Gas nitrogen dan oksigen adalah bagian dari sesuatu hal yang tidak pernah kita lihat tetapi selalu dapat kita rasakan karena manfaatnya yang begitu besar. Kedua gas ini tersedia melimpah di udara yang memiliki kandungan 78,08% nitrogen, 20,95% oksigen, 0,93% argon, dan sisanya merupakan CO2 dan uap air. Dalam setiap hela nafas yang kita lakukan tanpa sadar, seluruh gas-gas ini terlibat di dalamnya. Selanjutnya, di bagian alveoli pada paru-paru, hanya gas oksigen lah yang diambil. Sementara itu gas-gas lainnya seperti nitrogen, CO2, dan lainnya dibuang melalui hembusan nafas. Walaupun tetap ada nitrogen yang terlarut di dalam darah, zat ini tidak akan bereaksi karena sifat dari gas inert adalah sulit untuk bereaksi.
Dengan semakin berkembangnya teknologi di bidang industri, aplikasi kedua gas oksigen dan nitrogen untuk kebutuhan industri pun semakin luas. Oksigen dipergunakan dalam pembakaran bahan bakar, tabung oksigen untuk olahraga menyelam, tabung oksigen kesehatan, dan masih banyak lagi. Sementara nitrogen yang merupakan gas inert merupakan salah satu dari sistem utilitas untuk menunjang operasi setiap pabrik, baik itu pabrik minyak dan gas maupun pabrik manufaktur lainnya. Nitrogen tersebut biasa digunakan untuk packaging di industri makanan sebagai pengisi udara di dalam bungkus makanan agar makanan terhindar dari pertumbuhan mikroorganisme, melakukan pengosongan di pipa atau vessel di industri kimia, petrochemical, refinery atau minyak dan gas, menghindari terjadinya api atau kebakaran, serta untuk breathing di tanki agar tidak terjadi vakum ataupun overpressure. Nitrogen sendiri adalah senyawa yang dibutuhkan oleh tanaman, sehingga nitrogen seringkali dijadikan bahan utama dalam industri pupuk.
Karena kebutuhannya yang cukup besar, maka banyak industri kimia yang memiliki sistem penghasil nitrogen dengan bahan mentah udara. Kenapa udara? Karena udara tersedia melimpah dan gratis di sekitar kita. Ada pula pabrik gas modern yang khusus memproduksi nitrogen, oksigen, dan sebagainya. Lalu bagaimanakah caranya memisahkan kedua gas ini dari udara bebas? Pernahkah kita membayangkan bagaimana cara untuk mengambil gas nitrogen dan oksigen yang tidak pernah kita lihat dari udara yang selalu kita hirup?
Pemisahan udara untuk memperoleh kedua senyawa nitrogen dan oksigen dalam keadaan mendekati murni dapat dilakukan secara kriogenik dan non-kriogenik. Dalam hal ini, kita akan membahas terlebih dahulu proses pemisahan secara kriogenik. Kriogenik diartikan sebagai operasi yang dilangsungkan dalam keadaan temperatur yang sangat rendah. Secara garis besar, udara dengan komponen-komponen penyusunnya dicairkan kemudian dilakukan pemisahan dengan metode distilasi yang memanfaatkan konsep kesetimbangan uap-cair antara nitrogen dan oksigen. Ada berbagai macam variasi dalam proses pemisahan udara pada industri gas. Variasi tersebut bergantung pada berbagai hal diantaranya jumlah produk yang hendak dihasilkan, kemurnian produk, tekanan gas berkaitan dengan transportasi fluida, dan lain-lain. Namun secara umum, semua proses pemisahan udara secara kriogenik memiliki tahap-tahap yang sama.
Pemisahan udara secara kriogenik menggunakan perbedaan titik didih antara nitrogen, oksigen, dan argon untuk memisahkan dan memurnikan produk-produk tersebut. Tahap pertama adalah filtering dan kompresi udara. Kompresi umumnya dilakukan hingga tekanan 90 psig atau 6 bar. Udara terkompresi kemudian didinginkan hingga mendekati temperatur ruangan menggunakan alat penukar kalor atau alat dengan sistem refrigerasi. Tahap kedua adalah proses penyingkiran uap air dan karbon dioksida yang masih tertinggal pada udara. Keduanya harus dihilangkan karena pada temperatur yang sangat rendah dapat membeku dan terdeposit pada permukaan alat pemroses. Efisiensi proses penyingkiran ini ditambah dari proses pendinginan sebelumnya yang membuat uap air mengembun saat udara dilewatkan pada kompresor dan terpisah dari udara itu sendiri.
Ada dua metode yang umum digunakan untuk menyingkirkan uap air dan karbon dioksida, yaitu reversing exchangers dan molecular sieve units. Pada reversing exchangers, udara umpan masuk ke dalam alat penukar panas dan didinginkan hingga air dan karbon dioksida membeku pada permukaan dinding alat penukar kalor. Setelah udara lewat, fungsi alat penukar kalor dibalikkan dengan dialirkannya waste gas yang bersifat sangat kering, sehingga menguapkan air dan menyublimkan karbon dioksida. Sementara untuk menyingkirkan hidrokarbon diperlukan pengadsorb tambahan. Pada molecular sieve units, molecular sieve akan mengadsorb uap air serta pengotor lainnya seperti hidrokarbon (untuk desain tertentu) yang terkandung di dalam udara yang dilewatkan. Molecular sieve umumnya terdiri dari dua bagian yang bekerja secara bergantian. Jika salah satu sedang bekerja, maka satu yang lain akan melakukan regenerasi.
Pada tahap berikutnya, udara yang telah bebas pengotor memasuki alat penukar kalor yang akan membawa udara pada temperatur kriogenik (± -185oC). Proses pendinginan ini menghasilkan produk dingin dan waste gas. Waste gas ini kemudian dinaikkan lagi temperaturnya agar kering dan dapat digunakan untuk proses penyingkiran pengotor. Untuk mencapai temperatur kriogenik sehingga proses distilasi dapat dilakukan, pendinginan dilakukan dengan proses refrigerasi yang mencakup proses ekspansi.
Tahap selanjutnya adalah proses distilasi. Banyak pabrik proses pemisahan udara mendasarkan kepada linde’s double distillation collumn process yang memiliki dua unit pemisahan. Unit pertama digunakan untuk mendapatkan produk-produk ringan seperti oksigen dan nitrogen. Unit ini memiliki dua kolom distilasi. Udara yang telah berada pada temperatur kriogenik memasuki kolom pertama yang bertekanan rendah. Temperatur kriogenik udara (-185oC) berada pada rentang titik didih nitrogen (-195,9oC) dan oksigen (-183,0oC) sehingga terjadilah kesetimbangan uap-cair pada sistem nitrogen-oksigen. Nitrogen yang lebih mudah menguap akan lebih mendominasi fasa uap dibandingkan oksigen. Fasa uap yang merupakan produk atas akan diumpankan ke bagian atas kolom kedua, sedangkan produk bawah diumpankan di tengah kolom. Di kolom kedua ini, umpan dari recycle unit dua untuk kolom bagian atas juga masuk. Akhirnya pada kolom kedua inilah produk akhir dihasilkan berupa gas nitrogen dengan kemurnian sekurang-kurangnya 99-99,5% dan oksigen dengan kemurnian 95-99,5%. Cairan yang kaya akan oksigen selanjutnya dilewatkan pada penukar panas tidak langsung dengan udara umpan sehingga dihasilkanlah produk gas oksigen.
Pada unit kedua, terdapat tiga kolom distilasi disertai adanya reaktor pembakar. Nitrogen yang terbawa ke unit kedua ini akan memasuki kolom pertama yang memisahkan nitrogen tersebut untuk direcylce ke unit pertama. Produk yang dikirim ke unit pertama adalah produk atas sementara produk bawah akan dikirim ke kolom kedua. Pada kolom kedua, produk atas akan dikirim ke reaktor sementara produk bawah akan dikirim kembali ke unit pertama. Produk atas kolom kedua ini akan dicampur dengan hidrogen dan dikirim ke reaktor pembakar. Reaktor ini berfungsi untuk menghilangkan hidrogen dengan reaksi pembakaran hidrogen yang menghasilkan air. Air yang dihasilkan selanjutnya dipisahkan di kolom reflux yang kemudian dibuang ke waste water treatment. Sementara gas yang komponen utamanya adalah nitrogen dan argon akan menjadi umpan kolom ketiga. Di kolom terakhir ini argon dan gas ringan yang masih bercampur akan dipisahkan. Produk utamanya berupa gas argon dan trace gas yang dibuang ke udara. Argon akan dihasilkan sebagai produk bawah sedangkan trace gas lainnya akan dihasilkan sebagai produk atas kolom distilasi.
Sumber referensi:
1.http://ivanhadinata.blogspot.com/2010/01/kesetimbangan-uap-cair-dalam-pemisahan.html
2.http://radiman.wordpress.com/2008/08/13/pemisahan-udara/
3.http://inovasi.iptek.net.id/paten/2942.pdf
