Pembuatan Oksigen, Nitrogen dan Gas Mulia Skala Industri

Kecuali helium, yang sebagian besar diambil dari gas alam, oksigen, nitrogen dan gas langka lainnya yang diambil dari udara yang membentuk atmosfer bumi. Berbeda dengan sumber beberapa bahan kimia yg ada karena itu ada kekhawatiran tentang penipisan sumber daya ini dan jika sampel udara digunakan untuk menghasilkan salah satu gas, tidak ada masalah tentang terlepasnya ‘limbah gas’ kembali ke atmosfer.

Tersedianya oksigen dan kereaktivitasannya dengan banyak unsur lain yang berarti bahwa oksigen itu digunakan untuk produksi bahan kimia lainnya, sedangkan beberapa dari penggunaan nitrogen dan gas langka tergantung pada pada ke inert an gas gas tersebut.

Penggunaan

Oksigen

Penggunaan terbesar oksigen adalah industri baja. Selain itu oksigen juga digunakan dalam pembuatan logam lainnya,misalnya tembaga dan timah. Penggunaan oksigen murni, atau udara yang kaya oksigen lebih ekonomis dari pada udara biasa, hal ini karena oksigen meningkatkan laju reaksi dan berarti bahwa pabrik kimia kecil dapat digunakan. Selain itu penggunaan oksigen bisa mengurangi polusi udara terutama gas sulfur dioksida yang sering mencemari atmosfer.

Gas ini juga digunakan dalam pembuatan bahan kimia termasuk asam nitrat, hidrogen peroksida, epoxyethane dan kloroetena (vinil klorida) dan prekursor untuk PVC. Penggunaan lainnya adalah pembakaran endapan karbon pada katalis cairan yang digunakan dalam catalytic cracking minyak gas

Saat ini penggunaan oksigen meninngkat terutama dalam pengolahan limbah dan buangan dari industri. Sungai tercemar dan danau dapat dibersihkan dengan melarutkan gas oksigen langsung ke dalam air untuk mendorong keseimbangan ekologi yang lebih baik. Hal ini digunakan, misalnya, dalam budidaya ikan untuk memberikan keseimbangan ini.

Saat ini juga digunakan natrium hidroksida, untuk pemutihkan pulp kertas sebagai alternatif klorin dioksida atau natrium klorat (I) (natrium hipoklorit).

Nitrogen

Nitrogen digunakan untuk membuat amonia. Banyak juga banyak digunakan untuk memberikan udara inert, proses yang dikenal sebagai ‘pelapisan’, terutama untuk menghilangkan oksigen. Misalnya nitrogen digunakan dalam kemasan makanan, pembuatan kaca, dan pembuatan semikonduktor. Selain itu juga digunakan untuk membersihkan pipa keluar sebelum pengelasan (misalnya, pipa minyak) untuk memastikan bahwa tidak ada uap yang mudah terbakar yang tertinggal.

Nitrogen cair sedang semakin digunakan untuk makanan, mendinginkan selama transportasi. Sampel medis misalnya darah, virus untuk vaksinasi, dapat disimpan untuk waktu yang lama jika disimpan dingin dalam nitrogen cair.

Gambar 1 kapal tanker minyak yang dibersihkan dengan nitrogen untuk mencegah ledakan selama pengelasan dan lainnya (Gb.Danny Cornelissen)

Gas mulia

Helium cair, dengan titik didih yang sangat rendah dari 4K, menjadi sangat penting dalam pendinginan magnet superkonduktor, misalnya digunakan dalam scanner MRI untuk diagnosa medis.

keinertnetam merupakan hal yang mendasar untuk kegunaan utama lainnya, misalnya, untuk memberikan udara inert saat pengelasan logam (untuk mencegah logam bereaksi dengan udara untuk membentuk oksida dan nitrida).

Karena kepadatan yang rendah, helium digunakan untuk balon cuaca dan balon udara. Selain itu juga digunakan dalam kombinasi dengan oksigen untuk menghasilkan campuran pernapasan khusus untuk penyelam. Campuran ini lebih baik dari campuran nitrogen-oksigen untuk menyelam berkepanjangan sebagai darah akan menyerap hanya jumlah terbatas helium sedangkan dengan nitrogen, konsentrasi dapat meningkat hingga tingkat berbahaya selama waktu yang lama.

Helium juga digunakan dalam laser eximer dan laser helium-neon yang digunakan untuk bar code scanner.

Gambar 2 Upacara penutupan Olimpiade London, 12 Agustus 2012. Stadion ini diterangi oleh lampu sorot halida logam. Lampu mengandung argon yang membantu memulai. Panas dari awal ini sampai menguap halida logam yang kemudian memberikan cahaya tampak (Gb. Nick Webb)

Yang paling umum digunakan untuk neon dalam lampu discharge listrik, yaitu tabung fluorescent. Seperti kripton dan xenon, neon memancarkan cahaya ketika arus listrik dilewatkan melalui gas pada tekanan rendah. Neon memberikan warna merah atau oranye, sedangkan campuran yang berbeda dari neon, argon dan helium dapat digunakan untuk manghasilka warna putih, ungu muda, kuning, biru dan hijau. Hal ini juga digunakan dalam laser (laser helium-neon untuk laser pointer) dan di panel layar plasma.

Semua penggunaan utama untuk argon terkait dengan produksi, pengolahan dan fabrikasi logam. Argon adalah shielding gas yang signifikan digunakan selama proses pengelasan busur, baik sendiri atau dikombinasikan dengan gas-gas lainnya. Selain juga digunakan sebagai gas inert dalam bola lampu listrik (bila dicampur dengan nitrogen), sebagai media konduktivitas termal rendah dalam double-glazing unit jendela dan untuk pembuatan semikonduktor.

Kripton tidak hanya digunakan dalam lampu neon tetapi juga di lampu pijar termasuk lampu flash dan lampu halogen misalnya yang digunakan dalam beberapa mobil. Selain itu juga ditemukan di beberapa laser eximer dan di panel layar plasma.

Xenon adalah, seperti gas mulia lainnya, digunakan dalam lampu, termasuk lampu halogen. Ia memiliki spektrum cahaya yang jauh lebih luas daripada gas mulia lainnya dan tampaknya mata manusia sebagai siang hari dan digunakan dalam pencahayaan daerah yang luas seperti stadion olahraga, pencahayaan panggung dan landasan pacu bandara.

Xenon, dicampur dengan gas mulia lainnya digunakan dalam laser eximer untuk operasi (misalnya dalam operasi mata).

Dicampur dengan oksigen, digunakan untuk CAT (Computer Aided Topografi) scanning untuk aliran pemetaan darah.

Xenon juga digunakan sebagai obat bius.

Gambar 3 Seorang ahli bedah oftalmologi di US National Medical Center, Bethesd. Menggunakan laser excimer pada mata pasien sebelum memulai operasi laser (Gb.Wikimedia).

Pembuatan

Udara mengandung nitrogen, oksigen dan argon serta gas lainnya, termasuk uap air. Meskipun adanya karbon dioksida di udara sangat penting di lingkungan udara, karbon dioksida terdapat kurang dari 0,04%.

Berikut merupakan rata-rata, komposisi udara kering dengan persen volume:

Ada beberapa metode yang berbeda untuk pembuatan nitrogen dan oksigen:

1. a) Distilasi udara cair pada kriogenik (suhu sangat rendah). Cara ini menghasilkan oksigen, nitrogen dan gas langka dengan volume besar dan sangat murni (sampai 99,95%). Oksigen dan nitrogen sering diangkut sebagai cairan (oleh tanker berjalan) dan gas (melalui jaringan pipa) ke tempat mereka untuk digunakan dalam skala besar. Kadang-kadang, bagaimanapun, pabrik ini dibangun di mana gas bisa digunakan (misalnya dalam pembuatan baja).

1. b) Tekanan ayunan adsorpsi. Ini menghasilkan baik nitrogen maupun oksigen, di mana ia akan digunakan dalam jumlah yang lebih kecil dan sampai kemurnian 95%. Pengotor utama adalah argon.
2. c) adsorpsi ayunan Vacuum . Ini digunakan untuk menghasilkan oksigen di tempat, hingga kemurnian 95%. Pengotor utama adalah argon.
3. d) Membran. Ini juga dapat menghasilkan nitrogen di tempat  dalam jumlah kecil dengan kemurnian 95 untuk lebih dari 99%.

Pemilihan metode tergantung pada penggunaan gas dan jumlah yang dibutuhkan.

(a) Industri nitrogen dan oksigen dengan pemisahan kriogenik udara

Ada beberapa tahapan yang berbeda dalam proses (Gambar 4), tiga orang kunci menjadi:

1. i) membersihkan udara
2. ii) pencairan udara

iii) distilasi udara cair

(i) Menghapus kotoran dari udara

Dalam pabrik, udara ditarik melalui filter untuk menghilangkan debu, dikompresi hingga sekitar 6 atm dan didinginkan sampai di bawah suhu lingkungan di mana banyak uap air mengembun. Udara kemudian dilewatkan melalui saringan molekul zeolit untuk menghilangkan sisa uap air dan karbon dioksida.

Gambar 4 tahap kunci dalam pembuatan nitrogen dan oksigen.

(ii) mencairkan udara murni

Pembuatan nitrogen, oksigen dan argon dari atmosfer udara melalui proses pencairan udara dan kemudian memisahkannya menjadi beberapa bagian dengan distilasi fraksional. Karena nitrogen dan oksigen memiliki titik didih yang sangat rendah (Tabel bawah), mereka mencairkan pada suhu rendah.

Ketika ban sepeda yang dipompa, dengan udara ke tekanan yang lebih tinggi, akan dihasilkan panas . Sebaliknya, jika gas pada tekanan tinggi diperluas ke tekanan rendah, akan terjadi penurunan suhu. Hampir semua metode menghasilkan suhu rendah tergantung pada sifat ini tetapi teknik ini sangat tidak efisien. Cara yang lebih efisien adalah ekspansi dalam turbin, di mana kerja mekanik diekstrak. Pabrik pemisahan udara menggunakan satu atau kedua metode ini, bersama dengan penukar panas untuk mencapai pendinginan.

Udara murni yangsudah dikompresi sampai 6 atm, didinginkan dengan produk yang sangat dingin dan limbah (nitrogen jika oksigen yang sedang dibuat dan oksigen, nitrogen jika oksigen yang sedang dibuat) dalam serangkaian penukar panas.

Akhirnya, udara terkompresi ini didinginkan sampai sekitar 100 K dan kemudian dibiarkan berkembang cepat (turbin ekspansi) yang mendinginkan lebih lanjut sampai dicairkan. Kunci untuk seluruh proses ini menggunakan nitrogen sangat dingin, oksigen dan argon untuk mendinginkan udara yang masuk sebelum ekspansi.

(iii) Destilasi udara cair

Udara cair dipisahkan menjadi komponen-komponen penyusunnya dengan distilasi fraksional. Pada setiap destilasi uap lebih kaya nitrogen (komponen dengan titik didih lebih rendah), sedangkan cairan yang tersisa mengandung lebih banyak oksigen (komponen dengan titik didih lebih tinggi). Untuk menghasilkan oksigen murni sistem distilasi memiliki dua kolom distilasi, kolom ‘tinggi’ dan kolom ‘rendah’. Pabrik nitrogen sering menggunakan satu kolom tetapi ada juga yang  menggunakan dua.

Nitrogen daun bagian atas kolom sebagai gas. Tingkat kemurnian yang dibutuhkan oleh pengguna nitrogen menjadi semakin ketat dan dapat dicairkan lagi dan diredistilasi. Hal ini biasa bagi nitrogen untuk memiliki kandungan oksigen lebih dari 10 ppm dan kotoran yang terkandung dalam nitrogen untuk industri elektronik diukur dalam bagian per miliar.

Gambar 5 Sebuah pabrik pemisahan udara untuk pemulihan oksigen, nitrogen dan gas mulia di Leuna, dekat Leipzig, Jerman (Gb.Linde Group)

Cairan yang mengandung oksigen dan argon lebih lanjut dimurnikan dengan distilasi di kolom kedua. Untuk mendapatkan oksigen kemurnian tinggi, distilasi lebih lanjut diperlukan dan argon dipisahkan.

Karena pabrik pemisahan udara beroperasi pada temperatur rendah, bahan pembuatannya harus dipilih dengan hati-hati. Paduan Aluminium dan stainless steel yang sering digunakan. Mereka tidak menjadi rapuh pada suhu rendah. Isolasi pabrik yang efisien diperlukan untuk membuat proses ekonomi dan aman. Perlite (batuan diperluas), kaca wol dan jaket vakum teknik yang umum digunakan (Gambar 5).

(b) Industri oksigen dan nitrogen menggunakan adsorpsi tekanan ayunan (PSA)

Hal ini kadang-kadang lebih mudah untuk beberapa mesin industri untuk menghasilkan oksigen dan nitrogen di pabrik mereka sendiri, memberikan kemurnian 90% atau lebih dapat diterima. Tekanan ayunan adsorpsi dapat memberikan ini dan menghasilkan sampai sekitar 100 ton per hari.

Untuk menghasilkan oksigen, aliran udara bersih dilewatkan melalui dasar alumina untuk mengering kan gas dan kemudian melalui dasar saringan molekul zeolit. Nitrogen akan dipertahankan (terserap), aliran gas oksigen akan lewat (Gambar 7). Ketika zeolit menjadi jenuh dengan nitrogen perlu untuk regenerasi itu. Hal ini dapat dicapai hanya dengan mengurangi tekanan, dimana nitrogen dilepaskan (diserap) kembali ke fase gas dan ditolak sebagai limbah. Saringan benar-benar diperbaharui dengan cara ini dan siap untuk mengulangi siklus.

Dua dasar yang biasanya digunakan dalam rotasi. Satu digunakan untuk menghasilkan oksigen sementara yang lain sedang pembahuruan. Waktu siklus penuh dapat bervariasi antara 2 dan 8 menit tergantung pada persyaratan kinerja yang sebenarnya.

Gambar 6 Pemurnian oksigen menggunakan adsorpsi tekanan ayunan.

Sebagai ganti penggunaan zeolit sebagai dalam pembuatan oksigen, nitrogen diproduksi dari udara menggunakan bed saringan molekul karbon (CMS). Udara bersih dann kering terkompresi dilewatkan melalui bed CMS (biasanya pada 7-I2 atm). Oksigen teradsorpsi pada permukaan CMS dan nitrogen melewati penyimpanan. Ketika oksigen jenuh bed kedua dibawa ke atas aliran, untuk mempertahankan kontinuitas pasokan dan yang pertama dikeluarkan ke atmosfer untuk melepas kembali ke permukaan oksigen dan karenanya pembaharuan CMS sebelum siklus berikutnya. Mirip dengan produksi oksigen oleh PSA, waktu siklus penuh untuk nitrogen bervariasi antara 2 dan 8 menit.

(c) Industri oksigen oleh vakum ayunan adsorpsi

Oksigen dapat diproduksi di pabrik dengan proses yang sangat mirip dengan adsorpsi tekanan ayunan kecuali bahan saringan yang dibuat ulang dengan menempatkannya di bawah vakum. Proses ini lebih mahal untuk pembangunantya tetapi lebih efisien untuk menjalankannya. Saringan yang lebih efektif dipebaharui dan sebagai hasilnya, lebih banyak oksigen yang diperoleh dari jumlah yang diberikan udara.

(d) Industri nitrogen menggunakan membran

Prinsip yang mendasari metode ini adalah bahwa gas menyebar pada tingkat yang berbeda melalui membran film polimer. Oksigen dan karbon dioksida berdifusi lebih cepat dari nitrogen dan argon dan ini memungkinkan gas yang tersisa untuk menjadi kaya dalam nitrogen dan argon. Akhirnya, konsentrasi nitrogen menjadi lebih dari 95%.

Polimer yang digunakan untuk membran sering dibuat dari poli (methylpentene). Udara, pada tekanan antara 7 dan 12 atm dan dipanaskan sampai 290-310 K, dilewatkan melalui membran. Limbah gas merembes melalui membran dan dibuang ke atmosfer.

(e) Industri gas mulia

Argon diperoleh selama pembuatan suhu rendah nitrogen dan oksigen, menggunakan kolom distilasi terpisah dipasang bersama kedua (tekanan rendah) kolom yang digunakan untuk memurnikan oksigen.

Pada titik ini dalam proses distilasi, bahan biasanya terdiri dari 89% oksigen dan 11% argon dengan hanya sedikit pengotor nitrogen dan kembali disuling untuk mendapatkan argon dengan kemurnian sekitar 98%, yang dikenal sebagai Argon industri. Argon dengan kadar kemurnian yang sangat tinggi (99,999%), diperlukan Pure Liquid Argon (PLAR), argon industri diproses di pabrik yang terpisah, di Unit Pemurnian Argon. Pabrik ini menghilangkan sisa oksigen dengan mencampur aliran gas dengan hidrogen dan melewati campuran katalis berlebihan. Oksigen bergabung dengan hidrogen dan air yang terbentuk dihilangkan oleh bagian melalui saringan molekul. Sisa nitrogen kemudian dihilangkan dengan distilasi lanjut pada suhu rendah.

Neon (titik didih 27 K) tidak mengembun pada suhu yang digunakan pada pabrik pemisahan udara dan ditarik, dengan helium, dan didinginkan sampai suhu nitrogen cair. Helium akan dihilangkan oleh adsorpsi pada karbon aktif.

Kripton dan xenon (titik didih 120 dan 165 K masing-masing) menumpuk di oksigen cair dan hasil destilasi lebih lanjut.

Helium sebagian besar diperoleh dari gas alam. Jumlah sangat besar ditemukan di Amerika Serikat, Kanada, Rusia (Siberia) dan Aljazair. Beberapa deposit gas alam di AS mengandung 5% helium. Gas alam terkompresi (40 atm) dan bahan kental dipisahkan. Hidrogen sulfida dihilangkna dengan mencuci dengan 2-aminoethanol, seperti dalam proses ekstraksi sulfur dan uap air dihilangkan dengan melewatkan gas melalui perlakukan khusus alumina. Gas ini selanjutnya dimurnikan dengan proses pendinginan tiga tahap, helium murni yang dihilangkan setelah setiap tahap dan diteruskan ke langkah pendinginan berikutnya. Helium tersedia dalam kemurnian 99,95% dan 99,995%.