Sistem Pemisahan Dan Purifikasi
5.1 SISTEM PEMISAHAN UDARA
5.1.1 Sistem Linde double column
Sistem ini diperkenalkan pada tahun 1910 untuk mengatasi masalah banyaknya oksigen yang hilang karena terikut aliran nitrogen di dalam sistem Linde Single Column. Seperti sudah diketahui sebelumnya, pada sistem Linde Single Column bahwa kemurnian maksimum dari produk N2 adalah 94 % Nitrogen sedangkan sisanya adalah O2.
Pada sistem Double Column dapat dilihat bahwa ada dua kolom yang diletakkan bertumpuk; kolom yang dibawah biasanya beroperasi pada tekanan 0.5 – 0.6 Mpa, sedangkan kolom atas pada tekanan sekitar 0.1 Mpa. Perbedaan tekanan pada kedua kolom ini diperlukan agar tercapai perbedaan suhu yang diperlukan untuk mengoperasikan kondenser-reboiler yang terletak di antara kedua kolom. Pada sistem ini, gas N2 pada kolom bawah terkondensasi pada suhu sekitar 95 K sedangkan O2 cair pada kolom atas menguap pada suhu 90 K. N2 yang terkondensasi pada kolom bawah berfungsi sebagai reflux untuk kedua kolom. Jika produk yang diinginkan adalah O2 cair maka hanya ada 2 saluran pada heat exchanger karena saluran untuk gas O2 dihilangkan.
Pada sistem Double Column, umpan udara dimasukkan ke kompresor lalu didinginkan di heat exchanger dan didinginkan lagi di bottom kolom bawah dan diekspansi dengan JT Valve dan kemudaian baru diumpankan ke tengah-tengah kolom bawah. Sebagian N2 cair pada top dari kolom bawah diekspansi hingga mencapai tekanan kondisi operasi pada kolom atas dan diumpankan ke top kolom atas sebagai reflux. Sedangkan aliran bottom dari kolom bawah (enriched liquid air) juga dieksansi dengan expansion valve dan diumpankan ke tengah-tengah kolom atas.
Efisiensi aktual dari proses pemisahan udara ini pasti di bawah dari nilai teoritisnya. Ada 3 penyebab utama inefisiensi ini yaitu :
- Ketidakidealan dari proses refrigerasi
- Ketidaksempurnaan kerja dari heat exchanger
- Ada transfer panas dari lingkungan karena ketidak-sempurnaan dari sistem insulasi
5.1.2 Sistem kontemporer double column
Merupakan gambar dari sistem pemisahan Double Column yang sekarang ini banyak digunakan untuk memproduksi gas O2. Sistem ini memiliki beberapa kelebihan dibandingkan sistem Linde Double Column misalnya kontemporer Double Column lebih memiliki sedikit (irreversibilities) dibandingkan Linde Double Column sehingga untuk sistem kontemporer diperlukan dana yang lebih sedikit. Selain itu untuk sistem kontemporer hanya diperlukan 2 tingkatan tekanan dibandingkan Linde Double Column yang memerlukan 3 tingkatan tekanan. Hasil keseluruhan dari sistem ini adalah memerlukan tekanan udara umpan yang lebih rendah dibandingkan Linde Double Column yang berarti memerlukan daya kompresor yang lebih kecil. Keuntungan lainnya adalah sistem kontemporer ini tidak memerlukan reboiler pada bottom kolom bawah. Selain itu dibutuhkan transfer panas yang lebih kecil dibandingkan Linde Double Column untuk memenuhi jumlah aliran gas yang diperlukan di kolom bawah.
Tekanan kolom bawah pada sistem ini berkisar antara 0.405 – 0.607 Mpa. Uap yang naik ke top kolom bawah mengandung banyak N2 yang kemudian dikondensasikan di kondensor-reboiler. Sebagian dari N2 yang terkondensasi direflux ke kolom atas setelah sebelumnya diekspansi hingga 60.1 Mpa. Sedangkan aliran bottom kolom bawah yang banyak mengandung O2 diekspansi hingga mencapai tekanan yang sama dengan kolom atas dan kemudian diumpan ke kolom atas. Udara dingin yang diekspansi di turbin diumpankan ke tengah-tengah kolom atas. Jika unsurunsur lain pada aliran udara seperti argon dan neon dihilangkan dari udara di lokasi yang tepat pada kolom, maka akan dihasilkan kemurnian yang tinggi pada aliran gas O2 di reboiler kolom atas dan gas N2 dengan kemurnian yang tinggi pada aliran top kolom atas.
Grafik yang menunjukkan hubungan entalpi vs konsentrasi untuk sitem kontemporer double column. Perlu diketahui bahwa titik 10,11 dan 12 pada grafik tersebut adalah fiktif. Hal ini dilakukan untuk mempermudah pembuatan grafik. Keadaan 10 adalah kesetimbangan adiabatis dari kombinasi aliran no 2 dan 4. Keadaan 11 adalah kesetimbangan adiabatis dari kombinasi aliran no 3, 5 dan 6. Sedangkan keadaan 12 adalah kesetimbangan adiabatis dari kombinasi aliran no 1 dan 6 atau kombinasi dari aliran 7 dan 8.
Jika diinginkan O2 cair dengan kemurnian yang tinggi maka diperlukan udara dengan tekanan sebesar 10.1 – 15.2 Mpa. Yield maksimum dari oksigen cair dapat diperoleh ketika sekitar 50 % dari udara bertekanan tinggi dialirkan ke turbin. Karena melibatkan tekanan yang lebih tinggi maka jumlah daya untuk produksi O2 cair adalah tiga kali lebih besar dibandingkan untuk produksi O2 gas.
5.1.3 Sistem Linde Frankl
Sistem Linde Frankl dibuat pada tahun 1930-an untuk memenuhi permintaan O2 dan N2 yang sangat besar dari industri kimia dan baja. Bagian pencairan dari sistem ini sangat mirip dengan sistem pencairan Ammonia – Precooked Dual Pressure Claude. Sistem Linde Frankl ini dioperasikan dengan konsumsi daya sebesar satu setengah kali daya yang dikonsumsi oleh sistem Linde Double Column.
Udara yang sudah difilter akan ditekan dengan kompresor rotary hingga 0.55 Mpa. Sekitar 96 % dari total aliran udara akan dialirkan melewati 2 pasang regenerator. Di situ udara akan didinginkan dan uap air serta CO2 akan dibuang. Aliran O2 dingin dan gas N2 yang kembali dari kolom distilasi menjadi media pendingin di regenerator. 4% sisa aliran udara akan dialirkan ke scrubber untuk menyingkirkan CO2. Udara yang sudah akan didinginkan oleh beberapa heat exchanger yang disusun secara seri yang terdiri dari sebuah precooler, ammonia heat exchanger dan 2 heat exchanger untuk gas N2 . Udara dingin hasil dari heat exchanger tersebut akan diekspansi oleh expansion valve dan akan dikombinasikan (dicampur) dengan aliran terekspansi dari regenerator. Aliran gabungan ini dialirkan ke reboiler yang berada di kolom bawah dengan kondisi tekanan sebesar 0.5 Mpa.
Pada dasarnya cairan N2 murni akan dialirkan dari top kolom bawah dan dikirim ke subcooler dan kemudian diekspansi hingga 0.101 Mpa dan diumpankan ke top kolom atas. Pendinginan di subcooler berfungsi untuk mencegah terjadinya flashing pada cairan yang masuk ke kolom atas. Gas N2 dengan kemurnian tinggi akan dikeluarkan dari top kolom atasdan digunakan untuk mendinginkan N2 cair dari kolom bawah. Gas N2 juga dikeluarkan dari top kolom bawah dan gas ini digunakan untuk mendinginkan lebih lanjut aliran udara (ammonia precooled) dan kemudian diekspansi oleh mesin ekspansi hingga hingga 0.101 Mpa untuk mengurangi suhu gas N2. Sebagian dari aliran gas N2 terekspansi ini digunakan untuk mendinginkan aliran udara yang lebih kecil, sedangkan sisanya digunakan untuk proses pendinginan di regenerator.
5.1.4 Sistem Heylandt
Sistem ini adalah sistem pemisahan udara yang biasa digunakan untuk memproduksi O2 cair dan N2 cair. Sebuah kompresor empat tingkat (tidak terlihat di Gambar 6.4) digunakn untuk menekan udara yang masuk hingga mencapai 10 Mpa. Intercooler dan aftercooler dari kompresor memisahkan uap air dari udara. Sebuah mesin ekspansi menggerakkan kompresor kedua, dimana udara akan ditekan lebih lanjut hingga mencapai 13.7 Mpa. Udara yang sudah ditekan tersebut akan didinginkan hingga 233 K dengan mengalirkannya ke precooler dan ammonia exchanger. Setelah keluar dari ammonia exchanger aliran akan dibagi dua. Sebagian dialirkan ke heat exchanger utama dan kemudian diekspansi dengan expansion valve hingga 0.7 Mpa, sedangkan sebagian lagi dialirkan langsung ke mesin ekspansi dan ditekan hingga 0.7 Mpa dan suhu 111 K. Kedua aliran akan digabungkan kembali dan dialirkan ke scrubber dimana CO2 dan hidrokarbon akan dipisahkan dengan mengkontakkannya dengan udara cair. Keluaran dari scrubber lalu difilter untuk memisahkan padatan CO2 dan hidrokarbon. Udara cair murni dari scrubber akan digabung dengan aliran dari bottom kolom bawah dan kemudian dialirkan ke kolom atas sebagai umpan. Sedangkan keluaran gas dari top scrubber akan diumpankan ke kolom bawah.
Sebagian nitrogen cair dari kondenser kolom bawah akan didinginkan oleh gas nitrogen dari top kolom atas dan nitrogen cair tersebut akan diumpankan kembali sebagai reflux ke kolom atas setelah sebelumnya diekspansi hingga mencapai tekanan tertentu. O2 cair dipisahkan dengan reboiler kolom atas sedangkan N2 cair murni dapat diambil di kondenser dari komlom bawah. Gas nitrogen yang masuk dan mengandung pengotor akan mengalir ke top kolom atas dan akan dialirkan ke subcooler, heat exchanger utama dan precooler dan kemudian akan dibuang ke lingkungan.
Gambar Sistem pemisahan gas metode Heylandt
Kolom bawah beroperasi pada tekanan sekitar 0.7 Mpa sedangkan kolom bagian atas sekitar 0.2 Mpa. O2 dengan kemurnian 99.6 % dapat dihasilkan dari sistem ini dengan pengotor utamanya adalah argon. Produk nitrogen cair biasanya mengandung 7 ppm O2 sedangkan gas N2 yang dibuang ke lingkungan biasanya mengandung 2 % O2. Jika menginginkan kemurnian N2 yang lebih tinggi maka perlu ditambahkan plat-plat pada kolom dan argon harus dihilangkan dari kolom atas.
5.1.5 Kolom pemisahan argon
Udara biasanya mengandung 0.934 % argon dan titik didih argon diantara nitrogen dan oksigen. Argon dapat berada di dalam produk nitrogen atau produk oksigen sebagai pengotor. Dulu argon dianggap sebagai pengotor yang tidak ada gunanya tapi sekarang argon digunakan sebagai gas inert dalam proses pengelasan dan pembuatan lampu pijar.
Sistem pemisahan argon biasanya terdiri dari dua bagian dasar: (1) subsistem recovery, yang dapat dilihat pada Gambar dan (2) subsistem purifikasi. Konsentrasi argon terbanyak ada di bagian bawah dari kolom atas dari sistem pemisahan udara double column dimana di bagian itu juga terdapat banyak oksigen. Pada bagian bawah kolom atas ini, sebagian dari campuran oksigen-argon-nitrogen dialirkan ke kolom argon, dimana akan dihasilkan crude argon yang akan diambil dari bagian atas kolom tersebut. Sedangkan oksigen cair dikeluarkan dari bawah kolom dan akan dialirkan kembali ke bagian atas dari double column, sedangkan crude argon dialirkan ke sistem pemurnian argon.
Ada dua tipe dasar sistem pemurnian argon dalam industri: (1) sistem pembakaran katalitik yang dapat dilihat pada Gambar dan (2) sistem adsorpsi. Tipe yang pertama menggunakan penambahan hidrogen ke dalam aliran argon yang akan dimurnikan. Campuran ini ditekan hingga 0.5 MPa dan oksigen dihilangkan dengan cara pembakaran. Sehingga nantinya kandungan oksigen hanya ada 1 ppm (% vol), hidrogen 1 % dan nitrogen 1 % di dalam produk argon. Kondenser yang menggunakan air dingin sebagai media pendingin dan juga alumina drier akan menyingkirkan uap air yang terbentuk selama proses pembakaran. Hidrogen dan nitrogen yang tersisa akan dihilangkan dengan cara mengkondensasi aliran argon dan menggunakan crude argon yang diumpankan ke dalam sistem (ke dalam heat exchanger). Produk akhir argon mengandung, 20 ppm (% vol), dimana pengotor utamanya adalah nitrogen (1-10 ppm), oksigen (0-5 ppm) dan karbon dioksida (0-5 ppm).
Sedangkan sistem yang kedua menghilangkan oksigen dengan cara adsorpsi. Sebuah kolom rektifikasi digunakan untuk menghilangkan nitrogen dari campuran argon-oksigen. Campuran argon-oksigen akan terkumpul di reboiler dimana kemudian campuran tersebut dialirkan ke heat exchanger dan dua adsorban yang dipasang secara paralel akan mengadsorb oksigen. Gas argon lalu disaring untuk menyingkirkan partikel adsorban yang mungkin terikut ke dalam aliran argon.
5.1.6 Pemisahan neon dan helium
Setelah sebuah sistem pemisahan udara yang menggunakan double column telah digunakan dalam jangka waktu yang cukup lama, efektivitas transfer panas dalam kondenser-reboiler cenderung berkurang. Hal ini mengakibatkan akumulasi neon dan helium secara bertahap dalam nitrogen, dimana akan menurunkan tekanan parsial sehingga nitrogen tidak akan terkondensasi di kondenser. Masalah ini dapat diatasi secara periodik dengan membuang sebagian gas yang terakumulasi melalui kubah kondenser ke atmosfer atau ke sistem pemisahan neon.
Sebuah sistem pemisahan neon terdiri dari dua subsistem (1) subsistem recovery (2) subsistem purifikasi. Subsistem recovery terdiri dari sebuah kondenser-rectifier kecil dimana gas buang (vent gas) yang dialirkan ke sistem pemisahan ini akan dipisahkan neon dan heliumnya dari nitrogen. Lalu campuran crude neon dan helium dari kubah kondenser-rectifier akan dialirkan melalui refrigeran nitrogen cair untuk menghilangkan nitrogen yang tersisa. Sehingga akan dihasilkan aliran dengan komposisi: neon sekitar 95 % dan nitrogen & hidrogen sekitar 5 %.
Campuran neon – helium akan ditekan dan dimasukkan ke subsistem purifikasi. Nitrogen yang tersisa akan dihilangkan lebih lanjut. Lalu campuran dialirkan ke sebuah copper-oxide furnace untuk menghilangkan hidrogen yang ada dengan cara oksidasi sehingga nantinya terbentuk uap air. Uap air tersebut akan membeku di dalam moisture trap. Campuran neon-helium yang tersisa akan dialirkan ke charcoal trap dimana neon akan diadsorb. Helium akan dialirkan ke tabung discharge yang akan mengindikasikan kapan arang (charcoal) akan menjadi jenuh akan neon. Indikasi tersebut dibutuhkan untuk mengalihkan aliran dari moisture trap ke charcoal trap yang tersusun secara paralel untuk proses adsorpsi neon lebih lanjut dan juga proses desorpsi traps yang sudah jenuh akan neon dengan cara dipanaskan. Gas neon hasil desorbsi dipompa melalui tabung discharge. Kemurnian neon diperiksa dengan menggunakan teknik analisis, seperti penggunan alat gas kromatografi. Jika kemurnian neon tinggi maka gas neon dialirkan ke charcoal trap yang terakhir dimana helium yang masih tersisa akan dipisahkan dari neon. Setelah semua neon teradsorp maka trap akan dipanaskan dan neon murni akan dialirkan ke tangki penyimpanan.
5.1.7 Sistem Pemisahan krypton dan xenon
Krypton dan xenon adalah gas inert yang paling berat. Pada pabrik pemisahan udara, gas-gas ini lebih cenderung akan berada di produk O2 dibandingkan pada produk N2 karena titik didih krypton dan xenon lebih tinggi dibandingkan O2. Udara biasanya mengandung krypton sebesar 1.14 ppm dan xenon sebesar 0.086 ppm. Ada dua cara pendekatan untuk mendapatkan kedua gas inert ini. Yang pertama adalah mendapatkan gas-gas tersebut sebagai by-product (produk samping) dari sistem utama pemisahan udara sedangkan pendekatan yang kedua adalah sebuah sistem yang hanya memproduksi krypton dan xenon.
Gambar Skema subsistem recovery krypton dan xenon
Sistem proses untuk mendapatkan dan pemurnian krypton dan xenon. Sebuah kondenser-reboiler digunakan untuk menguapkan sebagian O2 dari aliran O2-krypton-Xe cair yang mengalir dari kondenser-reboiler utama yang berada di kolom utama. Gas N2 dari kolom bawah menyediakan panas untuk penguapan O2 tersebut. Untuk meminimalisasi kemungkinan adanya ledakan, maka jumlah hidrokarbon terutama asetilen harus dikurangi/dihindari keberadaannya dalam campuran O2. Campuran O2-krypton-xenon dari kondenser-reboiler akan dialirkan ke kolom stripping. Di situ O2 akan dipisahkan dari krypton dan xenon. Kemudian aliran krypton dan xenon tersebut akan dialirkan ke bagian pemurnian.
Pada bagian pemurnian aliran campuran krypton dan xenon akan diuapkan agar hidrokarbon yang tersisa akan teroksidasi di catalytic furnace sehingga akan menghasilkan uap air dan CO2 yang akan langsung dikeluarkan ke lingkungan setelah keluar furnace. Sebuah susunan paralel gel silika digunakan untuk mengadsorb krypton dan xenon, sedangkan pengotor lainnya tidak akan teradsorb. Ketika salah satu gel silika sudah jenuh maka gel silika tersebut akan diisolasi dari sistem dengan maksud untuk melepaskan krypton dan xenon dari gel silica dengan cara pemanasan. Krypton dan xenon yang sudah dilepaskan dari gel silika akan dialirkan ke kolom distilasi atau dipisahkan dengan cara adsorpsi dan desorpsi.
Proses bertekanan rendah untuk menghasilkan krypton dan xenon saja dirancang oleh Societe Air Liquide. Dalam prosesnya udara yang sudah ditekan akan didinginkan di regenerator, lalu diekspansi oleh mesin ekspansi dan dikirim ke kolom distilasi. Sebagian kecil dari udara dikeluarkan dari atas kolom dan kemudian berturut-turut akan dipanaskan, ditekan, didinginkan dan diekspansi sebelum akhirnya dicairkan dengan pertukaran panas yang terjadi di reboiler. Udara yang telah dicairkan akan diekspansi lalu dialirkan ke kolom utama sebagai reflux. Krypton dan xenon akan terkumpul di reboiler.
5.2 SISTEM PEMISAHAN HIDROGEN
5.2.1 Linde Brown hydrogen recovery
Gas coke-oven adalah salah satu sumber industri hidrogen di Eropa. Gas tersebut terdiri dari campuran hidrogen, metana, nitrogen, oksigen, CO2, etana, etilen, propilen dan hidrokarbon lainnya. Proses kondensasi-evaporasi yang sederhana digunakan dalam tahap pemisahan hidrogen karena titik didih hidrogen jauh lebih rendah dibandingkan unsur-unsur lain di dalam gas tersebut.
Sistem Linde Brown ini khusus dirancang untuk mensuplai hidrogen untuk pembuatan amonia. Pada sistem ini, semua pengotor seperti uap air, naftalen, benzene, toluen, xylen, amonia, asam nitrit dan senyawa sulfur dipisahkan pada suhu lingkungan. Lalu gas coke-oven ditekan, didinginkan menggunakan precooler dan didinginkan lebih lanjut hingga mencapai suhu dimana sebagian propilen terkondensasi. Heat exchanger berikutnya akan menurunkan suhu gas hingga sebagian besar etilen, etana, propilen dan sebagian metana terkondesasi. Metana yang belum terkondensasi akan dikondensasi pada kondensor-evaporator dengan menggunakan nitrogen sebagai refrigeran. Metana cair merupakan refrigeran utama untuk ketiga heat exchanger yang akan mendinginkan gas hidrogen yang masuk sebelum keluar dari sistem.
H2, N2, CO keluar dari kondenser-evaporator dan kemudian diumpankan ke bottom dari kolom rektifikasi. Sementara nitrogen cair dari luar diumpankan ke bagian top sebagai refluks jika dibutuhkan. Produk bawah terdiri dari CO dan N2 sedangkan produk atas adalah 75 % H2 dan 25 % N2. Untuk mendapatkan hidrogen yang lebih murni maka perlu ditambahkan sebuah kondenser-evaporator dan sebuah purifier pada aliran hidrogen-nitrogen yang baru keluar dari top kolom rektifikasi. Kondenser akan memisahkan sebagian besar N2 dan silika gel pada purifier akan menghilangkan sisa N2 yang masih ada dalam gas hidrogen sebelum gas hidrogen tersebut keluar dari sistem melalui ketiga heat exchanger.
5.2.2 Sistem pemisahan hidrogen L’Air Liquide
Salah satu sistem pemisahan H2 yang sudah banyak digunakan di Eropa adalah sistem pemisahan yang dibuat oleh Sociate L’Air Liquide yang menggunakan sebuah mesin ekspansi yang menghasilkan lebih dari 15 % daya kompresor yang dibutuhkan. Gas coke-oven ditekan hingga 2.5 Mpa dan kemudian didinginkan dalam heat exchanger. Dimana setelah keluar dari heat exchanger yang pertama maka propilen dan hidrokarbon yang sudah dalam keadaan cair akan dibuang. Sedangkan heat exchanger yang kedua akan mengkondensasi dan memisahkan etilen, etana dan sebagian metana. Sebuah kondenser-evaporator akan mengkondensasi metana yang tersisa. Sebagian dari metana yang terkondensasi di kondenser-evaporator akan direcycle. Dan diekspansi melalui sebuah valve setelah sebelumnya digabung dengan aliran etilen, etana dan metana cair dari heat exchanger yang kedua. Setelah keluar dari expansion valve maka aliran gabungan ini akan dimasukkan ke kondenser-evaporator dan berfungsi sebagai refrigeran. Gas hidrogen akan keluar dari puncak kondenser-evaporator dan akan diekspansi oleh expander hingga tekanan atmosfir dan akan digunakan untuk mendinginkan umpan coke-oven sebelum akan diambil sebagai produk.
Gambar Sistem Soiete L’Air Liqude
5.2.3 Separasi H2 dan deuterium
Nitrogen alami mengandung ± 0.015 % deuterium (% volume). Deuterium tersebut bercampur dengan hidrogen dengan cara membentuk molekul diatomik HD (Hidrogen-Deuterium). Pemisahan hidrogen dari deuterium dimungkinkan bila HD dijenuhkan terlebih dahulu.
Umpan campuran hidrogen yang mengandung HD ditekan oleh kompresor lalu dialirkan ke heat exchanger dan kemudian dibagi menjadi dua aliran. Aliran yang pertama diekspansi oleh mesin ekspansi, lalu dialirkan ke boiler yang ada di kolom utama (primary column) dan kemudian diekspansi dengan expansion valve sebelum akhirnya dialirkan ke puncak dari kolom utama. Sedangkan satu aliran lagi dialirkan ke reboiler yang ada di kolom deuterium. Kemudian diekspansi dengan expansion valve dan dialirkan ke puncak dari kolom utama bersama dengan aliran yang pertama.
Aliran bottom kolom utama mengandung ±3 % HD (% volume) dan akan dipisahkan lebih lanjut di bagian atas dari secondary column, sehingga akan dihasilkan HD dengan kemurnian 95 % (% volume) dalam fasa gas. Gas HD ini dipanaskan di heat exchanger dan dikatalisasi sehingga akan menghasilkan hidrogen, deuterium dan sisa HD yang tidak terurai. Campuran ini lalu didinginkan dan dikembalikan ke bagian bawah dari kolom deuterium. Aliran bottom dari kolom deuterium merupakan deuterium cair yang hampir murni. Campuran H2 –HD yang ada di kubah kolom deuterium dialirkan ke bagian atas dari secondary column untuk pemisahan lebih lanjut.
5.3 SISTEM PEMISAHAN HELIUM
5.3.1 Pemisahan helium dari gas alam
Skema sistem pemisahan helium dapat dilihat pada Gambar 6.13. Pada proses ini, gas alam yang masuk ke dalam sistem ini ditekan hingga 4.25 MPa dan dibebaskan dari CO2, hidrogen sulfida dan uap air. Gas yang sudah dimurnikan tersebut didinginkan di heat exchanger sehingga sebagian besar gas terkondensasi. Lalu diekspansi dengan throttling valve hingga 1.8 MPa dengan suhu 128 K. Kemudian diumpankan ke alat pemisah helium yang menggunakan nitrogen sebagai refrigeran. Pada alat ini 98 % dari gas dicairkan. Fasa uap yang disebut crude helium (60 % He dan 40 % N2 dan sedikit metana) akan dipanaskan sampai suhu lingkungan dan kemudian akan dimurnikan lebih lanjut. Sedangkan fasa cair yang telah terbebas dari helium akan digunakan untuk mengkondensasi gas alam yang masuk ke heat exchanger pertama.
Crude helium dimurnikan dengan cara ditekan hingga 18.7 MPa, lalu didinginkan dengan gas helium yang akan dikeluarkan dari sistem dan kemudian dialirkan ke alat pemisah helium dengan nitrogen yang akan memisahkan sebagian besar nitrogen dari campuran He-N2. N2 yang dipisahkan dalam fasa cair. Helium yang terikut dalam cairan nitrogen akan dipisahkan dengan cara mengekspansi cairan hingga 1.8 MPa di dalam separator dan kemudian dikembalikan ke kondenser pertama. Fasa uap yang meninggalkan kondenser berupa 98.5 % He dan 1.5 % N2.
5.3.2 Pemisahan isotop helium
Sebuah proses dengan dua langkah biasanya digunakan di laboratorium untuk memisahkan 3He dari 4He. Karena jumlah 3He di dalam campuran gas helium sangat kecil, maka difusi termal digunakan untuk menambah jumlah 3He menjadi 1 % dari campuran. Pemurnian 3He lebih lanjut dilakukan dengan cara distilasi.
Helium cair digunakan untuk mendinginkan bagian luar dari kolom difusi termal. Sebuah kawat yang dipanaskan diletakkan sepanjang kolom/tabung untuk menghasilkan perbedaan suhu antara kawat dengan tabung. Perbedaan suhu ini menyebabkan terjadinya difusi isotop 4He yang lebih berat menuju ke dinding tabung yang lebih dingin dan isotop 3He yang lebih ringan akan menuju ke kawat panas. Di dalam tabung juga ada perbedaan densitas yang akan menyebabkan gas di dalam sel difusi ada yang bergerak naik ke atas sepanjang permukaan kawat dan ada yang bergerak ke bawah sepanjang dinding tabung. Hal ini akan membuat 4He dan 3He akan terpisah. 4He akan keluar dari bawah sedangkan 3He dari atas.
5.4 PEMURNIAN GAS
Penghilangan pengotor dari gas yang akan didinginkan atau dicairkan dapat dilakukan dengan beberapa cara. Yang paling sering digunakan pada sistem kriogenik adalah dengan refrigeran, adsorpsi dan reaksi kimia.
5.4.1 Pemurnian dengan refrigerasi
Pemurnian dengan refrigerasi relatif mudah untuk memisahkan air, CO2 dan beberapa pengotor lainnya dengan cara kondensasi atau pembekuan. Regenerator atau heat exchanger mungkin digunakan pada sistem ini karena flow reversal secara periodik dibutuhkan untuk re-evaporate dan menyingkirkan endapan padat (pengotor). Jika pengotor dalam fasa cair, maka dipisahkan dengan gaya gravitasi (perbedaan densitas), yang berarti harus disediakan saluran/pipa yang terletak di bawah heat exchanger. Keefektifan dari sistem purifikasi ini tergantung kepada tekanan uap dari pengotor. Jika diasumsikan gas ideal, maka jumlah pengotor maksimum yang ada di dalam gas setelah proses refrigerasi akan berbanding terbalik dengan tekanan uapnya.
Jika gas ideal, maka hubungan fraksi mol dari sebuah komponen di dalam campuran dengan tekanan parsial dari komponen tersebut adalah ya = na/nm = pa/pt (6.1)
dimana :
na = mol dari komponen a
nm = mol total campuran
pa = tekanan parsial komponen a
pt = tekanan total campuran
ya = fraksi mol komponen a
Jika sebuah komponen yang ada di dalam campuran gas terkondensasi atau membeku, tekanan parsial dari komponen tersebut akan sama dengan tekanan jenuh dari komponen tersebut. Persamaan untuk mencari tekanan jenuh dari sebuah komponen dapat diturunkan dengan menggunakan asumsi gas sempurna dan menggunakan persamaan Clausius-Clapeyron:
(Ln p/po) = C1 – C2/T – C3 ln T (6.2)
dimana:
C1, C2,dan C3 = konstanta yang berbeda untuk tiap komponen(dapat dilihat pada Tabel 6.1)
Po = tekanan referensi
Fraksi mol dari pengotor yang tersisa dalam campuran gas pada suhu tertentu dapat ditentukan dengan persamaan :
Yi = Pi / PT (6.3)
dimana :
PT = tekanan total dari sistem
Pi = tekanan parsial dari komponen I
Yi = fraksi mol dari komponen I
Karena ketika menurunkan persamaan 6.2 gas diasumsikan ideal,maka perlu diperhatikan penggunaan persamaan ini ketika tekanan dari campuran gas menyimpang cukup jauh dari asumsi. Salah satu contoh adalah pada sebuah percobaan diketahui bahwa kandungan uap air dalam udara ternyata emapat kali lebih besar dibandingkan jika udara diasumsikan sebagai gas ideal pada suhu –227 K dan 20.2 MPa. Sehingga jika tekanan gas terlalu menyimpang dari keadaan ideal sebaiknya tidak menggunakan persamaan ini.
Contoh 5.1
Gas hidrogen yang belum murni dengan komposisi volumetrik 85 % H2, 9 % CH4 dan 6 % etana memasuki sebuah purifier yang menggunakan sistem refrigerasi pada suhu 300 K dan 0.1013 MPa. Asumsi gas H2 tersebut adalah gas ideal. Tentukan gas yang keluar dari purifier tersebut pada suhu 67 K dan P= 0.1013 MPa.
Jawab:
Tekanan uap dari tiap komponen sama dengan tekanan parsial pada saat jenuh. Dengan menggunakan persamaan 6.2 dan tabel 6.1, tekanan parsial untuk metana dan etana dapat ditentukan Pada kondisi 67 K dan 101.325 kPa.
Ln (pCH4 / 101.325) = 14.04585 – 1119.925/67 – 0.84985 ln 67 = - 6.24280
pCH4 = (101.325) exp(-6.24280) = 0.1970 kPa
ln (pC2H6 / 101.325) = 22.44295 – 2211.727/67 – 2.00404 ln 67 = - 18.99427
pC2H6 = (101.325) exp(-18.99427) = 5.710 x 10-7 kPa
Menggunakan persamaan 6.3 dengan å yi = 1, fraksi mol tiap komponen yang meninggalkan purifier adalah
YCH4 = (pCH4 / ptotal) = 0.1970/101.325 = 1.944 x 10-3
YC2H6 = (p C2H6/ptotal) = 5.710 x 10-7 / 101.325 = 5.635 x 10-9
YH2 = 1 – yCH4 – yC2H6= 0.9981
Jadi, komposisi gas yang meninggalkan purifier adalah 99.81 % hidrogen, 0.1944 % metana dan 5.6 x10-7 % etana.
5.4.2 Adsorpsi
Adsorpsi melibatkan kemampuan mengikat dan ketahanan satu atau lebih permukaan molekul dari sebuah gas pada permukaan sebuah padatan. Teknik adsorpsi ini memisahkan pengotor yang ada dalam gas pada suhu yang dekat dengan suhu kondensasi dari pengotornya. Bahan-bahan seperti silika gel, alumina gel, chorcoal dan zeolit banyak digunakan sebagai adsorban karena struktur fisik dari bahan-bahan tersebut memiliki luas permukaan yang besar. Biasanya adsorban jenis gel dan karbon memiliki ukuran pori-pori yang bervariasi sedangkan zeolit biasanya dibuat dengan ukuran pori-pori yang dikontrol sehingga variasinya tidak terlalu besar, yaitu sekitar 4 – 13 A. Sehingga zeolit lebih selektif dibandingkan adsorban yang lain.
Kapasitas kesetimbangan adsorpsi dari gel dan karbon merupakan fungsi suhu, tekanan parsial dari gas yang diadsorb dan sifat-sifat dari gas tersebut. Ada perkiraan bahwa adanya hubungan antara jumlah gas teradsorb per unit adsorban dengan volatilitas dari gas yang teradsorb. Oleh karena itu CO2 akan lebih banyak teradsorb dibandingkan N2. Secara umum dapat dikatakan, semakin besar perbedaan volatilitas dari komponen-komponen yang ada dalam gas maka semakin besar selektivitas untuk komponen yang lebih volatil.
Informasi yang dibutuhkan untuk mendesign adsorber pada suhu rendah adalah data kesetimbangan antara gas dan padatan serta laju adsorpsi. Data kesetimbangan untuk sebuah sistem biasanya sudah tersedia dari supplier. Laju adsorpsi biasanya sangat cepat. Jika konsentrasi dari gas teradsorb cukup besar, maka panas adsorpsi merupakan salah satu faktor penting dalam mendesain adsorber. Panas adsorpsi biasanya sama atau lebih besar dibandingkan panas kondensasi dari gas teradsorb.
Persamaan BET adalah salah satu persamaan yang banyak digunakan untuk memprediksi volune gas yang teradsorb oleh adsorban. Persamaan ini mengasumsikan bahwa sebuah molekul dapat ditarik oleh adsorban jika energi molekul tersebut lebih kecil dibandingkan energi interaksi antara molekul tersebut dengan adsorban.
Industri pemisahan udara saat ini biasanya menggunakan alat penyaring saja atau kombinasi dengan alumina untuk mengadsorb air dan karbon dioksida. Udara didinginkan hingga beberapa derajat di bawah titik beku air untuk meminimasi muatan air dalam adsorban dan memaksimalkan kapasitas karbon dioksida. Adsorban diregenerasi dengan 10-15 % udara dan dipanaskan hingga 425 – 525 K. Suhu regenerasi tergantung dari bahan adsorban yang digunakan. Sistem ini dapat menghasilkan 90 % dari umpan udara akan menjadi produk yang bebas dari pengotor. Tapi unit adsorpsi ini mampu mengoptimasikan sistem heat exchanger dan dapat menyederhanakan penggunaan beberapa peralatan yang beroperasi pada suhu rendah. Dengan pertimbangan seperti itu, maka penggunaan sistem pemisahan udara dengan unit adsorpsi dapat bersaing dalam hal harga dengan sistem yang menggunakan reversing heat exchanger (yang menggunakan sistem refrigerasi). Unit adsorpsi lebih efektif bila dipakai pada lokasi dengan kualitas udara yang jelek. Biasanya di industri, digunakan dua unit purifier adsorpsi, satu bekerja untuk mengadsorpsi sedangkan yang lain untuk proses desorbsi absorban dari pengotornya.
Aplikasi sistem adsorbsi cukup banyak, salah satunya untuk menghilangkan CO2 dan hidrokarbon yang masih tersisa setelah diolah di pabrik pemisahan udara. Adsorban juga digunakan di pabrik pencairan hidrogen untuk menghilangkan oksigen, nitrogen, metana dan pengotor-pengotor lain. Juga digunakan untuk memurnikan helium.
Unit pemurnian gas mungkin menggunakan kombinasi dari unit refrigerasi dan adsorpsi seperti terlihat pada Gambar Gas yang masih ada pengotornya masuk dari bagian bawah unit refrigerasi, dimana gas akan didinginkan dengan uap nitrogen. Air dan uap minyak (hidrokarbon) dikondensasi di dalam refrigeration purifier dan gas pengotor diadsorbsi di dalam adsorption purifier. Sebagian nitrogen cair yang berfungsi sebagai refrigeran akan menguap karena panas dari proses adsorpsi.
5.4.3 Pemurnian dengan proses kimia
Penggunaan senyawa organik, misal amine banyak digunakan sebagai pengabsorp karbon dioksida. Dalam proses pemisahan karbon dioksida ini akan terjadi reaksi kimia antara komponen aktif dari larutan amine dengan pengotor yang akan dihilangkan. Dengan laju resirkulasi amine yang cukup, maka karbon dioksida di dalam gas dapat berkurang hingga 25 ppm. Beberapa variasi sistem dapat dilakukan, terutama bila jumlah karbon dioksidanya banyak. Misalnya umpan gas yang akan dimurnikan diabsorb terlebih dahulu pengotornya dengan penggunaan larutan karbonat panas (misal: potassium karbonat) dan juga dilakukan perlakuan sekunder terhadap gas yang sudah hampir murni untuk memastikan tidak ada lagi karbon dioksida yang tersisa.
Skema sistem amine dapat dilihat pada Gambar Proses absorbsi merupakan reaksi kimia antara gas asam, air dan amine dimana akan menghasilkan amine karbonat, bikarbonat dan hidrosulfida. Larutan amine tersebut akan diregenerasi di stripper untuk menghilangkan pengotor yang telah diabsorb dengan cara dipanaskan yang akan membalikkan rekasi kimianya.
Gambar Sistem pemisahan CO2 menggunakan amine
Oksigen disingkirkan dengan menggunakan reaksi katalitik dengan menggunakan hidrogen untuk membentuk air. Katalis yang paling efektif adalah nikel yang dipanaskan hingga 573 K atau paladium dengan suhu ruangan. Kekurangan dari penggunaan paladium adalah mudah teracuni sementara oleh pengotor hidrokarbon-hidrokarbon tertentu atau karbon monoksida sedangkan performance dari katalis nikel tidak akan terganggu dengan kehadiran pengotor-pengotor tersebut.
0 komentar:
Posting Komentar