Gas industri

Gas industri adalah sekelompok bahan yang diproduksi secara khusus untuk digunakan di industri dan berwujud gas pada suhu dan tekanan ambien. Mereka adalah bahan kimia yang bisa merupakan gas unsur atau senyawa kimia yang bersifat organik atau anorganik, dan cenderung berupa molekul dengan berat molekul rendah. Mereka juga bisa merupakan campuran gas-gas tunggal. Mereka memiliki nilai sebagai bahan kimia; baik sebagai bahan baku, dalam pengayaan proses, sebagai produk akhir yang berguna, atau untuk penggunaan tertentu; sebaliknya memiliki nilai sebagai bahan bakar "sederhana".

Istilah "gas industri"^[1] kadang-kadang didefinisikan secara sempit hanya sebagai gas utama yang dijual, yaitu: nitrogen, oksigen, karbon dioksida, argon, hidrogen, asetilena dan helium.^[2] Banyak nama diberikan pada gas di luar daftar utama ini oleh perusahaan gas industri yang berbeda, namun umumnya gas-gas tersebut masuk ke dalam kategori "gas khusus", "gas medis", "gas bahan bakar" atau "gas refrigeran". Namun, gas juga dapat diketahui berdasarkan penggunaan atau industri yang mereka layani, maka muncul istilah "gas pengelasan" atau "gas pernapasan", dan lain-lain; atau berdasarkan sumbernya, seperti pada "gas udara"; atau berdasarkan cara pemasokannya seperti pada "gas kemasan". Gas-gas utama juga bisa disebut "gas curah" atau "gas tonase".

Pada prinsipnya setiap gas atau campuran gas yang dijual oleh "industri gas industri" mungkin memiliki beberapa keperluan industri dan dapat disebut sebagai "gas industri". Dalam prakteknya, "gas industri" cenderung merupakan senyawa murni atau campuran komposisi kimia yang tepat, dikemas atau dalam jumlah kecil, namun dengan kemurnian tinggi atau disesuaikan dengan penggunaan spesifik (misalnya oksiasetilena). Daftar gas yang lebih signifikan tercantum dalam "Ragam gas industri" di bawah ini.

Ada kasus ketika gas tidak disebut "gas industri"; Terutama di mana gas diproses untuk kemudian digunakan energinya bukannya "dibuat" untuk digunakan sebagai bahan kimia atau sediaan.

Industri minyak dan gas memperlihatkan perbedaan ini. Jadi, meskipun benar bahwa gas alam adalah "gas" yang digunakan dalam "industri" - sering kali sebagai bahan bakar, kadang-kadang sebagai bahan baku, dan dalam pengertian generik ini adalah "gas industri"; istilah ini umumnya tidak digunakan oleh perusahaan industri untuk hidrokarbon yang diproduksi secara langsung oleh industri perminyakan dari sumber daya alam atau di kilang minyak. Bahan seperti LPG dan LNG adalah campuran kompleks sering kali tanpa komposisi kimia yang tepat yang sering juga berubah saat disimpan.

Industri petrokimia juga terlihat berbeda. Jadi petrokimia (bahan kimia yang berasal dari minyak bumi) seperti etilena umumnya juga tidak dijelaskan sebagai "gas industri".

Terkadang bahan kimia industri dianggap berbeda dari gas industri; jadi bahan kimia seperti amonia dan klorin bisa dianggap "bahan kimia" (terutama jika disuplai sebagai cairan), bukan, atau kadang-kadang, sebagai "gas industri".

Pasokan gas skala kecil dari wadah yang dibawa sendiri terkadang tidak dianggap sebagai gas industri karena penggunaannya dianggap lebih bersifat pribadi daripada industri;dan pemasoknya tidak selalu spesialis gas.

Pembatasan ini didasarkan pada batasan yang dirasakan industri ini (walaupun dalam prakteknya ada beberapa tumpang tindih), dan definisi ilmiah yang tepat sulit dilakukan. Berikut gambaran "tumpang tindih" antar industri:

• Gas bahan bakar yang dimanufaktur (seperti gas kota) secara historis dianggap sebagai gas industri. Syngas sering dianggap petrokimia; meski produksinya merupakan teknologi inti industri gas. Demikian pula, proyek yang memanfaatkan gas TPA atau biogas, skema limbah-menjadi-energi, serta produksi hidrogen semua menunjukkan teknologi yang tumpang tindih.
• Helium adalah gas industri, meski sumbernya berasal dari pengolahan gas alam.
• Gas apapun kemungkinan akan dianggap sebagai gas industri jika dimasukkan ke dalam tabung gas (kecuali mungkin jika digunakan sebagai bahan bakar)
• Propana akan dianggap sebagai gas industri bila digunakan sebagai refrigeran, tapi tidak bila digunakan sebagai pendingin dalam produksi LNG, meski ini adalah teknologi yang tumpang tindih.

Unsur kimia yang diketahui, atau dapat diperoleh dari sumber daya alam dan yang bersifat gas adalah hidrogen, nitrogen, oksigen, fluorin, klorin, ditambah gas mulia; dan secara kolektif disebut oleh kimiawan sebagai "gas elemental" atau "gas unsur". Unsur-unsur ini semua primordial kecuali radon, gas mulia yang merupakan radioisotop renik yang terjadi secara alami karena semua isotop adalah nuklida radiogenik dari peluruhan radioaktif. (Tidak diketahui keberadaan unsur sintetis dengan nomor atom di atas 108 yang berwujud gas.)

Unsur dengan molekul homonuklir diatomik yang stabil pada suhu dan tekanan standar (STP) adalah hidrogen (H₂), nitrogen (N₂) dan oksigen (O₂), ditambah halogen fluorin (F₂) dan klorin (Cl₂). Gas mulia semuanya monoatomik.

Dalam industri gas industri istilah "gas elemental" (atau kadang-kadang yang kurang tepat "gas molekuler") digunakan untuk membedakan gas-gas ini dari molekul yang juga merupakan senyawa kimia. Unsur-unsur ini semua nonlogam.

Radon stabil secara kimiawi, tapi bersifat radioaktif dan tidak memiliki isotop stabil. Isotop yang paling stabil, ²²²Rn, memiliki waktu paruh 3,8 hari. Penggunaannya lebih disebabkan karena radioaktivitasnya daripada sifat kimianya dan memerlukan penanganan khusus di luar norma penanganan industri gas industri. Bagaimanapun, produk tersebut dapat diproduksi sebagai produk sampingan dari pengolahan bijih uranifero. Radon adalah bahan radioaktif alami (Naturally Occurring Radioactive Material, NORM) yang dijumpai di udara yang diproses dalam ASU.

Klor adalah satu-satunya unsur gas yang secara teknis merupakan uap karena suhu dan tekanan standar (STP) berada di bawah suhu kritisnya; sementara brom dan raksa berwujud cair pada STP, dan sehingga uapnya berada dalam kesetimbangan dengan cairannya pada STP.

 

Daftar ini menunjukkan gas cair yang penting:

• Dihasilkan dari udara
  • nitrogen cair (liquid nitrogen, LIN)
  • oksigen cair (liquid oxygen, LOX)
  • argon cair (liquid argon, LAR)
• Dihasilkan dari berbagai sumber
  • karbon dioksida cair
• Dihasilkan dari bahan baku hidrokarbon
  • hidrogen cair
  • helium cair
• Campuran gas yang dihasilkan dari bahan baku hidrokarbon
  • Gas alam cair (Liquefied Natural Gas, LNG)
  • Gas minyak bumi cair (Liquefied Petroleum Gas, LPG)

Daftar ini menunjukkan gas-gas lain yang umum dijual oleh perusahaan gas industri.

 

Gas pertama dari alam yang digunakan oleh manusia dapat dipastikan adalah udara ketika terungkap bahwa meniup atau mengipas api membuatnya terbakar semakin terang. Manusia juga menggunakan gas hangat dari api untuk mengasap makanan. Kukus (steam) dari air mendidih juga telah digunakan oleh manusia untuk memasak makanan. Karbon dioksida telah diketahui sejak zaman kuno sebagai produk sampingan fermentasi, terutama untuk minuman, yang pertama kali didokumentasikan pada 7000–6600 SM di Jiahu, Tiongkok.^[3] Gas alam digunakan oleh bangsa Tiongkok pada sekitar 500 SM ketika mereka menemukan potensi untuk mengangkut gas yang merembes dari tanah dengan pipa bambu mentah ke tempat yang digunakan untuk merebus air laut.^[4] Belerang dioksida digunakan oleh bangsa Romawi dalam pembuatan anggur karena telah ditemukan bahwa pembakaran lilin yang terbuat dari belerang di dalam wadah anggur kosong akan membuat anggur tetap segar dan mencegah mereka mendapatkan bau cuka.^[5]

 

 

Pemahaman awal terdiri dari bukti empiris dan protosains alkimia; namun dengan munculnya metode ilmiah^[6] dan ilmu kimia, gas-gas ini menjadi teridentifikasi dan dipahami secara positif. Sejarah kimia mengatakan bahwa sejumlah gas telah diidentifikasi dan ditemukan atau dibuat pertama kali dalam bentuk yang relatif murni selama Revolusi Industri abad ke-18 dan ke-19 oleh kimiawan terkemuka di laboratorium mereka. Garis waktu penemuan yang dikaitkan untuk berbagai gas adalah karbon dioksida (1754),^[7] hidrogen (1766),^[8][9] nitrogen (1772),^[8] dinitrogen monoksida (1772),^[10] oksigen (1773),^[8][11][12] amonia (1774),^[13] klorin (1774),^[8] metana (1776),^[14] hidrogen sulfida (1777),^[15] karbon monoksida (1800),^[16] hidrogen klorida (1810),^[17] asetilena (1836),^[18] helium (1868),^[8][19], fluorin (1886),^[8] argon (1894),^[8], kripton, neon dan xenon (1898),^[8] serta radon (1899).^[8]

Karbon dioksida, hidrogen, dinitrogen monoksida, oksigen, amonia, klorin, belerang dioksida dan gas bahan bakar manufaktur telah digunakan selama abad ke-19, dan terutama digunakan untuk makanan, refrigerasi, obat-obatan, dan untuk penerangan berbahan bakar dan gas.^[20] Sebagai contoh, air berkarbonasi dibuat sejak tahun 1772 dan secara komersial sejak tahun 1783, klorin pertama kali digunakan sebagai pemutih tekstil pada tahun 1785^[21] dan dinitrogen monoksida pertama kali digunakan untuk anastesi kedokteran gigi pada tahun 1844.^[10] Pada saat itu gas sering dihasilkan untuk segera digunakan melalui reaksi kimia. Contoh generator yang penting adalah peralatan Kipps yang ditemukan pada tahun 1844^[22] dan dapat digunakan untuk menghasilkan gas seperti hidrogen, hidrogen sulfida, klorin, asetilena dan karbon dioksida melalui reaksi evolusi gas sederhana. Asetilena diproduksi secara komersial dari tahun 1893 dan generator asetilena digunakan sekitar tahun 1898 untuk menghasilkan gas untuk kompor gas dan lampu gas, namun listrik mengambil alih karena lebih praktis untuk penerangan dan begitu LPG diproduksi secara komersial sejak 1912, penggunaan asetilena untuk memasak menurun.^[20]

Begitu gas telah ditemukan dan diproduksi dalam jumlah kecil, proses industrialisasi memacu inovasi dan penemuan teknologi untuk menghasilkan gas dalam jumlah yang lebih banyak. Perkembangan penting dalam produksi industri gas meliputi elektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen (pada tahun 1869) dan oksigen (sejak tahun 1888), proses Brin untuk produksi oksigen yang ditemukan pada tahun 1884, proses kloralkali untuk menghasilkan klorin pada tahun 1892 dan Proses Haber menghasilkan amonia pada tahun 1908.^[23]

Pengembangan penggunaan dalam refrigerasi juga memungkinkan kemajuan dalam pengkondisian udara dan pencairan gas. Karbon dioksida pertama kali dicairkan pada tahun 1823. Siklus refrigerasi kompresi uap pertama yang menggunakan eter ditemukan pada tahun 1834 dan siklus yang sama dengan menggunakan amonia ditemukan pada tahun 1873 dan yang lainnya dengan belerang dioksida pada tahun 1876.^[20] Oksigen cair dan nitrogen cair pertama kali dibuat pada tahun 1883; hidrogen cair pertama kali dibuat pada tahun 1898 dan helium cair pada tahun 1908. LPG pertama kali dibuat pada tahun 1910. Paten untuk LNG diajukan pada tahun 1914 dengan produksi komersial pertama pada tahun 1917.^[24]

Meskipun tidak ada satu peristiwa yang menandai dimulainya industri gas industri, banyak yang akan menganggapnya sebagai tahun 1880-an yang ditandai dengan konstruksi tabung gas bertekanan tinggi pertama.^[20] Awalnya tabung banyak digunakan untuk karbon dioksida karbonasi atau pengeluaran minuman. Pada tahun 1895 siklus kompresi pendinginan dikembangkan lebih lanjut untuk memungkinkan pencairan udara,^[25] terutama oleh Carl von Linde^[26] yang memungkinkan produksi oksigen dalam jumlah besar dan pada tahun 1896 ditemukan bahwa sejumlah besar asetilena dapat dilarutkan dalam aseton dan diberi label tidak mudah meledak yang memungkinkan pembotolan asetilena dengan aman.^[27]

Penggunaan yang sangat penting adalah pengembangan pengelasan dan pemotongan logam yang dilakukan dengan oksigen dan asetilena dari awal 1900-an. Seiring dengan dikembangkannya proses produksi untuk gas lain, semakin banyak gas yang dijual dalam tabung tanpa memerlukan generator gas.

 

Pabrik pemisahan udara mengilang udara dalam proses pemisahan sehingga memungkinkan produksi massal nitrogen dan argon selain oksigen - ketiganya sering juga diproduksi sebagai cairan kriogenik. Untuk mencapai suhu distilasi rendah yang dipersyaratkan, Unit Pemisahan Udara (Air Separation Unit, ASU) menggunakan siklus refrigerasi yang beroperasi dengan menggunakan efek Joule–Thomson.

Selain gas udara utama, pemisahan udara juga merupakan satu-satunya sumber praktis untuk produksi gas mulia langka neon, krypton dan xenon.

Teknologi kriogenik juga memungkinkan pencairan LNG, hidrogen dan helium. Dalam pengolahan gas alam, teknologi kriogenik digunakan untuk menghilangkan nitrogen dari gas alam di Unit Penolakan Nitrogen (bahasa Inggris: Nitrogen Rejection Unit; suatu proses yang juga bisa digunakan untuk menghasilkan helium dari gas alam - jika ladang gas alam mengandung helium yang cukup untuk membuatnya ekonomis. Perusahaan gas industri yang lebih besar sering berinvestasi di perpustakaan paten yang luas di semua bidang bisnis mereka, terutama dalam kriogenik.

Teknologi produksi pokok lainnya dalam industri ini adalah Reforming. Reformasi kukus (steam reforming) adalah proses kimia yang digunakan untuk mengubah gas alam dan kukus menjadi gas sintetis (syngas) yang mengandung hidrogen dan karbon monoksida dengan karbon dioksida sebagai produk sampingan. Oksidasi parsial dan reformasi autotermal adalah proses yang serupa namun ini juga membutuhkan oksigen dari ASU. Gas sintetis sering merupakan prekursor sintesis kimia amonia atau metanol. Karbon dioksida yang dihasilkan adalah gas asam dan umumnya dihilangkan dengan perlakuan menggunakan amina. Karbon dioksida yang dipisahkan ini berpotensi diserap ke reservoir penangkapan karbon.

Teknologi pemisahan udara dan pembaharuan hidrogen adalah landasan industri gas industri dan juga merupakan bagian dari teknologi yang dibutuhkan untuk banyak gasifikasi bahan bakar (termasuk siklus gabungan gasifikasi terpadu (IGCC)), skema kogenerasi dan proses Fischer–Tropsch gas menjadi cairan. Hidrogen memiliki banyak metode produksi dan disebut-sebut sebagai bahan bakar alternatif karbon netral pengganti hidrokarbon, sementara hidrogen cair digunakan oleh NASA dalam pesawat ulang-alik sebagai bahan bakar roket; lihat ekonomi hidrogen untuk informasi lebih lanjut tentang pemakaian hidrogen.

Teknologi pemisahan gas yang lebih sederhana, seperti membran atau saringan molekul (molecular sieves) yang digunakan dalam penjerap ayun betekanan (pressure swing adsorption) atau penjerap ayun hampa (vacuum swing adsorption) juga digunakan untuk menghasilkan gas udara berkemurnian rendah pada generator nitrogen dan kilang oksigen. Contoh lain yang menghasilkan sejumlah kecil gas adalah generator oksigen kimia atau konsentrator oksigen.

Selain gas-gas utama yang dihasilkan oleh pemisahan udara dan reformasi syngas, industri ini menyediakan banyak gas lainnya. Beberapa gas hanya produk sampingan dari industri lain dan yang lainnya kadang dibeli dari produsen kimia lain yang lebih besar, dimurnikan dan dikemas ulang; meski beberapa memiliki proses produksi sendiri. Contohnya adalah hidrogen klorida yang dihasilkan dengan membakar hidrogen dalam klorin, dinitrogen monoksida yang dihasilkan melalui dekomposisi termal amonium nitrat saat dipanaskan perlahan, elektrolisis untuk produksi fluorin, dan pelepasan korona listrik untuk menghasilkan ozon dari udara atau oksigen.

Layanan dan teknologi terkait dapat diberikan seperti vakum, yang sering disediakan di sistem gas rumah sakit; udara bertekanan murni; atau refrigerasi. Sistem lain yang tidak biasa adalah generator gas lembam. Beberapa perusahaan gas industri juga dapat memasok bahan kimia terkait, terutama cairan seperti brom dan etilena oksida.

 

Sebagian besar bahan yang berwujud gas pada suhu dan tekanan ambien dipasok sebagai gas mampat (compressed gas). Sebuah kompresor gas digunakan untuk memampatkan gas ke dalam penyimpanan bejana tekan (seperti kanister gas, tabung gas atau trailer tabung) melalui sistem perpipaan. Sejauh ini tabung gas adalah wadah penyimpanan gas yang paling umum^[28] dan diproduksi dalam jumlah besar di fasilitas "pengisian tabung".

Terdapat beberapa gas yang sejatinya adalah uap yang dapat dicairkan pada suhu ambien di bawah tekanan saja, jadi mereka juga dapat dipasok sebagai cairan dalam wadah yang sesuai. Perubahan fase ini juga membuat gas-gas ini berguna sebagai refrigeran ambien dan gas industri dengan sifat ini yang paling signifikan adalah amonia (R717), propana (R290), butana (R600), dan belerang dioksida (R764). Klorin juga memiliki khasiat ini tapi terlalu beracun, korosif dan reaktif sebagai refrigeran yang pernah digunakan. Beberapa gas lain menunjukkan perubahan fasa ini jika suhu ambien cukup rendah; antara lain etilena (R1150), karbon dioksida (R744), etana (R170), dinitrogen monoksida (R744A), dan belerang heksafluorida; namun, ini hanya dapat dicairkan di bawah tekanan jika disimpan di bawah suhu kritisnya yaitu 9 °C untuk C; 31 °C untuk CO; 32 °C untuk C; 36 °C untuk N; 45 °C untuk SF.^[29]

Semua zat ini juga disediakan sebagai gas (bukan uap) pada tekanan 200 bar dalam tabung gas karena tekanan tersebut berada di atas tekanan kritisnya.^[29] Gas lain hanya dapat dipasok sebagai cairan jika juga didinginkan. Semua gas berpotensi digunakan sebagai zat pendingin di sekitar suhu fase cairnya; misalnya nitrogen (R728) dan metana (R50) digunakan sebagai refrigeran pada suhu kriogenik.^[25]

Karbon dioksida, sebagai perkecualian, dapat diproduksi sebagai padatan dingin yang dikenal sebagai es kering, yang menyublim karena menghangat dalam kondisi ambien, sifat karbon dioksida sedemikian rupa sehingga tidak dapat cair pada tekanan di bawah titik tripelnya 5,1 bar.^[29]

Asetilena juga dipasok secara berbeda. Ia dipasok sebagai gas yang dilarutkan dalam aseton dan dikemas dalam tabung, karena sangat tidak stabil dan mudah meledak. Asetilena juga merupakan satu-satunya gas industri umum lainnya yang menyublim pada tekanan atmosfer.^[29]

 

Gas industri utama dapat diproduksi secara massal dan dikirim ke pelanggan melalui pipa, selain itu juga dapat dikemas dan diangkut.

Sebagian besar gas dijual dalam tabung gas dan beberapa dijual sebagai cairan dalam wadah yang sesuai (misalnya Dewar) atau sebagai cairan curah yang dikirim dengan truk. Industri ini awalnya memasok gas dalam tabung untuk menghindari kebutuhan akan generator gas lokal; tetapi untuk pelanggan besar seperti pabrik baja atau kilang minyak, pabrik produksi gas besar dapat dibangun di dekatnya (biasanya disebut fasilitas "on-site") untuk menghindari penggunaan sejumlah besar tabung yang digunakan bersamaan. Sebagai alternatif, sebuah perusahaan gas industri dapat memasok pabrik dan peralatan kimia untuk menghasilkan gas daripada gas itu sendiri. Perusahaan gas industri mungkin juga menawarkan untuk bertindak sebagai operator pabrik di bawah kontrak operasi dan pemeliharaan untuk fasilitas gas bagi pelanggan, karena biasanya memiliki pengalaman untuk menjalankan fasilitas tersebut untuk produksi atau penanganan gas itu sendiri.

Beberapa bahan berbahaya untuk digunakan sebagai gas; sebagai contoh, fluorin sangat reaktif dan industri kimia yang membutuhkan fluorin sering menggunakan asam fluorida (atau hidrogen fluorida). Pendekatan lain untuk mengatasi reaktivitas gas adalah menghasilkan gas ketika dan bila diperlukan, yang dilakukan, misalnya dengan ozon.

Oleh karena itu, pilihan pengirimannya adalah generator gas lokal, jaringan pipa, transportasi massal (truk, kereta api, kapal), dan dikemas dalam tabung gas atau wadah lainnya.^[30]

Gas cair curah sering ditransfer ke tangki penyimpanan pengguna akhir. Tabung gas (dan bejana berisi gas cair) sering digunakan oleh pengguna akhir untuk sistem distribusi skala kecil mereka sendiri. Tabung gas beracun atau mudah terbakar sering disimpan oleh pengguna akhir dalam lemari gas untuk melindungi dari api luar atau dari kemungkinan kebocoran.

Penggunaan gas industri sangat beragam. Berikut ini adalah beberapa daftar penggunaannya: