BAB 2 pabrik oksigen,nitrogen,argon

BAB II.

BAB II. TINJAUAN TEORI

TINJAUAN TEORI

2.

2.11 TiTinjnjauauan Uan Umumumm

Udara adalah campuran dari berbagai macam gas, antara lain adalah Udara adalah campuran dari berbagai macam gas, antara lain adalah  Nitrogen,

 Nitrogen, Oksigen, Oksigen, Argon Argon dan dan berbagai berbagai macam macam gas gas lainnya lainnya dalam dalam jumlahjumlah kecil. Udara yang digunakan adalah udara yang telah dihilangkan kandungan kecil. Udara yang digunakan adalah udara yang telah dihilangkan kandungan uap airnya atau disebut udara kering. Komponen-komponen gas penyusun uap airnya atau disebut udara kering. Komponen-komponen gas penyusun udara kering disajikan dalam tabel 2.1.

udara kering disajikan dalam tabel 2.1. Tabel 2.1

Tabel 2.1 Komposisi gas dalam udara kering Komposisi gas dalam udara kering  No

 No Komponen Udara KeringKomponen Udara Kering  ! !oolumelume 1 1 2 2 " " # # $ $ % % & & ' ' ( ( 1) 1)  Nitrogen *N  Nitrogen *N22++ Oksigen *O Oksigen *O22++ Argon *Ar+ Argon *Ar+ idrogen * idrogen *22++  Neon *Ne+  Neon *Ne+ elium *e+ elium *e+ Kripton *Kr+ Kripton *Kr+ enon *e+ enon *e+ Karbondioksida *O Karbondioksida *O22++

/ebu dan kotoran /ebu dan kotoran

&',)'#)))) &',)'#)))) 2),(#%)))) 2),(#%)))) ),("#)))) ),("#)))) ),))))$)) ),))))$)) ),))1(21) ),))1(21) ),)))$2"( ),)))$2"( ),)))11"( ),)))11"( ),)))))'& ),)))))'& ),)2))#)) ),)2))#)) ),)1""#2$ ),)1""#2$ 0umlah 1)),))))))) 0umlah 1)),))))))) (George T.Austin, 1996) (George T.Austin, 1996) Udara kering ini memiliki berat molekul 2',(& grmol. Komponen Udara kering ini memiliki berat molekul 2',(& grmol. Komponen utama penyusun udara adalah gas Nitrogen dan Oksigen. as ini memiliki utama penyusun udara adalah gas Nitrogen dan Oksigen. as ini memiliki kadar tertinggi dalam udara.

kadar tertinggi dalam udara.

a

a.. OOkkssiiggeenn

Oksigen adalah unsur ketiga terbanyak yang ditemukan berlimpah di Oksigen adalah unsur ketiga terbanyak yang ditemukan berlimpah di matahari, dan memainkan peranan dalam siklus karbon-nitrogen,Oksigen matahari, dan memainkan peranan dalam siklus karbon-nitrogen,Oksigen leb

lebih ih larlarut ut daldalam am air air dardari i padpada a nitnitrogrogen. Air en. Air menmengangandundung g seksekitar itar satusatu mo

moleklekul ul OO22 ununtutuk k setsetiaiap p dudua a momolelekukul l NN22, , banbandindingkagkan n dendengan gan rasirasioo

atmos3erik yang sekitar 14#. Kelarutan oksigen dalam air bergantung pada atmos3erik yang sekitar 14#. Kelarutan oksigen dalam air bergantung pada suhu. 5ada suhu ) 6, konsentrasi oksigen dalam air adalah 1#,% mg78 suhu. 5ada suhu ) 6, konsentrasi oksigen dalam air adalah 1#,% mg789191_,,

manakala pada suhu 2) 6 oksigen yang larut adalah sekitar &,% mg78 manakala pada suhu 2) 6 oksigen yang larut adalah sekitar &,% mg789191_..

5ada suhu 2$ 6 dan 1 atm udara, air ta:ar mengandung %,)# m8 oksigen 5ada suhu 2$ 6 dan 1 atm udara, air ta:ar mengandung %,)# m8 oksigen  per

 per liter, liter, manakala manakala dalam dalam air air laut laut mengandung mengandung sekitar sekitar #,($ m8 #,($ m8 per per liter.liter. 5ad

 banyak daripada 2$ 6+ per liter untuk air murni dan &,2 m8 *#$ lebih+  per liter untuk air laut.

Oksigen cair dengan kadar kemurnian yang tinggi biasanya didapatkan dengan distilasi bertingkat udara cair. Oksigen cair juga dapat dihasilkan dari pengembunan udara, menggunakan nitrogen cair dengan  pendingin. Oksigen merupakan ;at yang sangat reakti3 dan harus dipisahkan dari bahan-bahan yang mudah terbakar. 5ada suhu dan tekanan  biasa, oksigen didapati sebagai dua atom oksigen dengan 3ormula kimia

O2.

b. Nitrogen

 Nitrogen adalah unsur kimia dalam table periodik yang memiliki lambang N dan nomer atom &. <iasanya ditemukan sebagai gas tanpa :arna, tanpa bau, tanpa rasa dan merupakan gas diatomic bukan logam yang stabil, sangat sulit bereaksi dengan unsur atau senya:a lainnya. /inamakan ;at lemas karena ;at ini bersi3at malas, tidak akti3 bereaksi dengan unsur lainnya.

 Nitrogen mengisi &',)'  atmos3ir bumi dan tedapat dalam banyak   jaringan hidup. =at lemas membentuk banyak senya:a penting seperti

asam amino, amoniak, asam nitrat dan sianida.Nitrogen memiliki si3at >  si3at 3isik sangat dekat dengan oksigen sehingga menyulitkan dalam proses  pemisahan oksigen dan nitrogen. Nitrogen tidak mendukung pembakaran, dan karena nitrogen adalah suatu gas yang tergolong asphyxiant, maka seseorang dalam lingkungan yang kaya akan nitrogen akan sangat cepat kehilangan kesadaran dan dapat meninggal dunia.Nitrogen pada tekanan atmos3erik adalah gas yang tidak ber:arna, tidak berasa, tidak berbau. <ila tercairkan, nitrogen 1(  lebih ringan dari air. ?itik didih pada tekanan atmos3er adalah -1(%@ *&& K+. dan berat molekulnya 2'.)1".8iuid nitrogen berbeda dengan liuid oksigen, karena nitrogen tidak ber:arna.  Nitrogen tidak memiliki si3at paragmetik seperti hal nya oksigen.

Argon adalah unsur kimia dalam tabel periodik  yang memiliki simbol Ar dan nomor atom 1'. as mulia ke-", di periode ', argon membentuk 1 dari atmos3er bumi. Argon adalah suatu unsur kimia yang disimbolkan dengan huru3 Ar. Argon merupakan unsur ketiga dari golongan !BBB A pada sistem periodic unsure. Unsur Argon pertama kali ditemukan oleh seorang ahli kimia Bnggris bernama William Ramsay  pada tahun 1'(#. /ia mengidenti3ikasi ;at baru yang terdapat dalam udara. Campel udara yang sudah diketahui mengandung nitrogen, oksigen, dan karbon dioksida dipisahkan. ?ernyata dari hasil pemisahan tersebut, masih tersisa suatu gas yang tidak reakti3 *inert +. as tersebut tidak dapat bereaksi dengan ;at-;at lain sehingga dinamakan argon *dari bahasa Dunani argos yang berarti malas+. Argon terdapat pada di atmospher dengan jumlah yang cukup kecil.

Unsur argon terdapat dalam atmospher bumi sebesar ),("  yang merupakan unsur gas mulia yang terbanyak di bumi. Cenya:a ini ditemukan dan dibuat melalui riset dan penelitian pada uniEersitas elsinki tahun 2))). Argon dapat berebtuk klathrat dengan air ketika atom-atomnya terikat pada kisi-kisi molekul air. 5erhitungan teori sudah menunjukkan beberapa senya:a argon dapat menjadi stabil namun dengan sintesis yang tidak gampang dan diketahui. /alam air, Argon mempunyai kelarutan yang sama dengan gas oksigen *O2+ dan 2.$ kali lebih besar dari pada gas nitrogen. Argon adalah

unsur yang tidak ber:arna, kurang berbau, kurang berasa, dan tidak bersi3at racun dalam bentuk gas dan cairan.

<eberapa man3aat dari unsur Argon yang selama ini telah digunakan adalah 4

- /igunakan dalam pengisian tabung pemadam kebakaran.

- Cebagai gas pengisi dalam bola lampu cahaya listrik, karena argon tidak   bereaksi dengan 3ilament cahaya lampu pada temperatur tinggi.

- Cebagai gas inert perisai dalam berbagai bentuk dari pengelasan, termasuk gas inert logam saat pengelasan dan gas pemortongan saat  pengelasan. Cebagai gas inert logam, argon biasanya sering dicampur 

dengan O2

- Cebagai pilihan gas pada plasma yang digunakan dalam B5 spectroscopy.

- Cebagai perisai yang tidak reakti3 pada proses titanium dan unsur rekati3  lainnya

2.2 Tinjauan Proses

as Bndustri memiliki peran dan 3ungsi penting dalam dunia industri, diantaranya digunakan sebagai bahan baku proses seperti oksigen, nitrogen, argon dan gas-gas lainnya. Celain itu juga dibutuhkan di hampir seluruh industri seperti pengerjaan logam, metalurgi, industri kimia dan petrokimia, industri elektronik, kesehatan dan 3armasi, industri makanan dan minuman,  pengolahan air, pengolahan limbah, agribisnis dan lain sebagainya. 5roses  pemisahan udara terbagi menjadi beberapa proses yaitu proses kriogenik,

membran, dan 5CA *5ressure C:ing Adsorption+.

2.2.1 Proses riogenik 

Kriogenik diartikan sebagai operasi yang dilangsungkan dalam keadaan temperatur yang sangat rendah. Fetode distilasi kriogenik dilakukan untuk memisahakan nitrogen dari udara dalam temperatur yang sangat rendah. 5rinsip dalam metode ini adalah adanya kesetimbangan uap dan cair, sehingga untuk memisahkannya, udara harus dicairkan terlebih dahulu.

5roses pembuatan oksigen, nitrogen dan argon dengan proses kriogenik dapat dibuat pada suhu rendah yaitu diba:ah -1)) o_{. 5roses ini}

ditemukan oleh arl Eon 8inde pada tahun 1'($ yang pada prinsipnya adalah dengan memurnikan udara bebas. Udara bebas atau udara atmos3er sebagai  bahan baku harus dihilangkan pengotor-pengotornya supaya tidak 

mengganggu dalam proses selanjutnya. 5engotor itu antara lain debu, O2, 2O dan hidrokarbon.

5roses 5emisahan Udara secara Kriogenik terdiri dari tiga langkah, yaitu 4

1. 5uri3ikasi udara yang masuk untuk menghilangkan partikel-partikel karbondioksida dan air.

2. Ge3rigerasi dan ekonomisasi dari nilai re3rigerasi yang terkandung pada aliran produk dan :aste.

". 5emisahan dengan proses destilasi.

<erikut ini adalah 3lo:sheet dari proses pemisahan udara secara kriogenik dapat dilihat pada gambar 2.1

!ambar 2.1 5roses pemisahan udara secara kriogenik 

2.2.2 Proses "embran

Fembran ialah sebuah penghalang selekti3 antara dua 3asa yang hanya dapat dile:ati oleh molekul berukuran tertentu atau impermeable untuk  molekul lainnya Fembran memiliki ketebalan yang berbeda-beda, ada yang tebal dan ada juga yang tipis serta ada yang homogen dan ada juga yang heterogen. /itinjau dari bahannya membran terdiri dari bahan alami dan  bahan sintetis. Fembran ber3ungsi untuk memisahkan komponen berdasarkan ukuran dan bentuk molekul serta sebagai sarana untuk memurnikan. 5emisahan gas dengan membran untuk memisahkan nitrogen dari udara telah dilakukan sejak tahun 1(')-an. Fembran yang pertama digunakan saat itu adalah dalam bentuk gulungan (spiral wound), tetapi yang saat ini digunakan merupakan bentuk bundelan (hollow i!er). karena dalam bentuk modul yang kecil diperoleh luas permukaan akti3 membran yang lebih besar.

Fembran itu sendiri terdiri dari polimer yang dapat menyerap pada suhu berbeda dan gas yang berbeda 5rinsip umum dalam metode pemisahan gas dengan membran adalah penyerapan selekti3 ("ele#ti$e permeation) mele:ati dinding membran nitrogen. ?iap gas mempunyai laju penyerapan yang khas. 8aju penyerapan diukur dari kelarutannya dalam bahan membran nitrogen untuk membran polimerik nitrogen. Cementara itu laju di3usi  bergantung pada Eolume molekul yang bebas dalam dinding membran nitrogen. as dengan ukuran molekul yang kecil dan menunjukkan kelarutan yang tinggi dalam membran nitrogen akan menyerap lebih cepat dari pada

molekul yang lebih besar dengan kelarutan yang kecil. Fembran ini terdiri dari tabung bundel yang dibuat dari polimer spesial yang terkon3igurasi dalam metode yang sama dengan tabung heat ex#hanger.

as akan le:at melalui selaput membran sesuai dengan laju  penyerapan (permeation rate). Kekhasan itu menyebabkan  ast gas seperti oksigen *uap air dan karbondioksida+ akan keluar lebih cepat melalui dinding tabung sehingga dapat dipisahkan dari  slow gas seperti nitrogen sehingga  produk nitrogen akan keluar dari unit membran. Fetode pemisahan gas dengan membran dianggap biaya yang paling e3ekti3  untuk aplikasi pada skala kecil. Halaupun demikian metode ini juga digunakan pada  produksi yang lebih besar yang memungkinkan perusahaan meningkatkan kapasitas  produksinya. Fetode membran tergolong metode yang sederhana, metode ini memerlukan kompresor yang lebih sedikit dari pada dengan metode kriogenik, tetapi membutuhkan kompresor yang lebih banyak dari pada metode adsorpsi *5CA+. <erikut ini adalah 3lo:sheet dari proses pemisahan udara secara membran pada gambar 2.2

!ambar 2.2 5roses pemisahan udara secara Fembran

2.2.# Proses P$A %Pressure $&ing A'sor(tion)

Adsorpsi merupakan salah satu teknologi yang digunakan untuk  memisahakan gas dari campurannya di ba:ah tekanan berdasarkan karakteristik dan daya tarik molekul terhadap bahan adsorben yang digunakan. 5roses ini berlangsung di sekitar temperature ambien, sangat  berbeda dengan proses kriogenik. <ahan adsorben dibuat khusus sabagai

molecular sieEe yang dimaksudkan agar mengadsorp target gas pada tekanan tinggi yang kemudian secara perlahan menjadi rendah tekanannya dengan  penyerapan kembali *desorb+ bahan absorben. Cemakin tinggi tekanan

adsorben, maka semakin banyak gas yang teradsorp. Ketika tekanan diturunkan, gas akan mengalami penyerapan kembali *desorb+.

5ada pemisahan udara, udara dile:atkan melalui bak yang berisi bed adsorben di ba:ah tekanan sehingga nitrogen tertarik lebih kuat dibandingkan oksigen. Nitrogen akan tertinggal dalam bed dan gas oksigen akan keluar dari  bak. Kemudian bed diregenerasi dengan menurunkan tekanan untuk melepas nitrogen yang teradsorp. <erikut ini adalah 3lo:sheet dari proses pemisahan udara secara 5CA pada gambar 2."

!ambar 2.# 5roses pemisahan udara secara 5CA

Karakteristik dari masing-masing proses dapat dilihat pada tabel 2.2 Tabel 2.2 Karakteristik 5roses 5emisahan Udara

arakteristik  Proses

riogenik P$A "embran 5 $,( > (,' atm (-1) bar  $."1$ bar  ? I - 1)) o_{ -1%%} o_{ -1&%.#}o_

<ahan baku Udara Udara Udara Kemurnian

5roduk 

 Nitrogen ((,(  Nitrogen ((,$  Nitrogen ((,&  Oksigen ((,%  Oksigen ((,$  Oksigen ((,'$ 

Argon ((, (  Argon ((,(  Argon ((,( 

<erdasarkan studi literatur pada bagian sebelumnya, metode yang e3ekti3 digunakan untuk produksi nitrogen, oksigen dan argon dalam skala industri adalah metode kriogenik. 0ika dibandingkan dengan metode linde-hampson dan claude, metode kriogenik membutuhkan energi yang tidak  terlalu besar, tetapi metode ini menghasilkan nitrogen, oksigen dan argon dengan kemurnian yang sangat tinggi, sehingga dengan pertimbangan ini

 produksi nitrogen, oksigen dan argon menggunakan metode kriogenik akan memperoleh lebih banyak keuntungan.

2.# $(esi*ikasi Ba+an Baku, Penunjang 'an Pro'uk  2.#.1 $(esi*ikasi Ba+an Baku

Udara adalah campuran dari berbagai macam gas, antara lain adalah  Nitrogen, Oksigen, Argon dan berbagai macam gas lainnya dalam jumlah kecil. Udara yang digunakan adalah udara yang telah dihilangkan kandungan uap airnya atau disebut udara kering. Komponen-komponen gas penyusun udara kering disajikan dalam tabel 2.#.

Tabel 2.- Komposisi as /alam Udara Kering

 No Komponen Udara Kering  !olume

1 2 " # $ % & ' ( 1)  Nitrogen *N2+ Oksigen *O2+ Argon *Ar+ idrogen *2+  Neon *Ne+ elium *e+ Kripton *Kr+ enon *e+ Karbondioksida *O2+

/ebu dan kotoran

&',)'#)))) 2),(#%)))) ),("#)))) ),))))$)) ),))1(21) ),)))$2"( ),)))11"( ),)))))'& ),)2))#)) ),)1""#2$ 0umlah 1)),))))))) 1. $(esi*ikasi Oksigen

Oksigen merupakan unsur yang berbentuk gas, tidak memiliki rasa  pada temperatur ruang dan tekanan 1 atmos3ir. Kandungan Oksigen dalam

udara kurang lebih 2) Eolume. Ci3at 3isik dan kimia dari Oksigen yaitu 4 Ci3at 3isik 4

• ?idak ber:arna dan berbau • ?idak beracun

• <erat molekul 4 "1,(('' grmol • /ensitas *J+ gas 4 #,#&$ kgm" • /ensitas *J+ cair 4 11#1 kgm" • 5anas laten 4 $),'&( kcalkg • ?itik didih 4 -1'2,(&6 • ?itik beku 4 -21',&( 6

• ?emperatur kritis 4 -11',"(6

• ?ekanan kritis 4 $1,'1 bar  • Kalor peleburan 4 ),### k0mol • Kalor penguapan 4 %,'2 k0mol • Kapasitas kalor 4 2(,"&' 0mol K 

(Wolgang Gerhart%, 1991) Ci3at kimia 4

• Ferupakan gas yang tidak dapat terbakar dengan sendirinya. • <ersi3at oksidator.

• Fempercepat proses pembakaran. • Cedikit larut dalam air.

(&erry, 19')

2. $(esi*ikasi Nitrogen

 Nitrogen merupakan unsur yang tidak berbau dan tidak ber:arna. 5ada udara, kandungan Nitrogen sekitar &' Eolume. Ci3at 3isik dan kimia  Nitrogen adalah sebagai berikut 4

Ci3at 3isik 4

• <erat molekul 4 2',)1"# grmol. • ?itik didih 4 -1($ )

• 5anas laten 4 #&,#$( kcalkg • /ensitas *J+ gas 4 #,#&$ kgm" • /ensitas *J+ cair 4 ')', %)& kgm" • ?itik beku 4 -21)6

• ?ekanan kritis 4 "#,%$ bar  • ?emperatur kritis 4 -1#%,()6 • Kalor peleburan 4 ),&2 k0mol • Kalor penguapan 4 $,$% k0mol • Kapasitas kalor 4 2(,12# 0mol

Ci3at kimia 4

• Ferupakan gas inert • ?idak mudah terbakar 

(&erry, 19')

#. $(esi*ikasi Argon

Argon merupakan gas yang tidak berasa dan tidak berbau pada tekanan atmos3er. Kandungan Argon dalam udara yaitu sekitar ),( Eolume. Ci3at 3isik dan kimia Argon yaitu 4

Ci3at 3isik 4

• <erat molekul 4 "(,(#' grmol • ?itik didih 4 -1'$,'% )

• 5anas laten 4 "',#)( kcalkg • /ensitas *J+ cair 4 1"(2,' kgm" • /ensitas *J+ gas 4 $,'$" kgm" • ?itik beku 4 -1'(,"&6

• ?emperatur kritis 4 -122,2(6 • ?ekanan kritis 4 #',(' bar  • Kalor peleburan 4 1,1' k0mol • Kalor penguapan 4 %,#" k0mol • Kapasitas kalor 4 2),&'% 0mol K 

(Wolgang Gerhart%, 1991) Ci3at kimia 4

• Ferupakan gas inert • ?idak mudah terbakar 

(&erry, 19')

-. $(esi*ikasi arbon ioksi'a

Karbon dioksida adalah gas yang tidak ber:arna dan tidak berbau. Kandungan O2 dalam udara yaitu sekitar ),)))2 Eolume. Karbon dioksida

tidak mempunyai bentuk cair pada tekanan di ba:ah $,1 atm namun langsung menjadi padat pada temperatur di ba:ah -&' 6. /alam bentuk padat, karbon dioksida umumnya disebut sebagai es kering. Ci3at 3isik dan kimia O2yaitu 4

Ci3at 3isik 4

• ?idak ber:arna

• <erat molekul 4 ##,))($ grmol • ?itik didih 4 -&' )

• /ensitas *J+ padat 4 1,%)) gr8 • /ensitas *J+ gas 4 1,(' gr8

• ?itik lebur 4 -$& 6 *diba:ah tekanan+ • Kelarutan dalam air 4 1,#$ gr8

• !iscositas 4 ),))& c5 pada -&' 6

Air bersi3at tidak  ber:arna, tidak  berasa dan tidak  berbau  pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 1)) k5a *1 bar+ and temperatur  2&",1$ K  *) 6+. Ci3at 3isik dan kimia 2O yaitu 4

Ci3at 3isik 4

• ?idak ber:arna, tidak berasa dan tidak berbau

• <erat molekul 4 1',)1$" grmol • ?itik didih 4 1)) )

• /ensitas *J+ padat 4 ),(2 grcm"

• /ensitas *J+ cair 4 ),((' grcm" pada 2) o • ?itik lebur 4 ) 6

• Kalor janis 4 #1'# 0kg K 

2.#.2 $(esi*ikasi Pro'uk 

<erikut ini adalah spesi3ikasi produk pemisahan udara secara kriogenik 4 a. Oksigen

- Hujud 4 cair  

- Kenampakan 4 tidak berbau, tidak ber:arna, tidak berasa - ?ekanan 4 1$) kgcm2

- Kemurnian 4 ((,1   b. Nitrogen

- Hujud 4 cair  

- Kenampakan 4 tidak berbau, tidak berasa, tidak ber:arna - ?ekanan 4 1$) kgcm2

- Kemurnian 4 ((,1 

- Ctandart 4 Ultra igh 5urity ma " ppm O2, " ppm 2O igh

5urity ma % ppm O2, $ ppm 2 Bndustrial grade ma 1) ppm O2

c. Argon

- Hujud 4 cair  

- ?ekanan 4 1$) kgcm2

- Kemurnian 4 ((,1 

- Ctandart 4 Ultra igh 5urity ma " ppm O2, " ppm 2O igh 5urity ma % ppm O2, $ ppm 2 Bndustrial grade ma 1)  ppm