Geraffineerd kraken; PER+ maakt raffinageproces schoner en zuiniger

Woensdag stelt Prins Claus per+ in bedrijf, een nieuw fabrieken-complex van Shell Pernis. Met deze mammoetinstallaties wordt ook het zwartste deel van de barrel gekraakt tot relatief schone producten.

BOVENOP DE residu-vergasser van PER+ zien we in witte nylon veiligheidspakken uit over de wondere, onaaibare buizenwereld van Shell Pernis. Om ons heen strekt zich een labyrint uit van leidingen, pompen, kleppen, reactorvaten en turbines, vonkend in de zon. Hier en daar sist een ventiel, fakkelleidingen met afvoergassen voeden schoorstenen met eeuwige vlammen. Het is stil rond de plant, een enkele procestechnoloog spoedt zich per Shell-rijwiel richting controlekamer. Want in de myriade van buizen heerst grote bedrijvigheid.

Komende woensdag opent Prins Claus een nieuw fabriekencomplex van Shell Pernis. Het gaat om PER+, een combinatie van een kraakinstallatie, een olievergasser en een warmte-krachtcentrale, samen goed voor een investering van 3,2 miljard gulden. De mammoetinstallatie heeft als voordelen dat hij zwaardere, zwavelrijkere ruwe olie aankan, dat milieuprestaties, zoals de uitstoot van zwaveloxide en stof, beter zijn en dat de PER+-productenmix flexibel is. Juist in een tijd van een productie-overschot aan ruwe olie zoekt Shell zijn heil in innovatie. Door minder benzine en meer nafta en diesel te produceren wil de Koninklijke beter inspringen op de behoeften van de Europese markt.

PER+ is in de onwaarschijnlijk korte tijd van 5 jaar tot stand gekomen. Dat is vooral te danken aan goed overleg met de milieudienst Rijnland, zodat vertragende bezwaarprocedures uitbleven. Nadat in 1992 de eisen waren geformuleerd en er twee jaar was ontworpen, ging halverwege 1994 de eerste paal de grond in. Er zouden er 11.400 volgen, in lengte variërend van 25 tot 40 meter. Ze dragen een fabriekencomplex waarin 700 kilometer pijpleiding is verwerkt, met 8500 aansluitingen op bestaande installaties. Tien miljoen manuren zitten er in de bouw, soms waren in de Botlek 3500 man met PER+ in de weer. Begin dit jaar stond de installatie overeind, na het inregelen is het opstarten de afgelopen weken begonnen. Men hoopt op minder aanloopproblemen dan bij de ingebruikname van de Hycon-kraker in 1991, al droeg de installatie zelf toen maar een deel van de schuld.

HYDROKRAKER

PER+ omvat een aantal fabrieken. Dat is allereerst een HCU hydrokraker (hydro cracking unit). Die kraakt het destillaat afkomstig van een eerdere trap in het raffinageproces, onder toevoeging van waterstof en met gebruikmaking van een katalysator. Het proces, waarbij korte, waterstofrijke koolwaterstofmoleculen ontstaan, vindt plaats in een reactorvat van 34 meter hoog, met een wanddikte van 30 centimeter. Het is in Japan gebouwd en met zijn gewicht van 1300 ton was het op het randje van het hanteerbare. De hydrokraker werkt bij een druk van 200 atmosfeer en een temperatuur van 435 graden celsius. De capaciteit is 8000 ton per dag. In vervolginstallaties wordt de output verwerkt tot middendestillaten als nafta, kerosine en gasolie (diesel).

Een belangrijk voordeel van de hydrokraker is de koppeling aan een gasontzwavelingsinstallatie. Met PER+ stijgt de hoeveelheid zwavel die uit de aangevoerde ruwe olie wordt teruggewonnen van 110 naar 300 kiloton per jaar. Daarmee is Shell Pernis in één klap een belangrijke producent geworden van zuivere (vloeibare) zwavel als grondstof voor de farmaceutische en de cosmetica-industrie en voor de productie van rubber banden en kunstmest. De uitstoot van zwaveldioxide in de atmosfeer daalt met eenderde tot 24.000 ton per jaar. De milieubeweging vindt dat als eerste stap niet onaardig, net als de vermindering van de stofuitstoot van 4000 tot 1900 ton per jaar, maar tevreden is men daar pas als de lozing van stikstof- en zwaveloxiden nog veel forser is teruggebracht.

De benodigde waterstof voor de hydrokraker, 285 ton per dag, komt van de SGHP olievergasser (Shell gasification hydrogen process). Deze installatie bevat drie reactorvaten die werken bij 65 atmosfeer en 1400 graden celsius. Ze zetten zware aardolie-residuen afkomstig van een thermische kraakinstallatie elders op het terrein onder toevoeging van zuurstof (1600 ton per dag) en hete stoom om in synthesegas: een mengsel van koolmonoxide en waterstof. Het synthesegas wordt vervolgens in shiftreactors gekoeld en ontdaan van zwavelwaterstof, roet en zware metalen. Een deel wordt onder toevoeging van stoom omgezet in waterstof (bestemd voor de HCU) en kooldioxide. De rest verbrandt in de warmte-kracht centrale. Deze telt twee gasturbines, samen goed voor 115 megawatt aan elektrisch vermogen. Shell Pernis verbruikt eenderde, de rest gaat naar het publieke net. Even verderop in Rozenburg pikt Air Products die stroom weer op om in een gloednieuwe luchtscheidingsinstallatie de zuurstof te maken die de residuvergasser van PER+ nodig heeft.

Alles is big aan PER+, maar het begon met een kraker ter grootte van een balpen in het Shell Research and Technology Centre in Amsterdam. Daar, aan de overkant van het IJ, is op uitgebreide schaal fundamenteel en exploratief onderzoek gedaan naar de techniek van het hydrokraken. Zo is er een volautomatische pilot plant gebouwd waarin de ruwe olie door 1 liter katalysator wordt geleid. Eerder werd het gedrag van de katalysator op moleculair niveau bestudeerd aan de hand van eenkristallen en dunne films. Bij het opschalen van Amsterdamse oliedruppels naar de commerciële kraker van 400 kubieke meter in Pernis wordt behalve van proefinstallaties ook gebruik gemaakt van wiskundige modellen die de stromingspatronen in de reactor beschrijven. Het resultaat is een robuust reactorontwerp waarin het gas en de vloeistof zo gelijkmatig mogelijk langs het beschikbare oppervlak aan katalysatorbolletjes worden geleid en waarin temperatuurverschillen zijn geminimaliseerd.

GLOEIENDE SPONS

Synthesegas gaat een belangrijke rol spelen bij de omzetting van kolen en aardgas in producten als nafta, kerosine, gasolie, paraffine en was. In Bintulu in Maleisië is onlangs een fabriek in gebruik genomen waar aardgas in zes verbrandingsovens bij 1300 graden celsius wordt omgezet in waterstof en koolmonoxide. Via polymerisatie (het aan elkaar plakken van stukjes koolwaterstof tot ketens) ontstaan vervolgens de gewenste middeldestillaten. Omdat het huidige proces duur is, zoekt het Amsterdamse laboratorium naar alternatieven voor de bereiding van het synthesegas. Een veelbelovende techniek is het katalytisch oxideren bij 1000 graden. Hierbij wordt als katalysator een gloeiende spons met daarin platina en rhodium gebruikt. Omdat per uur door 1 cm katalysator (effectief oppervlak: 100 m per gram) zo'n 100 m gas kan worden geleid, kan de installatie veel compacter en goedkoper worden uitgevoerd. Deze CPO-techniek (catalytic partial oxidation), die de afgelopen vijf jaar samen met de academische wereld is bestudeerd, heeft inmiddels geresulteerd in een Amsterdams laboratoriummodel waarmee druk wordt geëxperimenteerd.

In Pernis heeft men geen boodschap aan fundamentele wetenschap, daar draait alles om betrouwbare technologie. Terwijl we over het hoogste dek van de vergasser wandelen, smeltend in onze pakken, inspecteren we het terrein. Een minibusje verdwijnt onder de schoorsteen voor rookgassen, in de verte wachten schepen, goederentreinen en tankauto's. En overal bewegen onzichtbaar de productstromen, gestuurd door het Manifold. Het ruikt naar zwavelwaterstof maar te weinig om de gasdetectoren te verontrusten. Onderdeel van PER+ zijn afspraken over emissies met de overheid, alles neergelegd in een 'Plan van aanpak'. Zo trekt Shell lering uit het verleden - het vermijden van milieu-incidenten heeft hoge prioriteit.

De hele barrel

Shell Pernis behoort tot de grootste raffinaderijen ter wereld. Per jaar komt uit Europoort twintig miljoen ton ruwe olie binnen, een mengsel van vloeistoffen en opgeloste stoffen. Innovatief van PER+ is vooral dat de zwaarste en smerigste restproducten uit het traditionele raffinageproces via residuvergassing alsnog volledig worden omgezet in relatief schone waterstof, stoom en elektriciteit. PER+ staat niet op zichzelf. De eerste stap in het totale raffinageproces is de primaire destillatie: het koken van ruwe olie in een destillatietoren waarbij de fracties al naar gelang hun vluchtigheid hoger in de toren opstijgen. Daar koelen de gassen langzaam af en condenseren opnieuw tot vloeistof. Schotels, verschillende etages in de toren, vangen de van elkaar gescheiden verbindingen op. Dat zijn de gassen propaan en butaan, lichte destillaten als nafta en kerosine, gas- en dieselolie en als zwaarste overblijfsel een long residu. Dat laatste, ongeveer de helft, is geen eindproduct en wordt verder bewerkt in een hoog vacuüm destillatie-installatie. In die omstandigheden kookt een vloeistof bij aanzienlijk lagere temperatuur en wordt het long residu opnieuw gesplitst in een lichte fractie, het vacuüm-destillaat, en een nog zwaarder short residu. Beide fracties worden verder gekraakt, wat wil zeggen dat de koolwaterstofmolecuulketens via een proces van conversie in stukken worden geknipt. Het short residu wordt voor een deel gekraakt met een thermische installatie (kraken via verhitting) en via een ander deel met behulp van een katalysator in de hycon-fabriek. Hycon koppelt waterstofmoleculen aan de gekraakte koolwaterstofmoleculen en zet zo het residu om in lichtere producten als diesel. Wat dan nog van het short residu resteert zijn zware stookolie en bitumen. Ook het vacuümdestillaat wordt gekraakt in twee fabrieken. Allereerst is dat de PER+ hydrokraker, waarin de moleculen eerst worden verknipt waarna er via een katalysator waterstof aan wordt geplakt tot er nafta, gasolie en kerosine is ontstaan. Daarnaast is er een katalytische kraker of cat cracker die vooral benzine maakt en grondstoffen voor Shell Nederland Chemie. Ook de Hycon levert aan de cat cracker. De hydrokraker heeft waterstofgas nodig, afkomstig van de PER+ residu-vergasser. Die wordt gevoed met zuurstof (extern betrokken), de zware fractie van de thermische kraker en stoom. Het resultaat is waterstof en syngas voor de PER+ warmte/kracht-centrale. Omdat de vergasser nog zwaarder residu aankan dan de Hycon, is PER+ de ultieme stap in deep conversion: ook het zwartste deel van de barrel wordt benut.