Oksigen

Latar Belakang

Oksigen adalah salah satu unsur kimia dasar. Dalam bentuknya yang paling umum, oksigen adalah gas tidak berwarna yang ditemukan di udara. Ini adalah salah satu elemen pendukung kehidupan di Bumi dan dibutuhkan oleh semua hewan. Oksigen juga digunakan dalam banyak aplikasi industri, komersial, medis, dan ilmiah. Ini digunakan dalam tanur tinggi untuk membuat baja, dan merupakan komponen penting dalam produksi banyak bahan kimia sintetis, termasuk amonia, alkohol, dan berbagai plastik. Oksigen dan asetilena dibakar bersama untuk menghasilkan suhu yang sangat tinggi yang dibutuhkan untuk pengelasan dan pemotongan logam. Ketika oksigen didinginkan di bawah -297° F (-183° C), ia menjadi cairan biru pucat yang digunakan sebagai bahan bakar roket.

Oksigen adalah salah satu unsur kimia yang paling melimpah di Bumi. Sekitar setengah dari kerak bumi terdiri dari senyawa kimia yang mengandung oksigen, dan seperlima dari atmosfer kita adalah gas oksigen. Tubuh manusia mengandung sekitar dua pertiga oksigen. Meskipun oksigen telah hadir sejak awal penyelidikan ilmiah, oksigen tidak ditemukan dan dikenali sebagai elemen terpisah sampai tahun 1774 ketika Joseph Priestley dari Inggris mengisolasinya dengan memanaskan oksida merkuri dalam tabung reaksi terbalik dengan sinar matahari yang terfokus. Priestley menjelaskan penemuannya kepada ilmuwan Prancis Antoine Lavoisier, yang bereksperimen lebih lanjut dan menentukan bahwa itu adalah salah satu dari dua komponen utama udara. Lavoisier menamai gas oksigen baru menggunakan kata Yunani oxys, berarti asam atau asam, dan gen, yang berarti memproduksi atau membentuk, karena dia percaya itu adalah bagian penting dari semua asam.

Pada tahun 1895, Karl Paul Gottfried von Linde dari Jerman dan William Hampson dari Inggris secara independen mengembangkan proses untuk menurunkan suhu udara hingga menjadi cair. Dengan distilasi udara cair secara hati-hati, berbagai komponen gas dapat dididihkan satu per satu dan ditangkap. Proses ini dengan cepat menjadi sumber utama oksigen, nitrogen, dan argon berkualitas tinggi.

Pada tahun 1901, gas oksigen terkompresi dibakar dengan gas asetilen dalam demonstrasi pertama pengelasan oksi-asetilen. Teknik ini menjadi metode industri yang umum untuk pengelasan dan pemotongan logam.

Penggunaan pertama propelan roket cair datang pada tahun 1923 ketika Robert Goddard dari Amerika Serikat mengembangkan mesin roket menggunakan bensin sebagai bahan bakar dan oksigen cair sebagai oksidator. Pada tahun 1926, ia berhasil menerbangkan roket kecil berbahan bakar cair dengan jarak 184 kaki (56 m) dengan kecepatan sekitar 60 mph (97 kph).

Setelah Perang Dunia II, teknologi baru membawa perbaikan signifikan pada proses pemisahan udara yang digunakan untuk menghasilkan oksigen. Volume produksi dan tingkat kemurnian meningkat sementara biaya menurun. Pada tahun 1991, lebih dari 470 miliar kaki kubik (13,4 miliar meter kubik) oksigen diproduksi di Amerika Serikat, menjadikannya gas industri dengan volume terbesar kedua yang digunakan.

Di seluruh dunia lima daerah penghasil oksigen terbesar adalah Eropa Barat, Rusia (sebelumnya Uni Soviet), Amerika Serikat, Eropa Timur, dan Jepang.

Makanan Mentah

Oksigen dapat diproduksi dari sejumlah bahan, menggunakan beberapa metode berbeda. Metode alami yang paling umum adalah fotosintesis, di mana tanaman menggunakan sinar matahari mengubah karbon dioksida di udara menjadi oksigen. Ini mengimbangi proses respirasi, di mana hewan mengubah oksigen di udara kembali menjadi karbon dioksida.

Metode komersial yang paling umum untuk memproduksi oksigen adalah pemisahan udara baik menggunakan proses distilasi kriogenik atau proses adsorpsi ayunan vakum. Nitrogen dan argon juga diproduksi dengan memisahkannya dari udara.

Oksigen juga dapat diproduksi sebagai hasil reaksi kimia di mana oksigen dibebaskan dari senyawa kimia dan menjadi gas. Metode ini digunakan untuk menghasilkan oksigen dalam jumlah terbatas untuk mendukung kehidupan di kapal selam, pesawat terbang, dan pesawat ruang angkasa.

Hidrogen dan oksigen dapat dihasilkan dengan melewatkan arus listrik melalui air dan mengumpulkan dua gas saat mereka menggelembung. Hidrogen terbentuk di terminal negatif dan oksigen di terminal positif. Metode ini disebut elektrolisis dan menghasilkan hidrogen dan oksigen yang sangat murni. Ini menggunakan sejumlah besar energi listrik, bagaimanapun, dan tidak ekonomis untuk produksi volume besar.

Manufaktur
Proses

Sebagian besar oksigen komersial diproduksi menggunakan variasi proses distilasi kriogenik yang awalnya dikembangkan pada tahun 1895. Proses ini menghasilkan oksigen yang 99+% murni. Baru-baru ini, proses adsorpsi ayun vakum yang lebih hemat energi telah digunakan untuk sejumlah aplikasi terbatas yang tidak memerlukan oksigen dengan kemurnian lebih dari 90-93%.

Berikut adalah langkah-langkah yang digunakan untuk menghasilkan oksigen kelas komersial dari udara menggunakan proses distilasi kriogenik.

Mengobati sebelumnya

Karena proses ini menggunakan bagian kriogenik yang sangat dingin untuk memisahkan udara, semua kotoran yang mungkin mengeras—seperti uap air, karbon dioksida, dan hidrokarbon berat tertentu—harus dihilangkan terlebih dahulu untuk mencegahnya membeku dan menyumbat pipa kriogenik.

Sebuah tabung reaksi dikatakan berisi napas terakhir Thomas Edison dan diberikan kepada Henry Ford, dan bersemangat kipas angin, sebagai kenang-kenangan oleh putra Edison, Charles. (Dari koleksi Museum Henry Ford &Greenfield Village, Dearborn, Michigan.)

Tabung reaksi ini adalah salah satu artefak paling populer di Henry Ford Museum &Greenfield Village di Dearborn, Michigan. Dikatakan berisi nafas terakhir Thomas Alva Edison, penemu hebat. Menurut putra Edison, Charles, satu set delapan tabung reaksi kosong diletakkan di atas meja di sebelah ranjang kematian Edison pada tahun 1931. Segera setelah Edison meninggal, dokternya, meletakkan beberapa tabung ke bibir Edison untuk menangkap karbon dioksida dari paru-parunya yang mengempis. . Kemudian, dokter dengan hati-hati menutup setiap tabung dengan parafin dan memberikan tabung itu kepada Charles Edison. Charles Edison tahu bahwa idola Henry Ford adalah Thomas Edison dan memberi Ford salah satu tabung sebagai kenang-kenangan. Museum memperoleh tabung setelah kematian Henry dan Clara Ford.

Ada beberapa diskusi di antara pengunjung tentang berapa banyak karbon dioksida dan berapa banyak oksigen yang terkandung dalam tabung saat ini. Beberapa bertanya apakah ada yang mengevakuasi tabung oksigen sebelum memasukkan tabung ke mulut Edison (sangat tidak mungkin). Jika tidak, berapa banyak napas Edison yang bisa ada di dalam tabung? Jadi, kata mereka, itu mengandung karbon dioksida dan oksigen? Meskipun demikian, ini adalah penghargaan yang tidak biasa untuk seorang pria hebat oleh mereka yang menyesal melihat cahayanya padam.

Nancy EV Bryk

• 1 Udara dikompresi hingga sekitar 94 psi (650 kPa atau 6,5 atm) dalam kompresor multi-tahap. Kemudian melewati aftercooler berpendingin air untuk mengembunkan air apa pun Sebelum diproses, udara diolah terlebih dahulu untuk menghilangkan kotoran yang akan menyumbat pipa kriogenik. Setelah pra-perawatan, udara diserahkan ke distilasi fraksional. Dalam proses distilasi fraksional, komponen dipisahkan secara bertahap dalam beberapa tahap. Karena semua proses distilasi bekerja berdasarkan prinsip mendidihkan cairan untuk memisahkan satu atau lebih komponen, bagian kriogenik diperlukan untuk menyediakan suhu yang sangat rendah yang diperlukan untuk mencairkan komponen gas. Setelah oksigen cair dipisahkan, itu dimurnikan dan disimpan. uap, dan air yang terkondensasi dihilangkan dalam separator air.
• 2 Udara melewati penyerap saringan molekuler. Adsorben mengandung zeolit ​​dan adsorben tipe silika gel, yang menjebak karbon dioksida, hidrokarbon yang lebih berat, dan sisa uap air. Secara berkala adsorber dibilas bersih untuk menghilangkan kotoran yang terperangkap. Ini biasanya membutuhkan dua penyerap yang beroperasi secara paralel, sehingga yang satu dapat terus memproses aliran udara sementara yang lain dibilas.

Memisahkan

Udara dipisahkan menjadi komponen utamanya—nitrogen, oksigen, dan argon—melalui proses distilasi yang dikenal sebagai distilasi fraksional. Kadang-kadang nama ini disingkat menjadi fraksinasi, dan struktur vertikal yang digunakan untuk melakukan pemisahan ini disebut kolom fraksinasi. Dalam proses distilasi fraksional, komponen dipisahkan secara bertahap dalam beberapa tahap. Pada setiap tahap tingkat konsentrasi, atau fraksi, masing-masing komponen dinaikkan sampai pemisahan selesai.

Karena semua proses distilasi bekerja berdasarkan prinsip mendidihkan cairan untuk memisahkan satu atau lebih komponen, bagian kriogenik diperlukan untuk menyediakan suhu yang sangat rendah yang diperlukan untuk mencairkan komponen gas.

• 3 Aliran udara yang telah diolah sebelumnya terbelah. Sebagian kecil dari udara dialihkan melalui kompresor, di mana tekanannya ditingkatkan. Kemudian didinginkan dan dibiarkan mengembang hingga hampir mencapai tekanan atmosfer. Ekspansi ini dengan cepat mendinginkan udara, yang disuntikkan ke bagian kriogenik untuk memberikan suhu dingin yang diperlukan untuk operasi.
• 4 Aliran utama udara melewati satu sisi dari sepasang penukar panas sirip pelat yang beroperasi secara seri, sementara oksigen dan nitrogen yang sangat dingin dari bagian kriogenik melewati sisi lainnya. Aliran udara yang masuk didinginkan, sedangkan oksigen dan nitrogen dihangatkan. Dalam beberapa operasi, udara dapat didinginkan dengan melewatkannya melalui katup ekspansi alih-alih penukar panas kedua. Dalam kedua kasus, suhu udara diturunkan ke titik di mana oksigen, yang memiliki titik didih tertinggi, mulai mencair.
• 5 Aliran udara—sekarang sebagian cair dan sebagian gas—masuk ke dasar kolom fraksinasi bertekanan tinggi. Saat udara naik ke atas kolom, ia kehilangan panas tambahan. Oksigen terus mencair, membentuk campuran kaya oksigen di bagian bawah kolom, sementara sebagian besar nitrogen dan argon mengalir ke atas sebagai uap.
• 6 Campuran oksigen cair, yang disebut oksigen cair mentah, diambil dari bagian bawah kolom fraksinasi yang lebih rendah dan didinginkan lebih lanjut dalam subcooler. Bagian dari aliran ini dibiarkan berekspansi hingga mendekati tekanan atmosfer dan diumpankan ke dalam kolom fraksinasi bertekanan rendah. Saat oksigen cair mentah bekerja di bawah kolom, sebagian besar nitrogen dan argon yang tersisa terpisah, meninggalkan 99,5% oksigen murni di bagian bawah kolom.
• 7 Sementara itu, uap nitrogen/argon dari bagian atas kolom bertekanan tinggi didinginkan lebih lanjut di dalam subcooler. Uap campuran dibiarkan berekspansi hingga mendekati tekanan atmosfer dan diumpankan ke bagian atas kolom fraksinasi bertekanan rendah. Nitrogen, yang memiliki titik didih terendah, berubah menjadi gas terlebih dahulu dan mengalir keluar dari bagian atas kolom sebagai nitrogen murni 99,995%.
• 8 Argon, yang memiliki titik didih antara oksigen dan nitrogen, tetap menjadi uap dan mulai tenggelam saat nitrogen mendidih. Saat uap argon mencapai titik sekitar dua pertiga perjalanan ke bawah kolom, konsentrasi argon mencapai maksimum sekitar 7-12% dan ditarik ke dalam kolom fraksinasi ketiga, di mana selanjutnya disirkulasikan kembali dan disempurnakan. Produk akhir adalah aliran argon mentah yang mengandung 93-96% argon, 2-5% oksigen, dan keseimbangan nitrogen dengan jejak gas lainnya.

Memurnikan

Oksigen di bagian bawah kolom bertekanan rendah adalah sekitar 99,5% murni. Unit distilasi kriogenik yang lebih baru dirancang untuk memulihkan lebih banyak argon dari kolom bertekanan rendah, dan ini meningkatkan kemurnian oksigen hingga sekitar 99,8%.

• 9 Jika kemurnian yang lebih tinggi diperlukan, satu atau lebih kolom fraksinasi tambahan dapat ditambahkan bersama dengan kolom bertekanan rendah untuk lebih menyempurnakan produk oksigen. Dalam beberapa kasus, oksigen juga dapat dilewatkan melalui katalis untuk mengoksidasi hidrokarbon apapun. Proses ini menghasilkan karbon dioksida dan uap air, yang kemudian ditangkap dan dibuang.

Mendistribusikan

Sekitar 80-90% dari oksigen yang diproduksi di Amerika Serikat didistribusikan ke pengguna akhir dalam pipa gas dari pabrik pemisahan udara terdekat. Di beberapa bagian negara, jaringan pipa yang luas melayani banyak pengguna akhir di area ratusan mil (kilometer). Gas dikompresi menjadi sekitar 500 psi (3,4 MPa atau 34 atm) dan mengalir melalui pipa yang berdiameter 4-12 in (10-30 cm). Sebagian besar oksigen yang tersisa didistribusikan di trailer tangki terisolasi atau mobil tangki kereta api sebagai oksigen cair.

• 10 Jika oksigen akan dicairkan, proses ini biasanya dilakukan di dalam kolom fraksinasi tekanan rendah dari pabrik pemisahan udara. Nitrogen dari bagian atas kolom bertekanan rendah dikompres, didinginkan, dan diperluas untuk mencairkan nitrogen. Aliran nitrogen cair ini kemudian diumpankan kembali ke kolom bertekanan rendah untuk memberikan pendinginan tambahan yang diperlukan untuk mencairkan oksigen saat tenggelam ke dasar kolom.
• 11 Karena oksigen cair memiliki titik didih yang tinggi, oksigen ini mendidih dengan cepat dan jarang dikirim lebih jauh dari 500 mil (800 km). Itu diangkut dalam tangki besar dan terisolasi. Tubuh tangki dibangun dari dua cangkang dan udara dievakuasi antara cangkang dalam dan luar untuk memperlambat kehilangan panas. Ruang vakum diisi dengan bahan isolasi semipadat untuk lebih menghentikan aliran panas dari luar.

Kontrol Kualitas

Asosiasi Gas Terkompresi menetapkan standar penilaian untuk oksigen gas dan oksigen cair berdasarkan jumlah dan jenis kotoran yang ada. Nilai gas disebut Tipe I dan berkisar dari A, yang 99,0% murni, hingga F, yang 99,995% murni. Nilai cair disebut Tipe II dan juga berkisar dari A hingga F, meskipun jenis dan jumlah pengotor yang diizinkan dalam kadar cair berbeda dari kadar gas. Tipe I Grade B dan Grade C dan Tipe II Grade C murni 99,5% dan merupakan kadar oksigen yang paling umum diproduksi. Mereka digunakan dalam pembuatan baja dan dalam pembuatan bahan kimia sintetis.

Pengoperasian unit pemisahan udara distilasi kriogenik dipantau oleh instrumen otomatis dan sering menggunakan kontrol komputer. Akibatnya, output mereka konsisten dalam kualitas. Pengambilan sampel dan analisis produk akhir secara berkala memastikan bahwa standar kemurnian terpenuhi.

Masa Depan

Pada Januari 1998, Amerika Serikat meluncurkan satelit Lunar Prospector ke orbit mengelilingi bulan. Di antara banyak tugasnya, satelit ini akan memindai permukaan bulan untuk mencari indikasi air. Para ilmuwan berharap jika air dalam jumlah yang cukup ditemukan, dapat digunakan untuk menghasilkan gas hidrogen dan oksigen melalui elektrolisis, menggunakan tenaga surya untuk menghasilkan listrik. Hidrogen dapat digunakan sebagai bahan bakar, dan oksigen dapat digunakan untuk memberikan dukungan kehidupan bagi koloni bulan. Rencana lain melibatkan ekstraksi oksigen dari senyawa kimia di tanah bulan menggunakan tungku bertenaga surya untuk panas.