PENGARUH DISTRIBUTOR BRIKET PADA KHLORINASI
GAS KHLOR DAN UKURAN PASIR ZIRKON
SuDardjo, DwiretDani, Budi Sulistyo daD Pristi H PuslitbangTekliologiMaju BATAN, Yogyakarta
ABSTRAK PENGARUH DISTRIBUTOR GAS KHLOR DAN UKURAN BRIKET PADA KHLORINASI PASIR ZIRKON. Penelitian dengan judul pengaruh distributor gas khlor dan ukuran briket pada khlorinasi pasir zirkon telah dilakukan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk dapat mengetahui kondisi optimum dari bentuk distributor gas khlor dan ukuran briket pada khlori'lasi pasir zirkon. Penelitian ini menggunakan alar klorinasi yang dilengkapi dengan pemanas dan penyerap gas huang. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah sistem reaktor tegak. Parameter yang dipelajari adalah bentuk distributor gas khlor dan ukuran briket pada khlorinasi pasir zirkon. Caranya mula-mula pasir zirkon dibuat briket dengan cara menambah sukrose dan kokas kemudian dimasukkan ke dalam alar "ball mill". Briket yang sudah terbentuk dipanaskan dan dimasukkan ke dalam alar khlorinator. Pelnanas dihidupkan sampai pada suhu 9()(J'C kemudian gas khlor dialirkan dengan kecepatan tertentu. Setelah waktu mencapai 30 menit pemanas dan aliran gas khlor dimatikan. Hasil khlorinasi ditimbang dan dianalisis kadar Zr nya dengan titrasi EDTA. Dari hasil percobaan yang telah dilakzlkan dapat diambil kesimpulan bahwa bentuk distributor gas khlor yang optimum pada bentuk "sintered plate" de'!gan hasil berat ZrCl4 3,3535 gram atau konversi 35,63 % dan ukuran briket yang optimum adalah briket dengan ukuran dialneter 12,0 mm dengan hasil ZrCl4 3,3535 gram atau konversi 35,63 %.
ABSTRACT THE EFFECT OF DISTRIBUTOR TYPE OF CHLORINE GAS AND PARTICLE SIZE OF BRIQUETS ON THE ZIRCON SAND CHLORINATION. The investigation of the effect of distributor type of chlorine gas and particle size of briquets on the zircon sand chlorination was carried out. The purpose of 'this investigation was to know the optimum condition of the distributor type of chlorine gas and the particle size of briquets at the zircon sand chlorination. In this investigation the chlorillation equipment provided by the air heater and the absorbtion offlue gas. The vertical reactor system was used in this investigation. The investigated parameters in this experiment were: the distributor type of chlorine gas and particle size of briquets at the zircon sand chlorination. The experiment was perfonned firstly by making the zirconium sand into briquets using the ball mill apparatus in wich saccharose and coke were added. The briquets yield was heated and put in the chlorinator apparatus. The furnace was operated up to the temperature of 900" C. then the chlorine gas were flown at the certain rate. If the time up to 30 minutes the heating and the circulation of chlorine gas was stopped. The yield of this chlorination process was weighed and analyzed for the Zr content ~'ith EDTA titration. The result of this investigation could be concluded that the optimum of the distributor l)pe of chlorine gas was sintered I).pes with the yield ZrCl4 3.3535 grams or the conversion 35.63 % alw the particle size of briquets /2.0 mm with the yield ZrCl4 3.3535 grams or the conversion 35.63 %. .
PENDAHULUAN P
engaruh distributor gas khlor clan ukuran briket pada khlorinasi pasir zirkon adalah merupakan
sebagian dari parameter proses pembuatan logam zirkonium dari pasir zirkon dengan proses kering. Proses yang pemah dilakukan di P3TM-BATAN Yogyakarta adalah proses basah atau menggunakan NaOH sebagai bahan reagennya. Secara teoritis proses basah kurang ekonomis dibandingkan dengan proses kering karena efisiensi proses basah lebih rendah dari pada proses kering. Oleh karena itu dalam hal ini akan dikembangkan khlorinasi dengan proses kering. Proses khlorinasi merupakan reaksi antara senyawa khlor dengan senyawa lain sehingga membentuk scnyawa baru. Reaksi berjalan pada suhu 8000 C 10000 C(I). Pasir zirkon dibuat
briket dengan bahan perekat sukrose daD kokas. Briket dapat berbentuk bola atau dapat juga berbentuk tablet. Pembentukan briket bertujuan untuk menghindari terjadinya penyumbatan pada distributor gas yang biasanya terjadi selama proses khlorinasi berlangsung. Logam zirkon dapat dipakai sebagai bahan pembuat kelongsong bahan bakar nuklir karena mempunyai sifat-sifat tertentu yang dapat memenuhi persyaratan yang diinginkan. Logam tersebut dapat diperoleh dari pasir zirkon yang mempunyai kadar zirkon lebih kurang 40%, Sifat-sifat logam tersebut antara lain, mempunyai penampang lintang yang relatif kecil yakni 0,2 barn, tahan terhadap suhu tinggi, mempunyai struktur yang baik sehingga dapat mempermudah dalam pelepasan bahan bakar setelah habis dipakai (1,2).Logam zirkon dalam reaktor nuklir juga dapat digunakan
sebagai
pcralatan
yang
memerlukan
Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM.BATAN Yogyakarta, 27 Junl2002
.
persyaratan khusus misalnya untuk bejana tekan, tangki dan pipa -pipa. Persyaratan yang harus dipenuhi daTi logam zirkon tersebut antara lain mempunyai kemurnian yang tinggi, kandungan Hf harus seminimal mungkin. Karena Hf mempunyai tampang lintang yang relatif besar yakni 115 barn, sehingga dapat mengakibatkan penyerapan neutron yang relatif cukup besar. Logam zirkon murni nuklir yang digunakan untuk bahan struktur reaktor, kandungan Hftidak boleh lebih besar daTi 100 ppm karena setiap 100 ppm Hf akan dapat menaikkan penampang serapan neutron sebesar0,01 bard3). Di dalam pengolahan pasir menjadi zirkon tetra khlorida actabeberapa cara antara lain: 1. Pembuatan ZrCl4 daTi pasir zirkon dengan proses kering dan pemisahansecara absorbsi. 2. Pembuatan ZrCl4 daTi pasir zirkon dengan peleburan tanpa oksigen dan pemisahan secara distilasi. 3. Pembuatan ZrC14 daTi pasir zirkon dengan proses basah dan pemisahan secaraekstraksi. Pacta proses pembuatan ZrC14 daTi pasir zirkon pacta umumnya menggunakan proses khlorinasi. Untuk proses khlorinasi ini pasir zirkon dibuat dalam bentuk briket. Dengan bentuk briket ini diharapkan dapat meningkatkan efisiensi reaksi khlorinasi tersebut(4).Pembriketan adalah suatu cara untuk memadatkan suatu bahan yang mempunyai diameter kecil menjadi suatu bentuk padatan yang mempunyai diameter atau ukuran lebih besar, mempunyai kekerasan tertentu, porositas tertentu sehingga mampu menahan beban serta mudah dialiri gas. Kestabilan briket sangat dipengaruhi oleh ukuran butir, komposisi campuran, jumlah perekat dan suhu pemanasan. Dari beberapa pengaruh tersebut akan menentukan besamya porositas, rapat massa dan daya hantar panas.
kesempurnaan reaksi juga sangat dipengaruhi o.leh bentuk distributor gas yang digunakan. Bentuk distributor gas menurut Kunni (6) acta beberapa bentuk antara lain: single perforated plate, multiple orifice plate, stired plate, stagegered perforated plate, concave perforated plate, convex perforated plate, sand wich packed bed dan slids quate bars. Dari beberapa bentuk distributor gas tersebut
mempunyaikeuntungandan kerugiannyamasingmasing. Dalam penelitian ini yang akan dipelajari adalah bentuk single perforated plate, multiple orifice plate dan stired plate.
TATA KERJA Bahan 1.PasirZirkon 2.Sukrose 3.Akuades 4.MnO2 5.HCI
6. Silikon Rubber 7. Xylenol Orange 8. EDTA
9. HNO3
Alat I.Satu unit alat khlorinator 7. SendokPorselin 2.Timbangan Elektronik 8.GelasBeker 3. Satu unit alat ayakan 9. KantongPlastik 4. Pemanas (Furnace) 10. Buret11. 5. Mortar Porselin PembangkitGas Clz
6. Satuunit alat Ball Mil
..
Tujuan pembriketan tersebut selain untuk meningkatkan efisiensi reaksi antara fase padat dengan fase gas juga mengurangi kehilangan bahan sewaktu pengumpanan kedalam alat khlorinator. Selama proses khlorinasi terhadap pasir zirkon terjadi reaksi sebagai berikut:
1+
Zr Si 04 + 4 Cl2 + 8C +202 ~ ZrCl4 + SiCl4 + 8CO Sifat-sifat dari ZrCl4 ada yang berbentuk butiran dan bentuk serbuk berwarna putih, mempunyai titik sublimasi 331°C, titik leleh 438°C dan hila kena air akan terdekomposisi menjadi ZrOCl2 8H2O serta larut dalam alkohol dan eter(4). Dalam suatu reaksi antara gas dan padatan maka suhu dan waktu khlorinasi akan berpengaruh terhadap hasil yang diperoleh dari reaksi lersebur5). Dan besarnya suhu juga dipengaruhi oleh daya hantar panas dari bahan yang dipanaskan. Karena dalam reaksi lersebul merupakan reaksi anlara gas dan padatan, maka
Prosldlng
Pertemuan
Gambar 1. Rangkaian alar khlorinator Keterangan: I. Dapur pemanas 6. Alat pembangkit gas Clz 2. Alat desublimator 7. Penyerap uap air 3. Tabung khlorinator 8 Kran gas Clz 4. Penyerapgas Clz 9. Corong pemisah 5. Flowmeter 10. Tempat pemasukan sampel
dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl2002
dan Teknologl
Nukllr
1
Parameter bentuk distributor gas khlor
Untuk parameter bentuk distributor gas khlor mulamula disiapkan bahan sebagai berikut: ditimbang pasir zirkon sebanyak 87 gram, berdiameter 0,09 mill, daD sukrosa sebanyak 3,25 gram berdiameter 0,30 mm. Kemudian kedua bahan tersebut dicampur sampai homogen dalam gelas beker daD ditambah akuades sebanyak 6 mI. Setelah homogen campuran tersebut dimasukkan kedalam alat ball mill daD diputar dengan kecepatan 10 rpm selama IS menit. Setelah briket terbentuk, ditimbang daD
semua sambungan dirapatkan dengan silikon rubber. Gas Cl2 dibuat dengan mereaksikan antara MnO2 sebanyak 12 gram dan HCI 30 ml di dalam gelas erlenmeyer yang dilengkapi dengan penangkap cairan. Setelah 30 menit, aliran gas Cl2 dihentikan, pemanas dimatikan. Setelah suhunya tercapai suhu kamar, alat khlorinator dibuka dan hasil desublimasi yang diperoleh diambil, ditimbang dan dianalisis kadar Zr nya dengan titrasi memakai EDT A. Demikian juga briket yang masih tersisa ditimbang dan dianalisis kadar Zr nya. Dernikian seterusnya, dan bentuk distributor gas khlor divariasi sebagaiberikut: single orifice plate; multiple orifice plate dan sintered plate.
dipanaskan pada suhu 120°C selama 2 jam kemudian diambil briket 15 gram dengan ukuran tertentu dimasukkan ke dalam alat khlorinator. Selanjutnya alat khlorinator dilengkapi dengan alat distributor gas khlor dengan bentuk tertentu daD setelah diisi dengan sample kemudian ditutup,
2. Parameter ukuran briket. Untuk parameter ukuran briket percobaan diulangi 1agi seperti tersebut di atas hanya ukuran briket yang digunakan divariasi sebagai berikut: 4,0 mm; 8,0 mm; 12,0 mm; 16,0 mm dan 20 mm.
HASIL DAN PEMBAHASAN 1
Parameter bentuk distributor gaskhlor. Tabell.
Hubungan antara bentuk distributor gas khlor dengan hasil khlorinasi dun berat ZrCl4
(Berat briket: 15,00 g, Suhu: 900°C, waktu 30 menit, kecepatan alir gas Clz 0,025 Umenit).
Tabel 2 Hubungan antara ukuran briket dengan hasil khlorinasi dan berat ZrCl4 (Berat briket: 15,00 g, Suhu: 900°C, waktu 30 menit, kecepatan alir gas CI2 0,025 Umenit, bentuk distributor single orifice plate).
No
Ukuran briket
(mm)
Hasil Khlorinasi
Berat
(~ram) 4,0
0,2445
2
8,0
0,4762
3 4 5
12,0
0,9631
16,0
1,3007
20,0
1,3618
Prosldlng
Pertemuan
Zr
hasil (gram)
BeratZrCl4 Hasil
(gram) 0,1101 0,2144 0,4336 0,5856 0,6131
0,1956 0,3810
.
Konversi (%)
2,08 4,05
0,7705
8,19
1,0406
11,06
1,0895
11,58
dan Presentasilimiah Penelltlan Oasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002
dan Teknologl
Nukllr
96
ISBN 0216-963128
Sunardjo,dkk
Tabel 3. Hubunganantaraukuranbriket denganhasil khl inasi dan berat ZrCl4 0,025 Umenit
(Berat briket: 15,00 g, Suhu: 900°C, waktu 30 menit, kecepatan alir gas C bentuk distributor multiple orifice plate).
No
Ukuranbriket (mm)
4
Hasil Khlorinasi (gram)
0,2041
2,17
8,0
0.4461
0,2234
~910
4,1"
12,0
1,0056
0,4527
0.8045
8,55
16.0
1,3030
0,5866
1,0424
.n~
20,0
1,3843
0,6232
1,1075
1,77
-+
'/'_eO
~
~
--4
---'
"
20
Ukuran brikel (mm)
Gambar 2: Gambar hubunganantara distributor gas khlor dengankonversi Oari Tabel 2 dan Garnbar 2 terlihat bahwa pada bentuk distributor gas khlor sintered plate rnernberikan hasil grafik khlorinasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan bentuk distributor gas khlor si,.gle orifice plate rnaupun multi orifice plate. Pada rnasing-rnasing bentuk distributor
~ "" ~~~~p!:"""""::Z
garnbar yang berbeda.
Pada bentuk
distributor single plate dan multi orifice plate rnenunjukkan bahwa hasil khlorinasi pada rnasingmasing ukuran briket rnernpunyai hasil yang harnpir sarna atau berimpit dan relatif lebih rendah dibandingkan
bentuk distributor
bentuk
dengan sintered
distributor
gas
yang
rnenggunakan
plate. Sedangkan pada
jenis
sintered
plate
rnernpunyai garnbar yang pada masing-masing ukuran briket lebih tinggi. Hal ini discbabkan
Proslding
(%)
0.1149
"e
hila
Konversi
0,2551
/
rnernpunyai
Berat ZrCI4
basil (gram)
4,0
/
l
Berat Zr hasil (gram)
Pertemuan
karena pacta waktu bentuk distributor gas khlor bentuk single n~ifice plate dan IIIlllti orifice plate belum memberikan hasil reaksi yang sempurna kmoenamasih banyak pasir zirkon yang belum dapat bereaksi dengan gas khlor. Hal ini terlihat pacta data hasil khlorinasi hanya memberikan berat ZrCI4 sebesar 1,0895 gram atau konversi 11,58 % dan pacta11lulti orifice plate I, 1075 gram atau konversi 11,77 %. Tetapi setelah menggunakan distributor bentuk silltered plate memberikan hasil khlorinasi yang Iebih besar seperti terlihat pacta data yaitu memberikan berat ZrCI4 sebanyak 3,3535 gram atau 35,63 %. Hal ini disebabkan karena pacta proses khlorinasi menggunakan distributor bentuk sintered plate sudah terjadi reaksi yang sempurna antara pasir zirkon dengan gas khlor. Disamping itu pacta bentuk sintered plate apabila tcrjadi penyumbatan lubang-lubang distributor, tidak akan menutup semu.: lubang yang acta sehingga masih acta kcmungkinan Iubang lain yang dapat dilcwati gas khlor. Sedangkan pacta bentuk single orifice plate dan multi orifice plate kemungkinan tersumbat seluruhnya sangat memungkinkan. Pacta distributor gas khlor bentuk single orifice plate. multi orifice plate maupun sintered plate semuanya memberikan data bahwa konversi yang diperoleh mula-mula naik dan kemudian mendatar atau menurun. Hal ini menunjukkan bahwa bentuk ukuran briket berpengaruh pacta proses khlorina!;i ini. Jadi bentuk distributor gas khlor yang optimum pacta bentuk silltered plate dan membcrikan hasil ZrCl.j 3,3535 gram atau konversi sebesar35,63~:
dan Presentasi IImlah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002
dan Teknologi
Nukllr
Tabel4.
Hubungan antara ukuran briket dengan berat ZrCl4
(Berat briket 15 gram, suhu 900°C, kecepatan gas CI2 0,025 Udet. kecepatan gas oksigen 3,0
'men, bentukdistributors!nteredplate.). No
Ukuran briket (mrn)
Hasil Khlo-rinasi (gram)
Gambar 3. Gambar hubungan antara ukuran briket dengan hasil klorinasi dan berat ZrCl4 Dari Tabel 4 dan Gambar 3 terlihat bahwa pacta ukuran briket 4,0 mm sampai 12,0 mm Ilasil khlorinasi yang diperoleh mulai naik dan akhirnya pacta ukuran briket 16,0 mm turun lagi. Hal ini disebabkan karena pacta ukuran briket 4,0 mm sampai 8,0 mm belum terjadi reaksi secara sempurna sehingga banyak Zr yang masih dalam bentuk pasir dan sebagian sudah berubah menjadi ZrCI4 sehingga basil desublimasi sudah banyak menunjukkan basil, walaupun masih terlalu kecil. Setelah mencapai ukuran briket 12,0 mm basil desublimasi menunjukkan ZrCl4 3,3535 gram atau konversi 35,63 %. Hasil ini merupakan basil yang terbesar hila dibandingkan dengan ukuran briket yang lain. Hal ini disebabkan karena pacta ukuran briket 12,0 mm membentuk suatu ikatan yang cukup kuat dalam menyusun rongga-rongga yang dapat dilewati gas khlor. Tetapi setelah sampai
Prosidlng
Pertemuan
Berat Zr hasil (gram)
Berat ZrCl4 hasil (gram)
Konversi (%)
pada ukuran briket 16,0 mm hasil desublimasi sudah mulai menurun yang berarti reaksi khlorinasi sudah mulai terhambat oleh adanya sisa-sisa hasil reaksi yang menutup lobang distributor gas khlor. Hasil ZrCl4 mula-mula berbentuk uap dan akhirnya setelah suhunya mencapai 331°C mengalami desublimasi. 01eh karena itu pada waktu terjadi reaksi belum tampak hasil ZrCl4 yang berbentuk padatan tetapi yang tampak adalah bentuk kabut putih kekuning-kuningan, setelah suhunya mencapai 331°C baru terbentuk padatan berwarna putih kekuning-kuningan. Terjadinya reaksi sangat dipengaruhi oleh sistem pengontakan antara padatan dan gas. Akhirnya setelah reaksi permukaan berlangsung sebagian sisa briket menutupi pasir zirkon yang ada pada bagian dalam sehingga tidak dapat terjadi reaksi kembali karena terhalang oleh sisa-sisa briket tersebut. Dari hasil reaksi untuk proses ini terlihat kekompakan susunan antara butir pada ukuran briket 12,0 mm. Maka hasil yang optimum adalah pada ukuran briket 12,0 mm dan memberikan hasil ZrCl4 sebesar 3,3535 gram atau konversi 35,63 %.
KESIMPULAN Dari percobaan yang telah dilakukan dengan menggunakan alat seperti tersebut di alas dengan
batasan-batasari
yang
ada
maka
dapat
diambil kesimpulan sebagai berikut: klorinasi pasir zirkon dalam bentuk briket r dapat dilakukan. distributor yang optimum dengan bentuk sintered plate dengan !1~sil bcrat ZrCl4 3,3535 gram atau konversi 35.63 % dan ukuran briket yang
dan Presentasl IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002
dan Teknologl
Nukllr
98
ISSN0216. 983128
optimum adalah pacta ukuran briket 12,0 mm dengan basil berat ZrCl4 3,3535 gram atau konversi35.63%.
6. KUNNI.
Sunardjo,dkk D
and
LEVENSPIEL.
0
«
Fluidization Engineering" John Wiley and Sons Inc. New York, London, ( 1969).
UCAPAN TERIMA KASIH Dengan selesainya penulisan laporan penelitian ini maka kami mengucapkan banyak terima kasih kepada Sdr. Paryadi dan semua pihak yang telah memberikan bantuannya sehingga penelitian ini dapat selesai.
TANYAJAWAB Supriyanto C. ..Apakah metode penelitian ini diaplikasikan untuk industri zirkon.
dapat
..ZrC4 ysng dihasilkan seberat 3,3535 gram diperoleh dari pasir silikon berapa ?
DAFTARPUSTAKA 1. ANWAR MUZAWAR, et at, Production Of Hafnium Free Zirconium Tetra Chlorid, Nuclear Material Division, Pakistan, (1977). 2. BUNY AMIN LUSTMAN AND FRANK KERZE, J. R., The Metalurgy Of Zirconium, First Edition, Mc. graw Hill, Book Company, New York, (1955). 3. FOSTER, A.R., et at. Basic Nuclear Engineering Third Edition Allyn and Bacon Inc, Boston, London, Sidney,Toronto, (1977). 4. LEVENSPIEL, 0., Chemical Reaction Engineering, Second Edition. Wiley Eastern Limited, New Delhi, (1972). 5. GEORGE BRAUER, "Zirconium (IV). Hafnium (IV) and Thorium (IV) Chloride and Bromide", Hand Book Of Preparative Inorganic Chemistry. Second edition. AcademicPressNew York. London,(1965).
Sunardjo .Penelitian ini dapat diaplikasikan untuk skala industri sesuai data dari literatur yang Judah ado .ZrCl4 yang dihasilkan seberat 3,3535 gram diperoleh dari pasir zirkon sebanyak 13.05 gram.
MV. Purwani ...Lebih besar mana pengaruh distributor gas dengan kecepatan aliran gas Clz.
Sunardjo .Pengaruh distributor gas dengan kecepatan aliran gas Cl2 .masing masing tergantung bentuk dan variasi aliran gas Cl2 yang digunakan. Distributor gas adalah ~'ariasi dari aliran gas yang digunakan .
c"'"
Proslding
Pertemuan
dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
dan Teknologl
Nukllr
