OPTIMASI KAPASITAS REAKTOR PEMBUATAN MESOPHASE DARI TARPITCH SECARA BATCH BERBASIS PADA ANALISIS DINAMIK KANDUNGAN FIXED CARBON DAN SUHU

PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 11 September 2013

OPTIMASI KAPASITAS REAKTOR PEMBUATAN MESOPHASE DARI TARPITCH SECARA BATCH BERBASIS PADA ANALISIS DINAMIK KANDUNGAN FIXED CARBON DAN SUHU Tundjung Indrati Y Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN [email protected]

ABSTRAK OPTIMASI KAPASITAS REAKTOR PEMBUATAN MESOPHASE DARI TARPITCH SECARA BATCH BERBASIS PADA ANALISIS DINAMIK KANDUNGAN FIXED CARBON DAN SUHU. Tahapan proses pembuatan fiber graphite berbahan baku tarpitch adalah pembuatan mesophase dari tar pitch, pembentukan fiber, pembuatan carbon fiber dan grafitisasi sehingga diperoleh graphite fiber. Pembuatan mesophase o berlangsung pada suhu 400 – 550 C sehingga diperoleh mesophase dengan kandungan fixed carbon 99,15 % dari 98,9 % fixed carbon yang terkandung dalam bahan baku tarpitch. Optimalisasi kapasitas reaktor pembuatan mesophase diawali dengan identifikasi kapasitas produksi graphite fiber dengan kapasitas reaktor pembuatan mesophase. Pemilihan beberapa kapasitas reaktor mesophase yang akan dioptimasi berdasar pada studi perubahan nilai tetapan teknis utilitas pemanas reaktor. Tetapan teknis tersebut berupa Uc (overall heat transfer coefficient of clean condition) ,Ud (overall heat transfer coefficient of design) dan Ar (luas transfer panas dalam reaktor mesophase). Hasil perhitungan menunjukkan semakin tinggi kapasitas reaktor mesophase semakin tinggi nilai Uc tetapi tidak demikian halnya dengan nilai Ud dan Ar. Hal ini karena nilai Ud dan Ar dipengaruhi dengan kondisi perancangan. Berdasar analisis dinamik atas kapasitas reaktor yang dipilih 132,68 lb/batch, 199 lb/batch, 265 lb/batch dan 397,98 lb/batch maka kapasitas reaktor mesophase optimal pada 265 lb/batch sehingga kapasitas pabrik graphite fiber mencapai 100 ton/tahun. Analisis dinamik tersebut berbasis model matematik neraca massa dan neraca panas yang diselesaikan secara numerik dengan program matlab. Kata kunci: analisis dinamik, tarpich, mesophase, fixed carbon,batch

ABSTRACT THE CAPACITY OF BATCH REACTOR OPTIMATION FOR MESOPHASE FROM TARPITCH BASED ON FIXED CARBON AND TEMPERATURE DYNAMIC ANALYSIS. The process steps fiber graphite production with tarpitch as raw material are mesophase forming from tar pitch, fiber forming, carbon fiber forming and o graphitization of fiber. The mesophase forming at 400 – 550 C so fixed carbon on the mesophase was getting 99.15 % from 98.9 % as fixed carbon on tar pitch. The first step of optimation is identification of graphite fiber capacity production with mesophase reactor capacity. The selection some mesophase reactor capacity, which is optimal, based on value change study of heating utility technical coefficient. The heating utility technical coefficient are Uc (overaall heat transfer coefficient of clean condition) ,Ud (overall heat transfer coefficient of design) and Ar area of heat transfer in the mesophase reactor ). The result of calculation, more higher mesophase reactor capacity so the Uc is bigger but it is not for Ud dan Ar. The Ud dan Ar are effluence with the design condition. Based on the dinamic analysis for selected reactor 132,68 lb/batch, 199 lb/batch, 265 lb/batch and 397,98 lb/batch. The optimal capacity of mesophase reactor is 265 lb/batch, it means plant capacity graphite fiber 100 ton/tahun. The dynamic analysis based on mass balance mathematical modell and heat balance mathematical model. The numerical solution use matlab program. Tundjung Indrati Y.

ISSN 1410 – 8178

Buku I hal. 69


Key word: dynamic analysis, tarpich, mesophase, fixed carbon,batch.

PENDAHULUAN

S

ecara umum penggunaan carbon fiber sangat luas dari beberapa aplikasi diantaranya lingkungan, peralatan olah raga, otomotif, aerospace sampai bahan propeller dipermesinan maupun energi angin. Carbon fiber market revolution dalam berbagai industri kebutuhannya meningkat termasuk karbon aktif yang diaplikasikan dalam kebutuhan lingkungan . Kebutuhan tersebut mencapai 150 kton setiap tahun (1,2) Sebagai bahan baku pembentuk carbon fiber atau graphite fiber dapat digunakan pitch. Bahan ini merupakan bahan yang bernilai tambah strategis karena mempunyai kandungan aromatic coumpound dan carbonaceous materials. Keberhasilan pembentukan carbon fiber tergantung pada pembentukan mesophase. Pada proses pembentukan mesophase akan terjadi unique liquid crystal. Secara skematis perancangan (design) perangkat pemebentukan fiber dari pitch ditunjukkan oleh RYU seperti pada Gambar 1a. Usulan perancangan berdasar proses tertera pada Gambar 1b. Daftar perangkat yang di usulkan adalah reaktor catu berpengaduk untuk melelehkan tarpitch sampai suhu 550 oC sehingga diperlukan pemanas. Tidak dipilih reaktor sinambung karena waktu pelelehan cukup lama. Pembentuk fiber menggunakan pipa dengan nozlle berdiameter 0,4 mm yang dilengkapi dengan pemanas sampai suhu softening dan tekanan nitrogen 2-4 MPa. Reaktor plug flow berlaku untuk proses stabilisasi (320 oC) dan karbonisasi (1000 oC). Masing masing dalam suasana atmosferis dan inert sehingga aliran udara dan gas nitrogen dialirkan secara counter current. Carbon fiber diperoleh dari reactor karbonisasi. Produk graphite fiber diperoleh dari tungku grafitisasi dalam suasana inert memerlukan aliran gas N2 dan suhu 2000 oC (3,4). Pada kegiatan penyusunan prarancangan suatu pabrik pembuatan fiber graphite diperlukan perancangan konsep untuk setiap perangkat proses. Adanya spesifikasi perangkat proses maka analisis ekonomi dapat dilakukan. Atas dasar analisis tersebut maka penelitian fiber graphite dapat dilakukan atau tidak. Analisis dinamik dilakukan untuk perubahan fixed carbon dari 0,989 sampai 0,9915 dan perubahan suhu dari suhu kamar sampai 550 o C pada pembuatan mesophase dari tarpitch. Buku I hal. 70

Tujuan penelitian ini selain menganalisis perubahan tersebut juga menentukan volume optimal reaktor batch pembuatan mesophase. Analisis dinamik berdasar model matematik neraca bahan dan neraca panas. Kegiatan tersebut dimulai dengan mengidentifikasi korelasi kapasitas produksi graphite fiber dan kapasitas atau volume reaktor mesophase berdasar neraca bahan. Berdasar volume maka dimensi reaktor dan beberapa parameter berupa overall heat transfer coefficient (Ud) dan luas ttransfer panas (A) dapat dihitung. Reaktor pembentukan mesophase dari tar pitch menggunakan reaktor berpengaduk secara batch (catu) (Gambar 2). Proses pembentukan mesophase pada suhu 440 oC – 550 oC. Menurut Andresj, reaksi pembentukan mesophase merupakan endothermic reaction, orde satu dengan persamaan reaksi 1. Data kinetik dari pitch dan mesophase tertera pada Tabel 1. Tarpitch mesophase pitch 1). Model matematik neraca bahan dan neraca panas menggunakan suhu referensi 25 C = 298 K, maka neraca bahan sebagai persamaan 2(10,11).

a. diagram proses pembuatan carbon fiber(4)

ISSN 1410 – 8178

Tundjung Indrati Y.


b. diagram proses pembuatan graphite fiber yang diusulkan Gambar 1. Garis besar perangkat pembuatan carbon fiber atau graphite fiber Laju bahan masuk reactor

- Laju bahan keluar reaktor

+ Laju penambahan akibat adanya reaksi

=

Laju bahan terakumulasi di reaktor (2)

dC  r  kC dt

(3)

Gambar 2. Skema Reaktor Tangki Berpengaduk (10) Tabel 1. Data tar pitch dan mesophase (3,5,6,7,8,9,10) No

Parameter

1

Komposisi rantai C-H :

2 3 4

Softening point , oC Glass transition temperature,oC Kandungan bahan tidak larut dalam quinoline, QI% Kandungan bahan tidak larut dalam toluene, % 12,6 -27,9 3,6 Berat jenis, g/cm3 1,29 1,2 Kandungan abu, % 0,1-0,235 0,1-0,33 Coking value, CV (%) 28,5 10,2 Viscosity, mPa,s pada 140 oC 2020 – 6000 pada 220 oC 165 Aktivation Energy, E (kJ/mol) Konstante kecepatan reaksi pembentukan mesophase, /menit.oK, pada 440 oC.

5 6 7 8 9 10 11

Hasil distilasi

Light pitch

Mesophase(MP) MP 1 MP2 (Antracena, Penatrene (95 %) ,Pyrene Corbazole, Benzoapyrene); (BM)rata rata : 172 Phenantrene 157,4 159,1 38 40 3-7 0,6-1,1 35,75 42,62 1,2 58,98 1040-4000 135 56,5 0,68 x 10-4

1,2 60,95 75 1,2 x 10-4

Model matematik neraca panas dapat ditulis sebagai berikut,

Tundjung Indrati Y.

ISSN 1410 – 8178

Buku I hal. 71

PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 September 2010 Laju panas masuk reaktor

-

Laju panas keluar reaktor

+

Laju panas akibat adanya reaksi

=

Laju panas terakumulasi di reaktor

dT  U d A(T  Tw )  r (H )V  dt  ni Cpi

(5)

Harga V yang telah diidentifikasi menggunakan kapasitas produksi dapat untuk menentukan dimensi reaktor sekaligus diameter dalam dan diameter luarnya. Reaktor mesophase mempunyai ketentuan H/D 1,5 dan jenis bahan stainless stell 316 dan tebal 3/8 in. Jenis pengaduk dipilih turbine dengan six curve blade . Pengaduk dengan bentuk tersebut cukup baik untuk bahan seperti lelehan tar pich. Ketentuan yang harus diperhatikan adalah perbandingan diameter tangki (Dt) dan diameter impeller (Di) sebesar 3, perbandingan jarak dasar tangki Zi dan diameter impeller (Di) sebesar 0,7 sampai 1,3 serta perbandingan tinggi cairan (Zl)dan diameter impeller (Di) antara 2,7-3,9.

Harga WELH merupakan perkalian antara Zi dan spesifikasi gravity dan jumlah pengaduk dapat dihitung dari perbandingan harga WELH dan Di. Oleh karena pembentukan mesophase merupakan reaksi endotermik maka reaktornya memerlukan jaket pemanas dan dipilih menggunakan jaket menggunakan pemanas steam. Menurut Kern(14) harga overall heat transfer coefficient dapat ditentukan menggunakan persaman persamaan sbb,

hi  j



Uc

Gambar 3. Skema Penentuan Dimensi Pengaduk Dalam pengadukan berlaku nilai Re dan didapat harga kecepatan putar pengaduk, 2 NL (6) Re  

2/3

cp           k   w  1/ 3

0.14

(8)

ID OD

1



hi

(9)

1 hio

 ...U c . 

hi hio hi  hio

(10) Data fouling factor (Rd) for treated boiler feedwater (Tab. 12 p.845 Kern,1965 dengan harga 0,0005 sehingga harga hd dapat diketahui sebesar 1/Rd = 200.

1 1 Uh   Rd  ...U d .  c d Ud Uc U c  hd

(11)

Luas transfer panas untuk perubahan setiap volume reaktor adalah sebagai berikut

(7)

600 WELH N  * Di ( ft ) 2 * Dt (in )

k  L2 N    D  

hio  hi 1

C :

(4)

A

Q U d T

Kandungan carbon dalam mesophase, g Waktu, menit

,k

:

Konstante kecepatan reaksi,

Uc, Ud :

Tw

:

A

:

R : V :

Kecepatan reaksi Volume reaktor,ft3 atau m3.

T

T

: :

Cp Q

: :

J

:



:

kth

:

L

:

Factor dari heat transfer (fig 20.2; p718 Kern,1965 Panjang pengaduk ( length of agitator paddle), ft

Suhu media pemanas/pendingin, oF Suhu reaktor, oF perbedaan temperature pemanas steam dan reaktor mesophase , 75 oF Viskositas campuran, lb/ft/jam

/ w

:

1 (asumsi)

hi, hio

:

Thermal konduktivitas, BTU/(hr)(ft)2 (0F/ft). Heat transfer coeff inside and outset bejana , BTU/hr(ft)2.(oF)

Kecepatan putar pengaduk, rev/jam

D = OD

:

Diameter luar, ft

ID

:

Diameter bagian dalam, ft

T

:

N :

Buku I hal. 72

ISSN 1410 – 8178

Overall heat transfer coefficient, Luas permukaan transfer panas , ft2 Kapasitas panas Panas dalam pembuatan mesophase, BTU/jam

Tundjung Indrati Y.


Tabel 2. Hasil Analisis Ketakmurnian Tar Pitch dan spesifikasi unsur ketakmurnian(12,13) Parameter

Komposisi tarpitch

Titik didih,oC

Kapasitas panas J/mol.K

H, cal/mol

Moisturizer

0,002

0,34

-

Abu

0,008

0,709

-

Volatile fixed carbon ( terdiri dari carbozole,antracene,penatrene, benzoapyrene)

0,014

0,4

-

0,989

1,7

391.1

Tidak terdeteksi

3927

11,087

116

Khromium, Cr

1,8E-05

2671

24,440

78,1

Copper,Cu

1,2E-05

2562

22,440

67

Mangan, Mn

1,9E-05

1519

14,304

50,54

Nikel, Ni

9,5E-05

2730

0,444

77,635

Timbal, Pb

2,4E-05

1749

0,16

41.17

0

2671

0,489

102.4

Seng-Zn

6,2E-05

806

0,39

74,52

Silver,Ag

1,2E-06

2250

0,24

57,5

Arsen,As

2E-07

813

0,33

41.79

Cadmium,Cd

5E-07

765

0,23

22.97

3,1E-06

1900

0,385

86,7

Boron, B

Vanadium, V

Cobalt,Co

. Mulai

METODOLOGI Analisis dinamik perubahan kandungan fixed carbon dan perubahan suhu pada proses pembuatan mesophase dari tarpitch dimulai dengan menyusun neraca massa keseluruhan proses produksi graphite fiber. Berdasar dari neraca massa keseluruhan maka penyusunan neraca massa dan neraca panas pada proses pembuatan mesophase dapat dilakukan. Studi korelasi kapasitas produksi graphite fiber dan kapasitas reaktor tangki berpengaduk (lb/batch) atau (kg/batch) dilakukan untuk memperoleh dimensi reaktor mesophase. Adanya dimensi maka dapat untuk menghitung tetapan teknis utilitas (BTU/ mnt (ft2) oF). Data ini termasuk entalpi. Data entalphi dan tetapan teknis utilitas yang diperlukan dalam analisis dinamik. Data lain yang digunakan adalah data kinetika pembutan mesophase yang diperoleh dari referensi. Analisis dinamik berdasar pada penyusunan model matematik neraca massa dan neraca panas yang merupakan perubahan kandungan fixed carbon dan suhu disetiap waktu selama proses pembuatan mesophase berlangsung dengan konstante kecepatan pembentukan mesophase dari tarpich.

Tundjung Indrati Y.

Input data

[t,w]=ode15s(@ odefun,tspan,w

function [t,w]=ode15s(@odefun,ts pan,w0)

0) Tampilkan profil dengan plot

Selesai

Gambar 3. Algoritma Analisis Dinamik Pembuatan Mesophase Penyelesaian numerik menggunakan program matlab dengan algoritma seperti tertera pada Gambar 3. Hasil analisis dinamik dapat untuk pemilihan volume reaktor tangki berpengaduk dengan kapasitas produksi graphite fiber tertentu (ton/tahun) berbasis pada waktu tunak dan tetapan teknis utilitas.

ISSN 1410 – 8178

Buku I hal. 73


HASIL DAN PEMBAHASAN Identifikasi Kapasitas Produksi Graphite Fiber dan Kapasitas Reaktor Mesophase Untuk mengidentifikasi kapasitas produksi graphite fiber dengan kapasitas tangki mesophase maka dimulai dengan membuat neraca bahan secara keseluruhan pada unit pembuatan graphite fiber. Perhitungan neraca bahan berdasar pada tahapan proses pembuatan graphite fiber seperti tertera pada Gambar 1 dan data ketakmurnian tarpitch (Tabel 2). Oleh karena proses pembuatan graphite merupakan proses pemurnian dan penataan struktur kristal maka perubahan neraca bahan disetiap tahapan proses diakibatkan karena pelepasan unsur ketakmurnian tarpitch berdasar titik didih unsur atau komponen dalam kondisi inert. Contoh perhitungan neraca bahan pembuatan graphite fiber dengan kapasitas 100 ton/tahun tersaji pada lampiran Tabel L1. Perhitungan tersebut dapat dilakukan untuk kapasitas 25 ton/tahun, 50 ton/tahun, 150 ton/tahun, 200 ton/tahun dan 250 ton/tahun. Kapasitas yang lebih besar mengakibatkan kapasitas produksi mesophase dan volume reaktor mesophase bertambah besar pula (Gambar 4). Volume reaktor mesophase yang terlalu besar agak diragukan homogenitasnya. Hal ini disebabkan dengan adanya diameter dan tinggi reaktor yang semakin tinggi pula (Gambar 5) . Volume reaktor yang memadai untuk proses pembuatan mesophase sangat diperlukan dalam perancangan baik diameter, tinggi reaktor dan diameter blade pengaduk. Blade yang terlalu lebar maka tenaga motor yang diperlukan akan lebih besar.

Gambar 4. Hubungan kapasitas produk graphite fiber dengan massa mesophase/batch Kapasitas yang terlalu besar tidak dikehendaki hal ini dikarenakan kecuali homogenitas mesophase tidak baik hasilnya, disisi lain harga reaktor dan biaya perawatan reaktor akan semakin tinggi pula. Untuk

Buku I hal. 74

menentukan rentangan kapasitas reaktor mesophase yang baik diperlukan simulasi pengaruh kapasitas mesophase atas tetapan teknis utilitas.

Gambar 5. Hubungan kapasitas produksi graphite fiber dengan dimensi reaktor mesophase Pengaruh Kapasitas Mesophase Terhadap Tetapan Teknis Utilitas. Gambar 6 merupakan hasil simulasi pengaruh kapasitas mesophase untuk satu reaktor yang dioperasikan secara batch pada suhu 30 oC sampai mencapai 550 oC. Panas yang diperlukan diperhitungkan berdasar pada kapasistas reaktor jadi semakin besar kapasitas mesophase maka kebutuhan panas semakin tinggi. Overall heat transfer coefficient (Uc dan Ud) pada reaktor tangki berpengaduk sangat dipengaruhi oleh kapasitas mesophase. Overall heat transfer coefficient of clean condition (Uc) yang menyesuaikan perangkat tanpa dipengaruhi efek pengoperasian ternyata makin lama makin tinggi dengan adanya kapasitas bertambah. Overall heat transfer coefficient of design (Ud) yang menyesuaikan perangkat dengan pengaruh efek pengoperasian ternyata makin lama makin tinggi dengan kapasitas yang meningkat. Perbedaan Uc dan Ud pada kapasitas yang semakin tinggi semakin terlihat nyata (significant). Hal ini dapat difahami karena reaktor yang digunakan dalam pembentukan mesophase beroperasi pada suhu 550 oC. Pemanasnya menggunakan steam sehingga lama lama reactor mengalami penambahan kerak dibagian luar. Bagian dalam reaktor juga akan menebal adanya mesophase yang menempel pada diding reaktor dan menjadi kerak. Timbulnya kerak maka koefisien transfer panasnya dipengaruhi dengan adanya fouling factor (Rd). Data fouling factor (Rd) yang digunakan dalam kepentingan analisis dinamik pembentukan mesophase memerlukan asumsi. Asumsi yang digunakan adalah fouling factor (Rd) for treated boiler feedwater. Data dari

ISSN 1410 – 8178

Tundjung Indrati Y.


Gambar 6. Pengaruh Kapasitas Mesophase Terhadap Enthalphi dan Tetapan Utilitas pustaka KERN didapat Rd mempunyai harga mesophase akan berubah dari 0 menjadi 0,0005 sehingga harga hd dapat diketahui sebesar 0,999152. Hal ini disebabkan kandungan 1/Rd = 200. moisturizer dan bahan volatile menguap. Timbulnya kerak maka transfer panas Kandungan ketakmurnian dan abu masih tetap semakin lama semakin menurun dan tinggal dalam mesophase. Unsur ketakmurnian pembentukan mesophase tidak optimal. Akibat sebesar 0,024 % seperti B, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, V, hal tersebut maka semakin tinggi kapasitas Zn, Ag, As, Cd, Co dan abu sebesar 0,824 % mesophase akan semakin kecil harga luas transfer masih tetap dalam mesophase. Pada Gambar 7 panasnya. Atas dasar simulasi perhitungan pada terlihat bahwa dinamika perubahan kandungan Gambar 6 maka pemilihan kapasitas mesophase fixed carbon dan suhu dalam proses pembuatan dipilih pada rentang dimana Ud dan Uc tidak mesophase lebih cepat terjadi pada kapasitas terlalu jauh perbedaannya. Jadi kapasitas akan reaktor tangki berpengaduk yang kecil dikaji menggunakan analisis dinamik pada dibandingkan yang lebih besar. Tabel 3 rentang 60 kg/batch atau 132,31 lb/batch sampai merupakan hasil analisis dinamika pembentukan 180,9 kg/batch atau 397,98 lb/batch (waktu mesophase dari tarpitch. Pada Tabel 3 terlihat tinggal 10 jam). bahwa pencapaian suhu 550 oC untuk kapasitas mesophase / batch yang semakin besar maka Analisis Dinamik Perubahan Konsentrasi waktu yang diperlukan semakin lama. Hal ini Fixed Carbon dan Perubahan Suhu. dikarenakan massa yang dipanaskan lebih besar Analisis dinamik perubahan konsentrasi fixed dan faktor tetapan teknis utilitas seperti overall carbon dan perubahan suhu pada pembuatan heat transfer coefficient for design ( Ud) dan luas mesophase dapat digunakan untuk memastikan transfer panas yang semakin menurun karena kapasitas reaktor tangki berpengaduk yang adanya kerak direaktor mesophase. Akibatnya, optimal. Optimal yang menjadi ukuran pada pencapaian suhu 550 oC memerlukan waktu yang pembuatan mesophase adalah tercapainya lebih lama dan waktu tunak semakin pendek. kandungan fixed carbon dalam mesophase Adanya waktu tunak yang pendek dikhawatirkan maksimal. Pencapaian suhu 550 oC masih dapat produk mesophase tidak optimal dalam memberikan waktu tunak (steady state) yang kehomgenitasannya. Untuk hal tersebut maka memadai. Hal ini diartikan proses pembentukan dipilih kapasitas mesophase 265 lb/batch atau 120 mesophase diharapkan kurang dari 10 atau 12 jam kg/batch dengan volume 173,7 dm3 yang tetapi kualitas tetap memenuhi syarat yaitu memberikan waktu tunak 4 jam . mesophase yang kandungannya fixed carbon Kapasitas produksi graphite fiber 0,999152. Analisis dinamika perubahan fixed mencapai 100 ton/tahun. Hal ini akan carbon yang terkandung dalam tarpich sebagai berkonstribusi 2 % kebutuhan carbon fiber bahan baku makin lama makin turun dari 0.98 /graphite fiber didunia dimana kebutuhan tersebut sampai 0. Ini menujukkan bahwa tarpitch sudah sebesar 150 kton/tahun. Data ini sebagai landasan berubah menjadi mesophase. Adanya perubahan perancangan konsep dan perhitungan ekonomi. tersebut maka kandungan fixed carbon dalam Tundjung Indrati Y.

ISSN 1410 – 8178

Buku I hal. 75


Mesophase 132,68 lb /batch =60,31 kg/batch Volume reaktor=86,85 m3, Kapasitas produksi fiber = 50 ton/tahun

Mesophase 199 lb/batch =90,47 kg/batch Volume reaktor=130 dm3, Kapasitas produksi fiber = 75 ton/tahun

Mesophase 265 lb/batch =120 kg/batch Volume reaktor=173,7 dm3, Kapasitas produksi fiber = 100 ton/tahun

Mesophase 397,98 lb/batch =180,9 kg/batch Volume reaktor=260,5 dm3, Kapasitas produksi fiber = 150 ton/tahun

Gambar 7. Dinamika perubahan fixed carbon dalam bahan baku (CA), fixed carbon dalam produk mesophase (CB) dan perubahan suhu (T) pada proses pembuatan mesophase. Tabel 3. Data hasil analisis dinamik perubahan fixed carbon dan suhu dalam pembuatan mesophase dari tarpitch. No

Kapasitas ton /thn

Kapasitas mesophase, lb /batch

Ud, BTU/ mnt (ft2) oF

Ar, ft2

Pencapaian suhu 550 oC pada Menit ke…

Waktu tunak ,jam

1 2 3 4

50 75 100 150

132,88 199 265 398

3,5 6,66 10,58 12,97

12,6 9,4 5,523 4,7

200 320 360 400

6,66 4,66 4 3,33

* apabila operasi dalam 10 jam KESIMPULAN Optimalisasi kapasitas reaktor pembuatan mesophase diawali dengan identifikasi kapasitas produksi graphite fiber dengan kapasitas reaktor pembuatan mesophase. Pemilihan beberapa kapasitas reaktor mesophase yang akan dioptimasi berdasar pada studi perubahan nilai tetapan teknis Buku I hal. 76

utilitas pemanas reaktor. Tetapan teknis tersebut berupa Uc (overall heat transfer coefficient of clean condition) ,Ud (overall heat transfer coefficient of design) dan Ar (luas transfer panas dalam reaktor mesophase). Hasil perhitungan menunjukkan semakin tinggi kapasitas reaktor mesophase semakin tinggi nilai Uc tetapi tidak

ISSN 1410 – 8178

Tundjung Indrati Y.


demikian halnya dengan nilai Ud dan Ar. Hal ini karena nilai Ud dan Ar dipengaruhi dengan kondisi perancangan. Berdasar analisis dinamik atas kapasitas reaktor yang dipilih 132,68 lb/batch, 199 lb/batch, 265 lb/batch dan 397,98 lb/batch maka kapasitas reaktor mesophase optimal pada 265 lb/batch sehingga kapasitas pabrik graphite fiber mencapai 100 ton/tahun. Kapasitas mesophase dapat digunakan untuk perancangan konsep sehingga spesifikasi perangkat dapat ditentukan. Adanya spesifikasi alat maka harga alat dapat ditentukan. Data ini digunakan untuk analisis ekonomi. Analisis dinamik tersebut berbasis model matematik neraca massa dan neraca panas yang diselesaikan secara numerik dengan program matlab karena dari analisis ini diperoleh waktu tunak yang optimal. DAFTAR PUSTAKA 1. Y. TUNDJUNG INDRATI , 2013, Kajian Potensi Pasar Produk Carbon atau Graphite, Proseding Seminar Nasional Kejuangan UPN Vet-Yogyakarta. 2. ARSHAD HUSSAIN WAZIR, LUTFULLAH KAKAKHEL,2009, Preparation and characterization of pitchbased carbon fibers, New Carbon Materials, Vol 29, no 1. 3. SEGAULA ISSAC MANABILE, 2009, The Study of The Early Stages of The Carbonization of Some Pitch Materials of Difference Composition, Universiy Van Petroria 4. RYU.SK, J.E SHIM, K.S.YANG, I. MOCHIDA, 2000, Activated Carbon Fibers from Chemically Modified Coal Tar Pitches, Carbon Science, Vol 1. No.1. 5. NIGEL R,TURNER, STEWART H. ALSOP,OLOF MALMROS, et all, 2001, Development of Petroleum Enhanced Coal Tar Pitch In Europe,Koppers UK Lomited, Scunthorpe Works, Dawes, Lane, Scunthorpe, DN15 6UR.UK . 6. PIERRE EHRBURGER, 1994, Properties of Coal Tar Pitch Materialas, Energeia, CAER University of Kebtucky, Center for Applied Energy Research, Vol 5/3. 7. J.D.MILLER, Q.YU, L.L.LI, 1994, Technology for The Recovery of Fossil Resin, A Value added Product, from Weatern Coals, Energeia, CAER University of Knbtucky, Center for AER, Vol 5 no 3. 8. ANDRZEJ MIANOWSKI, STANIS-LAW BLAZEWICZ, ZBIGNIEW ROBAK, 2003, Analysis of The Carbonization and Formation

Tundjung Indrati Y.

of Coal Tar Pitch Mesophase Under Dynamic Conditions, Pergamon, Carbon 41, 2413-2424. 9. ANONIM, 2008, Coal Tarpitch, High Temperature, Summarry risk Asses-ment Report, CAS NO. 10. ANONIM, 1998, Health Hazards of Combustion Products From Aircraft Composite Materials, DOT/FA/AR-98/34, Office of Aviation Research Washington.D.C 20591. 11. A.EGEDY, T.VARGA, T.CHO-VAN, 2011, Application of Models With Different Complexity for Stirred Tank Reactor, Hungarian Journal of Industrial Chemestry Veszprem, Vol 39(3) 335-339. 12. YATEMAN dkk ,1996, Laporan Kegiatan Riset Unggulan , UGM-PTAPB,BATAN Yogyakarta. 13. M.,T.GANIC, 1996, Analysis of Mesophase formation Inside Chain Lliquid Crystalline Polycarbosilaneous, Jornal of Thermal Analysis 14. KERN, D,Q, 1965, Process Heat Transfer, Mc Graw Hill, Kogakusha,Ltd. Tokyo.

TANYA JAWAB M V Purwani  Kapasitas reactor yang dirancang harus sesuai dengan produk yang diinginkan, mengapa harus dioptimasi?  Apakah reactor dimensinya sudah tertentu, sehingga dinyatakan yang optimal 265 lb/batch, mengapa bukan volume (m3,ft3)/batch?Design reactor dimensinya adalah diameter dan tinggi/panjang.  Kalau pertimbangan untuk optmasi adalah secara ekonomis, harus disertakan pertimbangan ekonomisnya  Apa bentuk reaktornya? Tundjung Indrati Y  Cara optimasi dengan simulasi lebh mudah dan praktis  Tahap ini baru sampai optimasi kapasitas. Ukuran dimensi ada pada laporan kegiatan perancangan.Bila mengacu ke kegiatan pranuklir ada di sub kegiatan II dan dimensi tersebut sesuai saran diatas.  Tahapan berikutnya setelah beberapa “equipment” dirancang dan ditentukan spesifikasinya.  Silinder tegak dengan bagian bawah conical.

ISSN 1410 – 8178

Buku I hal. 77


Lampiran Tabel L1. Contoh Neraca Bahan Unit Pembentukan Graphite Fiber, kapasitas 100 ton/tahun Reaktor precursor, 500 oC, kg/jam Parameter

Komposisi umpan

Pembentuk Fiber,400 oC, kg/jam

Keluar Umpan

Gas

Produk

Masuk

Grafitisasi , 2000 oC, kg/jam

Karbonisasi fiber 600 oC, kg/jam

Keluar

Masuk

Masuk

Keluar

Umpan

Keluar Impuritas menjadi gas

produk

Moisturizer

0,002

0,024

0,02381 0

0

0

0

0

0

0

0

Abu

0,008

0,095

0,09524 0

0

0

0

0

0

0

0

Volatile

0,014

0,167

0,16667 0

0

0

0

0

0

0

0

fixed carbon

0,989

11,77

0

11,77

11,77

11,77

11,77

11,77

11,77

0

11,77

Boron, B

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Khromium, Cr

1,8E-05

2E-04

0

0,000219048

0,000219048 0,00021905

0,000219

0,000219

0,0002

0

0,0002

Copper,Cu

1,2E-05

1E-04

0

0,000142857

0,000142857 0,00014286

0,000143

0,000143

0,0001

0

0,0001

Mangan, Mn

1,9E-05

2E-04

0

0,00022619

0,00022619

0,00022619

0,000226

0,000226

0,0002

0

0,0002

Nikel, Ni

9,5E-05

0,001

0

0,001130952

0,001130952 0,00113095

0,001131

0,001131

0,0011

0

0,0011

Timbal, Pb

2,4E-05

3E-04

0

0,000283333

0,000283333 0,00028333

0,000283

0,000283

0,0003

0,000283

0

Vanadium, V

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Seng-Zn

6,2E-05

7E-04

0

0,000733333

0,000733333 0,00073333

0,000733

0,000733

0,0007

0,000733

0

Silver,Ag

1,2E-06

1E-05

0

1,42857E-05

1,42857E-05 1,4286E-05

0,000733

0,000733

0

0

0,0007

Arsen,As

2E-07

2E-06

0

2,38095E-06

2,38095E-06 2,381E-06

1,43E-05

1,43E-05

0

1,43E-05

0

Cadmium,Cd

5E-07

6E-06

0

5,95238E-06

5,95238E-06 5,9524E-06

2,38E-06

2,38E-06

0

2,38E-06

0

Cobalt,Co

3,1E-06

4E-05

0

3,69048E-05

3,69048E-05 3,6905E-05

5,95E-06

5,95E-06

0.0000059 0

0

12,06

0,28571 11,77279523

11,77279523 11,77279

11,77345

11,77345

11,7762

11,775

Total

Buku I hal. 78

0

ISSN 1410 – 8178

0,001033

Tundjung Indrati Y.

OPTIMASI KAPASITAS REAKTOR PEMBUATAN MESOPHASE DARI TARPITCH SECARA BATCH BERBASIS PADA ANALISIS DINAMIK KANDUNGAN FIXED CARBON DAN SUHU

Recommend Documents