BAB I

PENGERTIAN KRIOGENIK

Teknik Kriogenik /TK adalah pengaplikasian

ilmu proses Teknik Kimia pada suhu rendah.

Batas terendah dari skala kriogenik yaitu nol

absolut K /-273o C, sedang batas tertingginya

123 K / -150o C.

Dan TK merupakan perluasan dari banyak

bidang keteknikan yang berhubungan dengan

variabel termodinamika terutama mengenai

suhu .

Dalam proses ini menyangkut juga masalah gas cair dan bahan padat. Sebagai pendahuluan diuraikan:

Udara : campuran gas yang menjadi komposisi atmosfer di sekitar bumi.Gas terdiri dari : nitrogen, oksigen, argon, sejumlah kecil hidrogen, CO2, uap air, helium, neon, kripton, xenon, dll.Atmosfer : dimulai dari permukaan laut atau lapisan pertama trofosfer (8 s/d 16 km) diatas permukaan bumi.Di troposfer terdapat udara yang terdiri dari 78% N2; 21% O2; 0,09% Argon; 0,03% CO2; 0,07% adalah campuran Hidrogen, Ozon, He, Kripton, Xenon.

Gas komersial untuk keperluan industri antara lain N2, O2, Argon.

Contoh :

•Pupuk dari campuran N2

•Dalam Pembuatan baja dimana O2 cair sebagai pembersih besi

yang dilelehkan.

•Bola lampu pijar diisi oleh Argon

Carl von Linde telah mengembangkan proses kriogenik distillation

(distilasi suhu rendah) yang terdiri dari :

Nitrogen mendidih pada suhu : 78 K /- 195 oC

Argon mendidih pada suhu : 88 K / -185 oC

O2 mendidih pada suhu : 91 K / -182 oC

Pemurnian Udara :

Uap Air, debu, karbondioksida dipisahkan dari udara :

1. Udara dikompres, molekul bertumbukan temperatur udara

naik

2. Udara dilewatkan pada suatu unggun untuk diadsorpsi,

sehingga zat di atas dapat dipindahkan, lalu dibekukan

sebelum udara dicairkan

3. Kemudian udara diexpansikan melalui expander, lalu udara

kehilangan energi kinetik suhunya turun menjadi -190oC dan

udara mencair.

1.1 Oksigen

Ciri-ciri Oksigen cair :

• Warna biru, karena ada polimer atau rantai panjang O4

• Titik Didih 90,18 oK / - 183 o C pada 1 atm

• Titik Beku 54,4 oK / -219 o C pada 1 atm

• Densitas lebih besar dari air (1141 kg/m3) pada temperatur cair

• Sifat magnetik

• Sumber Oksigen dari udara, dipisahkan dengan distilasi

Kemagnetan oksigen cair:

Besi atau bahan ferromagnetik akan tertarik jauh ke dalam

medan magnet dalam cairan oksigen. Efek medan magnetik

terhadap benda/ bahan yang bukan besi, tertentu akan berkurang.

Untuk bahan seperti besi akan tertarik ke dalam bagian magnet

yang kuat disebut sebagai bahan ferromagnetik dan sebaliknya

disebut sebagai bahan diamagnetik, termasuk zat cair dan gas.

Karena dalam bentuk cairan, kerentanan paramagnetik cukup

tinggi pada titik didih normal dan akan tertarik oleh sifat

kemagnitan cairan O2. Sifat paramagnetik cairan O2 ini dipakai

untuk mendeteksi O2 yang jumlahnya kecil dalam campuran gas.

Kegunaan O2 cair :

1. O2 dalam bentuk cair atau gas sangat reaktif terhadap

hidrokarbon

2. Tempat penyimpanan O2 cair, tidak boleh terbungkus dengan

plastik harus dengan tabung khusus

3. Untuk roket, dibawa dalam bentuk cairan, dan akan diubah

menjadi gas sebelum bereaksi dengan bahan bakar.

1.2 Nitrogen

Ciri-cirinya :

1. Tak berwarna, tidak bau dan tidak berasa, dan lagi non toxic

2. Titik didih 77,36 oK / -196 C, titik beku 63,2 oK/ -210 C pada 1

atm.

3. Panas penguapan lebih besar daripada air

4. Sumber dari udara dan dipisahkan dengan distilasi

5. terlihat Jernih

6. Gunanya Nitrogen cair :

a. Untuk mendinginkan alat elektronik sampai suhu -196oC.

b. Membekukan makanan (jangan sampai hilang rasa dan

baunya) juga dapat menghilangkan kutil.

c. Bahan elektronik atau barang logam sebelum disegel untuk

pengirim sebaiknya disiram dengan cairan nitrogen untuk

menghilangkan udara pada barang elektronik dan

menghilangkan hidrogen yang terserap dari bahan-bahan

tersebut yang meleleh dan juga memperbaiki sisa-sisa

alumunium.

d. Cairan nitrogen dipakai untuk memberikan gaya dorong

pada pipa peralon untuk naik dari dasar tanah yang

terdeposit.

e. Hubungan dengan kestabilan , Nitrogen cair ditambahkan

pada proses manufaktur untuk mencegah kebakaran dan

ledakan karena gas nitrogen akan bersifat sebagai gas

inert.

f. Lampu pijar disiram dengan nitrogen cair untuk

menghilangkan udara sebelum lampu pijar diisi oleh

campuran nitrogen + argon.

1.3 Argon

Ciri-Ciri Gas Argon :

1. Dapat bereaksi dengan logam tertentu pada suhu tinggi.

2. Jernih, tidak berwarna.

3. Titik didih 87,3 K / - 190 C, @ 1 atm.4. Titik beku 83,8 K / -189 C, @ 1 atm.

5. Perbedaan titik didih dan titik beku sangat kecil, yaitu 3,5 o K /

238 o C.

6. Densitasnya lebih besar daripada oksigen.

7. Sumber dari udara (0,934 % volume dari udara), dipisahkan

dengan distilasi.

8. Argon sangat tidak reaktif isolator yang baik.

9. Tidak mengalami konduksi panas dengan baik dapat

mengisi lampu pijar bersama N2.

10.Karena kestabilannya, insulasi gas pada filamen mencapai

suhu yang tinggi tanpa memanaskan bola lampu berlebihan.

11.Ketika mengalami ionisasi akan menghasilkan cahaya terang

yang berwarna.

12.Gas argon dipakai untuk neon yang memiliki cahaya berwarna

untuk display iklan dan menerangi interior gedung.

13.Dipakai untuk membuat transistor unit.

1.4 Neon Cair

Jernih, tidak berwarna.

Titik didih 27,09 o K / -246 o C, @ 1 atm.

Titik Beku 24,54 o K / -248 o C, @ 1 atm.

Inert.

Panas penguapan per unit volume lebih tinggi dari hidrogen.

Densitas lebih besar daripada hidrogen, memungkinkan dijadikan

refrigerant.

Sebagai by product dari distilasi udara.

1.5 Fluorine Cair

• Kuning muda.

• Titik didih 85,24 K / 188 C, @ 1 atm.

• Titik beku 53,5 K / 219 C, @ 1 atm, padatan berwarna kuning.

• Densitasnya yang paling tinggi diantara fluida kriogenik.

• Mudah bereaksi dengan bahan anorganik.

• Sangat beracun, 200 ppm per jam untuk binatang fatal.

• Untuk manusia, masih diprbolehkan s/d 1 ppm per jam.

• Tidak digunakan dalam skala besar, karena beracun.

1.6 Metana Cair

• jernih, tidak berwarna.

• Titik didih 111,7 o K / - 162 o C, @ 1 atm.

• Titik beku 88,7 o K / - 184 o C, @ 1 atm.

• Sangat eksplosif bila berkonsentrasi sebesar 5,8 s/d 13,3 %.

• LNG dikapalkan pertama kali (1959) dengan kapasitas 5000 m3.

1.7 Hidrogen Cair

Cairan paling ringan.

Tidak bau.

Tidak berwarna.

Dengan oksigen sangat mudah terbakar.

Orto dan para hidrogen, mol fraksi orto dan para hidrogen akan

berubah terhadap temperatur.

Densitasnya seperempat dari densitas oksigen.

Perlu katalis untuk penyimpanan hidrogen agar tidak mudah

menguap.

1.8 Helium 4

Gas yang paling sulit dicairkan.

Tidak ada titik beku @ 1 atm.

Lebih banyak jumlahnya dibanding Helium 3.

Saturated LiquidSaturated LiquidProperty at 1 atmProperty at 1 atm

Liquid Liquid HeliuHeliu

mm33

Liquid Liquid HeliuHeliu

mm44

Liquid Liquid HidrogHidrogenen

Liquid Liquid NeoNeo

nn

Liquid Liquid NitrogNitrog

enenLiquid AirLiquid Air

Liquid Liquid FluoriFluori

nene

Liquid Liquid ArgArgonon

Liquid Liquid OxygOxyg

enen

Liquid Liquid MethaMetha

nene

Normal Boiling Point Normal Boiling Point OORR

5.745.74 7.577.57 36.736.7 48.848.8 139.2139.2 142142 153.6153.6 157.1157.1 162.4162.4 201.1201.1

Critical Temperature Critical Temperature OORR

5.985.98 9.369.36 59.7459.74 79.979.9 227.0227.0 240240 212.7212.7 271.2271.2 278.3278.3 343.3343.3

Critical Pressure, atmCritical Pressure, atm 1.151.15 2.262.26 12.9812.98 26.8426.84 33.533.5 38.738.7 55.055.0 48.348.3 50.150.1 45.845.8

Triple Poin Triple Poin Temperature Temperature

OORR-- -- 25.125.1 34.2134.21 113.7113.7 -- 96.3796.37 150.8150.8 98.098.0 159.7159.7

Pressure at Triple Pressure at Triple Point, atmPoint, atm

-- -- 0.07110.0711 0.4260.426 0.12680.1268 -- 0.002180.00218 0.6790.679 0.001500.00150 0.0990.099

Density, lbm/ftDensity, lbm/ft33 3.683.68 7.807.80 4.434.43 75.1775.17 50.6150.61 54.5654.56 93.9693.96 87.5687.56 70.870.8 26.5326.53

Heat of Vaporization, Heat of Vaporization, Btu/ lbmBtu/ lbm

3.653.65 8.928.92 191.9191.9 37.2637.26 85.3285.32 88.288.2 71.671.6 69.569.5 91.6391.63 219.2219.2

Spesific Heat cp, Spesific Heat cp, Btu/lbm Btu/lbm OORR

1.101.10 1.091.09 2.3362.336 0.440.44 0.4870.487 0.4700.470 0.370.37 0.2720.272 0.4060.406 0.8250.825

Viscosity, lbm/ft-hrViscosity, lbm/ft-hr 0.003920.00392 0.00860.0086 0.03160.0316 0.300.30 0.3820.382 0.1950.195 0.5920.592 0.6100.610 0.4550.455 0.2870.287

Thermal conductivity, Thermal conductivity, Btu/hr-ft-Btu/hr-ft- O OFF

0.00990.0099 0.015650.01565 0.06830.0683 0.0750.075 0.08040.0804 -- 0.0780.078 0.07120.0712 0.08550.0855 0.06420.0642

Dielectric ConstantDielectric Constant -- 1.04921.0492 1.2261.226 -- 1.4341.434 -- 1.431.43 1.521.52 1.48371.4837 1.67581.6758

Speed of Sound, fpsSpeed of Sound, fps 376376 593593 39003900 -- 28102810 -- -- 27802780 29602960 46304630

Tabel 1. Sifat-Sifat Tertentu Dari Cairan Kriogenik Pada Titik Didih

QUIZ I

KRIOGENIK

TUTUP BUKU

30 MENIT

1.Apa yang dimaksud dengan teknik kriogenik ?

2.Jelaskan aplikasi kriogenik pada bidang-bidang berikut ini :

• Energi

• Pesawat Luar Angkasa

• Aeronotika

• Industri

• Kesehatan