Penggunaan dan Ekonomi
Oksigen
Pada tahun 1981 produksi oksigen di Amerika Serikat adalah 11,75 x 10^9 m3. Ini merupakan penurunan dibandingkan dengan 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 yang sangat efisien dan berisolasi baik, atau dengan sistem adsorpsi ayun tekanan. Penyediaan bahan baku tidak pernah menjadi masalah, dan karena biaya untuk pengangkutan produk cukup besar, pabrik oksigen biasanya ditempatkan berdekatan dengan lokasi pemakaian. Pabrik pemisahan udara biasanya ditempatkan dilahan pelanggan, sehingga pabrik tersebut disebut pabrik tapak (on-site plant). Pabrik ini mungkin masih dimiliki dan dioperasikan oleh perancang dan pembutanya, dan produk lalu disalurkan dengan pipa yang tidak panjang.
Pabrik pemisahan udara terdapat dalam bermacam macam ukuran, dari unit kriogenik kecil yang memproduksi kurang dari 1ton/hari sampai pabrik raksasa yang memproduksi lebih dari 1800 t/hri (gambar 1). Pabrik PSAberoperasi dalam kisaran ukuran dari 13 kg sampai 27 t/hari. Sebagian besar oksigen yang diproduksi mempunyai kemurnian tinggi (99,5%). Oksigen kemurnian rendah adalah yang tingkat kemurniannya antara 95 sampai 99%. Ketakmurnian yang terdapat pada oksigen kemurnian tinggi argon, runutan gas mulia, hidrokarbon, dan karbondioksida.
Penggunaan oksigen terutama adalah dalam produksi baja didalam tanur terbuka atau tanur oksigen. Industri baja juga menggunakan oksigen untuk membersihkan kerak dari besi gelondongan dengan nyala oksiasetilena dan untuk merapikan tonjolan tonjolan ketaksempurnaan. Industri kimia merupakan konsumen besar oksigen, dan menggunakan dalam berbagai penerapan, seperti pembuatan asetilena dan etilena oksida dan produksi amonia dan methanol melalui oksidasi parsial hidrokarbon.
Gambar 1. Pabrik Oksigen Kriogenik
Penggunaan lain adalah dalam pengerjaan logam, gasifikasi dibawah tanah dan operasi banjir api (fire flooading), untuk membantu dan meningkatkan pembakaran dalam proses metalurgi non fero, aplikasi pengobatan dirumah rumah sakit, dan oksigen perafasan bagi para penerbang. Dalam penerapan antariksa, tahap pertama roket Saturn V memerlukan 1,5 x 10 ^6 kg oksigen cair untuk oksidasi bahan bakarnya. Konsumsi NASA (badan antariksa AS) untuk tujuan ini mencapai puncaknya pada pertenghan tahun 1960 an, yang dipakai kira-kira 280 x 10^6 m3/tahun dan setelah itu turun lagi dengan selesainya program Apollo. Penggunaan baru yang paling potensial untuk oksigen adalah dalam pembuatan bahan bakar sintetik; gasifikasi batubara dan likuefikasi batu bara. Diperkirakan pada tahun 1990 penggunaan untuk ini melebihi penggunaan untuk baja.
Masalah lingkungan dan energi telah menimbulkan berbagai penerapan baru bagi oksigen. Perkotaan dan industri sekarang melakukan aerasi air llimbah dengan oksigen (dan tidak lagi dengan udara) dalam proses lumpur aktif perlakuan sekunder. Oksigen juga digunakan untuk pemusnahan dan konversi sampah menjadi produk berguna.
Nitrogen
Nitrogen merupakan gas industri terbesar pada tahun1981 dengan produksi sebesar 13,6 x 10^9 m3. Penggunaan utama nitrogen adalah untuk selimut gas yang mencegah kontak dengan oksigen dan kelembaban. Untuk ini nitrogen harus kering dan mengandung oksigen sangat rendah ( kurang dari 10 ppm). Penggunaan lainya ialah untuk mendapatkan suhu sangat dingin, sampai -210 C. Konsumsi nitrogen yang terbesar adalah untuk pembuatan amonia. Statistik produksi biasanya tidak mencakup penggunaan ini, karena nitrogen disini biasanya berasal dari umpan dan udara, dan bukan dari nitrogen yang dibeli. Penggunaan lainya aidalm industri kimia adalah untuk situasi yang tidak mengijinkan ada oksigen dan kelembaban, misalnya untuk menyelimuti proses polimerisasi, atau untuk aplikaasi sebagai pengencer misalnya untuk pengendali kecepatan reaksi. Nitrogen sudah banyak mengganti gas penyelimut tradiaional seperti gas bumi, dalam pembuatan roduk produk elektronik.
Nitrogen sangat banyak digunakan diindustri baja untuk penyelimutan dan penguatan kecerahan (bright annealing). Industri pengolahan bahan makanan menggunakan nitrogrn untuk membekukan makanan dan sebagai refrigeran (bahan refrigerasi) dalam pengolahan dan pengangkutan makanan beku dalam kondisi refrigerasi. Penggunaan lain Nitrogen cair adalah dalam perlakuan suhu rendah untuk logam, pemasangan ciut-suai suku suku alat, deflasing barang barang karet dan plastik cetak dan bahan kriobiologi untuk penyimpanan bahan-bahan biologi seperti darah atau semen sapi jantan, dan sebagai refrigeran dalam prosedur bedah krio.
Tabel 1. Sifat sifat udara dan penyusun tetapnya.
Penggunaan baru, yang berkembang cepat untuk nitrogen akhir akhir ini ialah dalam pengurasan tersier lapangan minyak tua. Gas itu digunakan untuk memelihara tekanan didalam sumur.
Pembuatan Oksigen dan Nitrogen
Oksigen dan Nitrogen secara prinsip dibuat melalui likuefaksi dan rektifikasi udara. Produksi melalui diasosiasi elektrolitik air sangat kecil dan tidak berarti. Udara adalah campuran beberapa zat, delapan diantara dalam konsentrasi tertentu yang tetap dan tujuh diantaranya mempunyai nilai komersial.
Produksi gas oksigen dengan kemurnian tinggi melalui proses kriogenik digambarkan dalam bentuk diagram alir pada gambar 2. Udara yang sudah disaring dikompresikan sampai tekanan 520 kPa di dalam kompresor sentrifugal dan sesudah itu didinginkan. Setelah air cair yang terdapat di dalamnya dipisahkan, udara itu masuk kedalam penukar kalor pembalik ( reversing heat exchanger ) dan didinginkan sampai mendekati titik embunya melalui penukar kalor dengan produk gas yang akan keluar. Dengan mendinginkannya udara tersebut, kelembaban yang ada pun mengondensasi dan membeku didinding dinding alur penukar kalor. Pada suhu yang lebih rendah lagi, karbon dioksida pun membeku dan juga mengendap di dinding dinding alur penukar kalor. Udara yang keluar penukar kalor pembalik sudah kering sekali dan lebih dari 99 % karbon dioksidanya pun sudah keluar. Untuk mengeluarkan sisa karbon dioksida digunakan adsorpsi fase gas unggun tetap, dan lebih penting lagi, semua hidrokarbon yang masuk bersama udara yang mungkin berbahaya dalam kehadiran oksigen cair juga terpisahkan. Udara kering kemudian diumpankan ke piring terbawah kolom bagian bawah dalam suatu rektifikator kolom ganda. Rincianya terdapat pada Gambar 2.
Gambar 2. Laju alir unit pemisahan udara (Union Carbide Corp, Linde Dive)
Reaktifikator kolom ganda itu terdiri dari dua buah kolom distilasi jenis piring, yang dihubungkan secara thermal pada bagian tengah sebuah penukar yang berfungsi sebagai kondensor bagian kolom bawah dan pendidih bagian kolom atas. Oleh karena nitrogen lebih mudah menguap dari pada oksigen, nitrogen akan bergerak naik di dalam kedua kolom tersebut, sedang oksigen turun. Jadi, pada pendidihan kolom atas terdapat suatu kolom oksigen cair yang mendidih dengan kemurnian tinggi, sedang pada kondensor kolom bawah mengkondensasi nitrogen yang hampir murni. Oleh karena titk didih normal oksigen 12,8 C lebih tinggi dari titik didih nitrogen, tekanan dibawah kolom harus cukup tinggi untuk menaikkan suhu kondensasi nitrogen secukupnya agar gaya dorong suhu positif didalam kondensor utama, Nitrogen yang sudah dikondensasi dipecah menjadi dua pada waktu keluar kondensor utama, satu bagian dikembalikan sebagai refluks dikolom bawah, dan sebagian lagi diarahkan ke kolom atas melalui pemanas lanjut nitrogen, juga digunakan sebagai refluks. Arus zat cair yang kaya oksigen (35%) keluar dari dasar kolom bawah dan setelah dingin lajutkan ke didalam pemanas lanjut nitrogen, lalu dijadikan arus umpan utama untuk kolom atas. Kedua zat cair yang masuk ke kolom atas didingin lanjutkan terlebih dahulu untuk mengurangi pengkilatan (flashing) bila masuk kedalam kolom atas yang tekananya lebih rendah. Produk oksigen keluar sebagai uap jenuh dari kondensor utama, dan produk nitrogen berkermurnian tinggi keluar sebagai uap jenuh dari puncak kolom atas . Gas yang tersisa dikeluarkan sebagai arus limbah nitrogen berkemurnnian rendah dari kolom atas, beberapa piring di bawah piring teratas.
Karbondioksida dan hidrokarbon ringan cenderung mengumpul di dalam oksigen cair didalam kondensor utama. Komponen ini disingkirkan dengan jalan sirkulasi cairan kondensor utama melalui perangkap adsorbsi silika gel untuk memecah menumpukkanya karbon dioksida dan hidrokarbon berbahaya.
Arus nitrogen dan arus oksigen tersebut keduanya dipanaslanjutkan sampai kira kira 100K. Dalam pemanaslanjutan nya masing masing dan diteruskan ke dalam penukar kalor pembalik untuk dipanaskan sampai suhu kamar dengan pertukaran kalor dengan udara masuk. Nitrogen berkemurnian tinggi dan oksigen berkemurnian tinggi tersebut dipanaskan dalam alur tak-pembalinya masing masing, sedang nitrogen limbah mengalir melalui karbon dioksida padat dan campuran beku yang telah mengendap sebelumnya dari udara, sehingga endapan itu mensublimasi ke dalam nitrogen limbah dan dibawa keluar dari penukar kalor. Aliran udara dan nitrogen dibalikkan secara periodik agar penukar kalor selalu bersih dan berada dalam kondisi operasi.
Refrigerasi yang diperlukan untuk mengatasi masuknya kalor ke dalam proses didapatkan dengan mengekspansi sebagian dari arus udara melalui turbin ekspansi sentrifugal. Secara ideal proses ini adalah suatu proses isentropi dengan entalpi udara yang berekspansi brkurang dan energi dikeluarkan dari proses melalui poros turbin. Udara yang bersih dan dingin untuk turbin ditarik sebelah hilir absorber dan dipanaskan kembali dalam aliran terpisah di dalam penukar kalor pembalik sampai mencapai suhu yang tepat sebelum dimasukkan kedalam turbin. Pemanasan ulang tersebut juga diperlukan untuk mengendalikan pola suhu, untuk membantu mendapatkan operasi yang bersih bagi penukar kalor pembalik. Udara yang keluar dari turbi diumpankan ke atas piring yang tebal di dalam kolom atas.
Penukar kalor yang digunakan biasanya terbuat dari aluminnium dengan plat dan sirip terpatri, dan sangat kompak. Piring distilasi yang digunakan boleh dari jenis perforasi atau tudung gelembung (bubble cup). Bahan konstruksinya adalah aluminium, baja tahan karat, tembaga, dan paduan tembaga. Semua peralatan suhu rendah dirakit, bersama pipa pipanya, di dalam peti peti yang berisolasikan bahan tak mudah terbakar.
Ada juga oksigen yang dibuat dengan proses adsorpsi ayun tekanan yang nonkriogenik dengan menggunakan lapis molekul sebagai adsorben untuk memisahkan oksigen dari udara tekan bersuhu kamar.
Gambar 3. Sistem pembangkit ayun tekanan, sistem pembangkit oksigen PSA "Oxysiv" dari Union Carbide
Proses ini menghasilkan oksigen dengan kemurnian bekisar antara 90 sampai 95 % dan kapasitas produksi 1 sampai 60 t/hari. Proses ini sederhana dan menghindarkan keharusan untuk menggunakan peralatan kriogenik, pengering umpan, pemanas regenerasi, dan segala macam utilitas dan biaya yang diperlukan.
Union Carbide memegang paten prosess PSA (US Patent 3.738.087) yang menggunakan tiga bejana. Dalam operasinya, masing -masing bejana bekerja dalam siklus yaitu tahap adsorpsi dan regenerasi. Satu bejana bekerja dalam siklus adsorpsi dan yang lain regenerasi, sebagaimana terlihat pada gambar 3. Bila bejana adsorpsi sudah mencapai kapasitas ketakmurnianya, umpan udara tekan dialihkan secara otomatis ke dalam bejana yang satu lagi. Bejana pertama pun dilakukan dalam tiga langkah berurutan yaitu penurunan tekanan, pembilasan dengan oksigen produk, dan pemberian tekanan sebagian, sampai bejana siap kembali untuk proses adsorpsi.
Pada tahap penurunan tekanan dan pembilasan, ketakmurnian dilepas dan dikeluarkan ke udara. Regenerasi tersebut diselesaikam pada tekanan atmosfer. Adsorpsi dan regenerasi berlangsung secara otomatis dan hanya mengandalkan operasi ayun tekanan. Di proses ini tidak diperlukan pemanasan atau refrigerasi yang mahal. Siklus dan aliran produk dikendalikan secara tomatis dengan penghitung waktu, pengalih tekanan dan kendali geganti (relay).
