BAB 1
PENDAHULUAN
I.1
Latar Belakang
Gas
nitrogen dan oksigen adalah bagian dari sesuatu hal yang tidak pernah kita
lihat tetapi selalu dapat kita rasakan karena manfaatnya yang begitu besar.
Kedua gas ini tersedia melimpah di udara yang memiliki kandungan 78,08%
nitrogen, 20,95% oksigen, 0,93% argon, dan sisanya merupakan CO2 dan
uap air. Dalam proses pernafasan yang kita lakukan tanpa sadar, seluruh gas-gas
ini terlibat di dalamnya. Selanjutnya, di bagian alveoli pada paru-paru, hanya
gas oksigen lah yang diambil. Sementara itu gas-gas lainnya seperti nitrogen,
CO2, dan lainnya dibuang melalui hembusan nafas. Walaupun tetap
ada nitrogen yang terlarut di dalam darah, zat ini tidak akan bereaksi karena
sifat dari gas inert adalah sulit untuk bereaksi.
Dengan
semakin berkembangnya teknologi di bidang industri, aplikasi kedua gas oksigen
dan nitrogen untuk kebutuhan industri pun semakin luas sehingga banyak industri
kimia yang memiliki sistem penghasil nitrogen dengan bahan mentah udara. Karena
udara tersedia melimpah dan gratis di sekitar kita. Ada pula pabrik gas modern
yang khusus memproduksi nitrogen, oksigen, dan sebagainya.
I.2
Spesifikasi Bahan Baku dan Produk
I.2.1 Bahan Baku
Bahan baku yang digunakan yaitu udara. Udara merujuk
kepada campuran gas yang
terdapat pada permukaan bumi. Udara bumi yang
kering mengandungi 78% nitrogen, 21% oksigen, dan 1% uap air, karbon
dioksida, helium dan gas-gas lain. Kandungan elemen senyawa gas
dan partikel dalam udara akan berubah-ubah dengan ketinggian dari
permukaan tanah. Demikian
juga massanya, akan
berkurang seiring dengan ketinggian. Semakin dekat dengan lapisan troposfer, maka udara
semakin tipis, sehingga melewati batas gravitasi bumi, maka udara
akan hampa sama sekali.
I.2.2 Produk
a. Oksigen
Oksigen
merupakan unsur golongan kalkogen yang dapat dengan mudah
bereaksi dengan hampir semua unsur lainnya (utamanya menjadi oksida). Pada Temperatur dan tekanan standar,
dua atom unsur ini berikatan menjadi dioksigen, yaitu senyawa gas diatomik
dengan rumus O2 yang tidak berwarna, tidak
berasa, dan tidak berbau. Oksigen merupakan unsur paling melimpah
ketiga di alam semesta berdasarkan massa dan unsur paling melimpah
di kerak Bumi.
Gas oksigen diatomik mengisi 20,9% volume atmosfer bumi.
Warna oksigen cair adalah biru seperti warna biru langit. Oksigen lebih larut dalam air daripada
nitrogen. Air mengandung sekitar satu molekul O2 untuk
setiap dua molekul N2. Kelarutan oksigen dalam air
bergantung pada suhu. Pada suhu 0 °C, konsentrasi oksigen dalam air adalah
14,6 mg·L−1, manakala pada suhu 20 °C oksigen yang larut adalah
sekitar 7,6 mg·L−1. Oksigen cair juga dapat dihasilkan dari
pengembunan udara, menggunakan nitrogen cair dengan pendingin. Oksigen merupakan
zat yang sangat reaktif dan harus dipisahkan dari bahan-bahan yang mudah
terbakar.
2.4.2 Nitrogen
Nitrogen ditemukan sebagai gas tanpa warna, tanpa bau, tanpa rasa
dan merupakan gas diatomik bukan logam yang stabil, sangat sulit bereaksi
dengan unsur atau senyawa lainnya. Dinamakan zat lemas karena zat ini tidak
aktif bereaksi dengan unsur lainnya.
Nitrogen
mengisi 78,08 persen atmosfer Bumi dan terdapat dalam banyak jaringan
hidup. Zat lemas membentuk banyak senyawa penting seperti asam amino, amoniak, asam nitrat, dan sianida.
Nitrogen adalah zat non logam,
dengan elektronegatifitas 3.0. Mempunyai 5 elektron di kulit terluarnya. Ikatan
rangkap tiga dalam molekul gas nitrogen (N2)
adalah yang terkuat. Nitrogen mengembun pada suhu 77K (-196oC) pada
tekanan atmosfer dan membeku pada suhu 63K (-210oC).
I.3 Kegunaan Produk
Oksigen
dipergunakan dalam pembakaran bahan bakar, tabung oksigen untuk olahraga
menyelam, tabung oksigen kesehatan, dan masih banyak lagi. Sementara nitrogen
yang merupakan gas inert merupakan salah satu dari sistem utilitas untuk
menunjang operasi setiap pabrik, baik itu pabrik minyak dan gas maupun pabrik
manufaktur lainnya. Nitrogen tersebut biasa digunakan untuk packaging di
industri makanan sebagai pengisi udara di dalam bungkus makanan agar makanan
terhindar dari pertumbuhan mikroorganisme, melakukan pengosongan di pipa
atau vessel di industri kimia, petrochemical, refinery atau
minyak dan gas, menghindari terjadinya api atau kebakaran, serta untuk breathing di
tanki agar tidak terjadi vakum ataupunoverpressure. Nitrogen sendiri
adalah senyawa yang dibutuhkan oleh tanaman, sehingga nitrogen seringkali
dijadikan bahan utama dalam industri pupuk.
BAB II
RANCANGAN
PROSES
II.1
Spesifikasi Proses Pemisahan secara Kriogenik
Pemisahan udara untuk memperoleh senyawa
nitrogen dan oksigen dalam keadaan mendekati murni dapat dilakukan secara
kriogenik dan non-kriogenik. Kriogenik diartikan sebagai operasi yang
dilangsungkan dalam keadaan temperatur yang sangat rendah. Secara garis besar,
udara dengan komponen-komponen penyusunnya dicairkan kemudian dilakukan
pemisahan dengan metode distilasi yang memanfaatkan konsep kesetimbangan
uap-cair antara nitrogen dan oksigen. Ada berbagai macam variasi dalam proses
pemisahan udara pada industri gas. Variasi tersebut bergantung pada berbagai
hal diantaranya jumlah produk yang hendak dihasilkan, kemurnian produk, tekanan
gas berkaitan dengan transportasi fluida, dan lain-lain. Namun secara umum,
semua proses pemisahan udara secara kriogenik memiliki tahap-tahap yang sama.
Pemisahan udara secara kriogenik menggunakan
perbedaan titik didih antara nitrogen, oksigen, dan argon untuk memisahkan dan
memurnikan produk-produk tersebut. Tahap pertama adalah filtering dan
kompresi udara. Kompresi umumnya dilakukan hingga tekanan 90 psig atau 6 bar.
Udara terkompresi kemudian didinginkan hingga mendekati temperatur ruangan
menggunakan alat penukar kalor atau alat dengan sistem refrigerasi. Tahap kedua
adalah proses penyingkiran uap air dan karbon dioksida yang masih tertinggal
pada udara. Keduanya harus dihilangkan karena pada temperatur yang sangat
rendah dapat membeku dan terdeposit pada permukaan alat pemroses. Efisiensi
proses penyingkiran ini ditambah dari proses pendinginan sebelumnya yang
membuat uap air mengembun saat udara dilewatkan pada kompresor dan terpisah
dari udara itu sendiri.
Ada dua metode yang umum digunakan untuk
menyingkirkan uap air dan karbon dioksida, yaitu reversing exchangers dan molecular
sieve units. Pada reversing exchangers, udara umpan masuk ke
dalam alat penukar panas dan didinginkan hingga air dan karbon dioksida membeku
pada permukaan dinding alat penukar kalor. Setelah udara lewat, fungsi alat
penukar kalor dibalikkan dengan dialirkannya waste gas yang
bersifat sangat kering, sehingga menguapkan air dan menyublimkan karbon
dioksida. Sementara untuk menyingkirkan hidrokarbon diperlukan pengadsorb
tambahan. Pada molecular sieve units, molecular sieve akan
mengadsorb uap air serta pengotor lainnya seperti hidrokarbon (untuk desain
tertentu) yang terkandung di dalam udara yang dilewatkan. Molecular
sieve umumnya terdiri dari dua bagian yang bekerja secara bergantian.
Jika salah satu sedang bekerja, maka satu yang lain akan melakukan regenerasi.
Pada tahap berikutnya, udara yang telah bebas
pengotor memasuki alat penukar kalor yang akan membawa udara pada temperatur
kriogenik (± -185oC). Proses pendinginan ini menghasilkan produk
dingin dan waste gas. Waste gas ini kemudian
dinaikkan lagi temperaturnya agar kering dan dapat digunakan untuk proses
penyingkiran pengotor. Untuk mencapai temperatur kriogenik sehingga proses
distilasi dapat dilakukan, pendinginan dilakukan dengan proses refrigerasi yang
mencakup proses ekspansi.
Tahap selanjutnya adalah proses distilasi. Banyak
pabrik proses pemisahan udara mendasarkan kepada linde’s double
distillation collumn process yang memiliki dua unit pemisahan. Unit
pertama digunakan untuk mendapatkan produk-produk ringan seperti oksigen dan
nitrogen. Unit ini memiliki dua kolom distilasi. Udara yang telah berada pada
temperatur kriogenik memasuki kolom pertama yang bertekanan rendah. Temperatur
kriogenik udara (-185oC) berada pada rentang titik didih nitrogen
(-195,9oC) dan oksigen (-183,0oC) sehingga terjadilah
kesetimbangan uap-cair pada sistem nitrogen-oksigen. Nitrogen yang lebih mudah
menguap akan lebih mendominasi fasa uap dibandingkan oksigen. Fasa uap yang
merupakan produk atas akan diumpankan ke bagian atas kolom kedua, sedangkan
produk bawah diumpankan di tengah kolom. Di kolom kedua ini, umpan dari recycle unit
dua untuk kolom bagian atas juga masuk. Akhirnya pada kolom kedua inilah produk
akhir dihasilkan berupa gas nitrogen dengan kemurnian sekurang-kurangnya
99-99,5% dan oksigen dengan kemurnian 95-99,5%. Cairan yang kaya akan oksigen
selanjutnya dilewatkan pada penukar panas tidak langsung dengan udara umpan
sehingga dihasilkanlah produk gas oksigen.
Pada unit kedua, terdapat tiga kolom
distilasi disertai adanya reaktor pembakar. Nitrogen yang terbawa ke unit kedua
ini akan memasuki kolom pertama yang memisahkan nitrogen tersebut untuk direcylce ke
unit pertama. Produk yang dikirim ke unit pertama adalah produk atas sementara
produk bawah akan dikirim ke kolom kedua. Pada kolom kedua, produk atas akan
dikirim ke reaktor sementara produk bawah akan dikirim kembali ke unit pertama.
Produk atas kolom kedua ini akan dicampur dengan hidrogen dan dikirim ke
reaktor pembakar. Reaktor ini berfungsi untuk menghilangkan hidrogen dengan
reaksi pembakaran hidrogen yang menghasilkan air. Air yang dihasilkan
selanjutnya dipisahkan di kolom reflux yang kemudian dibuang
ke waste water treatment. Sementara gas yang komponen utamanya
adalah nitrogen dan argon akan menjadi umpan kolom ketiga. Di kolom terakhir
ini argon dan gas ringan yang masih bercampur akan dipisahkan. Produk utamanya
berupa gas argon dan trace gas yang dibuang ke udara. Argon
akan dihasilkan sebagai produk bawah sedangkan trace gas lainnya
akan dihasilkan sebagai produk atas kolom distilasi.
2.2.2 Nitrogen
2.4 Kondisi operasi
2.5.2 Nitrogen
BAB III
PENUTUP
Kebutuhan akan gas oksigen dan nitrogen dalam skala besar mendorong
industri kimia untuk terus memproduksi kedua gas tersebut. Aplikasi gas oksigen
dan nitrogen sebagai produk intermediate menambah jumlah kebutuhan akan gas
tersebut. Proses yang digunakan pada umumnya adalah pemisahan udara secara
kriogenik dengan memanfaatkan udara yang melimpah di permukaan bumi. Proses ini
bekerja pada temperatur rendah dan ditujukan untuk mendapatkan gas oksigen dan
nitrogen dengan kemurnian tinggi.
