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

Daftar Isi PRO SIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

~

batan

Pusat Teknologi

Akselerator

dan Proses Bahan

Yogyakarta, 11 September 2013

OPTIMASI KAP ASITAS REAKTOR PEMBUATAN MESOPHASE DARI TARPITCHSECARA BATCHBERBASIS PADA ANALISIS DINAMIK KANDUNGAN FIXED CARBONDAN SURD Tundjung Indrati Y Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN [email protected]

ABSTRAK OPT/MASI KAPASITAS REAKTOR PEMBUATAN MESOPHASE DARI TARPITCH SECARA BA TCH 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 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 A, (Iuas 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 A,. Hal ini karena nilai Ud dan A, dipengaruhi dengan kondisi perancangan. Berdasar analisis dinamik atas kapasitas reaktor yang dipilih 132,68 Ib/batch, 199 Ib/batch, 265lb/batch dan 397,98Ib/batch maka kapasitas reaktor mesophase optimal pada 265 Ib/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 OPT/MATION FOR MESOPHASE FROM TARPITCH BASED ON FIXED CARBON AND TEMPERA TURE DYNAMIC ANAL YSIS. The process steps fiber graphite production with tarpitch as raw material are mesophase forming from tar pitch, fiber forming, carbon fiber forming and 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 (0 vera all 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 Ib/batch, 199 Ib/batch, 265 Ib/batch and 397,98 Ib/batch. The optimal capacity of mesophase reactor is 265 Ib/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

PRO SIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR ~

Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan Yogyakarta, 28 September 2010

batan

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

PENDAHULUAN

S

luas lUlllUll dari beberapa diantaranya ecara penggWlaanaplikasi carbon fiber sangat lingkungan, peralatan olah raga, (Jtomotif, aerospace sampai bahan propeller dipennesinan maupWl energi angin. Carbon fiber market revolution dalam berbagai industri kebutuhannya meningkat tennasuk karbon aktif yang diaplikasikan dalam kebutuhan lingkungan Kebutuhan tersebut mencapai 150 kton setiap tahoo (/.2) Sebagai bahan baku pembentuk carbon fiber atau graphite fiber dapat digWlakan pitch. Bahan ini merupakan bahan yang bemilai tambah strategis karena mempWlyai 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°C sehingga diperlukan pemanas. Tidak dipilih reaktor sinambung karena waktu pelelehan cukup lama. Pembentuk fiber menggunakan pip a dengan nozlle berdiameter 0,4 rom yang dilengkapi dengan pemanas sampai suhu softening dan tekanan nitrogen 2-4 MPa. Reaktor plug flow berlaku untuk proses stabilisasi (320°C) dan karbonisasi (1000 0q. 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 °C (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 dilalrukan atau tidak. Analisis dinamik dilakukan untuk perubahan fixed carbon dari 0,989 sampai 0,9915 dan perubahan suhu dari suhu kamar sampai 550 °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°C - 550 0c. Menurut Andresj, reaksi pembentukan mes(Jphase merupakan endothermic reaction, orde satu dengan persamaan reaksi I. Data kinetik dari pitch dan mesophase tertera pada Tabel I. T arpitch --.

mesophase

pitch 1}.

Model matematik neraca bahan dan neraca panas menggunakan suhu referensi 25 C = 298 K, maka neraca bahan sebagai persamaan 2(/0.1 J). Molor

N.~ Pro;ssure 2-4 MPa

Fig. I

Tbo li<:h.im>atic dk.g1'M1$ or the reA':1Or <Jnd tho
a. diagram

ISSN 1410 - 8178

proses

pembuatan

carbon

fibe/4)

Tundjung Indrati Y.

PENELITIAN

@>

PRO SIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKAT

NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 11 September 2013

batan

LTnllg]", 5()Q'C pttnbmtu.kan p~OY t.vpi>::lr

1,Tung.lro

Pembmtubn

jibu 19J'C:

N,. 2-, MP.

5.Tungkll Cinfitiu.ri

2000 ~C

b. diagram proses pembuatan

graphite fiber yang diusu1kan

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

(3)

dt

Gambar 2. Skema Reaktor Tangki Berpengaduk Tabe1 1. Data tar pitch dan mesophase

5

(10)

(3,5,6,7,8,9,10)

135- -- -- - - 1040-4000 157.4 40 3-7 Parameter distilasi 2020 -1,29 6000 165 MP2 Phenantrene 75 35,75 Aktivation Energy, E Mesophase(MP) Softenino Glass transition 0,6-1,1 point bahan 159,1 42,62 3,6 ,temperature,OC °C tidak larut %Hasil Coking value, 58,98 10,2 60,95 CV Konstante kecepatan pembentukan mesophase, Imenit.°K, 0,6856,5 x38 10-4 Kandunqan 1,21,2 1,2 0,1-0,33 abu, % 0,1-0,235 Komposisi rantai C-H :(kJ/mol) Kandungan bahan tidak larutdalam dalamtoluene, quinoline, 12,6 -27,9 Serat Viscosity, ienis, mPa,s pad areaksi 140°C q/cm3 1,2 X(%) 10-4 . (Antracena, Penatrenepada (95440°C. No %) ,Pyrene Carbazole, 28,5 I Light pitch MP1.(SM)rata rata: 172

Benzoapyrene);

Model matematik neraca panas dapat ditu1is sebagai berikut,

Tundjung Indrati Y.

ISSN 1410 - 8178

Buku I hal. 71

ern,1965 paddle), se, 9 ft

PRO SIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKAT

PENELITIAN

NUKLIR ~

Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan Yogyakarta, 28 September 2010

Laju panas masuk reaktor

Laju panas keluar reaktor

+

Laju panas akibat adanya reaksi

batan

Laju panas terakurnulasi di reaktor

(4)

dT -UdA(T-Tw)+r(-Mf)V -=----------

(5)

L n;CPi

dt

Harga V yang telah diidentifikasi menggunakan kapasitas produksi dapat untuk menentukan dimensi reaktor sekaligus diameter dalam dan diameter luarnya. Reaktor mesophase mempunyai ketentuan HID 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 (D,) dan diameter impeller (Dj) sebesar 3, perbandingan jarak dasar tangki Zj dan diameter impeller (D;) 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 Z; dan spesifikasi gravity dan jumlah pengaduk dapat dihitung dari perbandingan harga WELH dan Dj• Oleh karena pembentukan mesophase merupakan reaksi endotermik maka reaktomya memerlukanjaket pemanas dan dipilih menggunakan jaket menggunakan pemanas steam. Menurut Kern(J4) harga overall heat transfer coefficient dapat ditentukan menggunakan persaman persamaan sbb,

h=j!.. I

LNp Df1[

2

J!....

Cpf1 ]213[

k

]Jl3[

f1W ]0.14

(8)

w. -_..~,..

(9) 1+--

W3lL ~

..-

.

H~_

~---u···::::Jr !~--=-~~-_ ..-=-.~

..

D,

Gambar 3. Skema Penentuan

r]

Dimensi

(10)

(Rd) for treated boiler Data fouling factor feedwater (Tab. 12 p.845 Kem,1965 dengan harga 0,0005 sebesar liRI

Pengaduk

Dalam pengadukan berlaku nilai Re dan didapat harga kecepatan putar pengaduk,

pNL2

Re=--

(6)

J.I

Tw T ,k LiT Volume Waktu, menit reaktor,ft3atau m3• Kandungan Kecepatan Panjang Factor dari pengaduk reaksi heat carbon transfer dalam ( length (fig of 20.2; fJ ;V J.lw LT

1

sehingga

harga

hd dapat

diketahui

= 200.

1

-=-+Rd~,,,Ud'=-Ud Ue

Uehd Ue+hd

(11)

Luas transfer panas untuk perubahan setiap volume reaktor adalah sebagai berikut

(7)

A=l

N = 7r*D,(ft) 600 ~ 2*D,(in) WELH

U/J.T

C

Konstante kecepatan reaksi,

Ve, Vd

Overall heat transfer coefficient,

Suhu media pemanas/pendingin,

A

of

Suhu reaktor, of perbedaan temperature pemanas steam dan reaktor mesophase , 75

Cp

Q

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

OF

N

Kecepatan putar pengaduk, rev~arn

o

Viskositas campuran, Iblfifjam

kth

Thermal konduktivitas, BTU/(hr)(ft)2(OFIft).

1 (asumsi)

hi, hio

Heat transfer

10

Diameter bagian dalam, ft

Diameter luar, ft

coeft inside

bejana , BTU/hr(ftj2.(OF)

and outset

00 Buku I hal. 72

ISSN 1410 - 8178

Tundjung Indrati Y.

PRO SIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR.

~

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan

batan

Yogyakarta, 11 September 2013

Tabel 2. Hasil Analisis Ketakmurnian Tar Pitch dan spesifikasi unsur ketakmurnian(/2.13)

°

Titik

- 813 terdeteksi 2E-07 5E-07 -116 -,635 0,008 0,014 2,4E-05 1,2E-06 3,1 E-06 11,9E-05 ,8E-05 0,002 1,2E-05 6,2E-05 3927Komposisi terdiricarbon dari 67 102.4 41.17 1749 41.79 2250 22.97 2671 2671 J/mol.K 2562 1519 2730 806 765 1900 cal/mol 1,7 tarTidak 0,989 11 ,087 0,489 24,440 78,1 14,304 50,54 0,444 74,52 0,33 0,39 57,5 0,24 86,7 0,23 0,709 0,4 ( 391.1 ~H, pitch9,5E-05 0,34 Kapasitas panas 22,440 77 0,385 0,16 Parameter

didih,oC carbazole, antracene,penatrene, Boron, B

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 mass a 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]=odeI5s( odefun,tspan,w

Tampilkan profil dengan plot

function _ (t,w]=odeI5s( odefun,ts pan,wO)

;-+{

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

PRO SIDING SEl\1INAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR ~

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 September 2010 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 baban secara keseluruhan pada unit pembuatan graphite fiber. Perhitoogan neraca baban berdasar pada tabapan proses pembuatan graphite fiber seperti tertera pada Gambar 1 dan data ketakmumian tarpitch (Tabel 2). Oleh karena proses pembuatan graphite merupakan proses pemurnian dan penataan struktur kristal maka perubaban neraca baban disetiap tabapan proses diakibatkan karena pelepasan 'oosur ketakmurnian tarpitch berdasar titik didih oosur atau komponen dalam kondisi inert. Contoh perhitoogan neraca baban pembuatan graphite fiber dengan kapasitas 100 ton/taboo tersaji pada lampiran Tabel Ll. Perhitungan tersebut dapat dilakukan untuk kapasitas 25 ton/taboo, 50 ton/taboo, 150 ton/taboo, 200 ton/taboo dan 250 ton/taboo. Kapasitas yang lebih besar mengakibatkan kapasitas produksi mesophase dan volume reaktor mesophase bertambab 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 ootuk 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.

----

-

..

..

------

i:

...

-.--.---.----.-.-----------

: r=~-=r~,=--=r=~==l------=1·-==~~I---..------~-~

~

300

5

'i

r

250

~--~==:------==I=-=~==:-~-~--=----j 1

;

!

!!

-t

,

1501-

~

100

---.-1 ! ···-···· 1

i

=

I

I

!

i

-j

•••• to'jJJ.-

-.- -.- i

-------+----f----·-i

..

1.

- .. -.-

I

-.-

-H-.\lO~fe

~massa}neSOPh~ik&

f

~ ~~=---j-------!====t~-=-=-:=-----L=-=~; 50

100

l~O

200

250

300

..... ~I'.~~jt~'.!'~o~u1<sj8'DJ1~!/~fi~~',.I~'.':'! •.~~~.

Gambar 4. Huboogan 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

batan

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

L __ ~

~pasitas

50

100

150

200

250

300

produk5i~~'!.phit6flb". loolt.huD

Pengaruh Kapasitas Mesophase Terhadap Tetapan Teknis Utilitas. Gambar 6 merupakan hasil simulasi pengaruh kapasitas mesophase ootuk satu reaktor yang dioperasikan secara batch pada suhu 30°C sampai mencapai 550°C. Panas yang diperlukan diperhitungkan berdasar pada kapasistas reaktor jadi semakin besar kapasitas mesophase maka kebutuhan panas semakin tinggi. Overall heat transfer coefficient (Uc dan U,J 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 bertambab. 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 difabami karena reaktor yang digunakan dalam pembentukan mesophase beroperasi pada suhu 550°C. Pemanasnya menggunakan steam sehingga lama lama reactor mengalami penambaban 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 mcmerlukan asumsi. Asumsi yang digunakan adalab fouling factor (Rd)for treated boiler feedwater. Data dari

ISSN 1410 - 8178

Tundjung Indrati Y.

PRO SIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologl Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 11 September 2013

~

batan

3000

I

''OJ

i; ;

i ! i I j

I I

50

100

150

200

250

300

350

Kapasitas mt!$Ophasf/, Icgibatch

Gambar 6. Pengaruh Kapasitas Mesophase Terhadap Enthalphi dan Tetapan Utilitas pustaka KERN didapat Rd mempunyai harga 0,0005 sehingga harga hd dapat diketahui sebesar llR.J = 200. Timbulnya kerak maka transfer panas semakin lama semakin menurun dan pembentukan mesophase tidak optimal. Akibat hal terse but maka semakin tinggi kapasitas mesophase akan semakin keeil harga luas transfer panasnya. Atas dasar simulasi perhitungan pada Gambar 6 maka pemilihan kapasitas mesophase dipilih pada rentang dimana Ud dan Uc tidak terlalu jauh perbedaannya. Jadi kapasitas akan dikaji menggunakan analisis dinamik pada rentang 60 kg/batch atau 132,31 Ib/batch sampai 180,9 kg/batch atau 397,98 Ib/batch (waktu tinggal 10 jam).

Analisis Dinamik Perubahan Konsentrasi Fixed Carbon dan Perubahan Suhu. Analisis dinamik perubahan konsentrasi fIXed carbon dan perubahan suhu pada pembuatan mesophase dapat digunakan untuk memastikan kapasitas reaktor tangki berpengaduk yang optimal. Optimal yang menjadi ukuran pada pembuatan mesophase adalah tereapainya kandungan fixed carbon dalam mesophase maksimal. Peneapaian suhu 550°C masih dapat memberikan waktu tunak (steady state) yang memadai. Hal ini diartikan proses pembentukan mesophase diharapkan kurang dari 10 atau 12 jam tetapi kualitas tetap memenuhi syarat yaitu mesophase yang kandungannya fixed carbon 0,999152. Analisis dinamika perubahan fIXed carbon yang terkandung dalam tarpich sebagai bahan baku makin lama makin turun dari 0.98 sampai O. Ini menujukkan bahwa tarpitch sudah berubah menjadi mesophase. Adanya perubahan tersebut maka kandungan fixed carbon dalam Tundjung Indrati Y.

mesophase akan berubah dari 0 menjadi 0,999152. Hal ini disebabkan kandungan moisturizer dan bahan volatile menguap. Kandungan ketakmurnian dan abu masih tetap tinggal dalam mesophase. Unsur ketakmurnian sebesar 0,024 % seperti B, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, V, Zn, Ag, As, Cd, Co dan abu sebesar 0,824 % masih tetap dalam mesophase. Pada Gambar 7 terlihat bahwa dinamika perubahan kandungan fixed carbon dan suhu dalam proses pembuatan mesophase lebih eepat terjadi pada kapasitas reaktor tangki berpengaduk yang keeil dibandingkan yang lebih besar. Tabel 3 merupakan hasil analisis dinamika pembentukan mesophase dari tarpitch. Pada Tabel 3 terlihat bahwa peneapaian suhu 550°C untuk kapasitas mesophase / batch yang semakin besar maka waktu yang diperlukan semakin lama. Hal ini dikarenakan massa yang dipanaskan lebih besar dan faktor tetapan teknis utilitas seperti overall heat transfer coefficient for design ( U
ISSN 1410 - 8178

Buku I haI. 75

PRO SIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR ~

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 September 2010 Mesophase 132,68 Ib /batch =60,31 kg/batch m3• Volume reaktor=86,85 Kapasitas produksi fiber = 50 ton/tah un

batan

-[-_._~-~:::==:-:::=:~:~-~~:::~~.=:=:~

-I ;/ _J.

/

I

,

_~

/

~~_HC:fW.cc!

-tl

-~ i

.!._. __._._-~_ ..._........•......... _ ...~ ....- ...._ ..,._--_ • _ '" __

-

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

/' _f

"

I

//.J.---

U

I

\

\

::

;\

.~ ; I' OJ!

I,

I

,· •••

-

~

-

.«'1

-

- ~

-

---"----

•.

., '\

::

----

/

I _d

, ~'-l

. _

I,/"

-,

_f, /

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

....~ .. _._ !ill

//

L::c;';:;:;;;;:;:;::J

\"

_

""

••.••

.

1

.

j .... '_..,

;;.-

WI

..

/

"

/

:/.~_._--------"....-..--.-..--.••----y,--••

/

1···7::::::::::i;·~·_b~;;i~:=..~·~~;C·1

1M

-----

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

/

.."

..~"'~' ~------

-----

---.

"

Gambar 7. Dinamika perubahanflXed carbon dalam bahan baku (CA),flXed 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. Kapasitas Pencapaiansuhu 550°C 50 75 94 47132,88 199 398 400333 320466 1297 200 35 666 Waktutunak 100 150 265 3604 12,6 6,66 Ud. BrUI mnt 5,523 10.58 Kapasitas Ib Ibatch mesophase, (ft2)of ,jam pactaMenitke... Ar, ft2 No

* 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 pad a 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 semaldn tinggi kapasitas reaktor mesophase semaldn tinggi nilai Uc tetapi tidak

ISSN 1410 - 8178

Tundjung Indrati Y.

@ batan

PENELITIAN

PRO SIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKAT

demikian halnya dengan nilai Ud dan Ar. Hal ini karena nilai Ud dan Ar dipengaruhi dengan kondisi perancangan. Berdasar analisis dinarnik atas kapasitas reaktor yang dipilih 132,68 Ib/batch, 199 Ib/batch, 265 Iblbatch dan 397,98 Iblbatch maka kapasitas reaktor mesophase optimal pada 265 Iblbatch sehingga kapasitas pabrik graphite fiber mencapai 100 ton/tabun. 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 dinarnik 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. DAFT AR PUST AKA 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.Y ANG, I. MOCHIDA, 2000, Activated Carbon Fibers from Chemically Modified Coal Tar Pitches, Carbon Science, Vol 1. No.1. 5. NIGEL R,TURNER, STEW ART H. ALSOP,OLOF MALMROS, et all, 2001, Development of Petroleum Enhanced Coal Tar Pitch In Europe,Koppers UK Lomited, Scunthorpe Works, Dawes, Lane, Scunthorpe, DNI5 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 Weatem 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.

NUKLffi.

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 11 September 2013 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 IFN AR-98/34, Office of Aviation Research Washington.D.C 20591. 1I.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-PT APB,BAT AN Y ogyakarta. 13. M.,T.GANIC, 1996, Analysis of Mesophase formation Inside Chain Lliquid Crystalline Polycarbosilaneous, Joma1 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? ~ Apakab reactor dimensinya sudah tertentu, sehingga dinyatakan yang optimal 265 Ib/batch, mengapa bukan volume (m3,fe)/batch?Design reactor dimensinya adalab diameter dan tinggilpanjang. ~ Kalau pertimbangan untuk optmasi adalab secara ekonomis, harus disertakan pertimbangan ekonomisnya ~ Apa bentuk reaktomya?

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 hai. 77

PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR ~

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 September 2010

batan

Lampiran Tabel Ll. Contoh Neraca Bahan Unit Pembentukan Graphite Fiber, kapasitas 100 tonltahlll1 aas

kg~am 0 0.0000059 00 2E-06 6E-06 4E-05 1E-05 2E-07 5E-07 000 "C, 7E-04 0 00,02381 2E 0 0 -04 0 2E-04 3E-04 1E-04 00 Keluar 0 Masuk 00 Keluar Masuk Keluar 11,77279523 5,95238E-06 3,69048E-05 01,43E-05 3,6905E-05 0,000733 3,1 E-06 0Produk 0,001130952 0,000283333 0,000283333 0,000219 0,095 Karbonisasi Keluar 0,28571 11,7762 11,77345 0,001033 11,775 11,77279 11,77279523 11,77345 12,06 2,38095E-06 1,42857E-05 1,43E-05 2,38E-06 5,95E-06 0,0007 1,4286E-05 2,381 5,9524E-06 1,42857E-05 2,38095E-06 3,69048E-05 5,95238E-D6 2,38E-D6 5,95E-06 1,43E-05 E-06 0,000733333 0,0007 0,000733 0,00073333 0,000733333 11,77 11,77 11,77 11,77 11,77 11,77 11,77 0,989 1,8E-05 0,00022619 0,000142857 0,16667 0,0002 0,0001 0,0003 0,0011 0,000226 0,000143 0,001131 0,000219 0,000283 0,0002 0,0001 0,0011 0,167 0,001 0,00022619 0,00014286 0,00113095 0,00028333 0,00022619 0,000142857 0,001130952 0,000219048 0,000226 0,000143 0,001131 0,000283 0,014 9,5E-05 1,9E-05 1,2E-05 2,4E-05 0,09524 0,008 0,024 0,002 0 600 Pembentuk Fiber,400 "C, 1,2E-06 11,77 6,2E-05 0,000219048 0,00021905 kg~am Umpan menjadi produk Reaktorfiber precursor, 500 oC, Umpan Masuk umpan

Buku I hal. 78

Impuritas Grafitisasi , 2000 "C, kg~am

ISSN 1410 - 8178

Tundjung

Indrati Y.