BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Komposisi Udara
Udara adalah campuran dari berbagai gas, didalamnya terkandung komponen Nitrogen, Karbon dioksida, Hidrogen, Gas-gas mulia dan uap air dalam komposisi tertentu. Jumlah kandungan gas-gas di udara tergantung kepada kondisi tertentu suatu udara tersebut. Keadaan temperature dan iklim merupakan dua factor yang mempengaruhi kondisi udara, terutama kandungan uap airnya. Kota yang memiliki tingkat polusi yang tinggi akan terdapat sedikit kandungan gas-gas lain seperti H2S dan SO2. Masing-masing dari komponen ini mempunyai sifat-sifat yang berbeda.
Dalam setiap hela nafas 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 (Chandra, 2006).
Berikut ini susunan komposisi dan sifat masing-masing komponen udara: Tabel 2.1. Komposisi dan sifat masing-masing komponen udara (1 atm)
Komponen Konsentrasi
2.2. Pengertian Gas
Gas adalah salah satu dari tiga keadaan materi. Gas mempunyai sifat khusus yang tidak dimiliki oleh zat cair maupun zat padat. Salah satu yang menarik dari gas adalah sifat-sifat nya yang tidak tergantung dari komposisi kimianya. Semua gas memperlihatkan sifat-siat yang hampir sama, bila variabel seperti tekanan dan suhunya diubah (Yazid,2005).
2.2.1. Sifat-sifat gas
Gas terdiri dari molekul-molekul yang jaraknya saling berjauhan sehingga gaya tarik-menariknya sangat lemah. Gaya tarik yang lemah mengakibatkan molekul-molekul gas bebas bergerak ke segala arah. Molekul-molekul-molekul gas itu bergerak sangat cepat dan terus bertumbukan satu sama lain dan juga dengan dinding wadahnya. Adanya tumbukan ini menghasilkan tekanan. Molekul-molekul gas cepat sekali berdifusi atau bercampur satu dengan yang lain. Jika beberapa macam gas yang tidak saling bereaksi ditempatkan dalam wadah yang sama, maka gas-gas tersebut akan segera bercampur sehingga membentuk campuran yang homogen. Hal ini karena diantara molekul gas terdapat banyak ruang kosong sehingga molekul itu dapat bebas bergerak dan hanya sedikit mengalami rintangan.
volume gas berubah-ubah tergantung tekanan dan suhu, maka kedua faktor tersebut juga harus diukur (Yazid,2005).
2.3 Gas Industri
Gas industri mengemban berbagai fungsi penting dalam ekonomi. Sebagian diantaranya digunakan sebagai bahan baku untuk membuat bahan kimia lain. Contohnya yang terpenting ialah oksigen, nitrogen, dan hydrogen. Nitrogen digunakan untuk mempertahankan rasa makanan kemasan karena dapat mencegah reaksi kimia yang menyebabkan lemak kalengan menjadi busuk. Beberapa gas sangat berguna dalam pengobatan, misalnya oksigen dan helium. Tetapi, banyak pula di antara gas ini, zat cairnya, dan zat padatnya yang sama-sama dapat dimanfaatkan.
2.4. Oksigen Dan Nitrogen 2.4.1. Oksigen
Oksigen atau zat asam adalah unsur kimia sistem periodik unsur yang mempunyai lambing O dan nomor atom 8. Oksigen merupakan unsur golongan kalkogen dan dapat dengan mudah bereaksi dengan hampir semua unsur lainnya (utamanya menjadi oksida). Pada temperatur dan tekanan standart, dua atom unsur ini berikatan menjadi dioksigen, yaitu senyawa gas diatomik dengan rumus O2. Oksigen merupakan unsur yang paling melimpah ketiga di alam semesta berdasarkan massa dan unsur paling melimpah di kerak bumi, gas oksigen diatomik mengisi 20,9% volume atmosfer bumi. Gas oksigen merupakan gas yang sangat reaktif, hampir semua unsur dan senyawa dapat bereaksi dengan oksigen. Reaksi oksigen dengan suatu zat dikenal dengan nama oksidasi. Oksigen terdapat dimana-mana, bukan hanya sebagai gas melainkan senyawa-senyawa yang berjumlah seperlima volume atmosfer. Pada lapisan kulit bumi, oksigen merupakan unsur yang paling banyak terdapat dikulit bumi, yaitu sekitar 46,6%. Dalam tubuh makhluk hidup banyak berlangsung reaksi oksidasi, itulah sebabnya gas oksigen sangat penting sekali bagi kehidupan kita. Gas oksigen ini jika melebihi kadarnya dari 12% dapat memberikan efek negatif dalam tubuh kita, sehingga tubuh kita harus mengaktifkan enzim-enzim katalase, peroksidase, dan superoksida untuk mencegah efek negatif tersebut (Bahl,1943).
2.4.1.1. Sifat-sifat oksigen
Adapun sifat-sifat oksigen adalah sebagai berikut : 1. Dalam bentuk diatomik (O2) berwujud gas
3. Titk beku -219oC.
4. Baik oksigen padat atau oksigen cair mempunyai warna biru muda.
5. Bereaksi dengan semua unsur, kecuali dengan gas-gas mulia selain xenon. 6. Dapat larut sekitar 0,05 liter dalam satu liter air (Austin,1996).
2.4.1.2. Penggunaan Gas Oksigen
Pada tahun 1981 produksi oksigen di Amerika Serikat adalah 11,75x109m3. Ini merupakan penurunan dibandingkan dengaan tahun 1979 dan 1980, dan merupakan tahun kedua berturut-turut yang produksi nitrogennya melebihi oksigen. Oksigen diproduksi dengan cara likuefaksi dan rektifikasi udara didalam unit kompak yan sangat efisien. Dan berisolasi baik, atau dengan sistem adsorpsi ayun tekanan. Penyediaan bahan baku tidak pernah jadi masalah, dan karena biaya untuk pengangkutan produk cukup besar, pabrik oksigen biasanya ditempatkan berdekatan dengan lokasi pemakaian. Adapun kegunaan dari gas oksigen, yaitu :
1. Gas oksigen diperlukan oleh para penyelam, pendaki gunung dan antariksawan juga para penderita penyakit paru-paru dan saluran pernafasan memerlukan oksigen.
2. Untuk produksi baja didalam tanur terbuka atau tanur oksigen
3. Untuk membersihkan kerak pada industri baja dari besi gelondongan dengan nyala oksiasetilena.
4. Oksigen cair (liquid oksigen atau “LOX”) digunakan sebagai bahan bakar pesawat ruang angkasa.
6. Untuk pengerjaan logam gasifikasi dibawah tanah, dan operasi metalurrgi nonfero (Austin,1996).
2.4.2. Nitrogen
Nitrogen merupakan komponen terbesar yang terdapat di udara yakni dengan volume sekitar 78%. Nitrogen juga merupakan gas inert yaitu gas yang sukar bereaksi pada temperatur biasa. Nitrogen dalam keadaan terikat biasanya dalam bentuk persenyawaan seperti nitrat, nitrit, ammonium sulfat dan lain-lain. Nitrogen juga memiliki persenyawaan dengan tumbuh-tumbuhan dan hewan (Bahl,1943).
2.4.2.1. Sifat-sifat Nitrogen
Adapun sifat-sifat nitrogen adalah sebagai berikut :
1. Nitrogen merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau. 2. Titik didih : -196,183445ºC
3. Titik beku : -210,65 ºC 4. Temperature kritis : -147ºC 5. Sukar larut dalam air
6. Pada temperature kamar sulit bereaksi
7. Dengan bunga api listrik dapat bereaksi dengan hidrogen dan oksigen. 8. Isotop-isotopnya adalah sebesar N1419,62% dan N15 sebesar 0,38%. 9. Densitas gas nitrogen pada suhu 0ºC, tekanan 1 atm adalah 1,209,9ºC. 10.Bilangan oksidasinya +5 dan -3.
12.Pada temperatur tinggi, nitrogen dapat bereaksi dengan oksigen membentuk nitrogen oksida, sementara pada temperatur rendah nitrogen bereaksi dengan hydrogen membentuk amoniak (Austin,1996).
2.4.2.2. Penggunaan Gas Nitrogen
Nitrogen merupakan gas industri terbesar pada tahun 1981 dengan produksi sebesar 13,6 x 109 m3. Adapun kegunaan nitrogen antara lain :
1. Industri Kimia
a. Pembantu polymidis, nitrogen digunakan untuk lapisan garam neflon untuk kebutuhan reaktor.
b. Pembuatan polimer styrene, acrilonitrile, nitrogen digunakan untuk mengeluarkan oksigen dari polimer tersebut.
c. Pembuatan asetil resin dan formaldehid, nitrogen digunakan untuk membersihkan reactor dari oksigen.
d. Pembuatan senyawa nitrogen lainnya seperti amoniak. 2. Industri petroleum
a. Dalam penyulingan petroleum, nitrogen digunakan dalam regenerasi dan pembentukan katalis.
3. Industri makanan
a. Digunakan untuk mencegah pertumbuhan jamur gangguan serangga. b. Digunakan untuk mempercepat proses pengawetan dengan cara
pendinginan pada sayur, buah-buahan dan makanan laut yang akan dieksport.
4. Industri-industri lain
a. Sebagai pengisi bola lampu listrik (booglamp) agar oksidasi terhadap kawat filament bias dicegah atau diperlambat.
b. Pada thermometer digunakan sebagai pengisi ruang di atas raksa agar penguapan raksa bisa dikurangi (Austin,1996).
2.5. Pengukuran Tekanan
Tekanan dapat mempengaruhi proses-proses kimia dan fisika (misalnya hidrasi, filtrasi) dan seringkali menentukan sifat-sifat fisik bahan (misalnya kelarutan gas). Tekanan member gambaran tentang pembebanan terhadap peralatan (misalnya autoklaf) dan sangat penting pada transportasi bahan cair dan gas dalam saluran pipa. Sering juga besaran-besaran ukur lain diubah menjadi tekanan oleh transmiter pneumatik, yang diubah menjadi sinyal pneumatik yang proporsional. Sinyal ini dikirimkan ke alat penunjuk, pencatat serta pengatur. Berdasarkan titik acuannya, tekanan dapat dibedakan menjadi 3 :
2. Tekanan kurang : Tekanan yang lebih kecil dari tekanan atmosfir disekitar alat ukur. Tekanan tersebut diberi symbol p dan mempunyai satuan bar atau mbar.
3. Tekanan absolut : Tekanan yang didasarkan pada tekanan nol absolut (vakum absolut). Tekana absolut digunakan terutama pada teknik vakum, mengingat dibidang tersebut perubahan tekanan atmosfir dapat mengakibatkan kesalahan besar. Alat pengukur tekanan absolut tidak boleh berinteraksi dengan tekanan atmosfir, atau tekanan atmosfir harus dikompensasi dengan instalasi khusus (Bernasconi,1996).
2.6. Pengaruh Tekanan Tinggi
2.7. Proses Destilasi
Destilasi berarti memisahkan komponen-komponen yang mudah menguap dari suatu campuran cair dengan cara menguapkannya, yang diikuti dengan kondensasi uap yang terbentuk dan menampung kondensat yang dihasilkan. Pemisahan udara cair menjadi nitrogen dan oksigen didasarkan pada perbedaan titik didihnya. Zat yang lebih volatil yaitu nitrogen yang mempunyai titik didih -195,60C akan menguap lebih banyak dari pada oksigen yang mempunyai titik didih -182,8 0C. Udara yang masuk ke kolom destilasi berada pada temperatur dan tekanan yang ada pada kolom destilasi. Oleh karena itu destilasi udara cair sebenarnya bukanlah hanya destilasi campuran biner yang sederhana, tetapi dilengkapi dengan kolom rektifikasi ganda. Pada pemisahan udara ini digunakan pemisahan udara dengan linde kolom ganda dan destilasi vakum (Perry,1955).
2.7.1. Pemisahan Udara Dengan Linde Kolom Ganda
Merupakan kolom destilasi yang kondensor dan reboiler (pendidih ulang) bergabung. Kolom bagian bawah bertekanan tinggi, dimana terjadi pemisahan udara cair. Cairan yang turun kebawah merupakan yang kaya dengan oksigen. Sedangkan uap yang naik ke atas lebih kaya dengan nitrogen. Uap ini didinginkan oleh oksigen cair yang ada pada kolom atas bertekanan rendah yang sekaligus menyerap panas dari uap yang kaya dengan nitrogen. Penyerapan panas ini menyebabkan oksigen cair menguap, nitrogen pada bagian bawah akan mengembun dan tertampung pada piringan atau dengan kata lain bagian bawah dari kolom berfungsi sebagai penukar panas, dimana dibawahnya di bawahnya akan bertindak sebagai kondensor.
exchanger, dimana kondensor akan membantu kolom bawah dan reboiler untuk kolom
atas. Karena nitrogen lebih volatil dari pada oksigen, maka nitrogen akan naik (menguap) dan oksigen akan turun ke bawah kolom bertekanan tinggi yang lebih besar dari atas kolom sehingga temperaturnya juga akan turun. Pemisahan ini terjadi akibat penguapan dari cairan yang bertitik didih rendah sedangkan yang lainnya mencair. Uap tersebut dapat diembunkan sebagai kondensat yang diperoleh dengan menurunkan suhunya (Cambel,1963).
2.7.2 Destilasi Vakum
2.8. Proses Pengolahan Nitrogen dan Oksigen Dari Udara
Proses pengolahan nitrogen dan oksigen di PT. Aneka Gas Industri Medan dilakukan secara bertahap dalam beberapa proses yang berbeda dengan tujuan untuk memperoleh nitrogen dan oksigen yang berkualitas baik. Secara ringkas, tahap-tahap proses pengolahan bahan baku (udara) sampai dihasilkan nitrogen dan oksigen cair adalah sebagai berikut :
1. Penyaringan Udara (Air filter)
2. Kompresi Udara (Air turbo compressor) 3. Pendinginan Udara (Air percooling system) 4. Penghilangan kotoran (Molecular sieve)
5. Penghilangan panas (Recycle air turbo compressor) 6. Perubahan energi (Turbin expander)
7. Kolom destilasi (Rectify system) 8. Penyimpanan produk (Storage tank)
2.8.1. Filter udara
2.8.2. Air turbo compressor air system
Merupakan mesin fluida untuk memberikan tekanan dan mengalirkan udara kemudian udara yang dihisap oleh kompresor ditekan kira – kira 0,6 MPa kemudian didinginkan dalam air precooling system.
2.8.3. Air preecooling system
Air preecooling berfungsi untuk mendinginkan udara yang keluar dari
compressor. Pada air cooling system terdapat dua cara pendinginan pada kolom. cara pertama yaitu dari tengah kolom ke bawah kolom yang didinginkan oleh cooling tower, sedangkan dari atas kolom ke tengah kolom didinginkan oleh water cooling yang dibantu oleh RU (refrigerant unit). Refrigerant unit adalah mesin untuk mindinginkan atau memindahkan panas air kemudian air yang dingin mengalir melalui pompa menuju
air cooling sehingga suhu udara keluar air cooling ini ±11oC. Udara yang keluar dari
air preecooling system menjadi lebih dingin (± 6oC). 2.8.4. Molecular Sieve
a) Menghilangkan uap air yang mungkin lolos dari water separator b) Menghilangkan karbondioksida
c) Menghilangkan hidrokarbon.
Hal ini disebabkan karena impurities (kotoran) tersebut dapat menyumbat saluran udara proses pada temperatur rendah. Molecular Sieve ini beroperasi pada suhu 18 oC pada tekanan 0.445 Mpa. Molecular Sieve ini terdiri dari dua unit yang bekerja secara bergantian. Dimana Molecular Sieve A beroperasi, maka Molecular Sieve B Regenerasi dan begitu sebaliknya. Lamanya setiap Molecular Sieve bekerja adalah 8 jam. Tujuan dari regenerasi ini adalah apabila silika gel tersebut sudah jenuh terhadap penyerapan kotoran, maka harus dihilangkan dengan cara pemanasan yang dilakukan dengan media pemanas waste N2 yang berasal dari kolom atas destilasi yang sebelumnya N2 dipanaskan dulu pada electrical heat acumulator (Heat Exchanger). Adapun cara kerja Molecular Sieve adalah sebagai berikut:
a. Heating
Heating berfungsi untuk memanaskan Molecular Sieve yang sedang diregenerasi
agar tidak jenuh setelah bekerja selama 8 jam sampai temperature 185oC yang dikeluarkan melalui heater dengan aliran (flow) 1100 Nm3/jam dan dibutuhkan waktu 14200 detik.
b. Cooling
Cooling berfungsi untuk mendinginkan Molecular Sieve yang sudah dipanaskan
sampai temperature 42oC dengan aliran (flow) 1400 Nm3/jam dan dibutuhkan waktu 11700 detik.
Upload berfungsi untuk penyamaan tekanan antara Molecular Sieve yang sedang
beregenerasi dan MS yang bekerja, sehingga antara MS yang bekerja dan beregenarsi memiliki tekanan yang sama sekitar 0.451 Mpa dengan waktu sekitar 800 detik.
d. Exchange
Exchange berfungsi untuk perpindahan antara MS yang beregenerasi dan MS yang sedang bekerja. Pada tahap exchange ini MS bergantian secara otomatis, dimana MS yang beregenerasi akan berpindah menjadi MS yang bekerja (MS work) sedangkan MS yang bekerja akan berpindah menjadi MS regenerasi dan dibutuhkan waktu sekitar 1100 detik.
e. Unload
Unload berfungsi untuk penurunan tekanan pada MS yang baru beregenerasi dengan waktu sekitar 480 detik dan tekanan 0 Mpa.
2.8.5. Instrument air and circulating air turbo compressor system
Air turbo compressor system berfungsi sebagai sumber tenaga untuk
menggerakkan turbin. Pada tahap ini terbagi dalam 4 stage: a. Stage I
Udara masuk ke stage I dengan suhu awal 260C dan tekanan sekitar 0.44 Mpa ( 4 Bar) sehingga timbul panas, kemudian panas yang timbul (720C) didinginkan hingga mencapai suhu 400C pada intercooler I.
b. Stage II
c. Stage III
Dari intercooler II ditekan ke stage III, kemudian panas yang di timbulkan (860C) didinginkan pada intercooler III, sampai mencapai suhu ±41oC.
d. Stage IV
Dari intercooler III ditekan ke stage IV, kemudian panas yang ditimbulkan (810C) didinginkan pada intercooler IV,sampai mencapai suhu ±42oC dan tekanan yang keluar mencapai 2,60 MPa (26 Bar).
2.8.6. Expansion Turbine System
Yaitu mesin untuk mengubah energi tekan dan enrgi panas dari gas nitrogen menjadi energi mekanik berupa putaran poros dan memisahkannya berdasarkan perbedaan temperature titik cair dan berat jenisnya. Ada 2 cara pendinginan untuk mencapai titik cair tersebut, yaitu :
a. Isoentalphic Expantion
Menurunkan suhu dengan cara menaikkan tekanan gas, gas bertekanan tinggi di alirkan ke tempat bertekanan rendah melalui saluran kecil seperti expantion valve maka suhu gas tersebut akan turun.
b. Adiabatic Expantion
Menurunkan suhu dengan cara mengubah energi panas dan energi tekan pada gas menjadi mekanik pada expantion turbin. Kemudian udara ini di campur dengan udara recycle yang keluar dari expander yang sudah di panaskan dalam heat exchanger
I dan heat exchanger II (dengan udara yang masuk maupun liquid gas untuk reflux) di
1. Satu aliran di naikkan lagi tekanannya menjadi 4,1265 Mpa dengan high
temperature expanding booster, kemudian di dinginkan dalam heat exchanger I.
Sebagian dari aliran ini yang bersuhu 2500K (pada bagian heat exchanger I) di alirkan ke high temperature expander/hot expander dan keluar bergabung dengan udara yang keluar dari heat exchanger II untuk pendinginan di heat exchanger I. Udara dingin lainnya (lebih dingin dari 2500K) di dinginkan lebih lanjut di heat exchanger II dan diexpansikan dengan expansi valve masuk ke lower colum.
2. Satu aliran lainnya di naikkan lagi tekanannya menjadi 3,686 Mpa dengan
low temperature expanding booster, kemudian di dinginkan dalam heat exchanger I
menjadi 1570K diexpansikan (semuanya) di low temperature expander dan keluar ke
liquid separator.
2.8.7. Rectify System
menguap ke kolom bawah bagian atas (ke kondensor), dan sebagian lagi diekspansikan ke kolom atas bagian atas untuk direfluks dan disimpan ke storage tank.
Sedangkan bahan baku yang terdapat pada kolom bawah bagian bawah (yang kaya akan oksigen) dialirkan ke Heat Exchanger untuk didinginkan lagi, lalu masuk kolom atas untuk dispray (proses ini menggunakan N2 refluks untuk lebih mendinginkan O2) sehingga pada kolom atas bagian bawah terdapat oksigen cair yang berguna untuk mendinginkan nitrogen didalam kondensor. Karena adanya perbedaaan suhu, maka oksigen yang mempunyai titik cair yang lebih tinggi dari nitrogen akan terdapat dibawah dan nitrogen (N2 refluks) akan menjadi uap. Sehingga kolom atas bagian atas kaya akan nitrogen berbentuk gas.
2.8.8. Storage Tank
Produksi yang dihasilkan ditampung pada masing-masing storage tank dan hasil produksi mengalir berdasarkan perbedaan tekanan dalam kolom destilasi dengan masing-masing tangkinya. Adapun kapasitas dari storage tank adalah sebagaia berikut :
a) Produksi oksigen cair ditampung pada storage tank SLOC 0112 dan 0113 dengan daya tampung 18400 mmH2O.
