Method of Nitrogen Separation (Metode Pemisahan Nitrogen)

METODE PEMISAHAN DAN PEMURNIAN NITROGEN (N2) DARI UDARA BEBAS

1.

Latar Belakang Masalah Nitrogen merupakan senyawa yang serba guna. Nitrogen sangat diperlukan oleh

tanaman, sehingga nitrogen sering kali dijadikan bahan utama dalam industri pupuk. Nitrogen merupakan gas yang bersifat inert sehingga

sangat dibutuhkan dalam

berbagai industri, baik industri pertambangan, industri pangan, industri farmasi maupun industri lainnya. Dalam industri pangan, nitrogen biasa digunakan untuk packaging

sebagai

pengisi

dalam

bungkus

makanan

agar

terhindar

dari

perkembangbiakan mikroorganisme. Gas nitrogen juga digunakan untuk melakukan pengosongan di pipa di industri kimia dan pertambangan agar tidak terjadi kebakaran. Di industri yang rentang terjadi kebakaran, nitrogen menjadi sebuah kebutuhan yang mutlak untuk alasan keselamatan. Karena kebutuhannya yang cukup besar, maka perlu adanya alternatif untuk memproduksi nitrogen murni dalam jumlah yang besar. Nitrogen biasa diambil dari udara bebas. Hal ini disebabkan kandungan nitrogen dalam udara sangat besar. Nitrogen adalah komponen yang paling besar di antara komponen lainnya yang merupakan 78% dari volume udara. Umumnya, Nitrogen dipisahkan dan dimurnikan dari udara dengan metode distilasi kriogenik. Metode distilasi kriogenik dilakukan dengan menurunkan temperatur hingga mencapai temperatur yang sangat rendah. Metode tradisional ini telah digunakan secara luas dalam industri. Tetapi dengan perkembangan teknologi muncul metode baru untuk memisahkan nitrogen, yaitu metode adsorpsi dan teknologi membran. Makalah ini memfokuskan pembahasan pada perbandingan antara beberapa metode untuk memisahkan nitrogen dari udara bebas, sehingga nantinya dapat dipilih metode yang paling efisien digunakan dalam memproduksi nitrogen untuk memperoleh kemurnian yang tinggi.

Pemisahan dan Pemurnian Nitrogen (N2) dari Udara Bebas Nila Huda/ 1408 100 045 Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Page 1 of 11

2.

Tujuan Tujuan penulisan makalah ini adalah untuk mempelajari dan membahas

beberapa metode untuk pemisahan nitrogen dari udara bebas serta membandingkannya sehingga dapat diperoleh kesimpulan metode mana yang paling efisien digunakan dalam memproduksi nitrogen untuk memperoleh kemurnian yang tinggi. 3.

Studi Literatur Udara adalah bagian dari atmosfer bumi yang merupakan lapisan yang

membungkus bumi setebal ± 86 km di atas permukaan tanah. Udara berupa campuran gas bersifat homogen, tak berwarna, tak bebau dan tak berasa. Udara kering dan bersih mengandung 78,08 % nitrogen, 20,95 % oksigen, 0,93 % argon dan 0,04 % gas lainnya seperti karbondioksida, neon, helium, metana, hidrogen dan kripton [1]. Karena kandungan nitrogen yang sangat tinggi, hal ini menyebabkan udara dijadikan sebagai bahan baku dalam memproduksi nitrogen dengan berbagai tingkat kemurnian.

Gambar 1. Komposisi udara kering Pemisahan nitrogen dari udara dapat dilakukan dengan beberapa metode, yaitu metode tradisional (kriogenik) yang telah digunakan dalam skala besar serta metode non kriogenik yang meliputi metode adsorpsi dan metode membran yang masih digunakan dalam skala kecil [2].

Pemisahan dan Pemurnian Nitrogen (N2) dari Udara Bebas Nila Huda/ 1408 100 045 Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Page 2 of 11

3. 1. Metode Distilasi Kriogenik Kriogenik diartikan sebagai operasi yang dilangsungkan dalam keadaan temperatur yang sangat rendah. Metode distilasi kriogenik dilakukan untuk memisahakan nitrogen dari udara dalam temperatur yang sangat rendah. Prinsip dalam metode ini adalah

adanya kesetimbangan uap

dan cair, sehingga untuk

memisahkannya, udara harus dicairkan terlebih dahulu [3]. Metode kriogenik merupakan metode pemisahan Nitrogen dari udara yang paling popular yang digunakan dalam skala besar atau sedang. Ini adalah teknologi untuk memproduksi nitrogen dengan biaya yang paling efektif dengan kemurnian yang tinggi. Pemisahan udara secara kriogenik dilakukan dengan mengambil sebagian besar volume udara, kemudian dilakukan proses kompresi, pendinginan dan pencairan yang selanjutnya dipisahkan dengan distilasi [4]. 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 dapat menambah efisiensi dari proses penyingkiran pengotor. Uap air pada udara akan mengembun ketika udara dilewatkan pada kompresor dan terpisah dari udara itu sendiri [4]. Uap air dan karbondioksida harus disingkirkan karena pada temperatur yang sangat rendah, uap air dan karbondioksida akan membeku dan terdeposit pada permukaan alat pemroses. Dua Metode umum yang dipergunakan untuk menyingkirkan uap air dan karbondioksida adalah reversing heat exchangers dan molecular sieve unit [4]. Hampir seluruh industri gas modern kini menggunakan metode molecular sieve units untuk memurnikan udara yang akan dipisahkan secara kriogenik. Udara dilewatkan pada molecular sieve 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. Pemisahan dan Pemurnian Nitrogen (N2) dari Udara Bebas Nila Huda/ 1408 100 045 Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Page 3 of 11

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 [5]. Metode lain

yang dipergunakan

untuk menyingkirkan

uap

air dan

karbondioksida 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 sisa gas yang bersifat sangat kering, sehingga menguapkan air dan menyublimkan karbondioksida. Sedangkan untuk penyingkiran hidrokarbon diperlukan pengadsorb yang harus ditambahkan [6]. Setelah melewati tahap penyingkiran pengotor, udara kemudian memasuki alat penukar kalor yang akan membawa udara pada keadaan temperatur kriogenik (kirakira -185oC). Proses pendinginan ini menghasilkan produk dingin dan sisa gas. Sisa gas ini kemudian dinaikkan lagi temperaturnya. Untuk mencapai temperatur kriogenik, pendinginan dilakukan dengan proses refrigerasi yang mencakup proses ekspansi [4]. 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 [4].

Gambar 2. Proses Pemisahan Nitrogen secara Kriogenik Pemisahan dan Pemurnian Nitrogen (N2) dari Udara Bebas Nila Huda/ 1408 100 045 Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Page 4 of 11

Pada proses Kriogenik ini diperoleh kemurnian nitrogen >99,99 % dengan kapasitas gas yang dihasilkan antara 200-300.000 Nm3/jam [7]. 3. 2. Metode Adsorpsi Adsorpsi merupakan salah satu teknologi yang digunakan untuk memisahakan gas dari campurannya di bawah tekanan berdasarkan karakteristik dan daya tarik molekul terhadap bahan adsorben yang digunakan. Proses ini berlangsung di sekitar temperature ambien, sangat berbeda dengan proses kriogenik. Bahan adsorben dibuat khusus sabagai molecular sieve yang dimaksudkan agar mengadsorp target gas pada tekanan tinggi yang kemudian secara perlahan menjadi rendah tekanannya dengan penyerapan kembali (desorb) bahan absorben. Semakin tinggi tekanan adsorben, maka semakin banyak gas yang teradsorp. Ketika tekanan diturunkan, gas akan mengalami penyerapan kembali (desorb) [8]. Pada pemisahan udara, udara dilewatkan melalui bak yang berisi bed adsorben di bawah 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 [8].

Gambar 3. Skema Pemisahan Nitrogen dengan metode adsorpsi (PSA) Kemurnian nitrogen yang diperoleh pada proses pemisahan dengan metode adsorpsi ini kurang dari 99,5% dengan kapasitas volume gas antara 100-5000 Nm3/jam. Pada metode adsorpsi (PSA) hanya memerlukan kompresor lebih sedikit Pemisahan dan Pemurnian Nitrogen (N2) dari Udara Bebas Nila Huda/ 1408 100 045 Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Page 5 of 11

sehingga dianggap hanya membutuhkan energi yang lebih kecil dari pada pada metode kriogenik [7]. 3. 3. Metode Membran Membran ialah sebuah penghalang selektif antara dua fasa yang hanya dapat dilewati oleh molekul berukuran tertentu atau impermeable untuk molekul lainnya [1]. Membran memiliki ketebalan yang berbeda-beda, ada yang tebal dan ada juga yang tipis serta ada yang homogen dan ada juga yang heterogen. Ditinjau dari bahannya membran terdiri dari bahan alami dan bahan sintetis. Membran berfungsi untuk memisahkan komponen berdasarkan ukuran dan bentuk molekul serta sebagai sarana untuk memurnikan. Pemisahan gas dengan membran untuk memisahkan nitrogen dari udara telah dilakukan sejak tahun 1980-an. Membran yang pertama digunakan saat itu adalah dalam bentuk gulungan (spiral wound), tetapi yang saat ini digunakan merupakan bentuk bundelan (hollow fiber) [9]. karena dalam bentuk modul yang kecil diperoleh luas permukaan aktif membran yang lebih besar [10]. Membran itu sendiri terdiri dari polimer yang dapat menyerap pada suhu berbeda dan gas yang berbeda [9].

(a)

(b)

Gambar 4. (a) modul membran gulungan (spiral wound). (b) modul membran bundelan serat (hollow fiber). Prinsip umum dalam metode pemisahan gas dengan membran adalah penyerapan selektif (Selective permeation) melewati dinding membran nitrogen. Tiap Pemisahan dan Pemurnian Nitrogen (N2) dari Udara Bebas Nila Huda/ 1408 100 045 Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Page 6 of 11

gas mempunyai laju penyerapan yang khas. Laju penyerapan diukur dari kelarutannya dalam bahan membran nitrogen untuk membran polimerik nitrogen. Sementara itu laju difusi bergantung pada volume molekul yang bebas dalam dinding membran nitrogen. Gas 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. Membran ini terdiri dari tabung bundel yang dibuat dari polimer spesial yang terkonfigurasi dalam metode yang sama dengan tabung heat exchanger [11]. Gas akan lewat melalui selaput membran sesuai dengan laju penyerapan (permeation rate). Kekhasan itu menyebabkan fast 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 [11].

Gambar 5. Cara Kerja Membran dalam Proses Pemisahan Nitrogen Metode pemisahan gas dengan membran dianggap biaya yang paling efektif untuk aplikasi pada skala kecil. Walaupun demikian metode ini juga digunakan pada produksi yang lebih besar yang memungkinkan perusahaan meningkatkan kapasitas produksinya [11]. Metode 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 (PSA) [12]. Pemisahan dan Pemurnian Nitrogen (N2) dari Udara Bebas Nila Huda/ 1408 100 045 Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Page 7 of 11

Kemurnian nitrogen yang dihasilkan dari proses membran adalah 99,99 %) dengan kapasitas produk yang besar, sehingga dengan pertimbangan ini produksi nitrogen menggunakan metode kriogenik akan memperoleh lebih banyak keuntungan. Jika dibutuhkan dalam skala kecil dan tidak dibutuhkan dalam tingkat kemurniaan yang tinggi, metode non kriogenik (adsorpsi dan membran) lebih baik. Hal ini disebabkan metode non kriogenik tidak membutuhkan energi yang besar. Selain itu, metode non kriogenik juga lebih sederhana.

Pemisahan dan Pemurnian Nitrogen (N2) dari Udara Bebas Nila Huda/ 1408 100 045 Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Page 9 of 11

5.

Pustaka

[1] Mulyono, (2006), Kamus Kimia, Bumi Aksara, Jakarta [2] Thorogood, (1991), Development in Air Separation, Vol. 5 June, Gas Separation & Purification, hal. 83-94 [3] Smith, J.M., Van Ness & Abbott, M.M., (2005), Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 7th Edition, McGraw-Hill, Inc., Singapore [4] Industrial Gas Plants, (08.05.2010), Cryogenic Air Separation, http://www. industrialgasplant.com/cryogenic-air-separation.html [5] Universitas Indonesia, (09.05.2010), Bab 6.doc, http://staff.ui.ac.id/internal/ 132092428/material/Bab6.doc [6] Geankoplis, (1997), Transport Processes

and Unit Operations, 3rd Edition,

Prentice-Hall of India, New Delhi [7] PSA

Plants,

(09.05.2010),

Non-Cryogenic

Purification

Techniques,

http://www.psaplants.com/psa-gas-purification-process.html [8] Wikipedia, (09.05.2010), Pressure Swing Adsorption, http://en.wikipedia.org/ wiki/Pressure_swing_adsorption?wasRedirected=true [9] Paul & Yampol’skii, (2000), Polymeric Gas Separation Membranes, CRC Press, Inc., Florida [10] Dickenson, (1992), Filter and Filtration Handbook, 3rd Edition, Elsevier Advance Technology, Great Britain, Hal. 83-103 [11] Industrial Gas Plants, (30.04.2010), Nitrogen Membrane System, http://www. industrialgasplant.com/membrane-separation.html [12] Balston, (2008), Is Bottled Nitrogen a Greenhouse Gas?, Analytical Gas System, Hal. 61 [13] Johnson, (1986), Materials for Membrane, Chemical Engineering Journal, Hal. 121-123 [14] Campo, (2010), Separation of Nitrogen from Air by Carbon Molecular Sieve Membranes, Vol. 350, Journal of Membrane Science, Hal. 139-147

Pemisahan dan Pemurnian Nitrogen (N2) dari Udara Bebas Nila Huda/ 1408 100 045 Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Page 10 of 11

[15] Richard, (2001), Polysulfone—Sulfonated Poly (Ether Ether) Ketone Blend Membranes: Systematic Synthesis and Characterization, Vol. 181, Journal of Membrane Science, Hal. 253-263 [16] Richard, (2004), Membrane Technology and Application, 2nd Edition, McGraw-Hill, England

Pemisahan dan Pemurnian Nitrogen (N2) dari Udara Bebas Nila Huda/ 1408 100 045 Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Page 11 of 11