Pabrik nitrogen kriogenik adalah sistem kompleks untuk memproduksi nitrogen cair atau nitrogen gas. Prinsip kerjanya melibatkan beberapa proses dan komponen fisik utama.
1. Perlakuan awal terhadap udara mentah
1. Filtrasi
- Pertama, udara mentah perlu disaring. Udara mengandung partikel seperti debu dan kotoran. Jika tidak disaring, kotoran ini akan menyumbat pipa atau mempengaruhi pengoperasian normal peralatan pada proses kriogenik selanjutnya. Proses ini seperti memasang saringan pada pintu masuk sistem mekanis yang kompleks, sehingga hanya udara murni yang dapat masuk ke aliran pemrosesan berikutnya.
2. Kompresi
- Udara yang disaring akan dikompresi oleh kompresor. Tujuan dari kompresi udara adalah untuk meningkatkan tekanan udara, sehingga memudahkan terjadinya transformasi dari gas menjadi cair pada proses pendinginan selanjutnya. Berdasarkan persamaan keadaan gas ideal \(PV=nRT\) (di mana \(P\) adalah tekanan, \(V\) adalah volume, \(n\) adalah jumlah zat, \(R \) adalah konstanta gas, dan \(T\) adalah suhu), ketika tekanan \(P\) meningkat, gas cenderung mencair ketika suhu \(T\) menurun. Secara umum, kompresor dapat meningkatkan tekanan udara hingga beberapa atmosfer atau bahkan lebih tinggi.
2. Pendinginan dan pencairan udara
1. Pendinginan awal
- Udara bertekanan akan masuk ke precooler untuk pendinginan awal. Precooler biasanya menggunakan media pendingin (seperti air atau cairan kriogenik lainnya) untuk menurunkan suhu udara. Langkah pendinginan awal ini pada awalnya dapat menurunkan suhu udara dan mengurangi beban proses pendinginan dalam selanjutnya. Misalnya, udara terkompresi pada suhu kamar berkurang dari sekitar \(20 - 30^{\circ}C\) menjadi sekitar \( - 50^{\circ}C\).
2. Pendinginan dan pencairan dalam
- Udara yang telah didinginkan sebelumnya kemudian memasuki penukar panas utama untuk pendinginan mendalam. Pada penukar panas utama, udara menukar panas dengan nitrogen cair kriogenik atau media kriogenik lainnya. Karena suhu media kriogenik sangat rendah (misalnya, titik didih nitrogen cair adalah -196^{\circ}C\), udara akan didinginkan hingga suhu mendekati suhu pencairannya dalam hal ini proses. Ketika suhu terus turun, udara berangsur-angsur mencair membentuk udara cair (liquid air).
AKU AKU AKU. Produksi nitrogen cair dan pemisahan nitrogen
1. Distilasi
- Udara cair akan masuk ke menara distilasi untuk pemisahan distilasi. Menara distilasi adalah salah satu komponen inti peralatan nitrogen kriogenik. Di menara distilasi, komponen seperti nitrogen cair dan oksigen cair dipisahkan berdasarkan titik didih yang berbeda. Titik didih nitrogen cair lebih rendah dibandingkan titik didih oksigen cair. Pada ketinggian yang berbeda-beda di menara distilasi, kondisi suhu dan tekanan berbeda-beda, sehingga nitrogen cair dipisahkan di bagian atas menara. Proses ini seperti penyaringan halus sesuai dengan karakteristik zat yang berbeda, mengekstraksi nitrogen cair dari campuran udara cair.
2. Perolehan nitrogen
- Nitrogen cair yang diperoleh dari bagian atas menara distilasi dapat disimpan sebagai produk. Jika nitrogen berbentuk gas diperlukan, nitrogen cair dapat diuapkan melalui evaporator atau peralatan pemanas lainnya untuk mendapatkan nitrogen dengan kemurnian tinggi. Kemurnian nitrogen dapat mencapai \(99,999\%\) atau bahkan lebih tinggi sesuai dengan kebutuhan produksi spesifik dan kinerja peralatan.
IV. Sistem peralatan bantu
1. Sistem pendingin
- Seluruh peralatan nitrogen kriogenik memerlukan sistem pendingin untuk menyediakan lingkungan bersuhu rendah. Sistem pendingin biasanya mengadopsi prinsip siklus kompresi-ekspansi. Misalnya, zat pendingin dikompresi oleh kompresor, kemudian zat pendingin tersebut diekspansi dan diturunkan tekanannya melalui katup ekspansi. Dalam proses ini, zat pendingin menyerap panas, sehingga memberikan kondisi suhu rendah untuk pendinginan dan pencairan udara. Refrigeran yang umum mencakup nitrogen cair itu sendiri (di beberapa sistem bersirkulasi mandiri) atau refrigeran bersuhu rendah lainnya seperti Freon (di beberapa unit pendingin tertentu).
2. Sistem kendali
- Untuk memastikan pengoperasian peralatan yang stabil, peralatan nitrogen kriogenik dilengkapi dengan sistem kontrol. Sistem kontrol dapat memantau parameter seperti suhu, tekanan, aliran, dll. dari setiap bagian penting peralatan. Misalnya, ketika tekanan atau suhu udara menyimpang dari nilai yang ditetapkan, sistem kendali akan secara otomatis mengatur kecepatan kompresor, bukaan katup, dll untuk menjamin stabilitas proses produksi dan kualitas produk.
Melalui serangkaian proses kompleks di atas, peralatan nitrogen kriogenik mengubah udara mentah menjadi nitrogen cair atau nitrogen gas dengan kemurnian tinggi untuk memenuhi kebutuhan berbagai industri, perawatan medis, penelitian ilmiah, dan bidang lainnya.
