Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 22  No.01, Juni 2024 ISSN 1693-248X

## ANALISIS PENGARUH TEKANAN DAN LAJU ALIR UDARA TERHADAP KEMURNIAN PRODUK GAS NITROGEN YANG DIHASILKAN DENGAN METODE PRESSURE SWING ADSORPTION (PSA) DI PT. PERTA ARUN GAS
Jalaluddin 1 *, M. Yunus 1 , Elfiana 1
1 Chemical Engineering, Lhokseumawe State Polytechnic, Jl. Banda Aceh-Medan Km. 280.3, Buketrata, Mosque Punteut, Blang Mangat, Lhokseumawe City, Aceh 24301, Indonesia *Email: Jalaluddin.pag@gmail.com

## ABSTRACT
Nitrogen  merupakan  senyawa  pokok  dalam  industri  kimia.  Nitrogen  merupakan  senyawa  inert  gas sehingga  cocok  digunakan  untuk  berbagai  aplikasi  yang  mencakup  berbagai  aspek  pembuatan, pengolahan,  penanganan  dan  pengiriman  bahan  kimia.  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk menganalisis pengaruh impurities, tekanan dan laju alir udara terhadap kemurnian produk gas nitrogen yang dihasilkan dengan metode Pressure Swing Adsorption (PSA), kemudian melakukan komparasi atau perbandingan simulasi data actual lapangan dengan Aspen Adsorption V.10. Metode penelitian yang  digunakan  adalah    deskriptif  kualitatif,  data  dalam  penelitian  ini  adalah  data  operasional lapangan  dan  teknik  pengambilan  data  dilakukan  secara  berkala  melalui  data  loogsheet.  Dari  hasil penelitian  didapatkan  Purity  (kemurnian)  pada  bulan  Oktober  s/d  November  2023 pada  tanggal  05 dan 27 oktober yaitu 99,98 %, dengan flow 52,2 Nm3/h, sedangkan untuk bulan November terdapat 98,01  %  (purity)  dengan  flow  105,0  Nm3/h.  Dan  setelah  dilakukan  simulasi  menggunakan  Aspen Adsorption  V.10 dan  menvariasikan  data  input  didapat  Purity  sebesar  99,98  %,  99,97  %, 99,91  % dengan flow 100 Nm3/h, 150 Nm3/h, 200 Nm3/h atau 0,4461 kmol/s, 0,6692 kmol/s, 0,8992 kmol/s dalam aplikasi Aspen Adsorption V.10.
Kata  Kunci  :  Nitrogen,  Pressure  Swing  Adsorption  (PSA),  Aspen  Adsorption,  Carbon  Molecular Sieve (CMS)

## 1. INTRODUCTION
Salah satu unsur kimia yang paling melimpah di atmosfer  bumi  adalah  gas  nitrogen  (N2)  yang memiliki  berbagai  sifat  dan  karateristik  yang penting.  Sebagai  gas  non-reaktif  atau  inert  gas, yang  berarti  gas  ini  cenderung  tidak  bereaksi dengan zat kimia. Ini membuatnya berguna dalam berbagai aplikasi industri. Nitrogen memiliki titik cair  pada  suhu  -195,8  derajat  Celsius  (oC)  pada tekanan 1 atm.
Nitrogen biasa diperoleh dari udara bebas, hal ini dikarenakan  kandungan  dalam  udara  sebagian besar  terdiri  dari  nitrogen  yaitu  sebanyak  78%. Pada  umumnya  nitrogen  dipisahkan  dari  udara dengan menggunakan metode cryogenic. Metode ini dilakukan dengan  cara penurunan  temperatur hingga mencapai temperatur yang sangat rendah. namun  metode  ini  memiliki  kekurangan  yaitu membuang  banyak  energi  dengan  mengkonversi gas menjadi liquid, serta banyak gas murni yang terbuang saat proses berlangsung. Seiring dengan berkembangnya  teknologi,  proses  produksi nitrogen juga ikut berkembang. Hal ini dibuktikan dengan  munculnya  teknologi  non-cryogenic berupa  sistem  membran  dan  sistem  Pressure Swing Adsorption (Krabiell dan Schulte,1993).
Teknologi  Pressure  Swing  Adsorption  (PSA) merupakan  teknologi  yang  memisahkan  udara dengan metode adsorpsi. Pada teknologi ini udara dipisahkan berdasarkan perbedaan kesetimbangan  adsorpsi  dan  perbedaan  tingkat difusi (Schtoter,1993). Pada sistem PSA terdapat dua  buah  adsorber  yang  berisi  adsorben  berupa Carbon  Molecular  Sieve  (CMS).  Pada  tekanan tinggi  CMS  akan  menyerap  oksigen  dan memungkinkan nitrogen melewati tingkat kemurnian yang diinginkan (Ivanova,2012).
Teknologi  PSA  pada  awalnya  berasal  dari  studi laboratorium dari Skarstom pada tahun 1960, dan Montgareuil  dan  Domine  pada  tahun  1964. Perubahan  dari  skala  laboratorium  ke  skala industri  cenderung  melambat,  namun  semakin berkembang  selama  beberapa  dekade  terakhir. Pressure  swing  adsorption  (PSA)  merupakan salah  satu  teknologi  yang  digunakan  untuk memisahkan  beberapa  jenis  gas  dari  campuran gas  sesuai  dengan  jenis  karakteristik  molekuler dan  afinitasnya  dari  bahan  adsorben.  Bahan adsorpsi  khusus  seperti  karbon,  digunakan sebagai  sieve  molekular  sehingga  memudahkan penyerapan gas utama pada tekanan tinggi. Proses selanjutnya  adalah  proses  swing,  yaitu  proses
Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 22  No.01, Juni 2024 ISSN 1693-248X
perubahan dari tekanan tinggi ke tekanan rendah untuk  mendesorp  atau  melepas  senyawa  yang terserap oleh bahan adsorben.
Produksi  nitrogen  yang  sebelumnya  dengan medote  cryogenic  menjadi  metode  Pressure Swing  Adsorption  (PSA)  menjadi  kendala  yang harus  dihadapi  dikarenakan  ketidakcukupan kemurnian  dan  laju  alir  gas  nitrogen  untuk kebutuhan operasional di PT Perta Arun Gas. ada beberapa  peralatan  yang  digunakan  dalam memproduksi  gas  nitrogen  dengan  metode  PSA yaitu  kompresor,  air  dryer,  filter  dan  kolom adsorpsi. Kemurnian (purity) dan laju alir massa gas  nitrogen  sangat  tergantung  pada  kehandalan peralatan  tersebut  diatas.  Ada  beberapa  kendala yang  menyebabkan  supply  gas  nitrogen  tidak tercukupi yaitu akibat pengaruh tekanan dan laju alir udara yang masuk ke kolom adsorpsi. Kemurnian  dan  laju  alir  gas  nitrogen  yang  di adsorpsi pada kolom Pressure Swing Adsorption (PSA)  akan  tidak  maksimal  jika  udara  yang terkompresi  masih  banyak  impurities,  sehingga flowrate  harus  diatur  untuk  memaksimalkan penyerapan pada kolom adsorpsi agar memperoleh  persentase  kemurnian  gas  nitrogen yang  dihasilkan  menjadi  tinggi.  supply  nitrogen akan  menjadi  kendala  besar  jika  ada  proses loading/Unloading  kapal  LNG  ,  kapal  LPG  dan Unloading  Condensate  PT  Medco  EP  yang dilakukan secara bersamaan.
Melalui  penelitian  ini  diharapkan  kebutuhan nitrogen  pada  fasilitas  tanki  LNG,  Berth/ Loading/  Unloading  LNG,  LPG  Plant,  dry  gas seal compressor, Fasilitas Condesate Medco, dan lain-lain yang berada di PT Perta Arun Gas untuk dapat  dikelola  dengan  lebih  efisien,  efektif  dan berkelanjutan.  Penelitian  ini  akan  mendukung upaya  untuk  meningkatkan  keberlanjutan  dan keamanan  operasional  dalam  penyimpanan  dan transportasi  LNG  yang  merupakan  komponen kunci dalam industri energi global. oleh karena itu studi/ analisa pengaruh tekanan dan laju alir udara terhadap  kemurnian  produk  gas  nitrogen  yang dihasilkan  dengan  metode  Pressure  Swing Adsorption (PSA) di PT Perta Arun Gas memiliki relevansi yang signifikan dalam konteks industri energi dan lingkungan.
2. RESEARCH METHODS 2.1 Tempat dan Waktu Pelaksanaan
Penelitian dan pengambilan data dilaksanakan  pada  bulan  Oktober  –  November 2023  di  unit  nitrogen  plant  (PSA  System)  PT Perta Arun Gas.
2.2 Nama Unit Peralatan Proses
Unit  Peralatan  Proses  yang  akan dilakukan Evaluasi adalah kolom Pressure Swing Adsorption (PSA) NGP300+

## 2.3 Indikator Kinerja
a. Menghitung  purity  /  kemurnian  produk  gas nitrogen
b. Menghitung laju alir produk gas nitrogen
c. Menghitung  waktu  desorption  adsorben CMS
d. Melakukan  Perbandingan  data  manual dengan data yang diperoleh dengan simulasi Hysys.
2.4  Rencana  rancangan  evaluasi  kinerja peralatan NGP300 +
Gambar  1.  Perencanaan  Evaluasi  Kinerja Peralatan PSA
2.4.1 Perhitungan  purity  /  kemurnian produk gas nitrogen
Kemurnian gas nitrogen dalam proses pressure  swing  adsorption (PSA)  dapat dihitung dengan menggunakan data komposisi  gas  pada  keluaran  dari  unit  PSA. Untuk menghitung kemurnian nitrogen, perlu mengetahui  konsentrasi  nitrogen  (N 2 )  dalam
Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 22  No.01, Juni 2024 ISSN 1693-248X
gas  keluaran  dan  diukur  dalam  persentase mol (mol%).
Berikut adalah langkah-langkah umum  untuk  menghitung  kemurnian  gas nitrogen dalam proses PSA:
a. Pemantauan  konsentrasi  nitrogen  (N 2 ): dilakukan pemantauan konsentrasi nitrogen  dalam  aliran  gas  keluaran  dari unit PSA. pemantauan ini dapat dilakukan dengan menggunakan perekaman dilapangan atau logsheet .
b. Konversi konsentrasi ke persentase mol: jika  konsentrasi  nitrogen  diukur  dalam persentase  berat  atau  dalam  satuan lainnya, maka perlu mengonversinya ke dalam persentase  mol. Ini dapat dilakukan  dengan  menghitung  rasio antara jumlah mol nitrogen (N 2 ) dengan jumlah  total  mol  gas  dalam  aliran. dengan menggunakan rumus : Persentase Mol N 2 = (Jumlah Mol N 2 / Jumlah total mol gas) x 100%
c. Penentuan kemurnian nitrogen: kemurnian  nitrogen  dalam  aliran  gas keluaran  PSA  dapat  dihitung  dengan mengurangkan  persentase  mol  zat-zat lain  (biasanya  oksigen,  argon,  atau  gas- gas  lain  yang  mungkin  terdapat  dalam aliran) dari 100%. dengan kata lain, jika hanya memiliki data konsentrasi nitrogen (N 2 )  dan  konsentrasi  zat  lain  (misalnya, oksigen  atau  argon),  maka  dapat menghitung kemurnian nitrogen sebagai berikut:  dengan  menggunakan  rumus  :
Kemurnian Nitrogen = 100% -
Konsentrasi Zat Lain.

## 2.4.2  Menghitung  laju  alir  produk  gas nitrogen
Untuk  menghitung  laju  alir  produk
gas  nitrogen  pada  proses Pressure  Swing Adsorption (PSA), dapat dihitung
berdasarkan  komposisi  aliran  gas  keluaran, laju  alir  total  aliran  masuk,  dan  beberapa faktor lainnya.
Berikut adalah cara untuk menghitung laju alir produk gas nitrogen dalam PSA:
a. Pemantauan  komposisi  gas  keluaran (X N2 ):  yaitu  memantau  komposisi  gas keluaran  dari  unit  PSA.  Komposisi  ini adalah  persentase  mol  nitrogen  (N 2 ) dalam gas keluaran.
b. Pemantauan  laju  alir  total  (Q Total ):  yaitu dengan memantau/ mengambil data laju alir  total  aliran  gas  (udara)  yang  masuk ke  dalam  unit  PSA.  Laju  alir  total  ini dapat  diukur  dalam  satuan  yang  sesuai, seperti m 3 /jam atau kg/jam.
c. Perhitung  laju  alir  produk  gas  nitrogen (Q N2 ):  Laju  alir  produk  gas  nitrogen dapat  dihitung  dengan  mengalikan komposisi nitrogen dalam aliran keluaran  (X N2 )  dengan  laju  alir  total aliran masuk (Q Total ), dengan menggunakan  rumus  :  Laju  alir  produk gas nitrogen (Q N2 ) = X N2 * Q Total Jadi,  Q N2 adalah  laju  alir  produk  gas nitrogen yang keluar dari kolom pressure swing adsorption (PSA)

## 2.4.3 Metode  perhitungan  menggunakan
Hysys Simulation
Gambar 2. Simulasi Hysys Peralatan

## 2.5 Flowsheet/ Gambar Alat

## Gambar 3 Flowsheet atau diagram Proses
(Sumber: Atlas Copco, 2023)

## 4. RESULTS AND DISCUSSION
4.1 Data Hasil Pengamatan
Penelitian dilakukan selama Bulan Oktober sampai dengan Bulan November Tahun 2023 di Nitrogen Plant PT Pert Arun Gas.
Gambar 4. Grafik pengamatan Purity (%) produk nitrogen periode tanggal 05-06 Oktober 2024
Gambar  5.  pengamatan  Purity  (%)  produk nitrogen periode tanggal 17 - 18 Oktober 2023
Dari  hasil  penelitian  pada  bulan oktober  sampai  november  2023  terdapat purity (kemurnian)  produk  nitrogen  tertingi pada  periode  tanggal  05  oktober  &  27 november  yaitu  99,97%  dengan  flow  97,0 Nm 3 /h dan 99,98 % dengan flow 52,2 Nm 3 /h. Sedangkan purity (kemurnian) produk nitrogen  terendah  terdapat  pada  periode tanggal 17 oktober & 15 november 2023 yaitu 98,01% dengan flow 105,0 Nm 3 /h dan 91,20 dengan flow 98,9%.  Proses  ini  terjadi  pada tekanan 8,7 bar sampai 8,9 bar . Dalam proses adsorption pemisahan  terjadi  akibat  adanya
perbedaan  ukuran  molekul  gas  nitrogen  dan oksigen. CMS yang di desain dengan ukuran pori – pori 3,0 Å yang diperkaya dengan SiO 2 (silicon  dioksida)  akan  menyerap  molekul oksigen  dengan  ukuran  2,9  Å  sedangkan molekul  nitrogen  tidak  terserap  karena molekul  nitrogen  lebih  besar  dibandingkan dengan molekul oksigen yaitu 3,1 Å. Column adsorption yang sudah mengalami kejenuhan akan  dilakukan  regenerasi  dengan  sebagian flow produk  nitrogen  akan  dialirkan  ke column yang  akan  di  regenerasi.  Proses regenerasi dilakukan dengan proses
depressurization yaitu  proses  penurunan tekanan dengan membuka valve blowdown di bagian column  adsorption ,  akibatnya  pada saat  penurunan  tekanan  oksigen  yang menempel pada pori – pori CMS ikut terlepas ke  udara  melalui silencer dan  CMS  bisa digunakan kembali untuk penyerapan oksigen. Pengaruh tekanan dan waktu regenerasi  terhadap  produksi  gas  nitrogen yang  dihasilkan  sangat  penting.  Semakin lama  waktu  regenerasi  maka  semakin  murni kadar  nitrogen  yang  dihasilkan,  hal  ini disebabkan  pada  saat  proses  regenerasi oksigen  yang  terikat  di  permukaan  CMS secara  perlahan  akan  terlepas  dengan maksimal.  Seperti  yang  terlihat  pada  grafik pengamatan  dilapangan purity (kemurnian) gas nitrogen, semakin tinggi laju alir produksi gas  nitrogen  maka  semakin  rendah purity (kemurnian) yang didapatkan, sebaliknya jika laju  alir  produk  gas  nitrogen  rendah/  kecil maka purity yang didapatkan semakin tinggi. Pengaruh waktu swing column adsorption (proses desorption )  dengan  laju alir produk gas nitrogen, terlihat pada grafik semakin  tinggi  laju  alir  produk  gas  nitrogen maka  semakin  cepat  waktu  terjadinya pergantian / swing column adsorption dalam menyerap oksigen, ini disebabkan pori – pori adsorben  CMS  sudah  dipenuhi  dengan molekul gas oksigen.  Kapasitas CMS dalam column adsorben  adalah  872  liter  sesuai dengan  data  desain  untuk  type column adsorption NGP300+.
Dari hasil pengamatan yang dilakukan  menggunakan  simulasi  hysy ( Aspen Adsorption V.10) dengan variasi laju alir  udara  masuk  yang  berbeda  ke  dalam column  adsorption menggunakan  simulasi
Aspen Adsorption dengan laju alir 100 Nm 3 /h, purity yang  di  dapat  adalah  99,98%.  Untuk laju alir 150 Nm 3 /h purity adalah 99,97% dan laju  alir  200  Nm 3 /h purity adalah  99,91  %. Terdapat perbedaan antara hasil pengamatan dilapangan  dengan  simulasi  Hysys Aspen
Adsorption v.10 dikarenakan kondisi NGP300+  yang  sudah  terikut impurities sehingga performance turun dalam memproduksi gas nitrogen.

## CONCLUSION
Berdasarkan  data  penelitian  yang  telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa;
1. Pada  system pressure  swing  adsoption (PSA)  di  dapat  kosentrasi  atau purity tertinggi  yaitu  99,97  %  dengan  tekanan 8,7  bar  dan  laju  alir  97,0  Nm 3 /h  pada periode  tanggal  pengamatan  05  oktober 2023 pada pukul 05.00 wib pada Train / NGP-B.
2. Pengaruh impurities terhadap kemurnian gas  produk  nitrogen  yang  dihasilkan disebabkan  oleh  uapan  lube  oil  yang berasal dari compressor . Uapan lube oil tersebut juga akan mempengaruhi waktu swing column adsorption (proses desorption ),  dari  data  penelitian  waktu terlama yaitu 5,25 menit dengan laju alir produk  nitrogen  10,0  Nm 3 /h  pada periode tanggal 23 november 2023.
3. Perbandingan perhitungan menggunakan simulasi hysys ( Aspen Adsoprtion V.10) terdapat  selisih  yang  di  sebabkan  ada impurities yang terikut ke dalam column adsorption dan selisih yang terjadi tidak terlalu signifikan.

## SARAN
Untuk  memperoleh  hasil purity produk nitrogen yang maksimal penulis menyarakan ;
1. Untuk  melakukan  pergantian  spare  part seperti filter secara berkala sesuai dengan ketentuan yang di persyaratkan.
2. Preventive maintenance dilakukan secara berkala  dan  terjadwal  untuk  menjaga kehandalan equipment .
3. Running  hours equipment agar  menjadi prioritas  dalam  pemantauan  sehingga dapat  menimimalisir  rendahnya purity produk nitrogen yang dihasilkan.
4. Untuk  mendapatkan  kembali  purity produk  nitrogen  sesuai  dengan  desain awal  disarankan  agar  adsorben  /  media penyerap  CMS  di  uji  lab  untuk  melihat impuriries yang terikut.
5. Agar  mempertimbangkan  dan  mengkaji kembali kesesuaiannya produksi
nitrogen  dengan  menggunakan  metode PSA  untuk  kebutuhan  sesuai  dengan bisnis  yang  dijalankan  oleh  PT  Perta Arun Gas.

## REFERENCES
Emrani,  A.  S.,  Saber,  M.,  dan  Farhadi,  F.
2011. A Decision Tree for Technology Selection of  Nitrogen . 45(1). 1–11.
Fatria, Lety Trisnaliani, Aan Harianto, 2018.
Produksi Gas Nitrogen dengan Metode
Pressure  Swing  Adsorption  (PSA) menggunakan Carbon Molucular Sieve (CMS) sebagai  Penyerap  Oksigen,
Politeknik Negeri Sriwijaya.
H.J.  Schroter.  (1993).  Carbon  Molecular SIeve  for Gas  Separation, 7  No  4 (Gas Separation  & Purification), 247–251
Hines,  A.L,  dan  Robert  N.  Maddox.  1985.
Mass  Transfer  Fundamental  and Applications .  Prentice  Hall  Inc.  New Jersey.
ISO  8573-1  Third  edition  2010-04-15 Compressor Air Part 1 : Contaminants and Purity Classes. Reference Number ISO 8573-1:2010(E).
Ivanova  Svetlana,  &  Robert  Lewis.  (2012).
Producing  Nitrogen  via  Pressure Swing Adsorption. America Institute of Chemical Engineering (AIChE) , (Reactions and Separation), 38–42.
K.Krabiell  dan  A.  Schulte  Schulze  Berndt. 1993. Nitrogen  Separtion  by  Pressure Swing Adsorption on Carbon Molecular  Sieve .  7  No  4  (Gas Separation & Purification). 253–257
Lewis,  R.  2012. Producing  Nitrogen  via Pressure Swing Adsorption . 38–42
McCabe,  W.,  Smith,  J.C.,  dan  Harriot,  P.
1993. Unit  Operation  of  Chemical
Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 22  No.01, Juni 2024 ISSN 1693-248X
Engineering .  McGraw  Hill  Book,  Co.
United States of America. Oscik, J. 1982. Adsorption . New York: John
Willey  dan Sons, Inc..
PT Atlas Copco. 2022. Nitrogen Generation Package of Receiving & Regasification
Terminal Arun, Lhokseumawe, Aceh –
Indonesia
Spellman, R Frank. 2008. The Science of Air
:  Concepts  and  Application (2  ed.). New  York:  CRC  Press  Taylor  & Francis Group.
Thomas w. John, dan Barry Crittenden. 1998.
Adsorption  Technology  and  Design .
Oxford: Butterworth Heinemann.