Selasa, 26 Januari 2010

KESETIMBANGAN UAP CAIR DALAM PEMISAHAN UDARA SECARA KRIOGENIK

ABSTRAK

Udara memiliki komposisi 78.08% nitrogen, 20.95% oksigen, 0,93% argon, dan sisanya CO2 dan uap air. Oksigen dipergunakan dalam pembakaran bahan bakar dalam industri, tabung oksigen untuk olahraga menyelam, dan masih banyak lagi. Nitrogen sendiri adalah senyawa yang sangat diperlukan oleh tanaman, sehingga nitrogen seringkali dijadikan bahan utama dalam industri pupuk. Kedua senyawa di atas dapat diperoleh dalam keadaan yang mendekati murni dengan cara pemisahan udara kriogenik. Kriogenik diartikan sebagai operasi yang dilangsungkan dalam keadaan temperatur yang sangat rendah.

Untuk memisahkan komponen tersebut dengan metode distilasi, diperlukan adanya kesetimbangan antara uap dan cair, sehingga udara tersebut harus dicairkan terlebih dahulu. Dua fasa dikatakan berada dalam kesetimbangan jika temperatur, tekanan, dan potensial kimia dari masing-masing komponen yang terlibat di kedua fasa bernilai sama. Hampir seluruh industri gas modern kini menggunakan metode molecular sieve units untuk memurnikan udara yang akan dipisahkan secara kriogenik. Metode lain yang dipergunakan adalah reverse heat exchanger.

Udara yang berupa gas hanya dapat ditranformasikan menjadi cairan saat kondisi tekanan dan temperatur berada di bawah titik kritiknya. Temperatur kritik dari udara yaitu -140,70C (=132,5K), sedangkan tekanan kritiknya yaitu 37,7 bar. Nitrogen adalah senyawa dengan titik didih -195.91oC, sedangkan oksigen mendidih pada temperatur -183,0oC pada tekanan 1 bar. Kesetimbangan uap cair pada sistem biner nitrogen dan oksigen hanya akan terbentuk dalam rentang temperatur -195.91oC sampai dengan -183,0oC.

Serangkaian proses pemisahan udara secara kriogenik bertujuan untuk mencapai rentang temperatur distilasi sistem biner nitrogen dan oksigen, yaitu -195.91oC sampai dengan -183,0oC. Hal ini dilakukan agar kesetimbangan uap cair pada nitrogen dan oksigen dapat terjadi sehingga pemisahan nitrogen dan oksigen dapat berlangsung secara distilasi.

Kata kunci : kriogenik, molecular sieve units, pemisahan udara, reverse heat exchanger

BAB I

PENDAHULUAN

Oksigen dan nitrogen adalah komponen dari udara yang amat besar manfaatnya. Oksigen dipergunakan dalam pembakaran bahan bakar dalam industri, tabung oksigen untuk olahraga menyelam, dan masih banyak lagi. Nitrogen sendiri adalah senyawa yang sangat diperlukan oleh tanaman, sehingga nitrogen seringkali dijadikan bahan utama dalam industri pupuk. Kedua senyawa di atas dapat diperoleh dalam keadaan yang mendekati murni dengan cara pemisahan udara kriogenik. Kriogenik diartikan sebagai operasi yang dilangsungkan dalam keadaan temperatur yang sangat rendah. Secara garis besar, udara dengan komponen-komponen penyusunnya dicairkan dan kemudian dilakukan pemisahan dengan metode distilasi yang memanfaatkan konsep kesetimbangan uap cair.

Dua fasa dikatakan berada dalam kesetimbangan jika temperatur, tekanan, dan potensial kimia dari masing-masing komponen yang terlibat di kedua fasa bernilai sama. Dalam keadaan kesetimbangan, fraksi mol suatu komponen dari suatu campuran memiliki nilai yang tertentu. Komponen yang lebih mudah menguap akan memilki nilai fraksi mol yang lebih besar pada fasa uap dan sebaliknya. Sifat ini kemudian dimanfaatkan dalam proses pemisahan dengan metode distilasi. Kemurnian suatu komponen yang mudah menguap akan lebih baik pada fasa uap, fasa uap ini kemudian diambil untuk mendapatkan campuran dengan kadar kemurnian yang lebih baik.

Udara memiliki komposisi 78.08% nitrogen, 20.95% oksigen, 0,93% argon, dan sisanya CO2 dan uap air. Untuk memisahkan komponen tersebut dengan metode distilasi, diperlukan adanya kesetimbangan antara uap dan cair, sehingga udara tersebut harus dicairkan terlebih dahulu. Karena titik embunnya dari komponen penyusun udara sangat rendah, maka dikatakan sebagai proses kriogenik.

BAB II

PEMISAHAN UDARA SECARA KRIOGENIK

2.1 Deskripsi Proses Secara Umum

Terdapat berbagai macam variasi dalam proses pemisahan udara dalam industri dengan produk berupa gas. Variasi tersebut bergantung pada beberapa hal, diantaranya jumlah dari produk yang ingin 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.

2.2 Tahap Pemisahan Udara Secara Kriogenik

Udara kering yang digunakan sebagai umpan dalam proses ini memiliki komposisi yang relatif sama, seperti yang ditunjukkan oleh tabel 2.1 di bawah ini. Namun, dalam pemisahan udara seringkali udara sebagai umpan dapat diasumsikan terdiri dari sistem biner, yaitu nitrogen dan oksigen saja.

Gas

% Volum

% Massa

Parts per Million

Simbol

Nitrogen

78.08

75.47

780805

N2

Oksigen

20.95

23.20

209450

O2

Argon

0.93

1.28

9340

Ar

Karbon Dioksida

0.038

0.0590

380

CO2

Tabel 2.1 Komposisi udara sebagai umpan

(Sumber: http://www.uigi.com/cryodist.html, 10 Oktober 2009)

Tahap pertama dari proses pemisahan ini adalah filtering dan kompresi udara. Kompresi umumnya dilakukan hingga tekanan 90 psig atau 6 bar. Udara terkompresi tersebut kemudian didinginkan hingga mendekati temperatur ruangan. Pendinginan ini dilakukan dengan menggunakan alat penukar kalor atau dapat juga menggunakan alat dengan sistem refrigerasi. Pendinginan ini dapat menambah efisiensi dari proses penyingkiran pengotor. Uap air pada udara akan mengembun ketika udara dilewatkan pada kompresor dan terpisah dari udara itu sendiri.

Tahap ke dua adalah proses penyingkiran uap air dan karbondioksida yang masih tertinggal pada udara. Uap air dan karbondioksida harus disingkirkan karena pada temperatur yang sangat rendah, uap air dan karbondioksida akan membeku dan terdeposit pada permukaan alat pemroses. Terdapat 2 metode umum yang dipergunakan untuk menyingkirkan uap air dan karbondioksida, yakni reversing exchangers dan molecular sieve units.

Hampir seluruh industri gas modern kini menggunakan metode molecular sieve units untuk memurnikan udara yang akan dipisahkan secara kriogenik. Udara dilewatkan pada molecular sieves pada suhu ruangan. Molecular sieve juga terkadang didesain untuk mengadsorb tidak hanya uap air melainkan juga pengotor lain seperti hidrokarbon yang sering ditemukan pada udara di sekitar lingkungan industri. Molecular sieve umumnya terdiri dari 2 bagian yang bekerja secara bergantian. Ketika salah satu bagian sedang bekerja untuk mengadsorb pengotor, maka bagian yang lain akan melakukan regenerasi.

Metode lain yang dipergunakan adalah reverse heat exchanger. Metode ini lebih efektif apabila dipergunakan untuk skala produksi yang relatif kecil. Udara umpan masuk ke dalam alat penukar panas dan didinginkan hingga air dan karbondioksida 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 karbondioksida. Sedangkan untuk penyingkiran hidrokarbon diperlukan pengadsorb yang harus ditambahkan.

Setelah melewati tahap penyingkiran pengotor, udara kemudian memasuki alat penukar kalor yang akan membawa udara pada keadaan temperatur kriogenik (kira-kira -185oC). Proses pendinginan ini menghasilkan produk dingin dan waste gas. Waste gas ini kemudian dinaikkan lagi temperaturnya. Untuk mencapai temperatur kriogenik sehingga proses distilasi dapat dilakukan, pendinginan dilakukan dengan proses refrigerasi yang mencakup proses ekspansi.

Setelah berada pada temperatur yang sangat rendah, proses distilasi dapat dilakukan. Proses distilasi melibatkan proses penguapan, kemudian pencairan kembali dan memanfaatkan perbedaan titik didih tiap komponen penyusunnya. Kesetimbangan uap cair merupakan konsep yang sangat penting untuk memisahkan suatu campuran dengan menggunakan metode distilasi.

BAB III

KESETIMBANGAN UAP CAIR DALAM DISTILASI KRIOGENIK

Prinsip kesetimbangan uap cair adalah prinsip dasar dalam proses distilasi. Pada distilasi kriogenik, bisa diasumsikan bahwa umpan berupa udara cair dengan komposisi 79% nitrogen dan 21% oksigen. Sebenarnya dalam campuran udara cair masih terdapat argon, namun untuk memudahkan pemahaman mengenai kesetimbangan uap cair, maka argon diabaikan agar terbentuk campuran biner (bukan terner). Namun pada kenyataan dalam industri, keberadaan argon harus diperhitungkan. Terutama apabila diinginkan produk berupa gas oksigen dengan kemurnian yang tinggi, maka perlu dilakukan distilasi secara lanjut dan bertahap untuk memisahkan argon tersebut.

Dalam rangka memisahkan udara menjadi senyawa nitrogen dan oksigen, sejumlah besar udara yang digunakan harus dicairkan. Udara yang berupa gas hanya dapat ditranformasikan menjadi cairan saat kondisi tekanan dan temperatur berada di bawah titik kritiknya. Temperatur kritik dari udara yaitu -140,70C (=132,5K), sedangkan tekanan kritiknya yaitu 37,7 bar.

Nitrogen adalah senyawa dengan titik didih -195.91oC pada tekanan 1 bar, sedangkan oksigen mendidih pada temperatur -183,0oC pada tekanan 1 bar. Kesetimbangan uap cair pada sistem biner nitrogen dan oksigen hanya akan terbentuk dalam rentang temperatur -195.91oC sampai dengan -183,0oC. Karena nitrogen lebih mudah menguap, maka pada fasa uap akan lebih banyak mengandung nitrogen.

BAB IV

KESIMPULAN

Serangkaian proses pemisahan udara secara kriogenik bertujuan untuk mencapai rentang temperatur distilasi sistem biner nitrogen dan oksigen, yaitu -195.91oC sampai dengan -183,0oC. Hal ini dilakukan agar kesetimbangan uap cair pada nitrogen dan oksigen dapat terjadi sehingga pemisahan nitrogen dan oksigen dapat berlangsung secara distilasi.

DAFTAR PUSTAKA

Perry, Robert H. dan Don W. Green. 2008. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 8th Edition. United States of America : The McGraw-Hill Companies, Inc. bagian 2 halaman 307-308 dan 320-322.

Smith, J. M., H. C. Van Ness, dan M. M. Abbott. 2005. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. 7th Edition. Singapore : McGraw-Hill, Inc. halaman 338 – 363.

http://www.linde-process-engineering.com/process_plants/air_separation_plants/documents/L_2_1_e_09_150dpi.pdf, 10 Oktober 2009

http://www.uigi.com/cryodist.html, 10 Oktober 2009

1 komentar:

  1. Saya mau tanya , berapa ya asumsi NH3 pada saat pendinginan ? Terimakasih

    BalasHapus