Pembuatan Oksigen Nitrogen dan Hidrogen Di Industri

   Saya membagikan postingan mengenai makalah tentang Pembuatan Oksigen Nitrogen dan Hidrogen di Industri selesai juga, materi ini saya dapetkan materinya dari http://kimia.upi.edu/staf/nurul/web2012/0905811/materi.html

PEMBUATAN OKSIGEN

Pendahuluan

   Oksigen adalah unsur yang sangat penting bagi kehidupan manusia. Unsur golongan VI ini sangat penting bagi proses pernapasan makhluk hidup. Oksigen lebih banyak berada dalam keadaan senyawanya daripada sebagai unsur bebas. Sebagai unsur bebas, oksigen terdapat dalam udara yaitu kira-kira 21% volume udara kering. Oksigen atau zat asam adalah unsur kimia dalam sistem tabel periodik yang mempunyai lambang O dan nomor atom 8. Ia merupakan unsur golongan kalkogen dan dapat dengan mudah bereaksi dengan hampir semua unsur lainnya (utamanya menjadi oksida). Pada temperatur dan tekanan standar,  dua atom unsur ini berikatan menjadi dioksigen, yaitu senyawa gas diatomik  dengan rumus O₂ yang tidak berwarna, tidak berasa, dan tidak berbau. Oksigen merupakan unsur paling melimpah ketiga di alam semesta berdasarkan massa dan unsur paling melimpah dikerak Bumi. Gas oksigen diatomik mengisi 20,9% volume atmosfer bumi. Semua kelompok molekul struktural yang terdapat pada organisme hidup.

Pengertian

   Oksigen adalah suatu unsur yang pada suhu dan tekanan atmosfir berbentuk gas. Kandungan oksigen dalam udara kurang lebih 20% volume. Gas oksigen mempunyai sifat oksidator dan dapat membesar kebakaran. Oksigen dapat di gunakan sebagai bahan baku penolong di industri baja, glass, Ethylene Oxide, sebagai gas medis/pertolongan pernapasan, digunakan dalam pemotongan pengelasan, handering, dan lain-lain. Sifat kimia dari oksigen sendiri yaitu merupakan zat yang tidak dapat terbakar dan bersifat membantu kebakaran.

Penggunaan Oksigen dalam Industri

   Sebagian besar dari produksi oksigen digunakan pada industri baja. Besi tuang yang diperoleh dari tanur tinggi (besi kasar) mengandung karbon sekitar 3 - 4 %. Kadar karbon yang terlalu tinggi itu menyebabkan besi tuang kurang kuat dan rapuh. Kadar karbon dalam besi tuang dikurangi dengan oksidasi yang terkendali. Sebagian kecil oksigen digunakan bersama-sama dengan gas asetilen (etuna) untuk mengelas. Pembakaran gas asetilen bisa mencapai suhu 3000°C. Selain itu oksigen cair digunakan sebagai bahan bakar roket.

Sejarah Oksigen

   Oksigen secara terpisah ditemukan oleh Carl Wilhelm Scheele di Uppsala pada tahun 1773 dan Joseph Priestley di Wiltshire pada tahun 1774. Temuan Priestley lebih terkenal karena publikasinya merupakan yang pertama kali dicetak. Istilah oxygen diciptakan oleh Antoine Lavoisier pada tahun 1777.

Proses Pembuatan Oksigen

   Oksigen dapat dibuat dalam skala besar di industri dan dapat juga dalam skala kecil di laboratorium. Dalam skala besar di industri, pembuatan oksigen diperoleh dari destilasi bertingkat udara cair. Prosesnya, mula-mula udara disaring untuk menghilangkan debu lalu dimasukkan ke dalam kompresor. Pada kompresi ini suhu udara akan naik, kemudian didinginkan dalam pendingin. Udara dingin mengembang melalui celah, dan hasilnya adalah udara yang suhunya lebih dingin, cukup untuk menyebabkannya mencair. Udara cair disaring untuk memisahkan karbondioksida dan air yang telah membeku. Kemudian udara cair itu memasuki bagian puncak kolom di mana nitrogen, komponen yang paling mudah menguap, keluar sebagai gas. Pada pertengahan kolom, gas argon keluar dan selanjutnya oksigen cair. Komponen lain yang paling sulit menguap akan terkumpul di dasar. Berturut-turut titik didih normal nitrogen, argon, dan oksigen adalah -195,8, -185,7, dan -183,0°C.

Manfaat Oksigen

1. Untuk pernafasan para penyelam, angkasawan, atau penderita penyakit tertentu.

2. Dalam industri baja, untuk mengurangi kadar karbon dalam besi gubal.

3. Bersama-sama dengan gas asetilena, digunakan untuk mengelas baja.

4. Oksigen cair bersama dengan hydrogen cair digunakan sebagai bahan bakar roket untuk mendorong pesawat ruang angkasa.

5. Dalam berbagai industri kimia, untuk mengoksidasikan berbagai zat.

6. Digunakan dalam pengolahan besi menjadi baja di tanur terbuka (tanur oksigen).

7. Berperan dalam aerasi limbah industri.

PEMBUATAN NITROGEN

Pendahuluan

   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. Salpeter Chili, salpeter  dari air kencing hewan dan manusia, dan ammonia yang dikumpulkan dari pembuatan kokas, menjadi penting belakangan ini tetapi akhirnya disisihkan lagi oleh ammonia sintetik dan nitrat. Amonia merupakan bahan dasar bagi pembuatan hampir semua jenis produk yang mengandung nitrogen.

Sejarah Nitrogen

   Awalnya, 2 orang ilmuwan Priestley dan Cavendish melewatkan percikan bunga api listrik di dalam udara dan mendapatkan nitrat setelah melarutkan oksida yang terbentuk dari reaksi itudi dalam alkali. Tetapi pengembangan ini secara komersial ternyata tidak mudah karena memakan energi listrik banyak sekali dan efisiensinya sangat rendah. Nitrogen pernah difiksasi (diikatkan dari udara) sebagai kalsium sianida, tetapi proses ini ternyata terlalu mahal, kecuali untuk menghasilkan bahan kimia yang mengandung konfigurasi sianamida. Proses-proses lain, seperti pengolahan termal atas campuran oksida nitrogen (NO_X), pembentukan sianida, pembentukan aluminium nitrida dan dekomposisi menjadi ammonia, dsb, ternyata tidak menunjukkan harapan untuk dapat dikembangkan secara positif walaupun proses ini secara teknis telah terbukti dapat dilaksanakan.

   Haber dan Nersnt melakukan pengkajian yang teliti mengenai keseimbangan antara nitrogen dan hidrogen di bawah tekanan sehingga membentuk ammonia. Dari pengkajian itu, mereka berhasil menemukan beberapa katalis yang cocok. Tetapi pada masa tersebut peralatan tekanan tinggi belum ada, sehingga mereka harus menciptakannya sendiri untuk dapat melakukan penelitian itu. Haber dan Bosch juga mengusahakan proses yang dapat diterapkan untuk menghasilkan hidrogen dan nitrogen murni. Cara yang nyata yaitu elektrolisis air untuk membuat hidrogen dan destilasi udara cair untuk membuat nitrogen ternyata terlalu mahal, sehingga mereka terpaksa menciptakan proses lain yang lebih murah. Usaha bersama mereka telah berhasil menciptakan proses sintesis ammonia pada tekanan tinggi di tahun 1913. Proses ini sangat banyak menggunakan energi, sehingga banyak mengalami modofikasi akhir-akhir ini. Dengan demikian, tingkat kenaikan harganya tidak sampai setinggi setingkat kenaikan harga energi pada umumnya. Perbaikan-perbaikan besar masih terus berlangsung dengan amat cepatnya.

Pengertian Nitrogen

   Nitrogen adalah unsur kimia dalam table 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 mengisi 78,08 % atmosfir bumi dan terdapat dalam banyak jaringan hidup. Zat lemas membentuk banyak senyawa penting seperti asam amino, amoniak, asam nitrat dan sianida.

Sifat-Sifat Nitrogen

   Komponen utama udara adalah nitrogen yang memiliki sifat-sifat fisik sangat dekat dengan oksigen sehingga menyulitkan dalam proses pemisahan oksigen dan nitrogen. Nitrogen tidak mendukung pembakaran, dan karena nitrogen adalah suatu gas yang tergolong asphyxiant, maka seseorang dalam lingkungan yang kaya akan nitrogen akan sangat cepat kehilangan kesadaran dan dapat meninggal dunia.

   Nitrogen pada tekanan atmosferik adalah gas yang tidak berwarna, tidak berasa, tidak berbau. Bila tercairkan, nitrogen 19 % lebih ringan dari air. Titik didih pada tekanan atmosfer adalah -196ºC  (77 K). dan berat molekulnya 28.013.

Liquid nitrogen berbeda dengan liquid oksigen, karena nitrogen tidak berwarna. Nitrogen tidak memiliki sifat paragmetik seperti halnya oksigen.

Proses Pembuatan Nitrogen

1. Filtrasi

   Pada saat udara dihisap oleh kompresor, terlebih dahulu udara disaring dengan menggunakan filter, agar kotoran atau gas-gas pengotor dari udara bebas dapat disaring dan tidak terikut dalam proses-proses selanjutnya. Contoh gas pengotor : uap air dan karbondioksida, debu juga bisa menjadi zat pengotor pada udara bebas. Zat pengotor ini harus dihilangkan karena dapat menyebabkan penyumbatan pada perlatan,  tingkat bahaya yang dapat ditimbulkan, korosi, dan juga dalam batas-batas tertentu dilarang terkandung dalam spesifikasi produk akhir.

2. Kompresi

   Alat yang digunakan yaitu compressor, dimana fungsinya yaitu menaikkan tekanan udara bebas yang diserap sampai 145 – 175 Psig atau sekitar 6 bar.

3. Cooling Water

   Air umumnya digunakan sebagai pendingin pada industri sebab air tersedia jumlahya dan mudah ditangani. Air juga mampu menyerap sejumlah besar enegi per satuan volume dan tidak mengalami ekspansi maupun pengerutan dalam rentang temperatur yang biasanya dialaminya. Sistem penguapan terbuka merupakan tipe sistem pendingin yang umumnya digunakan dalam plant pemisahan udara.

Sebagian industri menggunakan system direct cooler pada proses pendinginannya, dimana terjadi kontak langsung antara udara dengan air pada sepanjang tray direct cooler. Direct cooler mempunyai kelebihan dari pada proses pendinginan yang menggunakan tube atau shell cooler, dimana temperatur yang bisa dicapai yaitu 2ºC, sedang pada tube atau shell cooler hanya sekitar 8ºC, efek pengguyuran (scrubbing) dari air juga dapat membantu menurunkan kandungan partikel dan menyerap pengotor yang terbawa udara. Namun jika direct cooler tidak terjaga, seperti ∆P tinggi (pada aliran dan udara masuk) dan tinggi cairan (pada aliran air). Oleh karena tingginya perbedaan temperatur yang melalui tray bawah unit, maka pada tray ini sangat mungkin terjadi pembentukan kerak. Untuk alasan itu, water treatment harus bekerja efektif dan tray harus dibersihkan dan diperiksa jika memungkinkan.

4. Purrification (Pemurnian)

   Pada proses ini terdapat proses penyerapan (adsorpsi) terhadap material/zat-zat pengotor dari feed air , diantaranya : uap air, karbon monoksida, karbon dioksida, dan beberapa kandungan hidrokarbon. Pada beberapa industri, menggunakan 2 layer pada vessel pemurnian ini, layer bawah menggunakan alumina untuk menyerap/ mengadsorpsi kandungan uap air dalam udara dan bagian top/atas menggunakan molecular sieve yang bertindak sebagai adsorben untuk menghilangkan karbondioksida.

5. Heat Exchanger (Pemindah Panas)

   Melewati exchanger, udara didinginkan hingga mendekati titik pencairan. Karena udara menjadi dingin, mula-mula uap air akan menjadi deposit, dimulai jadi cairan kemudian berubah menjadi salju halus dengan arah yang berlawanan. Fungsi heat exchanger untuk memudahkan pergerakan panas yang akan dipindahkan aliran panasnya, dari zat yang memiliki panas lebih tinggi menuju daerah yang dingin hingga temperature keduanya sama

6. Ekspansi

   Udara yang dingin tersebut diekspansikan atau diturunkan tekanannya sampai tekanan menjadi 70 – 80 psig hingga udara tersebut cair.

7. Distilasi

   Pada proses ini final terjadi proses pemisahan antara gas-gas yang terkandung pada udara bebas sebagai umpan melalui perbedaan titik didih (relative volatilitas). Dimana nitrogen memiliki titik didih yang lebih tinggi dibandingkan dengan gas-gas lain yang terkandung dalam udara yaitu   -195. Bila dipisahkan masing-masing gas pada proses vaporisasi (destilasi), maka nitrogen akan cepat menguap dan menghasilkan produk gas yang siap digunakan. Gas nitrogen yang dihasilkan dari proses vaporisasi bisa dirubah bentuk menjadi liquid dengan cara dilewatkan pada kolom-kolom

Manfaat Nitrogen

1.Untuk pembuatan amonia.
2.Untuk membuat atmosfer inert dalam berbagai proses yang terganggu oleh oksigen, misalnya dalam industri elektronika.
3.Sebagai atmosfer inert dalam makanan kemasan untuk memperpanjang masa penggunaannya.
4.Nitrogen cair digunakan sebgai pendingin untuk menciptakan suhu yang sangat rendah.

Pembuatan Hidrogen

Pengertian Hidrogen

   Hidrogen adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa. Hidrogen atau H₂ mempunyai kandungan energi per satuan berat tertinggi, dibandingkan dengan bahan bakar manapun. Hidrogen merupakan unsur yang sangat aktif secara kimia, sehingga jarang sekali ditemukan dalam bentuk bebas. Di alam, hidrogen terdapat dalam bentuk senyawa dengan unsur lain, seperti dengan oksigen dalam air atau dengan karbon dalam metana. Sehingga untuk dapat memanfaatkanya, hidrogen harus dipisahkan terlebih dahulu dari senyawanya agar dapat digunakan sebagai bahan bakar.

   Ada beberapa metode pembuatan gas hidrogen yang telah kita kenal. Namun semua metode pembuatan tersebut prinsipnya sama, yaitu memisahkan hidrogen dari unsur lain dalam senyawanya. Tiap-tiap metode memiliki keunggulan dan kekurangan masing-masing. Tetapi secara umum parameter yang dapat dipertimbangkan dalam memilih metode pembuatan H₂ adalah biaya, emisi yang dihasilkan, kelaikan secara ekonomi, skala produksi dan bahan baku. Sekarang mari kita bahas satu per satu metode-metodenya.

Sejarah Hidrogen

   Hidrogen dinyatakan unik oleh Cavendish pada tahun 1776 dan dinamai hirdrogen oleh Lavosier.

Bahan yang Digunakan

1. Uap air
2. Metana atau hidrokarbon ringan
3. Katalis nikel

Proses dan Reaksi Kimia Pembuatan Hidrogen

   Dalam skala industri, hidrogen dihasilkan dari uap air dengan metana atau hidrokarbon ringan dengan katalis nikel pada suhu 75°C menghasilkan campuran karbon monoksida dan hidrogen. Campuran gas ini disebut “synthesis gas” atau “syngas”. 

CH₄+ H₂O → CO + H₂

C(coke) + H₂O (1000°C) → CO + H₂

1. Steam Reforming

   Dalam proses ini, gas alam seperti metana, propana atau etana direaksikan dengan steam (uap air) pada suhu tinggi (700~1000°C) dengan bantuan katalis, untuk menghasilkan hidrogen, karbon dioksida (CO₂) dan karbon monoksida (CO). Sebuah reaksi samping juga terjadi antara karbon monoksida dengan steam, yang menghasilkan hidrogen dan karbon dioksida. Persamaan reaksi yang terjadi pada proses ini adalah: 

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

CO + H₂O → CO₂ + H₂

   Gas hidrogen yang dihasilkan kemudian dimurnikan, dengan memisahkan karbon dioksida dengan cara penyerapan. Saat ini, steam reforming banyak digunakan untuk memproduksi gas hidrogen secara komersil di berbagai sektor industri, diantaranya industri pupuk dan hidrogen peroksida (H₂O₂). Akan tetapi metode produksi seperti ini sangat tergantung dari ketersediaan gas alam yang terbatas, serta menghasilkan gas CO₂, sebagai gas efek rumah kaca.

2. Gasifikasi Biomasa

   Metode yang kedua adalah gasifikasi biomasa atau bahan alam seperti jerami, limbah padat rumah tangga atau kotoran. Di dalam prosesnya, bahan-bahan tadi dipanaskan pada suhu tinggi dalam sebuah reaktor. Proses pemanasan ini mengakibatkan ikatan molekul dalam senyawa yang ada menjadi terpecah dan menghasilkan campuran gas yang terdiri dari hidrogen, karbon monoksida dan metana.

   Selanjutnya dengan cara yang sama seperti pada steam reforming, metana yang dihasilkan diubah menjadi gas hidrogen. Gasifikasi biomasa atau bahan organik memiliki beberapa keunggulan, antara lain menghasilkan lebih sedikit karbon dioksida, sumber bahan baku yang berlimpah dan terbarukan, bisa diproduksi di hampir seluruh tempat di dunia serta biaya produksi yang lebih murah.

3. Gasifikasi Batu Bara

   Gasifikasi batu bara merupakan metode pembuatan gas hidrogen tertua. Biaya produksinya hampir dua kali lipat dibandingkan dengan metode steam reforming gas alam. Selain itu, cara ini pula menghasilkan emisi gas buang yang lebih signifikan. Karena selain CO₂ juga dihasilkan senyawa sulfur dan karbon monoksida. 

   Melalui cara ini, batu bara pertama-tama dipanaskan pada suhu tinggi dalam sebuah reaktor untuk mengubahnya menjadi fasa gas. Selanjutnya, batu bara direaksikan dengan steam dan oksigen, yang kemudian menghasilkan gas hidrogen, karbon monoksida dan karbon dioksida.

4. Elektrolisa Air (H₂O)

   Elektrolisa air memanfaatkan arus listrik untuk menguraikan air menjadi unsur-unsur pembentuknya, yaitu H₂ dan O₂. Gas hidrogen muncul di kutub negatif atau katoda dan oksigen berkumpul di kutub positif atau anoda. Hidrogen yang dihasilkan dari proses electrolisa air berpotensi menghasilkan zero emission, apabila listrik yang digunakan dihasilkan dari generator listrik bebas polusi seperti energi angin atau panas matahari.

   Namun demikian dari sisi konsumsi energi, cara ini memerlukan energi listrik yang cukup besar. Nah, selain keempat metode di atas, masih ada metode lain untuk memproduksi gas hidrogen, yaitu antara lain photoelectrolysis, dekomposisi air pada suhu tinggi (themal decomposition of water), photobiological production, plasmatron, fermentasi bahan organik dan lain-lain.

Manfaat Hidrogen

1. Proses produksi methanol, etanol, dan alkohol yang lebih tinggi
2. Pembentukan logam dari oksidanya
3. Hydrogen sebagai bahan bakar
4. Untuk hidrogenasi lemak dan minyak
5. Sebagai bahan baker roket
6. Mereduksi bijih-bijih besi
7. Sebagai gas pengisi balon

   Terima kasih telah berkunjung dan membaca postingan ini, jika ada kesalahan atas informasi yang saya berikan, saya mohon maaf sebesar-besarnya, semoga informasi yang saya berikan dapat bermanfaat untuk kalian. Jangan lupa jika ingin meng-copy paste, cantumkan sumbernya, kalau ada informasi yang salah mohon hubungi saya via komentar atau di menu Chat, berlaku juga jika ada yang ingin ditanyakan, jika saya mengetahui jawabannya saya akan sempatkan menjawabnya. Saya sangat menghargai saran dan masukan untuk postingan berikutnya.   

Semoga bermanfaat