BAB I

PENDAHULUAN

1. Pengertian Nitrogen

Nitrogen atau zat lemas adalah sebuah unsur kimia dalam tabel

periodik yang memiliki lambang N dan nomor atom 7. Biasanya ditemukan

sebagai gas tanpa warna, tanpa bau, tanpa rasa dan merupakan gas

diatomik bukan logam yang stabil, sangat sulit bereaksi dengan unsur

atau senyawa lainnya. Dinamakan zat lemas karena zat ini bersifat malas,

tidak aktif bereaksi dengan unsur lainnya. Nitrogen merupakan gas

industri terbesar pada tahun 1981 dengan produksi sebesar 13.6x109 m3.

Nitrogen adalah 78,08% persen dari atmosfir Bumi dan terdapat

dalam banyak jaringan hidup. Zat lemas membentuk banyak senyawa

penting seperti asam amino, amoniak, asam nitrat, dan sianida.

2. Sifat Fisik dan Kimia Nitrogen

7 karbon ← nitrogen → oksigen

-

↑

N

↓

PTabel periodik

Nama, Lambang, Nomor

atom

nitrogen, N, 7

Deret kimia nonmetals

Golongan, Periode, Blok 15, 2, p

Penampilan colorless

Massa atom 14.0067(2) g/mol

Konfigurasi elektron 1s2 2s2 2p3

Jumlah elektron tiap kulit 2, 5

Fase gas

Massa jenis 1.251 g/L (0 °C; 101,325 kPa)

Titik lebur 63.15 K (-210.00 °C, -346.00 °F)

Titik didih 77.36 K (-195.79 °C, -320.42 °F)

Titik kritis 126.21 K, 3.39 MPa

Kalor peleburan(N2) 0.720 kJ/mol

Kalor penguapan (N2) 5.57 kJ/mol

Kapasitas kalor(N2) 29.124 J/(mol·K) (25 °C)

Struktur kristal hexagonal

Bilangan oksidasi ±3, 5, 4, 2 (strongly acidic oxide)

Elektronegativitas 3.04 (skala Pauling)

Energi ionisasi ke-1: 1402.3 kJ/mol ke-2: 2856 kJ/mol

ke-3: 4578.1 kJ/mol

Konduktivitas termal(300

K)

25.83 mW/(m·K)

Tekanan uap

P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k

pada T/K 37 41 46 53 62 77

3. Kegunaan nitrogen

Gas Nitrogen memiliki banyak kegunaan dalam bidang industri, antara

lain:

Sebagai komponen utama pembuatan ammonia (konsumsi

terbesar), nitric acid, organic nitrates), dan cyanides

Sebagai gas inert pengganti udara dimana reaksi oksidasi tidak

diinginkan atau sebagai selimut gas yang mencegah kontak dengan

oksigen. Untuk ini nitrogen harus kering dan mengandung oksigen

sangat rendah (kurang dari 10 ppm).

Menjaga kesegaran makanan dalam kemasan dengan cara

mencegah rancid (tengik) dan kerusakan oksidasi dan sebagai

refrigeran dalam pengolahan dan pengangkutan makanan beku

dalam kondisi refrigerasi

Untuk mendapatkan suhu sangat dingin, sampai -210C

Zat pengisi bola lampu sebagai pengganti argon dengan harga lebih

murah.

Produksi komponen electronik, misalnya transistors, dioda, dan

integrated circuits

Sebagai dielectric gas untuk peralatan tegangan tinggi

Pembuatan stainless steel untuk penyelimutan dan penguatan

kecerahan (bright annealing)

Sistem bahan bakar pesawat militer untuk mengurangi bahaya

kebakaran

Pengisi ban mobil dan pesawat

Digunakan selama proses preparasi sampel untuk analisa kimia.

Penggunaan lainnya di industri kimia adalah untuk situasi yang

tidak mengizinkan ada oksigen dan kelembapan, misalnya untuk

menyelimuti proses polimerisasi, atau untuk aplikasi sebagai

pengencer, misalnya untuk mengendalikan kecepatan reaksi.

Sedangkan nitrogen cair memiliki kegunaan, antara lain:

Sebagai refrigerant

Pembekuan darah, sel reproduksi (sel telur dan sperma), dan

sampel biologi lain.

Pendingin perlatan lab dan detektor sinar-X

Pendingin CPU komputer dan peralatan komputer lain

Perlakuan suhu rendah untuk logam, deflasing barang-barang karet

dan plastik cetak,

ABudara

Produk N2

Limbah kaya O2

A

A

B B Budara

Produk N2

waste

A

udara Membran DEOXO

waste H2

Produk N2

BAB II

PROSES SINTESA

Nitrogen didapat dari udara. Proses untuk memisahkan nitrogen dengan

udara dapat dibagi menjadi beberapa cara, antara lain dengan menggunakan

membran, dengan cara adsorpsi, dan dengan cryogenic (low-temperature)

processes.

1. Produksi gas nitrogen menggunakan membran (cycle mode)

Proses produksi dilakukan dengan cara mengalirkan udara umpan ke

membran dengan menggunakan kompresor. Setelah melewati membran,

maka nitrogen akan terpisah dengan gas lain yang ada dalam udara

umpan. Jika menginginkan N2 dengan kemurnian yang rendah, dapat

menggunakan sistem membran single-stage. Sedangkan jika

menginginkan kemurnian N2 yang lebih tinggi dengan kapasitas yang lebih

besar dapat menggunakan sistem membran multi-stage. Dapat pula

digunakan membran DEOXO hybrid system jika menginginkan nitrogen

yang mengandung oksigen kurang dari 10ppm.

Flow Diagram Produksi Gas Nitrogen Menggunakan Membran

Single-stage:

Multi-stage:

Membran deoxo:

Keterangan skema: A=compressor ; B=membran

2. Produksi gas nitrogen dengan cara adsorpsi (Pressure Swing

Adsorption)

Nitrogen dapat diproduksi dengan adsorpsi tekanan rendah (pressure –

swing) menggunakan saringan molekul karbon (carbon moleculer sieves)

atau penyaring zeolitik molekular (zeolitic molecular sieves).

Proses produksi gas nitrogen dengan adsorpsi :

Umpan berupa udara dikompresi 5-12 bar. Melewati HE dengan

pendingin air dan kemudian melewati kondensor separator dan

diumpankan ke adsorber yang prosesnya bergantian antara adsorpsi dan

regenerasi. Air, CO2, dan O2 dihilangkan dengan adsorpsi carbon moleculer

sieve. Adsorben yang paling sering digunakan dalam pemisahan udara

adalah zeolit. Keunggulan zeolit ini adalah dapat dimodifikasi dengan

pertukaran kation, gradien listrik di permukaannya tinggi, struktur

rangkanya unik, ukuran pori kecil (mikropori), luas permukaan besar, dan

kinerja adsorpsi yang tinggi. Nitrogen yang tidak teradsorpsi

meninggalkan adsorber menuju buffer vessel pada tekanan 4-11bar

(masuk pada tekanan 1 bar) dan dikirim dari pipa. Pada waktu bersamaan

adsorber kedua diregenerasi dengan tekanan yang dinaikkan. Pada

prinsipnya peningkatan tekanan antara adsorpsi dan regenerasi juga

dapat diturunkan. Kompresor diganti dengan blower dan pompa vakum

yang digunakan untuk menaikkan tekanan selama regenerasi. PSA dapat

menghemat produksi nitrogen dengan kandungan residu O2 100 ppm

tanpa treatment katalis selanjutnya. Dengan menggunakan CMS yang

telah dikembangkan, hal ini memungkinkan untuk mengurangi residu

kandungan O2 dalam N2 hingga kurang dari 10 ppm. Titik embunnya

antara -60 hingga -70C, dan kandungan CO2 di bawah 5 ppm per volum.

Jika memproduksi gas nitrogen menggunakan proses adsorbsi maka

kandungan residu O2 dalam N2 dapat dikurangi dan tidak perlu lagi

menggunakan katalis pada treatment akhir proses.

Flow Diagram Produksi Gas Nitrogen Menggunakan Adsorbsi

Air

nitrogen

Residual gasa b

c

d1 d2

e

Keterangan:

a=kompresor b=HE c=condensat separator d1 dan d2= adsorber

e=vessel

3. Produksi gas nitrogen dengan cryogenic (low-temperature)

processes

Proses ini bertujuan mendapatkan nitrogen dari udara dengan

pendinginan. Prinsipnya adalah pencairan (liquified) nitrogen yang hanya

bisa dicapai di bawah kondisi kritis, yaitu T=132.5 K dan P=37.7 bar. Ada

dua jenis proses cryogenic yaitu

a. Single-column process (kolom tunggal)

Proses ini digunakan untuk memproduksi nitrogen fase gas dan

nitrogen cair dalam jumlah sedikit.

Udara disaring kemudian ditekan di kompresor dan didinginkan

dengan air dalam tipe direct-contact cooler. Setelah embun

dipisahkan dengan scrubber atau demister udara masuk ke

adsorber zeolite. Air, CO2, dan impuritas (hidrokarbon) dipisahkan.

Kemudian masuk ke HE dan di dalam HE udara didinginkan sampai

temperatur pencairannya. Udara kemudian masuk ke kolom

retrifikasi dengan tekanan operasi sekitar 6-10bar di mana

dipisahkan menjadi nitrogen murni (bagian atas kolom) dan cairan

yang kaya oksigen (pada bagian bawah). Bagian dari gas nitrogen

adalah produk nitrogen pada kolom bertekanan. Gas nitrogen yang

tidak terikut pada bagian atas kolom retrifikasi diumpankan ke

dalam evaporator/kondensor. Dalam evaporator/kondensor, larutan

yang kaya oksigen pada suhu rendah diuapkan dari larutan, dimana

panas yang dibutuhkan berasal dari kondensasi nitrogen pada

kolom pressure. Sebagian dari nitrogen cair digunakan untuk

menjaga refluk pada kolom distilasi. Gas tersebut (yang direfluk)

dapat diambil sebagai nitrogen cair. Oksigen cair yang telah

dievaporasi meninggalkan evaporator/kondensor sebagai gas

residu. Kemudian dipanaskan di HE dan masuk ke expansion

turbine. Pendinginan dijaga pada expander covers, kehilangan

panas sama dengan kebutuhan refrigasi untuk mencairkan

nitrogen. Setelah gas residu diekspansi mendekati tekanan

atmosfer, gas tersebut digunakan sebagai gas regenerasi untuk

molecular sieve adsorber.

b. Double-column process (kolom ganda)

Proses ini digunakan untuk memproduksi nitrogen fase gas

maupun nitrogen cair. Selain itu, proses ini biasanya digunakan

untuk memproduksi nitrogen dan gas lain, misal oksigen. Double

Coloumn menggunakan kolom ganda berupa High Pressure Column

(HPC) dan Low Pressure Column (LPC). Kedua kolom ini mempunyai

prinsip kerja yaitu pemisahan komponen udara berdasarkan titik

didih masing-masing komponen penyusun udara. Prinsip lain adalah

mengkombinasikan condenser pada HPC dan reboiler pada LPC.

Proses ini dijabarkan selanjutnya pada proses sintesa di bawah

ini.

Step 1. Eliminate Differences in Molecular Type

Step 2. Distribute the Chemicals

Step 3. Eliminate Differences in Composition

Step 4. Eliminate Differences in Temperature, Pressure, and

Phase

Step 5. Task Integration

PENYIAPAN BAHAN BAKU

o Filtrasi menggunakan air filter

Penyaringan udara umpan dari debu atau kotoran yang terdapat di

udara umpan (feed air) yang dapat mengganggu proses destilasi. Debu

yang terakumulasi dibersihkan dengan menggunakan udara dari MS unit

yang di by-pass untuk disemprotkan ke filter, sehingga didapat udara

bersih dan bebas debu dan kotoran.

o Kompresi menggunakan air compressor centrifugal 3 stage

Selain menekan udara hingga tekanannya cukup untuk mencapai

tekanan di High Pressure Column, kompressor ini juga berfungsi

menghisap udara umpan agar dapat masuk ke filter udara.

o Transfer panas menggunakan reactivation exchanger

Panas dari udara panas yang dilepaskan oleh stage terakhir dari air

compressor digunakan untuk transfer panas ke waste gas yang keluar dari

cold box sehingga waste gas mengalami kenaikan suhu dari 22-27 0C

menjadi 1000C. Waste gas ini dipakai untuk meregenerasi / mereaktifikasi

molekuler sieve unit.

o Pendinginan menggunakan high level freon cooler

Alat ini adalah seperangkat alat penukar kalor yang dilengkapi dengan

kompresor tipe screw dan sistem ekspansi untuk mengatur sirkulasi freon

dalam high level freon cooler. Bahan pendingin yang digunakan adalah

freon.

o Pemurnian

1) Penghilangan uap air menggunakan water separator

Uap air akan terpisah di water separator yang dilengkapi dengan

penangkap kondensat, karena gaya berat sebagai kondensat dan

udara keluar mengalir menuju molecular sieve unit. Uap air harus

dikeluarkan untuk menghindari terbentuknya proses pembekuan uap

air dalam alat proses karena suhu yang rendah atau dibawah 00 C dan

untuk mendapatkan kemurnian produk yang tinggi

2) Penghilangan CO2 dan hidrokarbon lain menggunakan Moleculer Sieve

Tower

Penyerapan uap air dan CO2 di udara proses dengan adsorber

(alumina gel di bagian bawah untuk menyerap uap air dan zeolit tipe

molecular sieve di bagian atas untuk mengikat CO2 dan HC)

b. Pendinginan menggunakan Air Exchanger tipe Plate fin

Dilakukan pendinginan terhadap udara umpan bertujuan untuk

memperoleh kondisi udara yang siap mencair. Prinsip yang dipakai adalah

pertukaran kalor dan sebagai media penukar kalor dimasukkan gas-gas yang

keluar dari kolom destilasi.

PEMBENTUKAN PRODUK & PEMURNIAN

a. Destilasi tahap 1 menggunakan High Pressure Coloumn tipe vertical

cylindrical

Dalam HPC terjadi proses rektifikasi yaitu kontaknya udara jenuh dengan

refluk nitrogen cair yang mengalir ke bawah sampai didapatkan kondisi yang

mendekati kesetimbangan sehingga tahap pemisahan kedua fase dapat

terbentuk. Sebagai umpan pada HPC, dimasukkan udara proses melalui

bagian bawah kolom. Cairan yang kaya akan oksigen (rich liquid) akan turun

menjadi down comer, terkumpul dibagian bawah kolom. Sedangkan gas

nitrogen akan naik ke puncak kolom. Nitrogen tersebut didinginkan

menggunakan hasil bawah (oksigen) dari Low Pressure Column. Nitrogen

tersebut kemudian diumpankan kembali ke Low Pressure Column.

b. Destilasi tahap 2 menggunakan Low Pressure Column

Memisahkan gas umpan dan larutan refluk dari high pressure column

dengan oksigen. Sehingga dihasilkan gas nitrogen terbentuk pada puncak

kolom dan oksigen yang pada dasar kolom.

c. Pencairan gas hasil destilasi menggunakan Main Condenser

Merupakan pencairan gas N2 yang terbentuk dari atas kolom LPC yang

sebagian direflukkan ke HPC, sedangkan yang sebagian didinginkan ke

Product Liquid Nitrogen Subcooler.

d. Pendinginan nitrogen cair menggunakan Product Liquid Nitrogen Subcooler

Nitrogen hasil kondensasi dimasukkan ke liquid nitrogen subcooler

kemudian dialirkan ke storage tank.

BAB III

ANALISA

Kelebihan dan Kekurangan Masing-Masing Proses

Pemilihan proses pemisahan tergantung pada produk gas yang diinginkan.

Berikut akan dijelaskan kelebihan dan kekurangan dari masing-masing proses :

Jenis Proses

Kelebihan Kekurangan

Membran Tersedia berbagai jenis membran (single state, multi state, dan membran deoxo) yang dapat dipilih dan disesuaikan dengan kemurnian dan kapasitas nitrogen yang ingin diproduksi.

Dapat dipilih selektivitas membran yang tinggi, sehingga didapat produk dengan kemurnian tinggi (mencapai 99,9 % pakai DEOXO)

Harga membran mahal Hanya bisa

memproduksi nitrogen Kapasitas produksi

rendah, maksimal 100 m3/jam

Ramah lingkungan dan tidak memerlukan tempat yang besar

Adsorbsi Dapat mengurangi kandungan residu O2 dalam N2

Tidak perlu menggunakan katalis pada treatment akhir proses

Selektivitas rendah Hanya bisa

memproduksi nitrogen Butuh biaya lagi untuk

regenerasiCriogenik Dapat memproduksi berbagai

macam gas selain nitrogen, antara lain oksigen dan argon

Kapasitas produk besar (>10.000m3/jam)

Kemurnian produk tinggi (hampir 100%)

Biaya pemasangan (instalation cost) lebih mahal

Heuristic

Heuristic 1

Select raw material and chemical reaction to avoid, or reduce, the handling and

storage of hazardous and toxic chemicals.

Pada proses pembuatan nitrogen, bahan baku diambil dari udara bebas.

Udara ini bebas dari racun karena udara inilah yang biasa dihirup manusia

sehari-hari.

Heuristic 3

When nearly pure product are required, eliminate inert species before the

reaction operations when the separations are easily accomplished and when the

catalyst is adversely affected by the inert, but not when a large exothermmic

heat of reaction must be removed.

Udara yang bebas masih mengandung kotoran, sehingga diperlukan

proses filtrasi sebelum melalui proses selanjutnya yaitu kompresi dan

pendinginan. Kemudian dilanjutkan dengan proses pemurnian untuk

menghilangkan CO2 dan hidrokarbon.

Heuristic 11

Separate vapor mixtures using partial condensation, cryogenic distillation,

absorbtion, adsorption, membrane, separation and/or desublimation.

Dalam proses yang kami pilih memakai cryogenic distillation karena

dapat memproduksi berbagai macam gas selain nitrogen antara lain

oksigen, kapasitas produk besar lebih dari 10000 m3/jam dan kemurnian

produk tinggi mencapai 100%

Heuristic 25

Unless required as part of the design of the separator or reactor, provide

necessary heat exchanger for heating or cooling process fluid streams, with or

without utilities, in a external shell and tube heat exchanger using

countercurrent flow. However, if a process stream requires heating above 750⁰F,

use a furnace unless the process fluid is subject to chemical decomposition.

Proses ini menggunakan HE dalam proses pemanasan dan pendinginan.

Untuk pemanasan dengan T=22 – 27 0C dilakukan tanpa utilitas

karena menggunakan udara panas yang dilepaskan oleh stage

terakhir dari air compresor. Untuk pendinginan T=400 C - T=170 C

dengan High Level Freon Cooler.

Heuristic 34

Use a fan to raise the gas pressure from atmospheris pressure to as high as 40

inches water gauge (10.1 kPa gauge or 1.47 psig). Use a blower or compressor to

raise the gas pressure to as high as 206 kPa gauge or 30 psig. Use a compressor

or a staged compressor system to attain pressure greater than 206 kPa gauge or

30 psig.

Tekanan yang dipakai rata rata sekitar 5 kg/cm2 dimana memiliki nilai

yang setara dengan 5000 kPa sehingga alat yang digunakan adalah

compressor.

BAB IV

KESIMPULAN

Metode pemisahan gas nitrogen dari udara bebas terdiri dari 3 jenis yaitu

membran, adsorbsi, dan kriogenik. Proses kriogenik sendiri ada 2 metode yaitu

single column process dan double column process. Proses pemisahan nitrogen

menggunakan cara double column process merupakan cara yang paling optimal.

Proses ini meliputi :

a. Penyiapan bahan baku

o Filtrasi menggunakan air filter

o Kompresi menggunakan air compressor centrifugal 3 stage

o Transfer panas menggunakan reactivation exchanger

o Pendinginan menggunakan high level freon cooler

o Pemurnian ( penghilangan uap air menggunakan water separator dan

penghilangan CO2 dan hidrokarbon lain menggunakan Moleculer Sieve

Tower )

o Pendinginan menggunakan Air Exchanger tipe Plate fin

b. Pembentukan produk & pemurnian

o Destilasi tahap 1 menggunakan High Pressure Coloumn tipe vertical

cylindrical

o Destilasi tahap 2 menggunakan Low Pressure Column

o Pencairan gas hasil destilasi menggunakan Main Condenser

o Pendinginan nitrogen cair menggunakan Product Liquid Nitrogen

Subcooler

DAFTAR PUSTAKA

Buku :

Austin, George T, 1996, Industri Proses Kimia, Jakarta, Erlangga.

Internet :

http://www.samator.com/services2.php

http://www.che.cemr.wvu.edu/publications/projects/large_proj/air.PDF

http://jurnal.pdii.lipi.go.id/admin/jurnal/23973437.pdf

http://staff.ui.ac.id/internal/132127784/material/kuliah_2.doc

http://www.chemeng.ui.ac.id/~sasep/Kriogenik.htm#modul