Ariyani K Dewi, dkk.
ISSN 0216 - 3128
171
PENGARUH VARIASI WAKTU DAN SUHU TERHADAP PEMBENTUKAN U3O8 PADA PROSES KALSINASI UO3 DENGAN SIMULASI MATLAB Ariyani Kusuma Dewi dan Moch. Setyadji Pusat Teknolgi Akselerator dan Proses Bahan Jl. Babarsari PO BOX 6101 ykbb Yogyakarta 55281 E-mail :
[email protected]
ABSTRAK PENGARUH VARIASI WAKTU DAN SUHU TERHADAP PEMBENTUKAN U3O8 PADA PROSES KALSINASI UO3 DENGAN SIMULASI MATLAB. Telah disusun pemodelan proses kalsinasi UO3 dari persamaan neraca massa dan neraca panas yang ditinjau dari elemen volume satu butir bola padatan UO3. Kalsinasi merupakan proses pemanasan pada suhu tinggi, suatu senyawa uranium trioksida (UO3) berubah menjadi U3O8. Setelah dieksekusi menggunakan matlab, hasil yang diperoleh berupa tampilan grafik hubungan waktu kalsinasi vs konsentrasi UO3 dan U3O8, dimana konsentrasi UO3 akan semakin turun, dan berubah menjadi U3O8. Proses kalsinasi dikatakan telah sempurna jika semua UO3 telah menjadi U3O8. Kata Kunci : Kalsinasi UO3, Model Kalsinasi
ABSTRACT VARIATION OF TIME AND TEMPERATURE EFFECT ON THE FORMATION OF U3O8 IN UO3 CALCINATION PROCESS USING MATLAB SIMULATION. It has been prepared UO3 calcination process modeling of the mass balance equation and heat balance in terms of volume of one item element UO3 solid ball. Calcination is a process of heating at high temperature, a compound of uranium trioxide (UO3) turned into U3O8. Once executed using matlab, the results obtained display graphic of relationship between calcination time vs. UO3 and U3O8 concentration, where the concentration of UO3 will increasingly fall, and turned into U3O8. Calcination process is said to have been perfect if all UO3 has become U3O8. Keywords: UO3 Calcination, Calcination Model
PENDAHULUAN
K
alsinasi adalah proses pemanasan pada suhu tinggi, suatu senyawa uranium trioksida (UO3) berubah menjadi U3O8. Proses ini dilakukan dengan memanaskan butiran gel pada suhu 300º-500ºC untuk memperoleh UO3 dan suhu diatas 600ºC untuk mendapatkan U3O8. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut[1]: 3(NH4)2U2O7 6UO3
>600ºC
300º-500ºC
6UO3 + 6NH3 + 3H3O(1)
2U3O8 + O2 (2) Senyawa uranium yang terdapat pada butiran butiran setelah proses perendaman, pencucian dan pengeringan mempunyai rumus umum UO3 xNH3 yH2O dengan harga x dan y tertentu tergantung pada kondisi operasi[2]. Tujuan dari kalsinasi adalah untuk menghilangkan atau dekomposisi semua zat yang tidak dibutuhkan (senyawa non uranil) yaitu bahan volatil, H2O serta untuk membentuk U3O8. Dengan adanya kalsinasi pada suhu tertentu mengakibatkan dekomposisi senyawa organik dan anorganik menjadi gas CO2, NO2, H2O dan terbentuknya kernel oksida U3O8.
Dekomposisi termal untuk memperoleh UO3 atau U3O8 ADU : (NH4)2U2O7 400ºC 2UO3 + 10H2O + O2(3) AUC : (NH4)4UO2(CO3) 4NH3 + 3CO2
500ºC
UO3 + 2H2O + (4)
3[(UO2)4(NH3)2(C2H4OH)n] + (22+17n)O2 U3O8 + 112nCO2 + 12 NO2 + (18+12n)H2O (5) Butiran kernel yang diperoleh dari proses kalsinasi berwarna hitam keabu-abuan dan mengkilap. Diameter butiran relatif kecil jika dibandingkan dengan butiran sebelum proses kalsinasi, hal ini dapat disebabkan oleh adanya zatzat volatil dari dalam butiran[3]. Kernel yang telah dikeringkan, mungkin masih mengandung bahan-bahan pengotor yang tidak hilang, misal kopolimer organik yang tidak hilang pada suhu pengeringan. Kenaikan suhu pemanasan pada saat kalsinasi akan menyebabkan terjadinya perubahan sifat fisis kimia dan fisika butiran gel yaitu perubahan senyawa, struktur butiran, dan bentuk gel. Jika gel gelasi berlangsung tidak sempurna, maka tidak diperoleh kernel dengan struktur UO3 pada proses kalsinasi. Kalsinasi dilakukan pada suhu yang bervariasi, tergantung
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 19 Juli 2011
172
Ariyani K Dewi, dkk.
ISSN 0216 - 3128
pada senyawa yang diinginkan. Kalsinasi pada suhu 250 - 400°C akan terjadi perubahan senyawa (NH4)2U2O7 menjadi UO3. Pada saat proses kalsinasi terjadi empat proses, yaitu[4]: proses pelepasan air yang terdapat dalam butiran gel pada suhu 100ºC, proses pelepasan air kristal pada suhu dibawah 250ºC, proses pelepasan amonia dan proses rekristalisasi UO3. Perubahan suhu kalsinasi mempengaruhi kualitas butiran oksida uranium yang terbentuk meliputi porositas, ukuran distribusi partikel, dan lain-lain. Porositas dan ukuran distribusi partikel akan mempengaruhi besarnya densitas dan kualitas gel. Pemanasan mendadak pada proses kalsinasi harus dihindari karena dapat merusak butiran gel. Dengan demikian harus dibuat program laju pemanasan yang tidak menyebabkan kerusakan butiran gel yang dipanaskan. Butiran kernel U3O8 yang diperoleh dari proses kalsinasi berwarna abuabu kehitaman dan mengkilap. Diameter butiran relatif kecil jika dibandingkan dengan butiran sebelum proses kalsinasi, hal ini dapat disebabkan oleh adanya zat-zat volatil dari dalam butiran. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses kalsinasi di antaranya: a.Laju kenaikan dan penurunan suhu (heating and cooling rate) Laju kenaikan dan penurunan suhu kalsinasi yang tinggi dapat merusak senyawa uranium oksida yang terbentuk, pori-pori, senyawa organik dan pengotor yang terdapat dalam butiran gel tidak mempunyai cukup waktu untuk meloloskan diri sehingga terperangkap dalam butiran gel. Hal ini dapat menyebabkan laju densifikasi (densification rate) yang terjadi rendah. b. Suhu kalsinasi Suhu kalsinasi yang digunakan adalah mulai 250°C hingga 1000°C. Pemanasan di atas suhu 1000°C aka menyebabkan terjadinya mekanisme seperti proses sintering. Cara yang dapat dilakukan untuk menurunkan suhu kalsinasi adalah dengan meminimalkan ukuran butiran gel yang akan dikalsinasi. c.Waktu kalsinasi Proses kalsinasi dilakukan agar butiran dapat tumbuh dan menutup pori-pori. Waktu kalsinasi yang terlalu cepat menghasilkan kernel dengan densitas yang lebih kecil pada suhu kalsinasi yang sama. Meminimalkan waktu kalsinasi dapat diupayakan dengan meningkatkan laju kalsinasi. d. Densitas butiran gel Semakin baik densitas butiran gel maka semakin baik pula densitas kernel hasil kalsinasi. Hal ini dapat dikarenakan semakin tinggi densitas butiran gel, semakin sedikit poro-pori yang harus dieliminasi atau dihilangkan saat kalsinasi.
e.Ukuran butiran gel Ukuran butir gel berpengaruh terhadap luas permukaan spesifik, karena butiran gel dengan ukuran yang lebih besar akan cenderung mempunyai luas permukaan spesifik yang lebih besar pula. Dengan luas muka spesifik yang lebih besar akan lebih cepat bereaksi secara kimia dikarenakan mempunyai bidang sentuh yang lebih banyak untuk bertumbukan atau berinteraksi dengan zat lain. Luas permukaan yang besar akan menjadi pendorong selama proses kalsinasi sehingga terjadi penyusutan volume yang lebih besar. f. Konsentrasi Semakin tinggi konsentrasi oksigen maka hasil kalsinasi akan semakin sempurna[5]. Hal ini mengandung pengertian bahwa dengan semakin tingginya kadar oksigen maka dibutuhkan kondisi operasi yang lebih rendah untuk memperoleh hasil yang sama.
Model Matematika Proses Kalsinasi Pada reaksi kalsinasi terjadi pelepasan gas (O2) yang terikat secara kimiawi di dalam padatan (UO3). 3 UO3 U3O8 + O2 (6) Reaksi kalsinasi merupakan reaksi endotermis sehingga membutuhkan pemanasan dalam prosesnya. Padatan yang dikalsinasi berbentuk bola dengan jari-jari R dari hasil proses gelasi ekternal. Pada suhu yang tinggi padatan UO3 atau A akan terkalsinasi menurut reaksi : A B + gas (7) Padatan A yang mula-mula bersuhu T0 dikontakkan dengan udara panas bersuhu Tg, sehingga akan terjadi perpindahan panas dari gas ke permukaan padatan, lalu perpindahan panas konduksi dalam padatan yang berbentuk bola dari permukaan ke bagian yang lebih dalam. Persamaan matematis dari neraca massa dan neraca panas dapat diuraikan sebagai berikut[6] :
Neraca massa A pada elemen volume : Rate of input – Rate of output – Rate of reaction = Rate of accumulation Dengan Rate of Input = 0 Rate of output = 0 Rate of Reaction = Rate of Accumulation = 4πr2.∆r. Sehingga persamaan neraca massa A pada elemen volume menjadi : = - kr.CA
(8)
dengan nilai kr dipengaruhi suhu (T) dengan persamaan : kr = Ar. Exp (
)
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 19 Juli 2011
(9)
Ariyani K Dewi, dkk.
ISSN 0216 - 3128
173
Neraca Panas pada Elemen volume tebal ∆r :
suhu dalam butiran bola dianggap uniform. Jari-jari bola sebesar 0,001 m.
Rate of input – Rate of output – Rate of Heat of reaction = Rate of accumulation
Bi=
(12)
Lc=
(13)
(10) Persamaan (10) di atas jika di-limit-kan akan menjadi persamaan diferensial orde 2 : ∆r 0 :
Sehingga Bi=0,68 <<1 dianggap tidak terjadi distribusi suhu dalam butiran, atau . Persamaan (11) menjadi :
(11)
TATA KERJA
(14) =
Bahan & Alat Software Matlab 2009 dan komputer. Menggunakan fungsi ode15s dari Matlab untuk menyelesaikan persamaan diferensial simultan dari neraca massa dan neraca panas proses kalsinasi kernel U3O8. Syntax dari function ode15s antara lain sebagai berikut : [T,Y] = solver(odefun,tspan,y0) Dengan tspan = [t0 tf] dimana t0 = t awal, tf = t akhir Pemilihan Software Matlab disini karena didalamnya tersedia pilihan penyelesaian persamaan matematis yang spesifik untuk setiap permasalahan matematis.
(15)
Sedangkan persamaan untuk CB diperoleh dari stoikhiometri pada persamaan reaksi (6) : -rA = 3.rB (16) Sehingga diperoleh persamaan diferensial orde 1 untuk CB setiap waktu = 1/3. kr.CA
(17)
Simulasi menggunakan matlab menghasilkan grafik sebagai berikut :
Algoritma Program untuk Pemodelan Kalsinasi
Gambar 2. Grafik hubungan waktu kalsinasi vs konsentrasi UO3 dan U3O8
Gambar 1. Algoritma kalsinasi
program
untuk
model
Dari gambar 2 dapat dilihat bahwa pada proses kalsinasi UO3 menjadi U3O8, konsentrasi UO3 akan semakin turun, dan berubah menjadi U3O8. Proses kalsinasi dikatakan telah sempurna jika semua UO3 telah menjadi U3O8.
KESIMPULAN HASIL DAN PEMBAHASAN Diketahui nilai h (koefisien transfer panas) dan k (konduktivitas termal) berturut-turut adalah 56,78 J/s.m2K dan 0,0838 J/s.m.K[7] Berdasarkan hukum Biot (Bi), dimana jika Bi<<1 maka distribusi
Persamaan matematis proses kalsinasi UO3 dapat disimulasikan pada program matlab dengan penyelesaian persamaan diferensial menggunakan fungsi ode15s. Hasil simulasi berupa display grafik yang mengambarkan hubungan konsentrasi UO3 dan U3O8 terhadap waktu kalsinasi.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 19 Juli 2011
DAFTAR PUSTAKA 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Ariyani K Dewi, dkk.
ISSN 0216 - 3128
174
SURYAWAN, I., DAMUNIR, D HERHADY, Pengaruh Kadar Uranium dan Pemanasan Terhadap Luas Muka, berat Jenis dan Diameter Gel, Proseeding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah, P3TM-BATAN, Yogyakarta. LLOYD, M. H., K BSCHF, PENG, K., H. U. NISSEN AND R. WESSICKEN, 1976, Crystal Habbit and Phase Atrribution of U(IV) Oxides In Gelation Proces, Jurnal of Inorganic Nuclear Chemistry, Pergamon Press, Great Britanian MUKHLISIN, AENUL., 2006, Pengaruh Suhu, Waktu, Konsentrasi, Dan Metode Kalisinasi Sol-gel Terhadap Sifat Fisis Kernel U3O8 Penelitian Tugas Akhir STTN, Yogyakarta. HALIM, A. A. S., M.A EL-SAYED, N AFIFY, 1987, Thermal and X-Ray Analysis of UO3 Gel Microsphere, dalam Jurnal of Thermal Analysis, Vol 32 541-545, 1987, John Willey and Sons Limited, Chichester HERHADY, D., SUKARSONO, MASDUKI, B., 2006, Pengaruh Suhu Kalsinasi Dalam Tungku Jenis Fluidized Bed Terhadap Sifat Fisis Kernel U3O8, PTAPB-BATAN, Yogyakarta WAHYUDI B.S., Review Konsep-konsep Dasar Pemodelan Matematis (Chemical Engineering Tools). Yogyakarta. THEIN S.M, P.J. BEROLOS, Thermal Stabilization of UO2, UO3 and U3O8. ORNL. 2000 DUSSOUBS, B., J. JOURDE, F. PATTISON, J-L. HOUZELOT, D. ABLITZER, Modelling of A Moving Bed Furnace for The Production
9.
10.
of Uranium Tetrafluoride Part 1: Formulation of The Model. France. 2003 DUSSOUBS, B., J. JOURDE, F. PATTISON, J-L. HOUZELOT, D. ABLITZER, On The Validity of The Rate Expression of Calcination Reaction of UO3. France. 2003 PUDJANTO, BASUKI A., The Thermodynamic Modeling of The UraniumOxygen System. Batan-Serpong. 2005
TANYA JAWAB Sunarjo - PTAPB Berapa efisiensi hasil proses kalsinasi UO3 dengan simulasi tersebut? Ariyani Kusuma Dewi Dari simulasi tersebut hasilnya semua UO3 berubah menjadi U3O8. Jadi dipakai kondisi ideal atau efisiensi 100% untuk selanjutnya akan dibandingkan dengan hasil penelitian sehingga diketahui validasi dari model matematika dari proses kalsinasi tersebut. Susanna Tuning - PTAPB Selanjutnya agar dipelajari pengaruh variasi selain suhu dan waktu pada proses kalsinasi? Ariyani Kusuma Dewi Terima kasih, variasi ukuran butir UO3 akan dipelajari lebih lanjut
LAMPIRAN MAIN PROGRAM clc global CA0 T0 global A E R rho c lambda T0=30+273; %K A=4E3; %pre-exponential factor E=44000 ; %J/mol R=8.314; %J/K/mol rho=7287.5; %kg/m3 M=286 ; %kg/kmol c=20.042; %J/molatom/K tf=3600; %s lambda=83680; %J/mol CB0=0; t0=0; CA0=rho/M*1000; tspan=[t0 tf]; Y0=[CA0 CB0 T0]; [t,Y]=ode15s(@pers_1_fun,[tspan],[Y0]); Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 19 Juli 2011
Ariyani K Dewi, dkk.
ISSN 0216 - 3128
figure(1) [AX,H1,H2]=plotyy(t,Y(:,1),t,Y(:,2) set(get(AX(1),'Ylabel'),'String','konsentrasi UO3') set(get(AX(2),'Ylabel'),'String','konsentrasi U3O8') xlabel('Waktu Kalsinasi, detik')
SUBPROGRAM (SUBROUTINE) function dYdt=pers_1_fun(t,Y) global A E R lambda rho c CA=Y(1); CB=Y(2); T=Y(3); kr=A*exp(E/R/T) dCAdt=-kr*CA; dCBdt=-dCAdt/3; dTdt=dCAdt*lambda/rho/c; dYdt=[dCAdt dCBdt dTdt]
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 19 Juli 2011
175
