Sistem 1f2342

SISTEM PENYEDIAAN NITROGEN DAN UDARA TEKAN DI INDUSTRI

DISUSUN OLEH :

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2018

DAFTAR ISI

BAB I SISTEM PENYEDIAAN NITROGEN

BAB I SISTEM PENYEDIAAN NITROGEN

1.1 Pengertian Nitrogen Nitrogen (N2) merupakan gas yang tak berbau (odorless), tak berwarna (colorless), tidak ada rasa (tasteless), dan bersifat Inert yaitu gas diatomik bukan logam yang stabil dimana sangat sulit berekasi dengan unsur dan senyawa lainnya. Nitrogen (N2) mengisi kurang lebih 78% atmosfer bumi sisanya Oxygen (O2) 21%, Argon (Ar) 1% dan gas lainnya. Nitrogen (N2) terdapat dalam banyak jaringan hidup dan pembentuk banyak senyawa penting seperti asam amino dan asam nitrat yang merupakan komponen terpenting pembentuk DNA dan RNA yaitu sejenis protein cikal bakal kehidupan makhluk hidup. Seiring dengan arus industrialisasi dan meningkatnya permintaan Nitrogen (N2) untuk berbagai keperluan industri, Nitrogen (N2) diproduksi untuk skala industri dalam volume dan jumlah yang besar di pabrik pemisahan udara dimana udara dihisap, disaring, dibagi, dipampatkan dan didinginkan pada suhu ekstrem, dan terakhir dicairkan menjadi tiga jenis gas yaitu Nitrogen (N2), Oksigen (O2), dan Argon (Ar). Nitrogen (N2) berubah wujud dari bentuk gas menjadi cair pada suhu cryogenic yang sangat rendah yaitu -210 derajat celcius. Nitrogen yang berasal dari udara merupakan komponen utama dalam pembuatan pupuk dan telah banyak membantu identifikasi produksi bahan makanan di seluruh dunia. Pengembangan proses fiksasi nitrogen telah berasal memperjelas berbagai asas proses kimia dan proses tekanan tinggi, serta ikut menyumbang dalam perkembangan dunia teknik. Sebelum adanya proses fiksasi nitrogen

secara sintetik, sumber utama nitrogen untuk keperluan

pertanian hanyalah bahan limbah dan kotoran hewan, hasil – hasil dekomposisi bahan – bahan tersebut serta ammonium sulfat yang didapatkan dari hasil sampingan pembuatan kokas dari batu bara. Bahan – bahan ini tidak mudah ditangani dan jumlahnya pun tidak cukup banyak untuk dapat memenuhi semua kebutuhan yang diperlukan.

1.2 Manfaat Nitrogen 1.

Pembuatan ammoniak tetapi bukan dari N2 murni tetapi dari udara langsung

2

Untuk membuat atmosfer inert dalam berbagai proses yang terganggu oleh oksigen, misalnya dalam industry elektronika

3

Nitrogen cair digunakan sebagai pendingin untuk menciptakan suhu yang sangat rendah

4

Untuk melindungi bahan makanan dari gangguan bakteri dan jamur

5

Gas inert dalam pabrik

6

Start tip pada pabrik amoniak

1.3 Bahan Baku Proses Industri Nitrogen Bahan baku dalam proses industry nitrogen adalah udara. Gas inert biasanya adalah nitrogen. Nitrogen biasa diambil dari udara bebas. Alasan mengapa mengambil dari udara bebas adalah karena kandungan Nitrogen dalam udara sangat besar, nitrogen adalah komponen yang paling besar diantara komponen lainnya. Nitrogen dalam udara kering bisa mencapai 78%-V

1.4 Konsep Proses Industri Nitrogen Sebagian besar nitrogen dan oksigen dalam industri diproduksi dengan cara proses pemisahan udara pada suhu rendah atau proses adsorpsi. Produksi oksigen dan nitrogen cair pada kebanyakan industri digunakan proses pemisahan udara pada suhu rendah. Proses produksi nitrogen dan oksigen cair terdiri dari tiga tahapan proses yaitu proses pemurnian awal, proses pencairan, dan proses pemisahan. Selanjutnya sebagai tahapan akhir dilakukan proses pengisian gas ke dalam tabung pada Unit Filling Station. 1.

Proses Pemurnian Awal Proses pemurnian awal bertujuan untuk menghilangkan pengotor dari udara yang akan menyebabkan gangguan terhadap proses pemisahan udara pada suhu rendah. Udara dihisap oleh blower kemudian disaring dengan Air Filter. Lalu dikompresi sampai tekanan 5,8 bar pada Air Compressor dan didinginkan pada Reactivation Exchanger dari suhu

110oC hingga suhu 77oC, kemudian didinginkan kembali pada After Cooler hingga suhu 40oC. Selanjutnya udara yang telah dikompresi didinginkan sampai 20oC pada High Level Freon Refrigerator dan hasil kondensat dipisahkan. Lalu udara dialirkan melewati unit Molecular Sieves untuk menghilangkan air (H2O) dan gas karbondioksida yang terdapat dalam udara. Unit Molecular Sieves terdiri dari dua menara (tower) yang bekerja secara bergantian. Pada masing-masing menara berisi ayakan (molecular sieves) pada bagian atas dan alumina gel pada bagian bawah. Udara yang telah bebas dari air, gas karbondioksida, dan pengotor lainnya masuk ke dalam cold box. 2. Proses Pencairan Udara yang telah bebas dari air, gas karbondioksida, dan pengotor lainnya didinginkan dalam Heat Exchanger sampai mendekati suhu pencairan sebesar -166oC dengan tekanan 5,2 bar. Kemudian udara yang telah didinginkan dipisahkan menjadi komponen-komponenya pada kolom rektifikasi (distilasi terfraks)i 3. Proses Pemisahan Rektifikasi atau distilasi terfraksi adalah salah satu metode yang digunakan untuk memisahkan komponen-komponen yang terdapat dalam suatu cairan yang mengandung dua atau lebih penyusun berdasarkan

perbedaaan

tekanan

uap

pada

masing-masing

penyusunnya. Udara yang telah didinginkan pada Heat Exchanger dikirim ke bagian bawah dari High Pressure Column. Pada High Pressure Column udara dipisahkan menjadi gas nitrogen murni di bagian atas, nitrogen tidak murni di bagian tengah, dan cairan yang kaya oksigen (disebut juga rich liquid) di bagian bawah. Gas nitrogen murni dikondensasi dalam Main Condenser. Sebagian nitrogen cair digunakan sebagai cairan refluks pada High Pressure Column, sedangkan sisa cairan nitrogen dikirim ke Reflux Pure Nitrogen Subcooler dan didinginkan oleh gas nitrogen pada tekanan rendah, kemudian cairan tersebut digunakan sebagai cairan refluks pada Low Pressure Column.

Produk nitrogen cair diambil dari bagian atas High Pressure Column dan didinginkan oleh nitrogen tidak murni dalam Product Liquid Nitrogen Subcooler, lalu nitrogen cair yang telah didinginkan dikeluarkan secara langsung dari cold box dan dialirkan menuju tangki penyimpan nitrogen cair. Produk gas nitrogen diambil dari bagian atas Low Pressure Column dan dipanaskan pada suhu lingkungan di dalam Reflux Pure Nitrogen Subcooler dan Heat Exchanger. Udara cair pada bagian bawah High Pressure Column didinginkan dalam Rich Liquid Subcooler lalu diekspansi sampai tekanan rendah. Cairan tersebut dikirim ke bagian tengah dari Low Pressure Column sebagai cairan umpan. Pemisahan terakhir dilakukan dalam Low Pressure Column. Gas nitrogen berada di bagian atas, gas buang dan crude argon (O2 = 88-90% ; Ar = 12-10%) di bagian tengah, dan gas oksigen di bagian bawah kolom. Oksigen cair diambil dari bagian bawah High Pressure Column, lalu melewati Oxygen Filter dimana asetilen dan hidrokarbon lainnya yang terkandung dalam cairan dihilangkan, kemudian dialirkan ke dalam Main Condenser dan dievaporasi oleh penukar panas dengan cairan nitrogen murni. Oksigen cair yang telah dievaporasi digunakan sebagai reboil gas pada Low Pressure Column. Oksigen cair diambil dari bagian bawah Low Pressure Column, lalu dipompa oleh Liquid Oxygen Process Pump dan didinginkan dalam Product Oxygen Subcooler. Kemudian oksigen cair yang telah didinginkan dikeluarkan secara langsung dari cold box dan dialirkan menuju tangki penyimpan oksigen cair. 4. Proses Pengisian Pada Unit Filling Station, oksigen cair dan nitrogen cair yang telah dievaporasi dialirkan melalui pipa-pipa gas, lalu diisikan ke dalam tabung. Proses pengisian gas dilakukan dengan cara menekan (kompresi) gas tersebut sampai tekanan 165 bar ke dalam tabung-tabung gas dalam rak. Pada Unit Filling Station dilakukan pengisian untuk gas

nitrogen, gas oksigen, gas argon, gas argon shield, karbondioksida, dan udara tekan.

1.5 Flowsheet Pembuatan Industri Nitrogen

BAB II SISTEM PENYEDIAAN UDARA TEKAN

2.1 Pengertian Udara Tekan Compressed air adalah salah satu cara untuk mengkonversi energi dengan cara memampatkan udara sekitar untuk berbagai keperluan manusia. Contoh dalam kehidupan sehari-hari adalah digunakan untuk mengisi ban kendaraan, untuk menyemprotkan anti serangga, untuk pengecatan/airbrush. Pada gambar berikut ini menjelaskan balon akan mengembang karena berisi udara tekan. Pada saat ujung balon dibuka maka balon akan

bergerak

berlawanan arah keluarnya udara tekan ke udara bebas.

Konsep dasar compressed air.

Hampir 90% industri menggunakan udara tekan untuk berbagai keperluan. Mulai dari udara proses, misalkan pada industri pemisahan gas (separation gases) serta industri fermentasi sebagaimana pada industri MSG. Udara tekan sebagian besar juga digunakan untuk udara instrumentasi yaitu pada industri yang sudah menerapkan otomatisasi dengan menggunakan peralatan pneumatik. Pada industri rokok misalnya, saat sebuah pabrik memutuskan berpindah dari industri

sigaret kretek tangan (SKT) menjadi

industri sigaret kretek mesin (SKM), maka kehadiran buruh-buruh trampil

penggulung rokok digantikan dengan kehadiran mesin penggulung rokok yang menggunakan kompresor. Umumnya, sumber penggerak udara tekan, yang disebut juga dengan air tool, digunakan pada daerah operasi yang rawan percikan api. Alasan safety inilah yang menyebabkan air tool mempunyai nilai lebih dibandingkan dengan electrical tool. Alasan kedua adalah masalah efisiensi. Karena penggunaan air tool lebih murah dibandingkan listrik yang terpakai untuk electrical tool.

2.2 Sistem Udara Tekan Untuk mendapatkan udara yang diinginkan pada pabrik maka digunakanlah alat yaitu Kompresor. Kompresor merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengatur besar kecilnya tekanan yang dihasilkan. Plant industri menggunakan udara tekan untuk seluruh operasi produksinya, yang dihasilkan oleh unit udara tekan yang berkisar dari 5 horsepower (hp) sampai lebih dari 50.000 hp. Departemen energi Amerika Serikat (2003) melaporkan bahwa 70-90 persen udara tekan hilang dalam bentuk panas yang tidak dapat digunakan, gesekan, salah penggunaan dan kebisingan. Oleh karena itu, kompresor dan sistem udara tekan menjadi area penting untuk meningkatkan efisiensi energi pada plant industri. Sistem udara tekan yang dikelola dengan benar dapat menghemat energi, mengurangi perawatan, menurunkan waktu penghentian operasi, meningkatkan produksi dan meningkatkan kualitas.

Gambar 1. Komponen Biaya dalam Sistem Udara Tekan

Sistem udara tekan terdiri dari bagian pemasokan, yang terdiri dari kompresor dan perlakuan udara, dan bagian permintaan, yang terdiri dari sistem distribusi & penyimpanan dan peralatan pemakaian akhir. Bagian pemasokan yang dikelola dengan benar akan menghasilkan udara bersih, kering, stabil yang dikirimkan pada tekanan yang dibutuhkan dengan biaya yang efektif. Bagian permintaan yang dikelola dengan benar akan meminimalkan udara terbuang dan penggunaan udara tekan untuk penerapan yang tepat. Perbaikan dan pencapaian puncak kinerja sistem udara tekan memerlukan bagian sistem pemasokan dan permintaan dan interaksi diantara keduanya 2.3 Komponen Utama Sistem Udara Tekan Sistem udara tekan terdiri dari komponen utama diantaranya : penyaring udara masuk, pendingin antar tahap, after-coolers, pengering udara, traps pengeluaran kadar air, penerima, jaringan pemipaan, penyaring, pengatur dan pelumasan (Hendri, 2015).  Filter Udara Masuk Mencegah debu masuk kompresor. Debu menyebabkan lengketnya katup/kran, merusak silinder dan pemakaian yang berlebihan.  Pendingin antar tahap Menurunan suhu udara sebelum masuk ke tahap berikutnya untuk mengurangi kerja kompresi dan meningkatkan efisiensi. Biasanya digunakan pendingin air.  After-Coolers Tujuannya adalah membuang kadar air dalam udara dengan penurunan suhu dalam penukar panas berpendingin air.  Pengering Udara Sisa-sisa kadar air setelah after-cooler dihilangkan dengan menggunakan pengering udara, karena udara tekan untuk keperluan instrumen dan peralatan pneumatic harus bebas dari kadar air. Kadar air dihilangkan dengan menggunakan adsorben seperti gel silika/ karbon aktif, atau pengering refrigeran, atau panas dari pengering kompresor itu sendiri.  Traps Pengeluaran Kadar Air

Trap pengeluaran kadar air digunakan untuk membuang kadar air dalam udara tekan. Trap tersebut menyerupai steam traps. Berbagai jenis trap yang digunakan adalah kran pengeluaran manual, klep pengeluaran otomatis atau yang berdasarkan waktu dll.  Penerima Penerima udara disediakan sebagai penyimpan dan penghalus denyut keluaran udara – mengurangi variasi tekanan dari kompresor.

2.4 Aplikasi udara tekan dalam Industri Udara tekan mempunyai penggunaan yang luas sebagai sumber tenaga.Jadi dapat dipersamakan dengan tenaga listrik, tenaga air, dan tenaga hidrolik, yang banyak dipergunakan dalam industry modern(kakap, 2011). Beberapa pemakaian yang kita kenal dalam kehidupan sehari-hari di antaranya adalah : 1. Rem pada bis dan kereta api, serta pembuka/penutup pintunya. 2. Udara tekan untuk pengecatan 3. Penggerak bor gigi pada peralatan dokter gigi 4. Pemberi udara pada akuarium 5. Pompa air panas pada sumber air panas 6. Pembotolan minuman Udara tekan dipakai hampir di semua industri termasuk industri pembuatan, tambang, keramik, kimia, makanan, perikanan, pekerjaan sipil dan pembangunan gedung. Udara tekan yang dihasilkan dengan kompresor mempunyai kelebihan dibandingkan dengan listrik dan tenaga hidrolik dalam hal-hal berikut ini. 1. Konstruksi dan operasi mesin serta fasilitasnya adalah sangat sederhana 2. Pemeliharaan dan pemeriksaan mesin dan peralatan dapat dilakukan dengan mudah. 3. Energi dapat disimpan 4. Kerja dapat dilakukan dengan cepat 5. Harga mesin dan peralatan relative murah

6. Kebocoran udara yang dapat terjadi tidak membahayakan dan tidak menimbulkan pencemaran. Pemakaian-pemakaian udara tekan menurut gaya dan akibat yang ditimbulkannya: 1.

Gaya Injeksi a. Untuk meniupkan, terbagi menjadi dua : -

Penyemprot zat cair

-

b.



Pengecetan



Penyemprotan bahan kimia dan disinfektan



Penyemprotan minyak pelumas



Penyemprotan cairan pembersih

Penyemprotan bubuk dan butiran 

Penyemprotan pasir (sand blasting)



Penyemprotan bubuk untuk percetakan



Penyemprotan aduk (mortar)



Menghias kaca

Untuk menggerakan -

-

Turbin udara 

Penggerak bor gigi



Penggerak perkakas (bor,gerinda)



Penggerak mesin-mesin berkecepatan sangat tinggi

Tiupan 

Pembersih debu dan tatal



Peniup latal logam las



Peniup potongan hasil mesin pres



ihkan zat cair dari permukaan

2. Gaya ekspansi a. Untuk memberi gaya dorong 

Penggerak perkakas numatik (mesin bor, mesin keling)



Penggetar (cetakan cor, beton)



Mesin las titik



Rem udara tekan



Pembuka pintu dan hopper



Alat pengangkat



Mesin press



Pembentukan kaca dan resin sintetik

b. Untuk memberi tekanan 

Pengisi ban, perahu karet, bola, pegas udara untuk kendaraan



Lift mobil untuk bengkel



Member tekanan pada tangki minyak



Pengujian terhadap kebocoran dan kekuatan terhadap tekanan

c. Transportasi dan mengaduk zat cair 

Pompa lift udara



Transportasi zat cair dengan tekanan, dan pencsmpursn zat cair



Menghilangkan gas dari zat cair

d. Pemberian oksigen 

Pemberian oksigen pada pembakar, kolam ikan, penyelam, dan pekerja di ruang tambang

e. Penerusan panas -

Pemanasan 

-

Penyambungan vinil dan nilon dengan udara panas

Pendinginan 

Pencegahan pemanasan yang berlebihan pada logam dan mesin

f. Pengubah aliran 

Mikrometer udara



Pengendali otomatik

g. Penurunan kelembaban 

Menghilangkan kelembaban dengan kompresi

2.5 Kompresor Kompresor merupakan mesin untuk menaikkan tekanan udara dengan cara memampatkan gas atau udara yang kerjanya didapat dari poros. Kompresor biasanya bekerja dengan menghisap udara atmosfir. Jika kompresor bekerja pada tekanan yang lebih tinggi dari tekanan atmosfer maka kompresor disebut sebagai penguat (booster), dan jika kompresor bekerja dibawah tekanan atmosfir maka disebut pompa vakum. Gas mempunyai kemampuan besar untuk menyimpan energi persatuan volume dengan menaikkan tekanannya, namun ada hal-hal yang harus diperhatikan yaitu : kenaikan temperatur pada pemampatan, pendinginan pada pemuaian, dan kebocoran yang mudah terjadi. 2.5.1

Azas Kerja a. Azas Pemampatan Zat Kompresor pada dasarnya bekerja memampatkan gas. Adapun gas yang biasa dimampatkan bukan anya gas saja melainkan juga zat padat. Benda padat yang dapat dimampatkan dan dapat menyimpan energi, contohnya adalah pegas. Energi regangan akan diperoleh kembali jika pegas diberi kesempatan memuai ke keadaan semula. Namun energi regangan benda padat tidak mudah disalurkan ke tempat lain yang memerlukan b. Azas Kompresor Azas kompresor jika suatu zat di dalam sebuah ruangan tertutup diperkecil volumenya, maka gas akan mengalami kompresi. Adapun pelaksanaannya dalam praktek memerlukan konstruksi. Gas yang ditekan tidak boleh bocor melalui celah antara dinding yang saling bergesek. Untuk itu digunakan cincin torak sebagai perapat.

2.5.2

Penggerak Kompresor Penggerak kompresor berfungsi untuk memutar kompresor, sehingga kompresor dapat bekerja secara optimal. Penggerak kompresor yang sering digunakan biasanya berupa motor listrik dan motor bakar. Kompresor berdaya rendah menggunakan motor listrik

dua phase atau motor bensin. sedangkan kompresor berdaya besar memerlukan motor listrik 3 phase atau mesin diesel. Penggunaan mesin bensin atau diesel biasanya digunakan apabila lokasi disekitarnya tidak terdapat aliran listrik atau cenderung non stasioner. Kompresor yang digunakan di pabrik-pabrik kebanyakan digerakkan oleh motor listrik karena biasanya terdapat instalasi listrik dan cenderung stasionar (tidak berpindah-pindah). a. Motor Listrik Motor listrik dapat diklasifikasikan secara kasar atas motor induksi dan motor sinkron. Motor induksi mempunyai faktor daya dan efisiensi yang lebih rendah daripada motor sinkron. Arus awal motor induksi juga sangat besar. Namun motor induksi sampai 600 kW

banyak

dipakai

karena

harga

relatif

murah

dan

pemeliharaannya mudah. Motor induksi ada 2 jenis yaitu jenis sangkar bajing (squirrel cage) dan jenus rotor lilit (wound rotor) b. Motor Bakar Torak Motor bakar torak dipergunakan untuk penggerak kompresor bila tidak tersedia sumber listrik di tempat pemasangannya atau bila kompresor tersebut merupakan kompresor portable. Untuk daya kecil sampai 5.5 kW dapat dipakai motor bensin untuk daya yang lebih besar dipakai motor diesel.

2.5.3

Komponen Kompresor a. Kerangka (frame) Fungsi utama adalah untuk mendukung seluruh beban dan berfungsi juga sebagai tempat kedudukan bantalan, poros engkol, silinder dan tempat penampungan minyak pelumas. b. Poros engkol (crank shaft) Berfungsi mengubah gerak berputar (rotasi) menjadi gerak lurus bolak balik (translasi). c. Batang penghubung (connecting rod)

Berfungsi meneruskan gaya dari poros engkol ke batang torak melalui kepala silang, batang penghubung harus kuat dan tahan bengkok sehingga mampu menahan beban pada saat kompresi. d. Kepala silang (cross head) Berfungsi meneruskan gaya dari batang penghubung ke batang torak. Kepala silang dapat meluncur pada bantalan luncurnya e. Silinder (cylinder) Berfungsi sebagai tempat kedudukan liner silinder dan water jacket. f. Liner silinder Berfungsi sebagai lintasan gerakan piston torak saat melakukan proses ekspansi, pemasukan, kompresi, dan pengeluaran. g. Front and rear cylinder cover Adalah tutup silinder bagian head end/front cover dan bagian crank end/rear cover yang berfungsi untuk menahan gas/udara supaya tidak keluar silinder. h. Water jacket Adalah ruangan dalam silinder untuk bersirkulasi air sebagai pendingin i. Torak (piston) Sebagai elemen yang menghandel gas/udara pada proses pemasukan (suction), kompresi (compression) dan pengeluaran (discharge). j.Cincin torak Berfungsi mengurangi kebocoran gas/udara antara permukaan torak dengan dinding liner silinder. k. Batang torak Berfungsi meneruskan gaya dari kepala silang ke torak. l. Cincin penahan gas Berfungsi menahan kebocoran gas akibat adanya celah (clearance) antara bagian yang bergerak (batang torak) dengan bagian yang diam (silinder). Cincin penahan gas ini terdiri dari beberapa ring segment. m. Ring oil scraper Berfungsi untuk mencegah kebocoran minyak pelumas pada frame.

n. Katup kompresor Berfungsi untuk mengatur pemasukan dan pengeluaran gas/udara, kedalam atau keluar silinder. Katup ini dapat bekerja membuka dan menutup sendiri akibat adanya perbedaan tekanan yang terjadi antara bagian dalam dengan bagian luar silinder. o. Pengatur kapasitas Volume udara yang dihasilkan kompresor harus sesuai dengan kebutuhan. Jika kompresor terus bekerja maka tekanan dan volume udara akan terus meningkat melebihi kebutuhan dan berbahaya terhadap

peralatan.

Untuk

mengatur

batas

volume

dan

tekanan yangdihasilkan kompresor digunakan alat yang biasa disebut pembebas beban (unloader). p. Pelumasan Bagian-bagian kompresor torak yang memerlukan pelumasan adalah bagian-bagian yang saling meluncur seperti silinder, torak, kepala silang, metal -metal bantalan batang penggerak dan bantalan utama. Tujuan pelumasan adalah untuk mencegah keausan, merapatkan cincin torak dan paking, mendinginkan bagian-bagian yang saling bergesek, dan mencegah pengkaratan.

2.5.4

Kelebihan Kompresor Udara tekan yang dihasilkan dengan kompresor mempunyai kelebihan dibanding dengan listrik dan tenaga hidraulik, beberapa diantaranya:  Konstruksi dan operasi mesin serta fasilitasnya adalah sangat sederhana  Pemeliharaan dan pemeriksaan mesin dan peralatan dapat dilakukan dengan mudah  Energy dapat disimpan  Kerja dapat dilakukan dengan cepat  Harga mesin dan peralatan relatif murah  Kebocoran

yang

terjadi

menimbulkan pencemaran

tidak

membahayakan

dan

tidak