui proses distilasi dengan tekanan atmosfir. Minyak bumi dipanaskan 500-700oC dan diumpankan ke menara distilasi. Sebagai uap naik dan mendingin, pertama fraksi berat dan kemudian semakin ringan mengalami kondensasi dan didapatkan fraksi cair, dengan gas didapat di bagian atas menara. Residu berat berada dibawah sebagai hasil distilasi awal dan masih mengandung komponen ringan yang signifikan, yang akan didapat dalam distilasi vakum.

Proses kedua adalah konversi, yaitu memecah molekul besar di fraksi berat untuk mendapatkan produk fraksi ringan dan bernilai tinggi. Proses pemecahan (cracking) membutuhkan katalis seperti zeolit, aluminum hydrosilicate; steam (steam cracking); hydrogen (hydrocracking); dan range temperature dari 400oC (catalytic) hingga 850oC (steam). Distilasi dibutuhkan kembali untuk memisahkan produk hasil proses pemecahan tersebut.

Dalam peningkatan mutu, langkah terakhir dari proses refining adalah menghilangkan senyawa yang tidak diinginkan dan karakteristik produk disesuaikan dengan spesifikasi yang berlaku. Hydrodesulfurization (HDS) atau hydrotreating adalah proses peningkatan mutu yang penting untuk memenuhi standar lingkungan sebagai contoh produksi diesel dengan kadar sulfur rendah untuk mengurangi emisi SO2. HDS merupakan proses  kontak antara produk belum jadi (the unfinished products) dengan hydrogen pada 370oC dan tekanan 6,0 MPa dengan bantuan katalis seperti nikel molybdate (NiMo). Atom sulfur dalam ikatan hidrokarbon dengan hydrogen akan menghasilkan hydrogen sulfide (H2S) dan di recovery sebagai elemen sulfur atau asam sulfat.

Kilang minyak menggunakan bahan bakar dengan membakar gas dari proses distilasi, bila diperlukan tambahan bahan bakar maka digunakan minyak bakar. 50 % konsumsi energi yang digunakan untuk menghasilkan proses panas dan 50% sisanya digunakan untuk pembangkit listrik, produksi hydrogen untuk hydrogenasi dan hydrocracking dan untuk utilitas kilang. Konsumsi energi kilang dan emisi CO2 sangat bervariasi dan sangat bergantung pada kompleksitas proses kilang yang dilakukan terutama kemampuan yang dibutuhkan untuk proses konversi minyak bumi berat. Pada umumnya dibutuhkan konsumsi 6-8%wt untuk proses konversi minyak bumi secara konvensional dan 11-13%wt untuk konversi yang lebih berat, serta membutuhkan hydrogen yang lebih banyak. Kecenderungan permintaan yang lebih besar untuk produk fraksi  ringan akan menghasilkan tekanan pada konsumsi sendiri di masa depan sehingga kilang melakukan efisiensi energi, proses terintegrasi, dan menangkap karbon penting jika emisi meningkat dari sektor ini harus dihindari.

Pilihan untuk penangkap CO2 di proses kilang meliputi integrasi pembangkit listrik dan produksi hydrogen di plant IGCC, dilakukan dengan Precombustion Capture CO2. Emisi dari proses pemanasan dapat ditangkap dengan oxyfueling atau Postcombustion Capture dari pemanasan flue gas atau proses terintegrasi dengan produksi panas ke dalam plant IGCC-CHP.

Oil Refinery

Daftar Pustaka

Stephen A. Rackley. Carbon Capture and Storage. 2010. Elsevier Inc.

Gambar dari www.epa.gov

The Separation Technologies for Post-combustion Capture

Dapat dari salah satu jurnal yang sedang dibaca untuk menambah pengetahuan tentang absorpsi kimia 🙂

Adsorption

Adsorption is a physical process that involves the attachment of a gas or liquid to a solid surface. The adsorbent is regenerated by the application of heat (temperature swing adsorption, TSA) or the reduction of pressure (pressure swing adsorption, PSA). Adsorbents which could be applied to CO2 capture include activated carbon, alumina, metallic oxides and zeolites. Current adsorption systems may not be suitable for application in large-scale power plant flue gas treatment. At such scale, the low adsorption capacity of most available adsorbents may pose significant challenges. In addition, the flue gas streams to be treated must have high CO2 concentrations because of the generally low selectivity of most available adsorbents. For instance, zeolites have a stronger affinity for water vapour.

Physical absorption

This involves the physical absorption of CO2 into a solvent based on Henry’s law. Regeneration can be achieved using heat, pressure reduction or both. Absorption takes place at high CO2 partial pressures. As such, the main energy requirements originate from the flue gas pressurization. Physical absorption is therefore not economical for flue gas streams with CO2 partial pressures lower than 15 vol%. Typical solvents are Selexol (dimethyl ethers of polyethylene glycol) and Rectisol (methanol).

Cryogenics separation

Cryogenics separation separates CO2 from the flue gas stream by condensation. At atmospheric pressure, CO2 condenses at −56.6 ◦C. This physical process is suitable for treating flue gas streams with high CO2 concentrations considering the costs of refrigeration. This is typically used for CO2 capture for oxyfuel process.

Membrane absorption

When membranes are used in gas absorption, membranes act  as contacting devices between the gas stream and the liquid solvent. The membrane may or may not provide additional selectivity. These offer some advantages over the conventional contacting devices such as packed columns as they are more compact and are not susceptible to flooding, entrainment,  channelling or foaming. They, however, require that the pressures on the liquid and gas sides are equal to enable CO2 transport across the membrane. Their separation efficiency such as flue gas streams from oxyfuel and IGCC processes.

Membrane-based separation

In membrane-based separation, selectivity is provided by the membranes themselves. These usually consist of thin polymeric films and separate mixtures based on the relative rates at which constituent species permeate. Permeation rates would differ based on the relative sizes of the molecules or diffusion coefficients in the membrane material. The driving  force for the permeation is the difference in partial pressure of the components at either side of the membrane. However, the selectivity of this separation process is low and thus a fraction of the CO2 is captured. In addition, the purity of the captured CO2 is low for the same reason. Multistage separation is employed to capture a higher proportion  of CO2 incurring extra capital and operating cost.

Chemical absorption

Chemical absorption involves the reaction of CO2 with a chemical solvent to form a weakly bonded intermediate compound which may be regenerated with the application of heat producing the original solvent and a CO2 stream. The selectivity of this form of separation is relatively high. In addition, a relatively pure CO2 stream could be produced. These factors make chemical absorption well suited for CO2 capture for industrial flue gases.

Daftar Pustaka

M. Wang, A. Lawal, P. Stephenson, J. Sidders, C. Ramshaw. Post-combustion CO2 capture with chemical absorption: A state-of-the-art review. Chemical engineering research and design 89 ( 2011) 1609–1624

Teknologi Penangkapan CO2 dengan Absorpsi Kimia

Tahun baru penelitian baru. Tahun ini terlibat di salah satu penelitian teman satu kelompok yang berhubungan dengan teknologi penangkapan CO2. Teknologi pemisahan dengan post-combustion capture diantaranya  adsorpsi, absorpsi fisika, absorpsi kimia, cryogenics separation dan membran.  Sebagai info di bagianku sudah ada penelitian yang berhubungan dengan adsorpsi dan membran. Kalau di kelompokku yaitu Teknologi Lingkungan biasanya berhubungan dengan inventarisasi CO2 kali ini akan berbeda. Kami akan menghasilkan sesuatu 🙂

Sudah ada yang menggunakan adsorpsi dan membran. Maka kami menggunakan absorpsi kimia. Ini mungkin bukan penelitian baru karena sudah ada beberapa peneliti luar dan dalam negeri yang memulai. Tapi termasuk baru juga di dunia penelitian karena jurnalnya masih tahun 2010-an. Masih banyak yang bisa dikembangkan.

Absorpsi kimia melibatkan reaksi CO2 dengan pelarut kimia  untuk membentuk senyawa antara dengan ikatan lemah sehingga dapat diregenerasi dengan cara dipanaskan untuk  memproduksi pelarut kimia dan aliran CO2. Selektivitas bentuk pemisahan ini relatif tinggi. Selain itu, aliran CO2 yang relatif murni dapat dihasilkan. Faktor-faktor ini membuat absorpsi kimia cocok untuk menangkap CO2 dari  gas buang industri.

Saatnya baca-baca literatur untuk penelitian ini  🙂

Daftar Pustaka

1). IPCC, 2005. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. Cambridge University press, Cambridge, UK.

2). M. Wang, A. Lawal, P. Stephenson, J. Sidders, C. Ramshaw. Post-combustion CO2 capture with chemical absorption: A state-of-the-art review. Chemical Engineering Research and Design 89 (2011) 1609-1624.

CO2 Capture

CO2 is the main greenhouse gas. CO2 emissions have an impact on global climate change. Global concentrations of CO2 in the atmosphere have increased from pre-industrialisation levels of approximately 280 parts per million by volume (ppmv) in around 1860 to approximately 316 ppmv in 1958 and rapidly to approximately 369 ppmv today (UNEP, 2005). Global CO2 concentration is predicted to rise to above 750 ppmv by 2100 if no action is taken to address the current situation.

With growing concerns over the increasing atmospheric concentration of anthropogenic greenhouse gases, effective CO2 emission abatement strategies such as Carbon Capture and Storage (CCS) are required to combat this trend. CCS is a “process consisting of the separation of CO2 from industrial and energy-related sources, transport to a storage location and long-term isolation from the atmosphere” (IPCC, 2005). From this definition, CCS consists of three basic stages:
(a) separation of CO2; (b) transportation and (c) storage. There are three major approaches for CCS: post-combustion capture, pre-combustion capture and oxyfuel process (IPCC, 2005).

In post-combustion capture CO2 is separated from the flue gas after fuel is burnt. This process can be added, or retro-fitted, to existing power stations, either coal or natural gas-fired.

During pre-combustion capture the fossil fuel is reacted with steam and oxygen, producing a synthetic gas (syngas) which is made up of mostly carbon monoxide (CO), carbon dioxide and hydrogen (H2). An additional reaction with water (known as a water gas shift) can be used to convert the residual carbon monoxide to CO2 and additional hydrogen. The CO2 is removed and the hydrogen can then be burned in gas turbines to produce electricity.

Oxy-firing combustion capture involves the combustion of fuel (coal or gas) in pure oxygen or oxygen-enriched air. The process can produce about 75 per cent less flue gas than air-fueled combustion and the exhaust consists of between 80 and 90 per
cent CO2. The remaining gas is water vapour, which simplifies the CO2 separation step. An air separation plant is required to produce pure oxygen for the process from air.

References

M. Wanga, A. Lawal, P. Stephenson, J. Sidders, C. Ramshaw. “Post-combustion CO2 capture with chemical absorption: A state-of-the-art review”. Chemical Engineering Research and Design 89 ( 2011 ) 1609–1624.

Capturing Carbon Dioxide. http://www.co2crc.com.au/