method of nitrogen separation (metode pemisahan nitrogen)

Pemisahan dan Pemurnian Nitrogen (N2) dari Udara Bebas Nila Huda/ 1408 100 045

Jurusan Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya of 11

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.



2. Tujuan

Tujuan penulisan makalah ini adalah untuk mempelajari dan membahas

beberapa metode untuk pemisahan nitrogen dari udara bebas serta membanding-

kannya 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].



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.



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 (kira-

kira -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



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



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



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].



Kemurnian nitrogen yang dihasilkan dari proses membran adalah <99 % degan

kapasitas 50-1.000 Nm3/jam [7].

Gambar 6. Diagram Proses Pemisahan Nitrogen

Bahan untuk Membran Pemisahan Gas Nitrogen

Banyak bahan polimer yang dapat dijadikan membran, tetapi tidak semua dapat

dipakai untuk pemisahan gas. Bahan membran dipilih berdasarkan pada kriteria

sebagai berikut [13]:

Bahan tersebut secara kimia harus tahan terhadap gas yang akan dipisahkan

(dalam hal ini adalah nitrogen).

Bahan membran harus tahan sacara fisik pada kondisi operasi selama proses

pemisahan berlangsung, tidak rusak pada tekanan dan temperature yang

dipakai.

Bahan harus mempunyai permeabilitas baik pada komponen gas yang akan

dipisahkan.

Mudah dalam pembuatan membrannya.

Membran yang dibentuk harus bersifat glassy untuk mencegah terjadinya

perubahan bentuk.

A. Membran Karbon Molecular Sieve

Membran karbon molecular sieve pada produksi nitrogen dari udara

mempunyai karakteristik struktur yang sama dengan adsorben karbon molecular sieve

yang digunakan pada sistem PSA (Pressure Swing Adsorption) . Di mana keduanya

merupakan jaringan dengan ukuran pori yang sangat sempit sehingga molekul yang

dipisahkan mempunyai ukuran yang sama. Oleh sebab itu, membran karbon molecular



sieve menjadi alternatif sebagai membran polimerik untuk biaya produksi yang rendah

dengan kemurnian nitrogen yang tinggi karena dapat meningkatkan selektivitas O2/N2

dan permeabilitas yang tinggi [14].

B. Membran Polysulfon

Bahan membran lain yang digunakan dalam pemisahan nitrogen adalah

polysulfon. Polysulfon ini sering digunakan karena mempunyai stabilitas termal, kimia

mekanik yang baik [15]. Polysulfon ini mempunyai selektivitas O2/N2 yang tinggi yang

dapat meminimalisir biaya proses produksi nitrogen [16]. Akan tetapi, sebagai polimer

yang sangat hidrofobik, akan cenderung terdeposisi pada beberapa zat terlarut

seperti protein sehingga menyebabkan fouling [15].

Gambar 7. Struktur Membran Polysulfon

4. Rekomendasi Penyelesaian Masalah

Berdasarkan studi literatur pada bagian sebelumnya, metode yang efektif

digunakan untuk produksi nitrogen dalam skala industri adalah metode tradisional

(distilasi kriogenik). Jika dibandingkan dengan metode adsorpsi dan membran, metode

kriogenik membutuhkan energi yang relatif besar, tetapi metode ini menghasilkan

nitrogen dengan kemurnian yang sangat tinggi (>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.



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



[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

method of nitrogen separation (metode pemisahan nitrogen)

Documents