Tugas Teknik Produk Unit Oksigen dengan Membran
Disusun oleh : Ayu Puspitarini
07/256997/TK/33453 07/256997/TK/33453
Claudino de Almeida Cabral
09/290444/TK/36090 09/290444/TK/36090
Ryan Rinaldi
10/296791/TK/36216 10/296791/TK/36216
Rizky Chusnul Fadly
10/298041/TK/36539 10/298041/TK/36539
Prasetyo Putra Mahardika
10/298180/TK/36631 10/298180/TK/36631
Crhisti Naftali
10/302138/TK/37305 10/302138/TK/37305
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada Yogyakarta 2013
I.
LATAR BELAKANG
Oksigen, sebuah senyawa yang terdiri dari dua atom O ini sangat dibutuhkan oleh makhluk hidup terutama untuk pernapasan dan juga pembentukan Kandungan oksigen di udara dapat mencapai 21 %. Rata-rata orang normal membutuhkan 2000 liter/hari oksigen untuk bernapas. Kebutuhan orang ini pun akan naik saat mereka sedang jatuh sakit karena dengan metabolisme mereka yang berkurang tentunya daya serap darah akan oksigen pun berkurang. Di rumah sakit-rumah sakit di Indonesia, kebutuhan akan oksigen medis tiap tahunnya cukup tinggi. Bahkan di luar jawa, masih banyak rumah sakit yang kekurangan oksigen medis. Contohnya saja salah satu rumah sakit di Ambon, mereka kekurangan oksigen medis sebanyak 50-80 tabung yang tentunya akan
berimbas
kepada kesehatan pasien. Hal ini tentunya sangat miris mengingat pelayanan kesehatan merupakan hak setiap orang yang dijamin di dalam undang-undang dasar negara republik indonesia tahun 1945. Kebutuhan oksigen ini mayoritas dipasok dari pulau jawa. Perusahaan itu antara lain:
Aneka Gas Industri
Samator
Air Products
Kalau dilihat dari aspek tersebut, tentunya hal itu sangat mengkhawatirkan mengingat pasokan oksigen medis dapat terhambat akibat berbagai macam hal,misalnya cuaca dan bencana alam. Oleh karena itu, pengadaan unit oksigen generator di rumah sakit, terutama di rumah sakit di daerah terpencil sangat dibutuhkan. Pengembangan oksigen generator saat ini dipusatkan menjadi 2 kelompok, yaitu oksigen generator yang menggunakan PSA ( Pressure Pressure Swing Absorbtion) dan juga menggunakan membran.
PSA ( Pressure Swing Absorbtion) dilatarbelakangi untuk memproduksi gas pekat, seperti oksigen dari campuran gas seperti udara. (PSA) Pressure Swing Adsorption merupakan cara yang paling populer digunakan untuk komersial produksi
gas oksigen.
Proses ini menggunakan bahan penjerap agar lebih efisien dan
memberikan energi lebih kecil daripada proses lain yang mempergunakan teknologi terdahulu untuk memproduksi gas yang sangat murni dari campuran gas.
Membrane oxygen generator merupakan suatu alat produksi oksigen yang
menggunakan prinsip pemisahaan gas oksigen dan nitrogen berdasarkan perbedaan ukuran dari keduanya. Driving force yang digunakan dapat bermacam-macam, misalnya perbedaan konsentrasi dan perbedaan muatan. Penggunaan membran ini masih dalam pengembangan, terutama untuk pencarian material membran yang sangat selektif untuk memisahkan oksigen dan nitrogen.
II.
PENDAHULUAN
Membran ialah sebuah penghalang selektif antara dua fasa. Ditinjau dari bahannya membran terdiri dari bahan alami dan bahan sintetis. Bahan alami adalah bahan yang berasal dari alam misalnya pulp dan kapas, sedangkan bahan sintetis dibuat dari bahan kimia, misalnya polimer. Membran berfungsi memisahkan material berdasarkan ukuran dan bentuk molekul, menahan komponen dari umpan yang mempunyai ukuran lebih besar dari pori-pori membran dan melewatkan komponen yang mempunyai ukuran yang lebih kecil. Larutan yang mengandung komponen yang tertahan disebut konsentrat dan larutan yang mengalir disebut permeat. Filtrasi dengan menggunakan membran selain berfungsi sebagai sarana
pemisahan juga berfungsi sebagai
sarana pemekatan dan pemurnian dari suatu larutan yang dilewatkan pada membran tersebut. Beberapa keunggulan teknologi membran:
Pemisahan dapat dilakukan secara continue
Konsumsi energi umumnya relatif rendah
Proses membran dapat dengan mudah digabungkan dengan proses pemisahan lainnya (hybrid processing)
Mudah dalam scale up
Pemakaiannya mudah diadaptasikan karena material penyusun membran yang bervariasi Kekurangan teknologi ini antara lain adalah fluks dan selektivitas, karena pada
proses pemisahan menggunakan membran umumnya fenomena yang terjadi adalah fluks berbanding terbalik dengan selektivitas. Semakin tinggi fluks sering kali
berakibat menurunnya selektivitas, dan sebaliknya. Sedangkan yang diinginkan dalam proses pemisahan berbasis membran adalah mempertinggi fluks dan selektivitas. Faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja membran antara lain: 1. Ukuran molekul 2. Bentuk molekul 3. Bahan membran 4. Karakteristik larutan 5. Parameter operasional (tekanan, suhu, konsentrasi, pH, ion strength, polarisasi)
Salah satu aplikasi membran yang sedang dikembangkan saat ini ialah membran yang digunakan untuk memisahkan oksigen dari udara. Alat ini sangat dibutuhkan di rumah sakit-rumah sakit sebagai generator oksigen. Modul membran yang paling sering digunakan adalah hollow fiber membrane contactor. Gambar hollow fiber membrane dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar 1. Skema Kerja Membran Hollow Fiber
Membran yang biasa digunakan adalah sebagai berikut. 1
Membran Oksida Perovskit dapat digunakan sebagai membran penghantar
ion oksigen. Karena sifatnya yang mudah direduksi dan dioksidasi maka oksida perovskit banyak digunakan sebagai membran penghantar ion oksigen. Penghantaran oksigen tidak terjadi melalui mekanisme difusi molekul oksigen di dalam pori melainkan melalui difusi ion-ion oksigen melalui ion-ion oksigen kisi kristal oksida perovskit. Dengan sifat seperti ini, membran penghantar ion oksigen ini sangat selektif dan hanya menghantarkan ion oksigen saja sementara ion-ion gas lainnya, tidak dapat melewati oksida
perovskit. Oleh karena itu, oksida perovskit banyak digunakan dalam pemurnian gas oksigen. Membran ini dapat menghasilkan kemurnian oksigen 99,9 % dengan kecepatan permeasi 10 cm3/cm2 menit apabila suhunya 900 0C dan dilakukan pada tekanan 0,05 bar. Kelebihan :
sebagian dari ion-ion oksigen penyusun strukturnya dapat dilepaskan (mengalami reduksi) tanpa dirinya mengalami perubahan struktur yang berarti. Kekosongan ion oksigen ini selanjutnya dapat diisi kembali oleh ion oksigen lain melalui reaksi reoksidasi. Dengan sifat seperti ini, oksida perovskit dapat berperan sebagai oksidator atau sumber oksigen bagi suatu reaksi oksidasi yang bersifat reversible karena dapat direoksidasi. Kekurangan :
Adapun kelemahan pada oksida perovskit yakni membran penghantar ion oksigen mudah pecah atau retak dikarenakan adanya perubahan suhu dan perubahan tekanan yang mendadak. Keretakkan sekecil apapun tidak diperkenankan terjadi pada membran penghantar ion oksigen karena hal ini dapat menyebabkan perpindahan massa melalui pori-pori yang muncul pada retakan-retakan yang terjadi. Dengan demikian, maka hilanglah sifat rapat (dense) dari membran rapat penghantar ion oksigen tersebut.
2. Membran Polipropilen Hidrofobik
Pada proses kontak gas/cair melalui kontaktor membran serat berongga, serat membran yang sering digunakan adalah membran mikropori yang berbahan hidrofobik. Dengan membran ini maka air tidak akan membasahi membran dan pori-pori membran akan terisi oleh gas sehingga memberikan difusivitas yang tinggi. Membran yang akan digunakan adalah membran polipropilen yang sifatnya hidrofobik sehingga dapat mencegah air membasahi membran, karena memiliki sifat hidrofobik sehingga hanya oksigen terlarut yang dapat melewati membran. Kelebihan :
Sistem
membran
ini
memiliki
banyak
kelebihan
dibanding
sistem
konvensional seperti packed tower. misalkan lebih besarnya luas permukaan kontak per volume dibanding metode konvensional seperti penggunaan packed 2
3
& tray column, Luas kontak membran mencapai 1600-6600 m /m jauh
dibandingkan packed & traycolumn 30-300 m2/m3”. Karena fungsinya yang sebagai kontaktor mencegah dispersi antara fasa gas dan cair, maka permasalahan seperti foaming , flooding dan uploading dapat dihindari. Keunggulan lainnya adalah kontaktor membran memiliki biaya investasi dan operasional yang lebih rendah, mudah dikombinasikan dengan unit operasi lain, mudah di scale-up, operasi dapat berlangsung kontinyu, tidak mencemari lingkungan karena tidak ada zat aditif yang digunakan dan tidak memerlukan ruang yang besar Kekurangan :
terjadinya channeling & fouling yakni tertutupnya permukaan membran karena adanya polarisasi konsentrasi yang menurunkan efisiensi kinerja membran sehingga membran mempunyai batas umur operasi (2 – 3 tahun).
Karena kondisi operasi dari membran polipropilen hidrofobik tidak diketahui, maka dipilih membran oksida perovskit sebagai membran yang digunakan dalam pemisahan oksigen dengan nitrogen.
III.
PENENTUAN KAPASITAS
Berdasarkan hasil survey global kebutuhan oksigen rumah sakit untuk 4 pasien per kamar sebesar 5L/menit. Oleh karena itu, akan dibuat sebuah rangkaian alat membrane oxygen generator yang dapat memenuhi kebutuhan tersebut. Selain kriteria
kapasitas tersebut, kriteria alat yang lain adalah sebagai berikut.
Membran diharapkan dapat bertahan lama, minimal pemakaian satu tahun.
Membran bukan merupakan bahan yang dapat larut di udara maupun uap air. Hal ini agar bahan penyusun membran tidak mencemari produk oksigen medis yang dihasilkan.
Harganya relatif tidak terlalu mahal jika dibanding dengan proses-proses yang lain.
Ukuran alat yang dibuat tidak terlalu besar.
Alat tidak memiliki noise yang besar, karena dapat mengganggu pasien yang sedang beristirahat.
Alat yang diciptakan diharapkan tidak membutuhkan energi listrik yang tinggi, karena di banyak daerah di luar jawa banyak yang masih kekurangan pasokan listrik dari PLN.
IV.
Membran dapat disterilkan dengan metode sterilisasi standar kesehatan.
SPESIFIKASI BAHAN BAKU, ALAT, DAN PRODUK
A. Bahan Baku Bahan baku dari oksigen concentrator ini adalah udara luar dengan kadar oksigen 21% , Nitrogen 78% dan air 1%. Udara luar di Indonesia memiliki suhu antara 25-40 °C. Udara bebas seringkali mengandung partikel-partikel padatan yang dapat mengganggu kinerja alat seperti debu dan padatan lainnya.
B. Produk Menurut keputusan Menteri Kesehatan No. 1439/MENKES/SK/XI/2002, spsesifikasi oksigen medis yang digunakan di rumah sakit adalah sebagai berikut.
Standar keluaran = 4 – 5 kg / cm2
Oksigen ( O2 ) = > 99,5 %
Karbon Dioksida (CO2 ) = < 5,0 Vpm
Karbon Monoksida ( CO ) = < 5,0 Vpm
Nitrogen ( N2 ) = <100,0 Vpm
Argon ( Ar ) = < 0,5 Vpm
Methane ( CH4 ) = < 50,0 Vpm
Hidrogen ( H2 ) = < 5,0 Vpm
Nitrogen Oksida ( N2O ) = < 5,0 Vpm Moisture ( H2O ) = < 25,0 Vpm
C. RANGKAIAN ALAT Vacum Pump
Nitrogen Udara
Udara bersih
Pendingin
Pemanas
Oksigen 99,9 %
Membran Water Absorber
filter
Storage Oksigen 99,9 %
Gambar 2. Rangkaian Alat Pemurnian Oksigen dengan Membran
Spesifikasi alat yang dibutuhkan:
Filter Filter digunakan sebagai penyaring partikel debu di udara.
Water absorber Digunakan untuk menjerap uap air yang ada di udara. Penjerap yang digunakan adalah silika gel.
Pemanas Pemanas yang digunakan harus dapat menaikkan suhu udara sampai 900oC.
Membran Membran yang digunakan adalah membran berbahan oksida perovskit. Kondisi operasi yang diinginkan adalah tekanan 0,05 bar dan suhu 900oC.
Vacuum pump Pompa vacuum yang digunakan dapat mengatur kondisi operasi agar tekanan berada pada 0,05 bar.
Pendingin Pendingin digunakan untuk menurunkan suhu gas menjadi suhu udara normal (25-40oC).
Storage tank Digunakan sebagai tempat penyimpanan oksigen murni sementara.
D. SPESISIFIKASI PRODUK
Produk yang dihasilkan adalah oksigen dengan kemurnian 99,9 %. Oksigen ini telah memenuhi syarat sebagai oksigen medis, karena standar oksigen medis yang berlaku adalah sebesar 99,5 %.
V.
DETAIL PERHITUNGAN ALAT
a. Filter Digunakan untuk menyaring partikel debu yang masuk. Ukuran partikel debu yang masuk sekitar 1-10 mikron. Dipilih jenis activated carbon sponge dust filter dengan harga $ 9.
b. Water Absorber
Menghitung tebal tangki
Kadar uap air di udara = 0,1%. Densitas uap air = 0,804 g/L.
Over design sebanyak 20%
Pada tekanan atmosferis, tangki memiliki dimensi L/D = 3 sehingga L = 3D.
√ √
Dipilih tebal plat 2,25 mm.
Menghitung harga silika gel
√ Dipilih torispherical head
Rc=0,1281 m
√ Dipilih plat tebal 2,25 mm.
Dipilih bahan carbon steel untuk tangki. Harga carbon steel = $600/ton = $0,6/kg.
Harga silika gel = US$ 1,2 / kg silika gel.
Silika gel hanya dapat didesorpsi untuk menghilangkan kandungan air sebanyak 3 kali, setelah itu harus diganti.
c. Pemanas Suhu keluar panas yang dibutuhkan adalah 900oC. Oleh karena itu dipilih
pemanas dengan tipe furnace, italian mini furnace dengan suhu kisaran maksimum 11000C. Daya yang dibutuhkan 750 watt. Harga $ 325.
d. Membran Membran yang digunakan mengggunakan bahan perovskite. Selektivitas perovskite pada suhu 9000C terhadap O2 dan N2 adalah sebesar 10000. Kecepatan permeasi dari O2 melalui membran ini adalah 10 cm3/cm2 menit apabila suhunya 900 0
C dan dilakukan pada tekanan 0,05 bar.
Secara teoritis, luas membran yang dibutuhkan agar laju O2 yang lewat sebesar 5 L/menit adalah sebagai berikut.
=500 cm
2
Diasumsikan panjang membran = 30 cm. Maka lebar membran yang dibutuhkan = 500/30 = 16,67 cm. Bentuk membran adalah holofiber (silinder) maka diameter membran dapat dicari: D=16,67 cm/3,14=5,31 cm. Ketebalan membran = 1,5 mm. Harga membran belum diketahui karena masih dalam pengembangan. Sebagai perkiraan, kita ambil harga membran jenis keramik yang lain dengan spesifikasi properties yang mirip. Harganya $1300. (www.alibaba.com)
e. Vacuum pump Tekanan vacuum yang diinginkan 0,05 bar=500 Pa. Dipilih vacuum pump tipe rotary fan vacuum pump dengan 0,5 L/det suction leave. Harga dari vacuum pump ini $100. f. HE pendingin Untuk menurunkan suhu 900oC ke 30oC, diperlukan HE yang luasnya sangat besar. HE yang luasnya besar juga akan berakibat pada ukuran HE yang besar. Hal ini tidak diinginkan karena oxygen generator yang dibuat harus bersifat portable (mudah dipindah-pindah), sehingga dikembangkan jenis HE model baru, yaitu dengan menggunakan microchannel.
Gambar II. Microchannel HE.
Contoh gambar microchannel HE. Dari gambar, dapat dilihat bahwa dengan ukuran yang sama, luas permukaan HE dengan microchannel jauh lebih besar. Sebagai fluida pendingin, digunakan udara luar, sehingga panas dari masingmasing stream (N2 dan O2) dapat diserap oleh fluida pendingin tersebut. Udara luar akan menjadi panas, dan nantinya dapat digunakan sebagai feed masuk membrane. Sehingga tidak diperlukan HE lagi untuk memanaskan udara luar sebagai input membrane. integrasi Karena yang didinginkan ada 2 stream (N2 dan O2) ,maka HE yang diperlukan juga 2 buah. 1. Oxygen-air heat exchanger
Hot fluid : Oxygen stream 5 L/menit
Cool fluid :udara luar 5 L/menit
Aliran fluida : counter current
Dimensi : 1 in x 3 in x 7,9 in (0,15 lbs)
BahankonstruksiHE : copper (k = 350 W/mK)
Contains 10 channels per stream.
2. Nitrogen-air heat exchanger
Hot fluid : nitrogen stream 19 L/menit
Cool fluid :udara luar 19 L/menit
Aliranfluida : counter current
Dimensi : 1,6 in x 7,8 in x 10 in (0,24 lbs)
Bahan konstruksi HE : copper (k = 350 W/mK)
Setiap stream terdiri dari 20 channel,ukuran 10x7,8x1,6 inch
Gambar III. Skema Aliran di HE Microchannel.
Actual heat transfer = q q = mh.Cph (Th1-Th2) = mc.Cpc (Tc1-Tc2) (Cp/R) N2 =3,502 (asumsi konstan) (Cp/R) O2 =3,535 (asumsi konstan) R = 8,314 J/mol K mO2 = 5 L/menit = 0,0223 mol/menit mN2 = 19 L/menit = 0,085mol/menit Fluid
Tin
Tout
Hot (N2)
900
30
Hot (O2)
900
30
Cold (udara)
25
850
A1 = 0,11 ft2 (oxygen-air) A2 = 1,8 ft2 (nitrogen-air)
Sebagai perbandingan, jika kita menggunakan HE biasa, luas transfer panas yang digunakan adalah sebesar 3,397 ft2 untuk mendinginkan oksigen (hasil simulasi ASPEN). Tentunya ini cukup luas untuk alat portable. Namun, HE microchannel ini masih dalam pengembangan, sehingga harganya belum diketahui dipasaran. Untuk itu, kami mengesitimasikan harga alat tersebut. Kami perkirakan harga alat tersebut tidak jauh berbeda dengan harga HE konvesional berbahan copper dengan luas perpindahan panas 3,397 ft2. Harga HE ini berkisar $2500. (harga ini didapat dari www.matche.com) g. Storage Tank Liquid Oxygen Storage Tank digunakan untuk mengisi dan menyimpan
oksigen. Kebutuhan perancangan (t) = 10 menit (waktu yang diperkirakan untuk menghasilkan oksigen dari awal proses pengolahan)
Faktor keamanan = 20 % Q =5 L/men
Volume tangki =
Desain Tangki
Bentuk : Tangki silinder tegak dengan torispherical heads
lingkungan (T=30
pada
suhu
)
Jumlah = 1 unit Volume tangki
Tinggi dan diameter tangki
(asumsi)
Tebal shell tangki
(Brownell, 1959)
t
= tebal tangki, in
P
= internal pressure, psi
R
= internal radius, in
S
= Maximum allowable stress, psi
E
= joint efficiency (asumsi E = 1)
Misal, bahan terbuat dari SA-283 grade C S
= 60.000 psi
P
= 1 atm = 14,7 psi, diambil keamanan 1,2 atm.
R
= (D/2) = (10,52in / 2) = 5,26 in
Diameter tutup Diameter tutup = diameter tangki =0,267 meter
Tebal domed head
P
= 1,2 atm= 17,64 psi
R
= (D/2) = (10,52in / 2) = 5,26 in
S
= 60.000 psi
E
= joint efficiency (asumsi=1)
Harga Alat
Massa carbon steel yang dibutuhkan =
Vol shell = tebal shell x luas selimut shell =
Vol tutup (atas dan bawah) = 2
) ( ( ) Massa carbon steel
=
Harga Plat carbon steel US$600/ton =
h. Isolator Karena menggunakan suhu yang sangat tinggi, alat ini membutuhkan isolator panas. Bahan yang dipilih sebagai isolator panas adalah High tech ceramic fiber board nano-silica aerogel insulation dengan conducvity thermal 0,015 watt/m K Sebelum menghitung tebal isolator,kita perlu memperkirakan dahulu dimensi alat yang telah dirancang. Sketsa alat jika dilihat dari atas adalah sebagai berikut.
‘
panjang=25,4cm,lebar=19,812cm
panjang=30cm,D=5,31 cm
D=12,81cm
D=26,7cm
panjang=25,4cm,lebar=19,812cm
Gambar IV. Skema Rancangan Alat Membrane Oxygen Generator
Karena ada beberapa alat yang tidak diketahui dimensinya, ukuran alat diperkirakan p x l x t = 1,5 meter x 1 meter x 1,5 meter. Dari ukuran alat tersebut, diperkirakan tempat yang membutuhkan isolator panas sekitar 3/5 bagian.(lihat gambar IV yang bergaris hitam tebal). A=9,3 m2. Q jika tanpa isolasi
= h.A (T-T0) = 3.9,3 (900-30) = 24273 W
Diinginkan panas yang keluar alat sekecil mungkin, misal 279 W 279 W
=
= 0,405 m = 40,5 cm Harga $ 50/ m2 dengan ketebalan 0,05 m = $ 1000/m3 =$ 1000/m3 x 9,3 m2 x 0,405 m
Harga
=$ 3766,5
VI.
HARGA ALAT
No. Nama Alat
Perkiraan Harga. $
1
Filter
9
2
Water Absorber
1,23
3
Pemanas
325
4
Membran
1300
5
Vacuum pump
100
6
2 HE pendingin
5000
7
Storage tank
1,57
8
Isolator
3766,5
total
10503,3
