Proses Air Separation Plant yang digunakan di PT. Samator Gas Industri meliputi tahapan – tahapan sebagai berikut :
3.1 Raw Air yang meliputi :
Gambar 3.1. Flowsheet Raw Air
3.1.1 Filtarsi udara umpan
Bahan baku utama industri ini adalah udara bebas. Udara bebas yang diperoleh langsung dari alam masih mengandung pengotor, misalnya debu, pasir dan lain – lain. Pengotor –pengotor tersebut perlu dipisahkan terlebih dahulu supaya tidak mengganggu proses pemisahan udara dan menurunkan kemurnian produk.
Aliran udara Aliran Waste nitrogen Alat yang sedang
beroperasi
Alat yang sedang diregenerasi
Filter Air
Freon Refrigerating Unit
MS Adsorpsi
Heater Silencer
Filtrasi udara dilakukan berurutan, dimulai dari memisahkan pengotor yang berukuran relatif besar hingga yang berukuran relatif kecil. Hal ini dilakukan dengan melewatkan udara luar melalui 3 jenis filter sebelum diproses lebih lanjut.
Tiga jenis filter tersebut adalah sebagai berikut : a. Eliminator Filter
Filter ini berupa kasa yang berfungsi untuk menyaring kotoran yang memiliki ukuran partikel yang besar seperti serangga atau daun – daunan.
b. Roll Filter
Filter ini memiliki ukuran pori 10 mikron. Fungsinya untuk menyaring kotoran dengan ukuran partikel sedang.
c. Bag Filter
Filter ini memiliki ukuran 2 mikron yang berfungsi untuk menyaring kotoran yang memiliki ukuran partikel yang kecil misalnya partikel – partikel debu halus.
Setelah beberapa waktu digunakan, maka pengotor akan terakumulasi pada filter. Indikator penggantian filter adalah pressure drop
pada filter. Bila perbedaan tekanan pada aliran udara masuk dan keluar filter mencapai 25 mmH2O di skala kontrol, maka perlu dilakukan penggantian filter. Biasanya penggantian filter dilakukan setiap 6 bulan sekali.
3.1.2 Kompresi udara umpan
Proses berikutnya adalah kompresi udara umpan hingga tekanannya sesuai dengan tekanan pada kolom distilasi yaitu 5,3 bar. Proses ini berlangsung pada Air Compression Unit (ACU). Kompresor yang digunakan dalam unit ini adalah centrifugal compressor. kompresor ini dipilih karena proses produksi dijalankan pada tekanan yang relatif rendah (5 bar). Kompresi udara dilakukan melalui 3 tahap kompresi. Hal ini lebih menghemat energi bila dibandingkan dengan melakukan satu tahap kompresi. selain itu, kenaikan tekanan secara bertahap bertujuan untuk menjaga temperatur udara tidak naik terlalu tinggi.
Peningkatan tekanan akan menyebabkan naiknya temperatur udara keluar. Udara tersebut perlu didinginkan setiap keluar dari tahapan kompresi. Pendingin udara yang keluar dari kompresi tahap I dan II disebut intercooler I dan II. Sedangkan pendigin udara yang keluar dari kompresi tahap III disebut aftercooler. Pendingin yang keluar adalah air.
Pada tahap I, udara bertekanan 1 atm ditekan hingga 1,8 bar dengan kenaikan temperatur menjadi 42°C. Udara keluar tahap I didinginkan hingga hingga 32°C melalui intercooler I. Pada tahap II, udara dinaikkan lagi tekanannya menjadi 3 bar dan temperatur suhu naik menjadi 40°C. Udara keluar tahap II didinginkan hinga 32°C melalui intercooler II. Pada tahap III, udara dikompresi hingga 5,3 bar dan temperatur udara mencapai 42°C. Udara keluar tahap III didinginkan hingga 36°C melalui aftecooler.
Sebagai pelumas digunakan oli sebanyak 400 liter yang memiliki masa operasi selama 8000 jam. Setelah masa tersebut oli harus diganti.
Tabel 3.1. Parameter yang harus dikontrol pada ACU :
No Uraian Kode Satuan Standar
1 2 3 4
Air flow rate Ac -Delivery Ammeter AC – Delivery Temperatur FIC1791 PIC1791 EI1701 TI1791 Nm3/h Kg/cm2 A °C 9500 – 10500 4,9 – 5,5 Max 230 Max 43
3.1.3 Pemurnian udara umpan
Tahapan ini meliputi pemisahan kandungan air dan CO2 dari udara. Pemisahan ini perlu dilakukan karena untuk mencegah bekunya air dan CO2 pada proses berikutnya yang bertemperatur -190°C sehingga dapat menyebabkan penyumbatan pada perpipaan serta menurunkan efisiensi tray pada kolom distilasi. Pemisahan air dilakukan di drain separator. Dan CO2 di MS ( Molecular Sieve ) Adsorber.
Udara yang keluar dari aftercooler bersuhu sekitar 36°C selanjutnya didinginkan terlebih dahulu pada Freon Refrigerating Unit (FRU) yang menggunakan R22 (CClF2) yang bertitik didih 4,4°C sehingga mencapai suhu antara 8 - 12°C. Pendingin ini akan menyebabkan freon terevaporasi. Freon berfase gas ini kemudian dikompresi sehingga dapat terkondensasi di kondensor dengan melepaskan panas ke lingkungan. Freon berfase cair ini kemudian digunakan kembali untuk mendinginkan udara dan demikian proses ini berulang. Pendingin tersebut bertujuan agar saat dilakukan ekspansi pada drain separator, uap air di udara akan mengembun. Pada
drain separator, ekspansi dilakukan hingga tekanan berkurang dari 5,3 bar menjadi 5 bar. Air embunan tersebut dikeluarkan secara berkala untuk menjaga tekanan di dalam drain separator tetap stabil. Udara keluar dari drain separator memiliki kandungan air sekitar 1%.
Udara keluar dari drain separator dialirkan menuju MS Adsorber untuk memisahkan CO2 dan sisa uap air yang masih terkandung di dalamnya. Udara kemudian dipisahkan menggunakan MS adsorber. Di dalam MS adsorber terdapat 2 jenis adsorbent, yaitu molecular sieve yang berfungsi untuk menyerap CO2 dan alumina gel untuk menyerap uap air. Kedua adsorbent tersebut diletakkan dalam sebuah vessel.vessel yang digunakan berjumlah 2 buah yang digunakan secara bergantian supaya produksi berlangsung secara kontinyu. Waktu operasi untuk setiap vessel adalah 4 jam sebelum adsorbent menjadi jenuh dan haru diregenerasi. Tahap – tahap regenerasi adsorbent meliputi :
1. Penurunan tekanan
Pada tahap ini tekanan dalam kolom adsorbent diturunkan 5,3 bar menjadi 0,4 bar.
2 Pemanasan
Adsorbent dipanaskan hingga mencapai 150°C menggunakan waste gas yang terlebih dahulu dipanaskan menggunakan heater sehingga suhunya mencapai 200°C. Tahap ini bertujuan untuk mereaktivasi adsorbent.
3 Pendinginan
Adsorbent didinginkan kembali menggunakan waste gas yang tidak dipanaskan sehingga temperaturnya mencapai 40°C.
4 Penekanan
Tahapan terakhir dari regenerasi adalah mengembalikan tekanan di dalam kolom adsorber hingga mencapai 5,3 bar. Tekanan harus dinaikkan secara perlahan – lahan agar molecular sieve dan alumina gel tidak cepat rusak / pecah. Waktu yang dibutuhkan untuk pressurizing adalah 25 menit.
Udara keluar dari MS adsorber adalah udara kering yang bebas CO2 dengan suhu 10°C dengan tekanan 5,3 bar
3.2 Heat Exchanger
Udara yang keluar dari MS Adsorber dialirkan ke dalam Main Heat Exchanger (E01) untuk didinginkan dari 10°C hingga temperatur -173°C dengan pendingin liquid raw argon yang keluar dari crude argon condensor
(R64), gas nitrogen yang keluar dari upper colomn (R21), gas oksigen yang keluar dari main condensor (R62) dan waste gas yang keluar dari sub cooler
Gambar 3.2. Flowsheet Heat Exchanger 3.3 Rectification
3.3.1. Pembuatan Nitrogen
Udara dari main heat exchanger (E01) tersebut dialirkan kebagian bawah kolom tekanan tinggi (high pressure column). Dalam kolom tersebut, gas nitrogen dan udara cair terpisah.
Udara terpisah menjadi gas nitrogen murni dibagian atas kolom dan liquid air yang kaya oksigen di bagian bawah. Terjadi pemisahan karena titik cair oksigen -183°C maka suhu oksigen lebih tinggi daripada suhu kolom atas -190°C. Sehingga oksigen akan mencair dan turun kebagian bawah kolom atas.
Sedangkan titik cair nitrogen adalah -195,8°C lebih rendah dari suhu kolom atas maka nitrogen berbentuk gas akan naik ke
R41 R21 R21 R41 Aliran oksigen Aliran Argon Aliran udara Aliran Waste nitrogen
E01 Heat Exchanger
R61
R62 Kolom distilasi R21
bagian atas. Gas nitrogen kemudian dialirkan ke kondensor (R61 & R62) yang berada di dalam kolom tekanan rendah (low pressure colomn) terjadi pertukaran panas antara gas nitrogen dengan liquid oksigen dari kolom atas, sehingga sebagian gas nitrogen terkondensasi menjadi liquid nitrogen.
Aliran nitrogen tersebut dialirkan ke subcooler (E02) untuk didinginkan lebih lanjut dari -173°C hingga temperatur -191°C. Supaya gas nitrogen terkondensasi menjadi liquid nitrogen. Aliran liquid nitrogen yang keluar dari subcooler dibagi menjadi 3 aliran yaitu aliran menuju kolom atas, alian produk liquid nitrogen dan aliran menuju kolom pure argon condensor.
Aliran liquid nitrogen yang menuju kolom atas yang bertekanan lebih rendah akan mengalami ekspansi dan berubah fase menjadi gas nitrogen yang dapat digunakan untuk mendinginkan liquid air yang berasal dari kolom bawah.
Aliran produk liquid nitrogen dialirkan melalui nitrogen subcooler (E06) agar suhunya semakin rendah dengan upaya menjaga kualitas produk dengan menggunakan gas nitrogen sebagai pendingin yang berasal dari aliran liquid produk nitrogen yang mengalami ekspansi menjadi gas nitrogen.
Gambar 3.3. Flowsheet Rectification. 3.3.2. Pembuatan Oksigen
Sumber oksigen adalah udara cair yang berasal dari bagian bawah kolom bawah. Udara cair tersebut didinginkan disubcooler (E02) dengan pendingin waste gas dan gas nitorgen yang berasal dari kolom atas. Kemudian udara cair dialirkan kekolom atas yang terekspansi menjadi gas air. Udara yang berfase gas didinginkan oleh gas nitrogen sehingga suhunya menjadi lebih rendah (-190°C) dan titik didih oksigen (-182,81°C. Karena itu, liquid oksigen akan terbentuk dan terkumpul dibagian kolom atas, namun liquid oksigen tidak dapat langsung mengalir ke storage tank karena tekanan pada kolom atas (0,53 Kg/cm3) lebih rendah daripada
LN LN LN GN GN R61 R62 Kolom distilasi R21 R41 Aliran Nitrogen Aliran Oksigen Aliran Argon Aliran Waste Nitrogen
E02
E06
Subcooler
Nitrogen Subcooler Delivery pump
tekanan di storage tank (1 atm). Oleh karena itu, liquid oksigen harus dipompa menggunakan oxygen delivery pump dengan jenis
centrifugal pump dimana terdapat 2 alat yang satunya sebagai cadangan pengganti jika terjadi kerusakan pada pompa yang sedang beroperasi. Setelah di pompa aliran oksigen dibagi 2 aliran, yaitu liquid oksigen yang dikembalikan ke kolom rektifikasi bagian atas, agar suhu kolom atas tetap terjaga.
Aliran liquid oksigen yang menuju storage tank sebelumnaya didinginkan lebih lanjut oleh subcooler E02.supaya temperaturnya lebih rendah lagi dalam upaya menjaga kulaitas produk. Kemudian oksigen cair ini dialirkan ke strorage tank.
3.3.3. Feed Argon
Feed argon didapat dari bagian tengah rectifyng coloumn yang merupakan hasil dari pemisahan cairan kaya oksigen dan argon pada kolom rectifyng bagian atas.
3.4 Recycle Nitrogen Compressor (RNC)
Tujuan dari sistem ini untuk menjaga suhu yang ada pada kolom rektifikasi bagian bawah.
Gambar 3.4. Flowsheet Recyle Nitrogen Compressor (RNC).
Sekitar 4,6 kg/cm2 gauge gas nitrogen dari main heat exchanger (E01) dijadikan umpan pada recyle nitrogen compressor unit (RNC unit) yang terdiri dari 4 stage dan masing – masing dilengkapi cooler. Di RNC unit ini, tekanan gas nitrogen, dipersbesar sampai 30 kg/cm2 gauge.
Tabel 3.2. Parameter yang harus dikontrol pada RNC :
No Uraian Kode Satuan Standar
1 2 3 Flow rate RNC Pressure Ammeter FIC2792 PIC2792 EI2701 Nm3/H Kg/cm2 A 18000 - 25000 26 – 33 Max 455
Kemudian diumpankan pada Warm Expansion turbin (WET), gas nitrogen yang keluar dari RNC menggerakkan impeler pada WET sehingga terjadi proses energi mekanik dengan kecepatan putaran maximum 72,5 Krpm dan tekanan mengalami kenaikan kurang lebih sebesar 46 bar.
Aliran Nitrogen
Alat yang sedang beroperasi
Atas
WET & WET Booster After Cooler
Bawah
CET & CET Booster After Cooler
RNC
Tabel 3.3. Parameter yang harus dikontrol pada WET :
No Uraian Kode Satuan Standar
1 2 3 4 Nozzle opened ET inlet temperatur ET outlet temperatur Rotation HV3102 TI3193 TI3194 SI3101 % °C °C Krpm 0 - 100 0 - 30 (-110) – (-50) Max 72,5
Kemudian didinginkan melalui aftercooler (E03) sebagian besar terbentuk liquid yang akan dijadikan reflux pada rectification bagian bawah dan sebagian kecil berbentuk gas dialirkan ke Warm Expansion Turbin (WET) untuk menggerakkan booster agar menjaga kestabilan tekanan pada WET (agar tidak terlalu besar).
Gas nitrogen dari RNC dibagi 2 aliran yaitu aliran menuju WET dan CET. Untuk aliran yang diumpankan ke CET juga akan mengalami kenaikan tekanan kurang lebih 43 kg/cm2.
Tabel 3.4. Parameter yang harus dikontrol pada CET :
No Uraian Kode Satuan Standar
1 2 3 4 Nozzle opened ET inlet temperatur ET outlet temperatur Rotation HV3112 TI3198 TI3199 SI3111 % °C °C Krpm `0 - 100 (-112,5)-(-50) (-180) – (-50) Max 52,8
Setelah dari CET gas nitrogen akan didinginkan melalui subcooler (E03) sehingga terjadi penurunan suhu. Kemudian dialirkan menuju CET untuk menggerakkan booster. Lalu menuju ke aftercooler (E03) gas nitrogen direcycle kembali untuk umpan RNC.
3.5 Argon Rectification dan Argon Dryer
Gambar 3.5. Flowsheet Argon Rectification.
Feed gas Argon diambil dari bagian tengah rectifyng colomn atas. Kadar argon dalam gas berkisar antara 8 sampai 12%. Kemudian gas tersebut dialirkan kebagian bawah crude argon colomn (R23) dengan temperatur -181°C dan tekanan 0,46 kg/cm2. pada crude argon colomn, gas feed akan dicairkan dengan memanfaatkan liquid air.
Pada crude argon colomn ini akan mendapatkan liquid raw argon. Sebelum dialirkan ke argon purifier, liquid raw argon akan digunakan untuk mendinginkan gas air di main heat exchanger(E01) sehingga menjadi raw argon yang berupa gas yang masih mengandung oksigen.
GN LN R64 R63 R23 R65 R24
E21 Argon Heat Exchanger Aliran Nitrogen Aliran Argon Aliran Udara Aliran Oksigen Aliran Waste Nitrogen
Crude Argon Colomn Pure Argon Colomn
Gambar 3.6. Flowsheet Argon Dryer.
Raw argon yang masih mengandung oksigen akan dihilangkan kandungan oksigen dalam argon purifier dengan mereaksikan hidrogen dan oksigen dengan katalis palladium, sehingga terbentuk uap air.
Reaksi antara hidrogen dan oksigen bersifat eksotermal dan panas yang dihasilkan akan didinginkan oleh argon cooler. Uap air yang terkandung didalam argon akan mengembun dan ditampung dalam drain separator. Sisa uap air dalam argon yang tidak terembunkan akan dihilangkan dalam argon dryer yang berisi silica gel dan molecular sieve yang akan menyerap uap air dan CO2.
Setelah keluar dari argon dryer akan dialirkan kedalam argon heat exchanger (E21) untuk didinginkan. Argon yang telah didinginkan, akan
Aliran Nitrogen Aliran oksigen Aliran Argon Argon Dryer Heater Argon Cooler Argon Purifier Aliran Hidrogen
dimasukkan ke bagian tengah pure argon colomn untuk dikondensasi, sedangkan gas yang tidak terkondensasi di pure argon colomn akan dibuang ke atmosfer.
Tabel 3.5. Parameter yang harus dikontrol pada Analyzer :
NO Uraian Kode Satuan Standar
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
MS outlet gas air Waste gas Feed argon Raw argon O2 dalam liquid argon N2 dalam liquid argon
H2 dalam dryer argon Produk liquid N2 Produk liquid O2 Produk gas N2 QIA2401 QI3501 QI4101 QIA4701 QIA4201 QIA4202 QIA4702 QIA3502 QIA3503 QIA3401 ppm CO2 % O2 % Ar % O2 ppm O2 ppm N2 % H2 ppm O2 % O2 ppm O2 Maks 1 Mode I : 4 – 10 Mode II : 11 - 40 5 – 14 1,5 – 7,5 Maks 2 Maks 10 1,2 – 2 0 – 2 Min 99,5 Maks 3
1 2 3 3 4 5 6 7 8 9 10 14 15 16 17 18 19 11 12 13 20 21 22
Lay out pada Air Separation Plant di PT Samator Gas Industri
Gambar 3.7. Lay out Air Separation Plant (ASP)
Keterangan :
1. Cooling Water Sistem 2. Ruang control
3. Moleculer Sieve Adsorbsi 4. Buffer tank
5. Air Compressor Unit (ACU) 6. Argon dryer
7. Argon purifier 8. Filter Air
9. Freon Refrigerator Unit (FRU) 10.Drain separator
11.Inter Cooler 12.After cooler
13.Recycle Nitrogen Compressor (RNC)
14.Control panel
15.Expander dan Booster 16.Liquid Resistor 17.Silencer
18.Cold Box
19.Liquified Gas Drainage tank 20.Storage tank nitrogen
21.Storage tank argon 22.Storage tank oksigen