RANCANGAN DASAR SISTEM VULKANISASI LATEKS KARET ALAM DENGAN BERKAS ELEKTRON PADA BELT CONVEYOR

Herry Poernomo, dkk.

ISSN 0216 - 3128

165

RANCANGAN DASAR SISTEM VULKANISASI LATEKS KARET ALAM DENGAN BERKAS ELEKTRON PADA BELT CONVEYOR Herry Poernomo, Rany Saptaaji Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan – Badan Tenaga Nuklir Nasional Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb Yogyakarta 55281 Email: [email protected],

ABSTRAK RANCANGAN DASAR SISTEM VULKANISASI LATEKS KARET ALAM DENGAN BERKAS ELEKTRON PADA BELT CONVEYOR. Telah dilakukan rancangan dasar sistem vulkanisasi lateks karet alam pada belt conveyor dengan radiasi berkas elektron dari mesin berkas elektron (MBE) 300 keV/20 mA buatan PTAPB dengan ukuran window dari foil Ti 40 μm (60 x 6) cm. Rancangan dasar sistem VNRL pada belt conveyor terdiri dari: penentuan dosis serap (D), penetrasi berkas elektron pada NRL (tb), kecepatan belt conveyor (v), kapasitas VNRL (m), jenis dan ukuran belt: tebal (tAl) dan lebar (LAl), diameter rol pada belt conveyor (Dr), tenaga motor penggerak belt conveyor (P), laju alir udara pendingin (mud). Hasil rancangan dasar sistem VNRL pada belt conveyor dengan berkas elektron kontinyu sebagai berikut: D = 150 kGy, tb = 0,0187 cm, v = 7,69 cm/detik, m = 117,28– 219,57 ton/tahun, jenis belt: dari bahan polypropelene model S50-401 (61% open surface) buatan Spark Dura-Lock yang di atasnya dipasang aluminium sheet dengan tAl = 0,5 mm dan LAl = 60 cm, Dr = 0,027 m, P = 0,25 HP, mud = 240,23 kg/jam. Hasil perhitungan kapasitas VNRL pada belt conveyor dengan berkas elektron kontinyu dari MBE PTAPB lebih besar jika dibandingkan dengan MBE 300 keV/10 mA di JAERI Jepang dengan kapasitas VNRL di dalam tangki berpengaduk sekitar 81,97 – 153,46 ton/tahun. Kata kunci: rancangan dasar, vulkanisasi, lateks, berkas elektron, belt conveyor.

ABSTRACT BASIC DESIGN OF VULCANIZATION OF NATURAL RUBBER LATEX SYSTEM WITH ELECTRON BEAM AT BELT CONVEYOR. Basic design has been made of vulcanization of natural rubber latex(VNRL) system on abelt conveyor with electron beam radiation from electron beam machine (EBM) of 300 keV made in PTAPB with window size from Ti foil 40 mm (60 x 6) cm. The basic design of VNRL system on a belt conveyor consists of: determining the absorbed dose (D), penetration of the electron beam on the NRL(tb), conveyor belt speed (v), VNRL capacity (m), the type and size of the belt: thickness (tAl) and width (LAl), the belt conveyor roller diameter(Dr), conveyor belt drive motor power (P), the cooling air flow rate (mud). The results of the basic design of the belt conveyor system VNRL with continuous electron beam as follows: D = 150 kGy, tb = 0.0187 cm, v = 7.69 cm/second, m = 117,28–219,57 tons/year, type of belt: a model of material Polypropelene S50-401 (61% open surface) made of Dura-Lock Spark mounted thereon an aluminum sheet with a tAl=0.5 mm and LAl=60 cm, Dr = 0.027 m, P = 0.25 HP, mud = 240.23 kg/hour. The results of calculations VNRL capacity on a belt conveyor with continuous electron beam from EBM PTAPB greater when compared to the EBM 300 keV/10mA at JAERI Japan with VNRL capacity in the stirred tank of about 81.97 to 153.46 tons/year. Keywords: basic design, vulcanization, latex, electron beam, belt conveyor.

PENDAHULUAN

B

eberapa bentuk bejana iradiasi pada proses vulkanisasi lateks karet alam secara radiasi atau radiation vulcanization natural rubber latex(RVNRL) dengan berkas elektron dari mesin berkas elektron (MBE) filamen yang telah dilakukan oleh beberapa peneliti antara lain tipe bejana berpengaduk, plat miring, rotating drum, dan belt conveyor seperti ditunjukkan pada Gambar 1 (1). Pada sistem bejana iradiasi berpengaduk pada Gambar 1.a., maka NRLyang telah dihomogenkan oleh sudu-sudu di dalam bejana

akan terdorong ke atas yang kemudian dikenai dengan berkas elektron. Sistem bejana iradiasi seperti Gambar 1.a. mempunyai beberapa kelemahan, antara lain: • Lapisan tipis larutan karet bagian atas yang diiradiasi dengan berkas elektron kemungkinan akan menerima bombardir berkas elektron yang berulang-ulang sehingga suhu NRL bisa > 60 oC sehingga terjadi degradasi NRL seperti ditunjukkan pada Gambar 4. • Pada saat dilakukan pengadukan, maka bisa terjadi buih-buih di dalam larutan karet alam. Buih-buih dapat mengurangi kualitas lateks karet alam hasil iradiasi disebabkan sebagian besar

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 4 Juli 2012


ISSN 0216 - 3128

166

berkas elektron akan diserap oleh buih yang timbul sehingga akan mengurangi terjadinya proses cross-linking isopren dalam NRL menjadi poli-isopren. • Jika sil-sil karet pada rotor pengaduk berkontak dengan reaktan kimia seperti n-BA, KOH, amonia dalam NRL maka dapat mempercepat kerusakan pada sil karet sehingga dapat menyebabkan terjadinya kebocoran NRL dari iradiasi. d. Iradiator tipe belt conveyor Gambar 1. (a, b, c, d) Beberapa tipe iradiator untuk RVNRL

a. Bejana iradiasi Berpengaduk

Salah satu alternatif sistem RVNRL yang dapat mengatasi permasalahan proses RVNRL seperti di atas adalah dengan sistem RVNRL pada belt conveyor. Sehubungan dengan hal tersebut, maka tujuan dari penelitian ini adalah rancangan dasar sistem vulkanisasi lateks karet alam dengan berkas elektron pada belt conveyor untuk meminimalisasi perulangan iradiasi lateks karet alam oleh berkas elektron yang dapat menimbulkan degradasi molekul lateks karet alam teriradiasi karena terjadinya akumulasi panas dari disipasi berkas elektron pada lateks karet alam yang terus menerus.

TATA KERJA User Requirement Design Dikehendaki rancangan sistem vulkanisasi lateks karet alam dengan iradiasi berkas elektron secara kontinyu dari MBE 300 keV/20 mA dengan ukuran window (6 x 60) cm untuk menghindari terjadinya degradasi lateks karet alam teriradiasi oleh putusnya ikatan silang (cross-linking) poliisopren yang sudah terbentuk karena iradiasi berkas elektron pada lateks karet alam yang berulangulang. b. Bejana iradiasi pada plat miring

Konsep Proses RVNRL dengan Berkas Elektron Kontinyu pada Belt Conveyor Konsep proses RVNRL dengan berkas elektron kontinyu pada belt conveyor ditunjukkan dengan diagram alir seperti pada Gambar 2.

Deskripsi Proses VNRL dengan Berkas Elektron Kontinyu pada Belt Conveyor

c. Bejana iradiasi tipe rotating drum

Belt conveyor didisain dari polypropelene sheet berongga dengan open surface 61% yang dapat beroperasi pada suhu 5 oC s.d. 100 oC sesuai standard belt materials properties dari Spark DuraLock (2). Di atas belt conveyor dilekatkan Al sheets dengan tebal 0,15 – 0,3 mm (3); lebar dan panjang menyesuaikan dengan ukuran window, tinggi dam



ISSN 0216 - 3128

di bagian pinggir Al sheet didisain 1 mm. Lateks karet alam (NRL) yang telah dilakukan perlakuan awal sebagai umpan dari T-1 dialirkan secara gravitasi melalui FN pada Al sheets dengan ketebalan NRL yang diatur oleh scraper (S) pada debit hasil perhitungan dan kecepatan beltv tertentu dari hasil perhitungan. Pengaturan kecepatan belt diatur oleh putaran motor M yang dikontrol oleh inverter atas perintah SC. Sedangkan tebal NRL hasil perhitungan pada Al sheets dikontrol oleh ThC setelah menerima sinyal dari transmitter pada set point tebal lateks sesuai hasil perhitungan. Kenaikan suhu NRL akibat interaksi elektron dengan NRL pada Al sheets di atas belt yang bergerak dapat menimbulkan akumulasi panas, maka diperlukan proses pendinginan. VNRL pada Al sheets hasil iradiasi diiris dengan menggunakan scraper S dan dialirkan ke T-3.

Penelusuran Dosis Serap (D) pada RVNRL dengan Berkas Elektron Kontinyu Dosis serap (D) pada RVNRL dengan berkas elektron dari sumber daya filamen oleh beberapa peneliti tidak ditunjukkan secara eksplisit. Namun dosis serap dapat ditentukan dari beberapa

167

parameter fisis terukur yang telah dilakukan oleh beberapa peneliti seperti energi akselerator (E), arus berkas (I), waktu iradiasi (t), volume (V) atau berat (m) sampel pada kondisi optimum yang memberikan hasil RVNRL terbaik yang ditandai dengan tensile strength hasil RVNRL tertinggi. Menurut KORENEV, S.A. (2001), dosis serap dapat dinyatakan dengan persamaan berikut (4) : D = Ed/m (1) dengan, Ed = energi berkas elektron yang terdeposisi ke dalam bahan (volt.amp.det, watt.det atau J), m = massa bahan (g). Ed = E × I × t × η maka D dapat ditentukan sebagai berikut:

(2)

D = E × I × t × η/ m

(3)

D = E × I × t × η/ (V × ρb) (4) dengan, D = kV.A.detik/kg = kW.det/kg = kJ/kg = kGy, E = energi berkas elektron (kV), I = arus berkas elektron (A), t = waktu iradiasi (detik), η = efisiensi tenaga berkas elektron (%).

Gambar 2. Konsep RVNRL dengan berkas elektron pada belt conveyor


ISSN 0216 - 3128

168


Gambar 3. Distribusi panas iradiasi NRL dengan berkas elektron pada belt conveyor

Distribusi Panas VNRL dengan Berkas Elektron Kontinyu pada Belt Conveyor Konsep distribusi panas VNRL secara iradiasi dengan berkas elektron pada belt conveyor dapat ditunjukkan pada Gambar 3. Kenaikan suhu adiabatik dari penyerapan energi pengion (ΔT) diberikan dengan persamaan sebagai berikut (5): ΔT = D /c (5) dimana, ΔT dalam ºC, D adalah dosis terserap (kGy atau kJ/kg), c adalah kapasitas panas bahan yang teriradiasi e-beam (J/g ºC). Dari Gambar 3 dan persamaan (5) dapat ditentukan kenaikan suhu (ΔT) akibat tabrakan berkas elektron yang dibangkitkan oleh akselerator elektron dengan beberapa bahan melalui tahapan sebagai berikut: 1. Kenaikan suhu oleh tabrakan berkas elektron berikutnya dengan window dari foil Ti yang ditentukan dengan persamaan: ΔTw = D/Cpw

(6)

Tw – Twa= D/Cpw

(7)

(8) Tw = Twa + D/Cpw 2. Analog dengan persamaan (8) dapat ditentukan suhu celah udara (Tu) akibat tertabrak oleh berkas elektron dengan persamaan: Tu = Tua + D/Cpu (9)

3. Analog dengan persamaan (8) dapat ditentukan suhu NRL (Tb) akibat tertabrak oleh berkas elektron dengan persamaan: Tb = Tba + D/Cpb (10) dengan Twa, Tua, dan Tba masing-masing adalah suhu (window, celah udara, dan NRL) awal dengan nilai berturut-turut 40 oC, 33 oC, dan 25 oC.

HASIL DAN PEMBAHASAN Dosis Serap (D) dan Kapasitas Olah NRL dari Hasil Percobaan RVNRL dengan Berkas Elektron Filamen 300 keV; 3,3; 6,7; 10 mA RVNRL yang dilakukan pada Gambar 1.a. dengan menggunakan MBE pada energi E = 300 kV, arus berkas electron I = 6,7 mA dan waktu t = 15 menit dengan volume NRL dalam bejana V =1.450 ml NRL tanpa sensitizer n-BA diperoleh RVNRL terbaik dengan tensile strength 28 MPa (1). Menurut BUNSOO HAN (2005), η = 60 – 70 % (6). Dari data percobaan di atas dan diambil η = 60%, maka dengan menggunakan persamaan (4) dapat ditentukan D sebagai berikut: D = 300 kV × 0,0067A × (15 men × 60 det/men) × 0,6 / (1.450 ml × 0,913 g/ml) D = 0,0812 kV.A.detik/g = 81,2 kW.detik/kg = 81,2 kJ/kg = 81,2 kGy Salah satu kelemahan operasional MBE kontinyu dengan berkas elektron yang dihasilkan



ISSN 0216 - 3128

dari sumber daya filamen Tungsten adalah umur pakai (life time) yang hanya 30 – 100 jam dengan harga relatif tidak mahal sekitar $ 20. Jika menggunakan filamen LaB6 maka umur pakai bisa lebih panjang >1000 jam, tetapi harganya mahal sekitar $ 1000 (7). Karakteristik filamen Tungsten dan LaB6 ditunjukkan pada Tabel 1 (7). Tabel 1. Karakteristik filamen CeB6, LaB6, dan Tungsten LaB6 Tungsten Parameter CeB6 Brigtness (A cm-2 sr-1) 107 107 106 Short-term beam current <1 <1 <1 stability (%RMS) Typical service life (hr) 1500+ 1000+ 30 – 100 Operating vacuum (torr) 10-7 10-7 10-5 Work function (eV) 4.5 ∼  ∼  Evaporaion rate (g cm-2 1.6x10-9 2.2x10-9 NA sec-1) Jika dalam satu tahun operasional proses produksi RVNRL menggunakan 330 hari operasi atau 7920 jam operasi, sedangkan dari Tabel 1 umur pakai filamen Tungsten 100 jam, maka harus dilakukan penggantian filamen Tungsten sebanyak

169

79 kali/tahun. Tetapi jika digunakan filamen LaB6 dengan umur pakai bisa sampai 2000 jam, maka penggantian LaB6 sebanyak 4 kali per tahun. Setiap kali dilakukan start-up kembali MBE pasca penggantian filamen, maka untuk mencapai kondisi vakum yang diinginkan diperlukan waktu operasi pompa vakum sekitar 2 jam. Komponen penting lain yang perlu dilakukan penggantian selama pengoperasian MBE kontinyu adalah window foil. Jika diprediksi setiap kali penggantian filamen, window foil, dan pengkondisian kembali sistem vakum memerlukan total waktu sekitar 2 hari, maka: Jika digunakan filamen Tungsten: Jumlah hari efektif per tahun operasional RVNRL= 330 – (2 × 79) = 172 hari. Kapasitas VNRL = (1.450 ml × 0,913 g/ml)×(172 × 24 × 60/15) = 81,972 ton/tahun Jika digunakan filamen LaB6: Jumlah hari efektif per tahun operasional RVNRL= 330 – (2 × 4) = 322 hari. Kapasitas VNRL = (1.450 ml × 0,913 g/ml)×(322 × 24 × 60/15) = 153,459 ton/tahun

Tabel 2. Sifat-sifat foil Ti, udara, uap air, NRL, air, dan Al Sifat-sifat fisis Viskositas Rapat jenis Konduktivitas panas Difusivitas termal Kapasitas panas

Foil Ti (8)] 4.600 17 530

Udara (9) 0,00125

Uap air (10) 0,16019

1,0467

NRL(11) 48,6×10 913 0,134 7×10-8 1.905

-2

Air (12) 1,23. 10 997 0,64 0,3 4,180

Tabel 3. Korelasi z terhadap Drelatif pada berbagai energi berkas elektron Energi berkas electron No. 300 keV 250 keV 200 keV z (g/cm2) Drelatif z (g/cm2) Drelatif z (g/cm2) Drelatif S 0.078 g/cm2 0.059 g/cm2 0.042 g/cm2 1 0.000 0.750 0.000 0.750 0.000 0.750 2 0.010 0.905 0.010 0.938 0.010 0.979 3 0.020 0.986 0.020 1.000 0.020 0.955 4 0.030 0.994 0.030 0.935 0.030 0.678 5 0.040 0.929 0.040 0.742 0.040 0.148 6 0.050 0.791 0.050 0.423 0.050 -0.635 7 0.060 0.580 0.060 -0.023 8 0.070 0.295 9 0.080 -0.062

Dosis serap (D) dari Hasil Percobaan RVNRL dengan Berkas Elektron Filamen 250 keV, 5 mA Pada E = 250 keV, I = 5 mA, dan t = 60 menit diperoleh iradiasi NRL dengan m = 16 kg menghasilkan tensile strength terbaik 25 MPa (1).

Al (13)

Satuan

244

N.s/m2 Kg/m3 W/m oK m/detik2 J/kg oK

-3

150 keV z (g/cm2) Drelatif 0.027 g/cm2 0.000 0,750 0.010 0.996 0.020 0.607 0.030 -0.412

Dengan menggunakan persamaan (3) dapat ditentukan D sebagai berikut: D = 250 kV × 0,005 amper × 60 menit × 60 detik/menit × 0,6 / 16 kg D = 168,75 kVA.detik/kg = 168,75 kW.detik/kg = 168,75 kJ/kg = 168,75 kGy Jika digunakan filamen Tungsten:


ISSN 0216 - 3128

170

Kapasitas VNRL = 16 × 172 × 24 × 60/60 = 66,408 ton/tahun Jika digunakan filamen LaB6: Kapasitas VNRL = 16 × 322 × 24 × 60/60 = 124,322 ton/tahun Dua hasil percobaan RVNRL dengan menggunakan berkas elektron dari MBE 300 keV dan 250 keV seperti di atas menunjukkan bahwa dengan dosis serap (D) sekitar 81,2 kGy – 168,75 kGy memberikan kapasitas VNRL sekitar 66,408 – 81,972 ton/tahun (jika digunakan filamen Tungsten) atau sekitar 124,322 - 153,459 ton/tahun (jika digunakan filamen LaB6 atau CeB6).

Kenaikan Suhu pada Bahan Terkena Berkas Elektron


dengan penggunaan sistem pendingin akan menambah daya (power) listrik pada air conditioner (AC) untuk mengalirkan udara pendingin, dan tentu saja akan menambah biaya untuk proses RVNRL dengan berkas elektron.

yang

Untuk menentukan kenaikan suhu pada window Tw, celah udara Tu, dan NRL Tb dan besarnya panas akibat disipasi berkas elektron dengan beberapa bahan seperti window, udara, uap air, NRL, dan air diperlukan beberapa data fisis bahan tersebut seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Dua hasil percobaan RVNRL dengan menggunakan berkas elektron dari MBE 300 keV dan 250 keV seperti di atas menunjukkan bahwa dosis serap (D) yang digunakan sekitar 81,2 kGy – 168,75 kGy. Misal jika digunakan dosis terserap D = 150 kGy dan dari data kapasitas panas (C) pada Tabel 4, maka kenaikan suhu window Tw, celah udara Tu, dan NRL Tb dapat dihitung dari persamaan (8), (9), dan (10) sebagai berikut: Tw = 40 oC + (150 J/g)/(0,530 J/g.oC) = 323 oC Tu = 33 oC + (150 J/g)/(1,0467 J/g.oC) = 176 oC Tb = 25 oC + (150 J/g)/(1,905 J/g.oC) = 103 oC Degradasi lateks karet alam (NRL) oleh pengaruh suhu dan waktu diindikasikan dengan penurunan berat molekul rerata (Mn) liquid natural rubber (LNR) sehingga menyebabkan terjadi penurunan mutu LNR. Pada suhu tersebut, maka ikatan silang (cross-linking) poli-isopren yang semula sudah terbentuk dengan adanya suhu yang lebih tinggi dari 60 oC dan dengan bertambahnya waktu reaksi dapat putus yang ditandai dengan berkurangnya berat molekul sebagaimana yang telah dibuktikan dengan hasil percobaan yang dilakukan oleh Isa, S.Z. (2007) seperti ditunjukkan pada Gambar 4 (14) Hal inilah yang menyebabkan karakteristik RVNRL seperti tensile strength dan elongation at break yang semula sudah baik akan turun kualitasnya. Peristiwa degradasi RVNRL atau putusnya ikatan rangkap dengan bertambahnya waktu dan suhu NRL yang teriradiasi oleh berkas elektron dapat dikurangi dengan menggunakan sistem pendinginan pada RVNRL. Akan tetapi

Gambar 4. Pengaruh waktu dan suhu terhadap Mn LNR

Perhitungan Penetrasi Berkas Elektron Penetrasi yang besar menyebabkan proses iradiasi berkas elektron pada substrat polimer bisa maksimal sehingga semakin banyak terjadi proses polimerisasi atau ikatan silang (cross linking) pada polimer. Penetrasi berkas elektron p dalam satuan (cm) yang keluar dari corong pemayar pada substrat dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut (15, 16): p = (0,524E - 0,1337) / ρ

(11)

dimana, E = energi elektron (MeV), dan ρ = densitas bahan yang diiradiasi (g/cm3). Persamaan (5) digunakan untuk akselerator elektron dengan energi > 1 MeV. Untuk persamaan penetrasi berkas elektron (g/cm2) sebagai berikut (17, 18): (12) R = 0,412 × E n Jika 0,01 < E < 2,5 MeV, maka n ditentukan dengan: n = 1,265 – 0,094 ln E (13) Jika E = 0,3 MeV, maka dari persamaan (7) diperoleh n = 1,378; dan dari persamaan (6) didapat R atau Pt = 0,078 g/cm2. Energi yang terserap pada bahan mempunyai distribusi tidak merata, berarti daya yang terserap per satuan volume merupakan fungsi dari jarak. Secara empiris, daya berkas yang diserap persatuan volume pA(z) pada jarak z dituliskan sebagai berikut (19) : pA(Z)/pA maks = 1 – 9/4 (z/R – 1/3)2 (14) dengan, pA maks = daya maksimum yang terserap per satuan volume pada jarak z = R/3 di permukaan, z= jarak dari permukaan bahan, R= jangkau elektron.



ISSN 0216 - 3128

Berkas elektron yang terukur pada target hanya berkas yang mempunyai daya cukup untuk menembus jendela pemayar pada MBE dan udara atmosfer dari jendela pemayar sampai ke target. Selain itu distribusi kedalaman penetrasi pada suatu bahan tidak sama jangkauannya, tetapi distribusinya sesuai persamaan (14).

Penentuan Penetrasi Berkas Elektron SebelumWindow Foil (Pt) Data korelasi z dengan Drelatif pada berbagai energi berkas elektron seperti ditunjukkan pada Tabel 3. Untuk menentukan kedalaman penetrasi berkas elektron pada NRL, perlu dibuat distribusi dosis terhadap penetrasi berkas elektron secara umum. Dengan menggunakan persamaan (12) dan (14), dan parameter lainnya seperti energi berkas elektron 0,3 MeV, jarak z dimulai dari 0 g/cm2, dapat diperoleh nilai pA(z)/pA maks= D(z)/Dmaks sehingga dapat dibuat kurva distribusi dosis terhadap penetrasi berkas elektron seperti ditunjukkan pada Gambar 5, dengan D(z)/Dmaks adalah dosis relatif.

Gambar 5. Dosis relatif vs penetrasi berkas elektron Gambar 5 menunjukkan bahwa dengan D relatif = 0,75 diperoleh penetrasi berkas elektron, Pt = z = R = 0,052 g/cm2. Besarnya penetrasi berkas elektron setelah berkas melewati window dan celah udara: Pt’ = Pt – [(tw×ρw) + (tu×ρu)]

(15)

dengan, tw = tebal window (cm), ρw = densitas window Ti foil (4,6 g/cm3), tu = tebal celah udara (cm), ρu = densitas udara yang mengandung uap air pada suhu 40 oC (g/cm3). Penentuan densitas udara yang mengandung uap air (ρu) dari NRL pada suhu 40 oC bisa didekati dari data pengukuran densitas uap air dari hasil penguapan air yang terkandung di dalam air laut akibat pemanasan sinar matahari. Pengukuran densitas udara dan kandungan maksimum air dalam udara di atas permukaan air laut pada suhu tertentu dan tekanan atmosferis selama penguapan air ditunjukkan pada Tabel 4 (10).

171

Tabel 4. Densitas udara dan kandungan maksimum uap air di atas permukaan laut pada tekanan atmosferis Suhu, oC Densitas udara (ρ), Kandungan air maksimum, kg/m3 kg/m3 20 1,204 0,017 25 1,184 0,023 30 1,165 0,030 35 1,146 0,039 40 1,127 0,051 Dari Tabel 4 dapat diperoleh densitas udara yang mengandung uap air pada suhu 40 oC yaitu ρ = 1,127 kg/m3 = 0,00113 g/cm3. Dianggap celah udara di atas NRL sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3 kondisinya analog dengan udara di atas permukaan laut yang mengandung uap air. Dengan demikian densitas udara di atas lapisan tipis lateks karet alam teriradiasi ρu = 0,00113 g/cm3. Penetrasi berkas elektron pada NRL setelah melewati window dan celah udara tidak seluruhnya dapat menembus NRL, tetapi ada yang mengalami back scattered, terionisasi, dan tereksitasi seperti ditunjukkan pada Gambar 6 (20).

Gambar 6. Pembentukan spesies aktif dari interaksi berkas elektron dengan bahan Penetrasi berkas elektron yang ideal pada NRL yaitu jika semua berkas elektron dapat menembus dan berinteraksi dengan NRL, sehingga Pt’ = 0. Tetapi karena berkas elektron yang menembus NRL mengalami back scattered, terionisasi, dan tereksitasi seperti ditunjukkan pada Gambar 6; maka sebagai faktor teknis diambil penetrasi berkas elektron = 0,9×Pt. Dengan demikian tebal NRL maksimum yang dapat ditembus oleh berkas elektron (tb) dapat ditentukan dengan mengkonversi persamaan (15) menjadi: 0 = 0,9.Pt – [( tw×ρw ) + (tu×ρu)+ ( tb×ρb )] (16) Dari persamaan (16), tebal NRL maksimum yang dapat ditembus oleh berkas elektron (tb) dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut:


tb =


ISSN 0216 - 3128

172

[

]

0,9 × Pt − (t w × ρw ) + (tu × ρu ) ρb

dengan, Q = laju alir NRL di atas BC (cm3/detik), A = luas NRL setebal penetrasi berkas elektron (cm2). Laju NRL yang sesuai penetrasi berkas elektron:

(17)

dengan ρb = densitas NRL yang diiradiasi di atas belt conveyor.

(23) Q = v × (tb× L) Kapasitas VNRL (m, g/detik) pada BC:

Perhitungan Kapasitas Pengolahan VNRL dengan Iradiasi Berkas Elektron

m = Q ×ρb

dengan ρb = densitas NRL (g/cm ). Dengan menggunakan persamaan (12), (15), (17), (21), (23), (24) pada kuat arus berkas elektron I = 20 mA, efisiensi η = 60%, 1 hari operasi = 24 jam, 1 tahun produksi = 172 hari efektif (jika filamen Tungsten) atau 322 hari efektif (jika digunakan filamen LaB6), maka dapat ditentukan pengaruh tebal celah udara (tu) terhadap penetrasi berkas elektron pada lapisan tipis lateks karet alam (tb) dan kapasitas VNRL (m) pada Tabel 5 dan 6. NRL di atas belt conveyor yang melintas di bawah window dengan lebar s = 6 cm dengan kecepatan linier belt conveyorv = 7,69 cm/detik sehingga untuk melintasi jarak s = 6 cm membutuhkan waktu tempuh t = 0,78 detik. Suhu yang ditimbulkan oleh interaksi berkas elektron dengan NRL sekitar 103 oC dengan waktu terjadi < 1 detik. Meskipun waktu iradiasi NRL sangat pendek, tetapi untuk menghindari terjadinya akumulasi panas pada NRLmaka tetap diperlukan sistem pendinginan pada belt conveyor yang mengangkut NRL tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 7.

Korelasi kecepatan belt conveyor v (m/detik) dengan energi deposisi elektron per densitas area De (MeV cm2/g), arus berkas I (mA), faktor efisiensi (η), dosis serap D (kGy atau kJ/kg atau kW.detik/kg), lebar pemayar s (m) dinyatakan dari persamaan 12 (IAEA, 2010) (21): D (kGy/kg) = [De(MeV cm2/g)×η× I(mA)] / [10 × s(m) × v (m/sec)] (18) v = (De ×η× I) / (10 × D × s) (19) Menurut IAEA, (2010) De dapat ditentukan dari persamaan (21): De = E / z (20) Dari substitusi persamaan (20) ke (19) diperoleh: v = (E × I ×η)/(10 × z × D × s) (21) dengan, E = energi berkas elektron (MeV), z atau Pt = penetrasi berkas elektron pada bahan (g/cm2), I = arus berkas (mA). Kondisi proses berkas elektron kontinyu: E = 300 keV, I = 20 mA, η = 60%, L = 60 cm, z = Pt, D = 150 kGy, s = 6 cm Laju alir NRL di atas BC: Q=v×A

(24) 3

(22)

Tabel 5. Pengaruh tu terhadap tb, Q, dan m RVNRL pada D = 150 kGy jika digunakan filamen Tungsten dengan 172 hari efektif/tahun tu, cm

R, g/cm2

Pt', g/cm2

tb, cm

v, cm/det

Q, cm3/det

m, ton/thn

1 2 3 4 5 10

0,0520 0,0520 0,0520 0,0520 0,0520 0,0520

0,0365 0,0353 0,0342 0,0331 0,0320 0,0263

0,0286 0,0262 0,0237 0,0212 0,0187 0,0064

7,6923 7,6923 7,6923 7,6923 7,6923 7,6923

13,2143 12,0718 10,9293 9,7868 8,6444 2,9320

179,2898 163,7889 148,2879 132,7870 117,2860 39,7812

Tabel 6. Pengaruh tu terhadap tb, Q, dan mRVNRL pada D = 150 kGy jika digunakan filamen LaB6 dengan 322 hari efektif operasional/tahun tu, cm

R, g/cm2

Pt', g/cm2

tb, cm

v, cm/det

Q, cm3/det

m, ton/thn

1 2 3 4 5 10

0,0520 0,0520 0,0520 0,0520 0,0520 0,0520

0,0365 0,0353 0,0342 0,0331 0,0320 0,0263

0,0286 0,0262 0,0237 0,0212 0,0187 0,0064

7,6923 7,6923 7,6923 7,6923 7,6923 7,6923

13,2143 12,0718 10,9293 9,7868 8,6444 2,9320

335,6473 306,6280 277,6088 248,5895 219,5703 74,4741



ISSN 0216 - 3128

173

Gambar 7. Konsep VNRL dengan berkas elektron pada belt conveyor Penentuan Spesifikasi Teknik Belt Conveyor Tenaga belt conveyor bisa dihitung dengan persamaan sebagai berikut (22):

P=

F (L + t )(C + 3,6QS) c f CH (kw) + 367 367

(25)

dengan, P = power (kW), Fc = faktor friksi, L = jarak dari pusat ke pusat tempuh (cm), tf = konstante friksi akhir (m), C = kapasitas muatan (ton/jam), Q = laju gerak massa (kg/m), S = kecepatan sabuk (m/detik), H = perubahan elevasi (m). Pada sabuk dengan pusat pendek menggunakan peralatan kualitas baik, maka sering kali lebih disukai menggunakan faktor friksi peralatan rerata untuk sabuk horizontal, Fc = 0.025. Jika belt horizontal ≤ 300 m, maka tf= 60 m. Jika lebar sabuk 60 cm, maka Q = 30 kg/m untuk diameter idler = 10,2 cm dan Q = 34 kg/m untuk diameter idler = 12,7 cm. Karena lebar window = 6 cm, maka diambil L = 1 m, karena posisi belt adalah horizontal, maka H = 0, C = kapasitas muatan = kapasitas olah RVNRL, S = 10,7527 cm/detik = 0,107 cm/detik. Kapasitas muatan terdiri dari belt dari PP, Al sheet, dan NRL Pada Gambar 3. Al sheet dengan tebal tAl = 0,5 mm, densitas ρAl = 2,68 g/cm3, panjang L = 1 m, lebar W = 60 cm digunakan sebagai alas NRL yang akan diiradiasi dipasang di atas belt polipropilen (PP) dengan tebal tPP = 1,2 cm, densitas ρPP = 0,98 g/cm3, panjang L = 1 m, lebar W = 60 cm.

Kapasitas belt dari PP, Al sheet, dan NRL yang melintas sepanjang L/jam Belt dari PP = (100 × 60 × 1,2) × 0,98 g/cm3 = 7.056 g = 0,007 ton/jam Al sheet = (100 × 60 × 0,05) × 2,68 g/cm3 = 804 g = 0,0008 ton/jam Kap. RVNRL = 219,57 ton/tahun = 219,57 ton/tahun/172 hari/tahun/24 jam/hari = 0,052 ton/jam Kapasitas total C = 0,06 ton/jam 0,025(1+ 60)(0,06 + 3,6 × 30 × 0,107) Power = 367 = 0,048 kw = 48 watt = 0,06 HP Diambil motor dengan tenaga terkecil = 0,25 HP Diameter rol

Dr = d 2 + (0,0001273 × L × G) dengan, Dr = overall diameter (m), d = core diameter (m), L = panjang belt (m), G = lebar belt (m).

D = (2,54/100) 2 + (0,0001273 × 1 × 0,6) r = 0,027 m Penentuan Laju Udara Pendingin (mud) Tujuan: menurunkan suhu NRL teriradiasi (Tb) dari Tb1 = 103 oC keTb2= 40 oC NRL: Ab = L × s = 0,6 × 0,06 = 0,36 m2, tb = 0,0245 cm kb = 0,134 W/m.oK, Tb = 103 oC qb = U × A × ΔT, nilai h = 1/R. Nilai U ditentukan dengan persamaan di bawah (23):


ISSN 0216 - 3128

174

1 1 = t t 1 1 + b + Rf + b + Rf ud k b h k h b ud b b

U=

dengan, U = koefisien perpindahan panas total (BTU/jam.ft2.oF), hud = koefisien konveksi disisi pendingin (BTU/jam.ft2.oF), hb = koefisien konveksi disisi RNL (BTU/jam.ft2.oF). Nilai h = 1/R. Rfud = 0,002 jam.ft2.oF/BTU, Rfb = 0,001 jam.ft2.oF/BTU, tb= 0,0245 cm = 0,0245 × 0,0328 ft = 0,0008 ft, kb = 0,134 W/m.oK = 0,134 × 0,578 BTU/jam.ft.oF = 0,0774 BTU/jam.ft.oF U=

1 1 = t 0,0008 0,002 + + 0,001 Rf + b + Rf 0,0774 ud k b b

= 75,18 BTU/jam.ft2.oF = 75,18 x kkal/jam.m2.oC = 367,07 kkal/jam.m2.oC

4,882

ΔT = LMTD, Tb1 = 103 oC, Tb2 = 40 oC, Tud1 = 16 o C, Tud2 = 25 oC ΔT = LMTD =

ΔT =

(Tb1 − Tud 2 ) − (Tb2 − Tud1 ) (Tb − Tud ) 2 ln 1 (Tb − Tud ) 2 1

(103 − 25 ) − (40 − 16 ) ln

(103 − 25 )

= 45,8oC

(40 − 16 )

qb = 367,07 kkal/jam.m2.oC × (0,36) m2 × (45,8) oC = 6.052,25 kkal/jam dianggap qloss = 20% qtotal Karena belt conveyor dari bahan PP dengan 61% open surface, qud-loss = 39% qud Udara dingin Cp pada 16 oC = 0,25 BTU/lb.oF = 0,25 o kal/g. C, Tb = 103 oC qud = mud.Cp × (Tb – Tud) = mud × 0,25 kal/g.oC × (103 – 16) oC = 21,75 × mud kal/g Dari Gambar 3: qb + qloss = qud + qud-loss 1,2 × qb = 1,39 × qud 1,2 × 6.052.250 kal/jam = 1,39 × 21,75 × mud kal/g mud = 240.228 g/jam = 240,23 kg/jam

KESIMPULAN Hasil rancangan dasar sistem VNRL pada belt conveyor dengan berkas elektron kontinyu dari MBE 300 keV/20 mA sebagai berikut: D = 150 kGy, tb = 0,0187 cm, v= 7,69 cm/detik, m = 117,28 – 219,57 ton/tahun, jenis belt: dari bahan polypropelene model S50-401 (61% open surface) yang dipasang aluminium sheet dengan tAl = 0,5


mm, LAl = 60 cm, P = 0,25 HP, Dr = 0,027 m, mud = 240,23 kg/jam. Dari hasil perhitungan dengan berkas elektron kontinyu dari MBE PTAPB 300 keV/20 mA diperoleh kapasitas olah VNRL pada belt conveyor yang lebih besar jika dibandingkan dengan MBE 300 keV/10 mA dengan berkas elektron kontinyu di JAERI Jepang dengan kapasitas olah VNRL pada bejana berpengaduk sekitar 81,97 – 153,46 ton/tahun.

DAFTAR PUSTAKA 1.

MAKUUCHI, Y., Radiation Processing of Liquid with Low Energy Electron, JAERIConf 2002-013, p. 86-99. 2. SPARK DURA-LOCK, Standard Belt Materials Properties, www.sparksbelting.com. 3. JINAN HONESTY Aluminium Industry Co., Ltd. 4. KORENEV, S.A., JOHNSON, R.P., Pulsed Low Energy Electron Sources for Material Surface Modification, www.muonsinc.com/tikidownload_wiki_attachment.php?attId= 179, In: Korenev, S.A., Electron Beam Curing of Composites, Vacuum, 2001, v.62, p. 233-236. 5. CLELAND, M.R., Industrial Applications of Electron Accelerators, Ion Beam Applications, Edgewood, NY 11717, USA, cdsweb.cern.ch/record/1005393/ files/p383.pdf, 18 Oktober 2010. 6. BUNSOO HAN, Economical Aspects of Irradiation-Some Guidelines, BATAN Accelerator School, 2005. 7. ANONIM, Electron Source, Generation of Electrons, and Controlling of Electron Beam, www.fileden.com/.../AA%20Lecture%20Serie s-4bElectron%20Microscopy-e%20sourcesGeneration%20and%20Control%20of%20ebeam.pdf. 8. RMI Titanium Co., Titanium Alloy Guide, An RTI International Metals, Inc. Company, www.RMITitanium.com. 9. KERN, D.Q., Process Heat Transfer, Mc.Graw Hill International Book Company, (1983), p. 805. 10. Air Density at Standard Suhue and Pressure (STP), http://netfiles.uiuc.edu/.../Air%20Density%20a t%20Standard%20Suhue%20and%20Press. 11. WOOD, L.A., Physical Constants of Different Rubbers, Polymers Division, National Bureau of Standards, Gaithersburg, Maryland, (1985). 12. INCROPERA, F.P., DEWITT, D.P., Fundamental of Heat Transfer, John Wiley & Son, New York, (1981).



ISSN 0216 - 3128

13. GREEN, D.W., Perry, R.H., Perry’s Chemical Engineer’s Handbook, The Mc Graw-Hill Companies, Inc. 1999, pp. 2-334. 14. ISA, S.Z., YAHYA, R., HASSAN, A., TAHIR, M., The Influence of Suhue of Suhue and Reaction Time in the Degradation of Natural Rubber Latex,, The Malaysian Journal of Analytical Sciences, Vol 11, No 1 (2007):4247,pkukmweb.ukm.my/~mjas/v11.../07_MJAS %20125C3%20final_20_.pdf. 15. SARMA, K.S.S., Development of a Family of Low, Medium and High Energy Electron Beam Accelerators, In: Emerging Applications of Radiation Processing, Proceedings of a Technical Meeting, Held in Vienna, pp. 73-77, (2004). 16. CHMIELEWSKI, A.G., Electron Accelerators for Radiation Sterilization, In: Trends in Radiation Sterilization of Health Care Products, STI/PUB/1313, IAEA, Vienna, p.30, (2008). 17. ZIMEK, Z., Flow Rate of Flue Gas and Its Relation to EB Dose, National Training Course on Electron Beam Machine Technology – BATAN, Yogyakarta, Indonesia, 12-23 September, (2005). 18. ZIMEK, Z., Electron Accelerators for Environment Protection, Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Warsawa, Poland. 19. SCILLER, S., et al., 1982, Electron Beam Technology, John Willey & Sons, New York. 20. DROBNY, J.G., Radiation Technology for Polymers, CRC Press LLC, New York, 2003. 21. IAEA, Use of Mathematical Modelling in Electron Beam Processing: A Guidebook, IAEA Radiation Technology Series No. 1, pp. 55 – 57, p.78, (2010), wwwpub.iaea.org/MTCD/ publications/PDF/Pub1474_Web.pdf.

175

22. FENNER DUNLOP, Conveyor Handbook, Conveyor Belting Australia, http://www.apexfenner.com.au/pdf/Conveyor_ Handbook. 23. KLARA, S., Peningkatan Keaktifan Mahasiswa dengan Penerapan Metode Student Centre Learning pada Mata Kuliah Perpindahan Panas, Laporan Modul Pembelajaran Berbasis SCL, Lembaga Kajian dan Pengembangan Pendidikan, Universitas Hasanuddin, 2008.

TANYAJAWAB Suprapto − Mohon dari rancangan dilanjutkan dengan gambar susunan dan detail (gambar teknik) dan dikonstruksi. − Berapa daya berkas elektron yang diperlukan (energi dan arus) untuk memenuhi kapasitas tersebut? − Apakah proses pendinginan sudah diperhitungkan sesuai kapasitas panas yang dihasilkan? Herry Poernomo • Gambar teknik untuk basis data rancang bangun dan konstruksi bisa dipertimbangkan jika opsi tersebut menjadi putusan manajemen. • Energi dan arus berkas elektron untuk memenuhi kapasitas olah NRL = 219,5 ton/tahun masing-masing 300 KeV dan 20 mA, efesiensi 60%, dosis serap = 150 kGy, jarak window ke film NRL = 5 cm, filament yang digunakan LaB6. • Proses pendinginan sudah diperhitungkan sesuai panas yang dihasilkan.


RANCANGAN DASAR SISTEM VULKANISASI LATEKS KARET ALAM DENGAN BERKAS ELEKTRON PADA BELT CONVEYOR

Recommend Documents