Panduan Proses 101 untuk Pemisahan Udara dengan Metode Kriogenik

Dalam operasi berskala menengah hingga besar, teknologi pemisahan udara kriogenik sering digunakan untuk menghasilkan nitrogen, oksigen, dan argon baik dalam bentuk gas maupun cair.

Untuk memproduksi oksigen dan nitrogen ultra-murni, pemisahan udara secara kriogenik merupakan metode yang direkomendasikan. Bagi fasilitas dengan tingkat produksi tinggi, ini merupakan teknik yang paling ekonomis. Teknologi kriogenik digunakan dalam semua operasi yang menghasilkan komoditas gas industri cair.

Jumlah keluaran gas dan cairan yang akan dihasilkan, tingkat kemurnian produk yang diperlukan, serta tekanan pengiriman yang dibutuhkan, semuanya memengaruhi tingkat kerumitan dari pemisahan udara kriogenik prosedur, serta ukuran fisik peralatan dan energi yang diperlukan untuk mengoperasikannya.

Artikel ini berisi panduan proses pemisahan udara dengan metode kriogenik. Ayo kita mulai!

Apa itu Pemisahan Udara dan Distilasi Kriogenik?

Teknik pemisahan nitrogen dan oksigen dari udara dikenal sebagai distilasi kriogenik. Dalam beberapa kondisi, argon juga dapat diisolasi. Istilah “kriogenik” mengacu pada suhu dingin, sedangkan “distilasi” mengacu pada pemisahan unsur-unsur dari suatu campuran dengan memanfaatkan titik didih masing-masing unsur. Akibatnya, komponen-komponen dengan titik didih yang sangat rendah akan diekstraksi secara prioritas pada suhu rendah dalam proses distilasi kriogenik. Proses ini menghasilkan zat dengan tingkat kemurnian tinggi, namun proses ini juga sangat boros energi.

Cold box adalah wadah berinsulasi berukuran besar yang menampung kolom distilasi dan penukar panas yang beroperasi pada suhu yang sangat rendah. Efek Joule-Thomson, yang juga dikenal sebagai efek penyempitan, digunakan dalam sirkuit pendinginan. Gas mengalir melalui pintu berinsulasi atau sumbat berinsulasi yang permeabel selama proses penyempitan, dan suhu gas berubah seiring dengan fluktuasi tekanan.

Bahan-bahan yang Anda butuhkan

Udara ambien dapat mengandung kelembapan hingga 5% berdasarkan kandungan serta berbagai gas lain (biasanya dalam kadar jejak) yang harus dihilangkan di satu atau lebih titik dalam proses pemisahan udara dan pada tahap keluaran sistem pemurnian.

Langkah-langkah dan Proses Pemisahan Udara dengan Metode Kriogenik

Distilasi Kriogenik Udara: Tahapan-Tahapannya

1. Perawatan awal udara masuk, kompresi, dan pendinginan.
2. Menghilangkan Karbon Dioksida.
3. Konduksi panas untuk menurunkan suhu udara masuk hingga mencapai tingkat kriogenik.
4. Distilasi udara.
5. Pendinginan

1. Pra-pengolahan, Kompresi, dan Pendinginan Udara Masuk

Berdasarkan campuran produk yang direncanakan dan tekanan produk yang sesuai, udara dikompresi hingga mencapai tekanan antara 5 dan 8 bar (sekitar 75 hingga 115 psig) dalam kebanyakan kondisi. Setelah tahap kompresi terakhir, udara yang telah dikompresi tersebut didinginkan, dan sebagian besar uap dalam aliran udara mengembun serta dibuang, saat udara melewati serangkaian pendingin antar-fase dan pendingin lanjutan.

Karena suhu saluran pendinginan yang dapat dicapai (yang hampir selalu dibatasi oleh suhu bola basah atau bola kering udara sekitar) menentukan suhu akhir udara yang keluar dari struktur kompresi, suhu udara terkompresi seringkali jauh di atas suhu ideal untuk efisiensi maksimum dari kinerja unit hilir. Oleh karena itu, sistem pendingin mekanis sering digunakan untuk mendinginkan udara secara signifikan.

2. Menghilangkan Karbon Dioksida dan Kotoran Lainnya

Untuk memenuhi kriteria kualitas produk, beberapa komponen dalam aliran udara masuk harus dihilangkan. Uap air dan karbon dioksida harus dihilangkan dari udara sebelum masuk ke bagian distilasi kriogenik di pabrik, karena kedua zat tersebut akan membeku dan menumpuk di bagian luar peralatan proses pada suhu yang sangat rendah.

Saringan molekuler Unit dan penukar panas balik merupakan dua metode yang paling sering digunakan untuk menghilangkan uap dan karbon dioksida.

• Unit pra-pemurnian dengan saringan molekuler digunakan di hampir semua fasilitas pemisahan udara baru untuk mengekstraksi karbon dioksida dan air dari aliran udara dengan cara mengadsorpsi partikel-partikel tersebut pada permukaan luar bahan saringan molekuler pada suhu mendekati suhu kamar. Polutan lain, seperti hidrokarbon, yang mungkin ditemui di lingkungan industri dapat dengan mudah dihilangkan dengan menyesuaikan komposisi zat adsorben dalam sistem-sistem ini. Zat-zat adsorben biasanya disimpan dalam dua wadah yang identik, di mana salah satunya digunakan untuk memurnikan udara yang masuk, sedangkan yang lainnya diregenerasi dengan gas buang yang bersih. Pada interval waktu tertentu, kedua wadah tersebut bertukar fungsi. Apabila diperlukan rasio ekstraksi nitrogen yang tinggi, pemurnian awal menggunakan saringan molekuler merupakan pilihan yang tepat.
• Pilihan lainnya adalah menghilangkan air dan CO₂ menggunakan penukar panas “reversibel”. Meskipun penukar panas reversibel sering dianggap sebagai teknologi “kuno”, teknologi ini mungkin lebih hemat biaya untuk pabrik nitrogen atau oksigen dengan tingkat produksi yang lebih rendah. Pasokan udara terkompresi didinginkan dalam dua pasang penukar panas aluminium yang dilas pada pabrik yang menggunakan penukar panas reversibel.

Udara yang masuk didinginkan melalui pertukaran panas di “ujung panas” hingga mencapai suhu yang cukup rendah sehingga uap air dan karbon dioksida dapat mengendap pada permukaan penukar panas. Sebuah sistem katup secara bergantian mengatur aliran udara dan gas buang pada interval yang teratur. Setelah transisi tersebut, gas buang yang sangat kering dan dipanaskan secara diferensial menguapkan air dan menyublimkan embun beku karbon dioksida yang terbentuk selama interval pendinginan udara. Gas-gas ini dilepaskan kembali ke atmosfer, dan penukar panas yang dapat dibalikkan disiapkan untuk pembalikan fungsi aliran berikutnya setelah gas-gas tersebut sepenuhnya dihilangkan.

Sistem penyerapan dingin digunakan ketika penukar panas balik diterapkan untuk menghilangkan hidrokarbon yang masuk ke dalam unit distilasi. (Di Unit Pra-Pemurnian, polutan hidrokarbon dihilangkan bersamaan dengan uap air dan karbon dioksida ketika digunakan “bagian depan” saringan molekuler.)

3. Konduksi Panas untuk Menurunkan Suhu Aliran Udara hingga Tingkat Kriogenik

Pertukaran panas terjadi antara aliran udara masuk dan aliran gas keluaran yang dingin serta gas sisa yang keluar dari proses distilasi kriogenik dalam penukar panas aluminium yang disambung dengan teknik brazing. Saluran gas keluaran dipanaskan kembali hingga mencapai suhu yang mendekati suhu udara sekitar. Jumlah pendinginan yang perlu dihasilkan oleh fasilitas tersebut berkurang berkat pemulihan energi pendinginan dari saluran produk gas dan aliran gas sisa.

Teknik pendinginan yang memanfaatkan aliran dari satu atau lebih tahap tekanan yang ditingkatkan mampu menghasilkan suhu yang sangat rendah, yang diperlukan untuk distilasi kriogenik.

4. Distilasi Udara

Dua kolom distilasi digunakan secara berurutan untuk menghasilkan oksigen sebagai produk sampingan dalam sistem distilasi. Istilah “kolom tekanan tinggi” dan “kolom tekanan rendah” (atau, sebagai alternatif, “kolom bawah” dan “kolom atas”) adalah istilah yang paling umum digunakan. Fasilitas nitrogen dapat memiliki satu atau dua kolom, tergantung pada tingkat kemurniannya. Setiap kolom distilasi mengeluarkan nitrogen di bagian atas dan oksigen di bagian bawah. Apabila oksigen yang terkontaminasi yang dihasilkan pada kolom pertama (tekanan lebih tinggi) merupakan produk yang diinginkan, maka oksigen tersebut dimurnikan lebih lanjut pada kolom kedua yang bertekanan lebih rendah. Jika nitrogen ultra-murni yang diinginkan, kolom atas atau bertekanan rendah digunakan untuk menghilangkan hampir seluruh oksigen yang belum terpisahkan pada tahap distilasi pertama.

Argon memiliki titik didih yang sebanding dengan oksigen; oleh karena itu, jika yang dibutuhkan hanyalah oksigen dan nitrogen sebagai produk sampingan, argon sebaiknya tetap berada bersama aliran oksigen. Dalam sistem dua kolom konvensional, hal ini membatasi kemurnian oksigen hingga sekitar 97 persen. Jika oksigen dengan kemurnian rendah diperbolehkan (misalnya, untuk meningkatkan pembakaran), kemurnian oksigen dapat diturunkan hingga 95%. Namun, argon harus dihilangkan dari unit distilasi jika diinginkan oksigen dengan kemurnian tinggi.

Apabila argon diperlukan, argon tersebut diambil pada posisi di aliran bertekanan rendah di mana konsentrasi argon mencapai nilai maksimum. Argon yang diekstraksi diolah dalam menara distilasi argon mentah tipe “side-draw” yang terintegrasi dengan pilar bertekanan rendah. Aliran argon yang terkontaminasi dapat dibuang ke atmosfer, diolah di lokasi untuk menghilangkan oksigen dan nitrogen guna menghasilkan argon “murni”, atau disimpan dalam bentuk cair dan dikirim ke “pabrik pengolahan argon” yang berlokasi jauh. Pilihan ini umumnya ditentukan oleh jumlah argon yang tersedia serta analisis biaya-manfaat dari berbagai opsi yang ada. Sebagai pedoman dasar, pemurnian argon paling hemat biaya jika setidaknya 100 ton oksigen dihasilkan setiap hari.

Teknik bertahap digunakan untuk memproduksi argon murni dari argon mentah. Metode konvensional melibatkan penggunaan komponen “de-oxo” untuk menghilangkan 2–3 % oksigen yang terdapat dalam argon mentah. Ini adalah prosedur bertahap kecil yang secara kimiawi menggabungkan oksigen dengan hidrogen dalam wadah yang mengandung katalis, kemudian menghilangkan air yang dihasilkan (setelah pendinginan) dalam pengering saringan molekuler. Aliran argon bebas oksigen selanjutnya didistilasi untuk menghilangkan sisa nitrogen dan hidrogen yang tidak larut dalam unit distilasi “argon murni”.

Sebuah opsi produksi argon kedua telah muncul berkat kemajuan dalam teknologi distilasi kolom terisi: pemulihan argon secara sepenuhnya kriogenik, yang menggunakan kolom distilasi yang sangat tinggi (namun berdiameter sangat kecil) untuk mencapai pemisahan argon dan oksigen yang sulit dilakukan. Perbedaan titik didih yang relatif kecil antara oksigen dan argon mengharuskan dilakukannya beberapa tahap distilasi untuk memisahkan argon.

Jumlah oksigen yang diolah dalam sistem distilasi, serta berbagai variabel lain yang memengaruhi tingkat pemulihan, membatasi volume argon yang dapat dihasilkan oleh suatu fasilitas. Faktor-faktor tersebut meliputi volume oksigen cair yang dihasilkan dan konsistensi parameter operasi fasilitas. Produksi argon tidak boleh melebihi 4,4 persen dari laju aliran oksigen (berdasarkan volume) atau 5,5 persen berdasarkan berat, karena proporsi gas yang secara alami terdapat di udara.

Penukar panas bagian depan digunakan untuk mengalihkan aliran produk gas dingin dan aliran limbah yang berasal dari menara pemisahan udara. Penukar panas ini mendinginkan udara yang masuk sekaligus memanaskannya hingga mendekati suhu lingkungan. Sebagaimana disebutkan sebelumnya, perpindahan panas antara aliran masukan dan aliran produk mengurangi beban pendinginan bersih fasilitas tersebut dan, akibatnya, pemanfaatan energi.

5. Pendinginan

Untuk mengatasi kebocoran panas ke dalam peralatan pendingin serta pertukaran panas yang kurang optimal antara aliran gas yang masuk dan yang keluar, proses pendinginan dilakukan pada suhu kriogenik.

Siklus pendinginan yang digunakan dalam fasilitas pemisahan udara kriogenik secara teori sama dengan yang diterapkan pada sistem pendingin udara rumah tangga dan kendaraan bermotor. Bergantung pada jenis instalasi, satu atau lebih aliran bertekanan tinggi (nitrogen, gas sisa, gas umpan, atau gas hasil) diturunkan tekanannya, sehingga mendinginkan aliran tersebut. Penurunan tekanan (atau ekspansi) terjadi di dalam ekspander untuk meningkatkan pendinginan dan efisiensi energi industri. 

Suhu aliran gas akan menurun lebih signifikan ketika energi diambil darinya selama proses ekspansi dibandingkan ketika aliran gas tersebut hanya diperluas melalui katup. Energi yang dihasilkan oleh ekspander dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan kondensor proses, generator listrik, atau perangkat lain yang membutuhkan banyak energi, seperti pompa oli atau blower udara.

Aliran gas yang dihasilkan dari pabrik oksigen kriogenik/sistem pemisahan udara biasanya keluar dari cold box (wadah berinsulasi yang berisi bagian-bagian distilasi dan peralatan lain yang beroperasi pada suhu sangat rendah) pada suhu yang mendekati suhu atmosfer, namun pada tekanan yang lebih rendah; seringkali hanya sedikit di atas satu atmosfer (mutlak). Hal ini prosedur pemisahan dan pemurnian Secara umum, hal ini lebih efisien jika tekanan pengiriman dikurangi.

Meskipun tekanan yang lebih rendah memungkinkan kebutuhan daya pemisahan yang lebih rendah, jika hasil pemisahan harus disalurkan pada tekanan yang lebih tinggi, maka diperlukan kompresor produk atau salah satu dari beberapa alternatif siklus untuk menyalurkan nitrogen atau oksigen pada tekanan distribusi yang lebih tinggi secara langsung dari kotak pendingin. Teknik-teknik penyaluran bertekanan tinggi ini dapat lebih hemat biaya daripada pemisahan yang disertai kompresi, karena tidak memerlukan kompresor produk maupun listrik yang digunakannya.

Tips Efektif dan Aman

Sebelum memulai pembangunan dan perancangan sistem atau proses kriogenik apa pun, lakukan analisis bahaya secara formal. Identifikasi risiko-risiko yang ada dan cara mengatasinya. Pertimbangkan skenario “bagaimana jika”. Harap diingat bahwa mesin dapat mengalami kegagalan, cairan kriogenik dapat berubah menjadi gas dengan cepat, katup dapat bocor atau ditangani secara tidak benar, dan sistem vakum dapat mengalami gangguan. Terlepas dari ukuran atau tingkat kerumitan sistem kriogenik tersebut, penilaian ini harus dilakukan.

Sejak awal, sertakan aspek keselamatan dalam peralatan dan prosedur Anda. Memasukkan unsur-unsur keselamatan pada akhir tahap perancangan dapat memakan biaya dan waktu yang besar, serta berpotensi menyebabkan adanya bahaya yang terlewatkan. Perlu dicatat bahwa lebih baik menghilangkan bahaya melalui perancangan teknik daripada sekadar menguranginya.

Bahkan para ahli pun bisa saja melewatkan sesuatu atau melakukan kesalahan. Sangatlah penting untuk meminta pihak lain—baik rekan kerja, pakar eksternal, maupun badan peninjau resmi—mengevaluasi keamanan sistem kriogenik Anda, demi meningkatkan peluang terciptanya sistem yang aman.

Selalu nilai kemungkinan terjadinya bahaya kekurangan oksigen saat menangani cairan kriogenik atau gas inert, terlepas dari seberapa kecil pun jumlahnya. Pastikan bahwa bahaya tersebut tidak ada melalui penilaian, atau terapkan perbaikan desain atau langkah mitigasi yang relevan untuk menghilangkan atau mengurangi bahaya tersebut. Karena volume gas yang sangat besar yang dihasilkan bahkan oleh volume kecil cairan kriogenik dan kemungkinan bahwa, pada tingkat oksigen yang cukup rendah, gejala fisiologis pertama dapat berupa kehilangan kesadaran mendadak, disertai koma dan kematian, masalah ODH sangat serius.

Pada suhu kriogenik, gunakanlah hanya zat-zat yang telah terbukti berfungsi pada suhu tersebut. Perlu diingat bahwa zat-zat yang seharusnya berfungsi pada suhu kamar (seperti dinding luar wadah vakum) dapat mencapai suhu kriogenik akibat mekanisme kegagalan tertentu selama penilaian bahaya.

Pastikan bahwa setiap orang yang mengoperasikan atau berada di sekitar peralatan kriogenik, termasuk pengguna sesekali atau yang hanya sesekali menggunakannya, telah mengikuti pelatihan keselamatan mengenai bahaya kriogenik dan kekurangan oksigen sesuai dengan tingkat yang diwajibkan.

Selalu kenakan alat pelindung diri yang sesuai dan patuhi prosedur operasional yang telah ditetapkan. Mengambil jalan pintas sering kali berujung pada kecelakaan.

Intinya

Dalam proses pemisahan udara kriogenik, bahan pengering merupakan hal yang mutlak diperlukan. Anda perlu menggunakan pabrik yang dapat menawarkan produk-produk berkualitas tinggi kepada Anda. Hubungi kami dan kami akan dengan senang hati menawarkan layanan kami kepada Anda.