Cara membuat gas mulia dan sistemnya

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 (Gambar 6.1) 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.

                              Gambar 6.1 Sistem pemisahan gas metode Linde double column

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 :

1.      Ketidakidealan dari proses refrigerasi

2.      Ketidaksempurnaan kerja dari heat exchanger

3.      Ada transfer panas dari lingkungan karena ketidak-sempurnaan dari sistem insulasi

5.1.2    Sistem kontemporer double column

Gambar 6.2 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.

Gambar 6.2  Sistem pemisahan gas metode double column

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.

Gambar 6.3 adalah 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.

Gambar 6.3 Diagram entalpi-konsentrasi untuk sistem pemisahan gas metode

double column

Dari Gambar 6.3 bisa didapatkan beberapa rasio mole – daya alir yaitu :

           

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.