PENCAIRAN GAS

Di lapangan sering dibutuhkan kondisi dengan temperatur yang sangat rendah (di bawah

-100OC), seperti pada proses pemisahan gas oksigen dan nitrogen dari udara, pembuatan

hidrogen cair untuk bahan bakar mesin roket, riset tentang superkonduksi dan lain-lain.

Pada sebuah proses pencairan gas, gas harus didinginkan sampai pada temperatur di

bawah temperatur kritisnya. Misal temperatur kritis untuk helium, hidrogen, dan nitrogen

adalah masing-masing –268, -240, dan -147OC. Salah satu metode refrigerasi yang

memungkinkan untuk mendapatkan temperatur sangat rendah ini adalah metode Linde-

Hampson seperti pada gambar di bawah.

Di sini gas baru yang akan dicairkan (1) dicampur dengan gas yang tidak berhasil

dicairkan pada tahap sebelumnya (9) sehingga temperaturnya turun sampai titik (2) dan

kemudian bersama-sama masuk ke kompresor bertingkat. Pengkompresian dilakukan

bertingkat sampai titik (3) dengan dilengkapi intercooling. Gas tekanan tinggi kemudian

didinginkan sampai titik (4) dalam after-cooler dengan menggunakan media pendingin dan

didinginkan lebih lanjut sampai titik (5) dalam alat penukar kalor regenerative dengan

membuang kalornya ke gas yang tidak berhasil dicairkan pada tahap sebelumnya dan

akhirnya di-throttled ke titik (6) sehingga berubah menjadi campuran jenuh. Uap dipisahkan

dari gas yang telah berubah menjadi cair untuk kemudian dilewatkan melalui alat penukar

kalor regenerative untuk menjalani tahap berikutnya.

Di antara nilai-nilai koreksi tekanan dalam tetapan van der Waals, H2O, amonia dan

karbon dioksida memiliki nilai yang sangat besar, sementara oksigen dan nitrogen dan gas

lain memiliki nilai pertengahan. Nilai untuk helium sangat rendah.

Telah dikenali bahwa pencairan nitrogen dan oksigen sangat sukar. Di abad 19,

ditemukan bahwa gas-gas yang baru ditemukan semacam amonia dicairkan dengan cukup

mudah. Penemuan ini merangsang orang untuk berusaha mencairkan gas lain. Pencairan

oksigen atau nitrogen dengan pendinginan pada tekanan tidak berhasil dilakukan. Gas

semacam ini dianggap sebagai “gas permanen” yang tidak pernah dapat dicairkan.

Baru kemudian ditemukan adanya tekanan dan temperatur kritis. Hal ini berarti bahwa

seharusnya tidak ada gas permanen. Beberapa gas mudah dicairkan sementara yang lain

tidak. Dalam proses pencairan gas dalam skala industro, digunakan efek Joule-Thomson.

Bila suatu gas dimasukkan dalam wadah yang terisolasi dengan cepat diberi tekan dengan

menekan piston, energi kinetik piston yang bergerak akan meningkatkan energi kinetik

molekul gas, menaikkan temperaturnya (karena prosesnya adiabatik, tidak ada energi kinetik

yang dipindahkan ke dinding, dsb). Proses ini disebut dengan kompresi adiabatik. Bila gas

kemudian dikembangkan dengan cepat melalui lubang kecil, temperatur gas akan menurun.

Proses ini adalah pengembangan adiabatik. Dimungkinkan untuk mendinginkan gas dengan

secara bergantian melakukan pengembangan dan penekanan adiabatik cepat sampai

pencairan.

Sistem Pencairan Gas

1. Parameter Kinerja Sistem

Terdapat tiga fungsi pay off ( perhitungan) yang perlu diperhati-

kan , yaitu:

Kerja yang dibutuhkan per unit massa dari gas yang dikompress :

- W / m

Kerja yang diperlukan per unit massa dari gas yang dicairkan ( W ) :

-W / m f

Fraksi total antara aliran gas yang dicairkan dengan gas mula-mula :

y = mf / m

Dari tiga hal diperoleh -W /m = -W / mf y

Pada sistim pencairan , seharusnya mampu meminimalkan kerja yang

dibutuhkan dan memaximalkan fraksi gas yang dicairkan .

Fungsi pay off akan berbeda untuk gas yang berbeda, oleh karena itu perlu

membedakan sistim yang ada bila menggunakan fluida yang berbeda.

FOM bernilai dari 1 sampai 0 dan memberikan gambaran seberapa jauh sistim

ini mendekati sistim ideal.

Pada sistim real ,yang perlu diperhatikan adalah :

1. kerja kompresor dan ekspander adiabatic

2. kerja kompresor dan ekspander mekanik

3. kerja heat exchanger

4. perubahan tekanan pada pipa dan heat exchanger

5. Perpindahan panas kedalam sistim dari lingkungan

2. Sistim pencairan termodinamika ideal

Sistim ini secara tioritis ideal namun secara praktek tidak ideal,karena sistim

ideal adalah siklus Carnot terbuka dengan tekanan isothermal reversibel dan

ekspansi isentropis reversibel.,dimana pada tekanan isotermal itu diatas 10 7

psia tidak dapat dicapai dalam praktek.

3. Proses suhu rendah

Untuk proses pencairan gas dan menghasilkan suhu rendah penggunaan

ekspansion valve atau joule thomson biasa dilakukan. Dengan

menggunakan hukum thermodinamika I , dan dapat dikatakan bahwa h1 =

h2 , jika energi kinetik dan energi potential dari aliran tunak diabaikan. Hal ini

berlaku juga untuk aliran irreversibel namun tidak isentropic.

Untuk gas nyata pada saat terjadi ekspansi dalam valve (penurunan tekanan)

akan ada daerah yang akan mengalami peningkatan suhu namun ada juga

daerah yang mengalami penurunan suhu. Aliran melalui isolasi ekspansion

valve (Joule Thomson) membentuk kurva temperature yang memisahkan

kedua daerah ini disebut kurva inverse.Jadi gas yang melalui exspansion

valve J. Thomson tidak selalu temperaturnya turun.Hal ini merupakan metoda

pertama.

Metode kedua untuk membuat suhu rendah adalah ekspansi adiabatik dengan

menggunakan ekspander. Dalam hal ideal ekspansi akan terjadi secara

reversibel dan adiabatik sehingga terbentuk isentropis.

Selalu ekspansi isentropis akan menghasilkan suhu yang lebih rendah

dibandingkan dengan ekspansi isentalpi (Alat j.thomson) pada suhu awal

yang sama . Hal ini disebabkan adanya kerja internal didalam peralatan.