OPTIMASI KAPASITAS REAKTOR PEMBUATAN MESOPHASE ...

~

batan

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

OPTIMASI KAP ASITAS REAKTOR PEMBUATAN MESOPHASEDARI TARPITCHSECARA BATCHBERBASIS PADA ANALISIS

DINAMIK KANDUNGAN FIXED CARBONDAN SURD

Tundjung Indrati YPusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

[email protected]

ABSTRAK

OPT/MASI KAPASITAS REAKTOR PEMBUATAN MESOPHASE DARI TARPITCHSECARA BA TCH BERBASIS PADA ANALISIS DINAMIK KANDUNGAN FIXEDCARBON DAN SUHU. Tahapan proses pembuatan fiber graphite berbahan bakutarpitch adalah pembuatan mesophase dari tar pitch, pembentukan fiber, pembuatancarbon fiber dan grafitisasi sehingga diperoleh graphite fiber. Pembuatan mesophaseberlangsung pada suhu 400 - 550°C sehingga diperoleh mesophase dengankandungan fixed carbon 99,15 % dari 98,9 % fixed carbon yang terkandung dalambahan baku tarpitch. Optimalisasi kapasitas reaktor pembuatan mesophase diawalidengan identifikasi kapasitas produksi graphite fiber dengan kapasitas reaktorpembuatan mesophase. Pemilihan beberapa kapasitas reaktor mesophase yang akandioptimasi berdasar pada studi perubahan nilai tetapan teknis utilitas pemanasreaktor. Tetapan teknis tersebut berupa Uc (overall heat transfer coefficient of cleancondition) ,Ud (overall heat transfer coefficient of design) dan A, (Iuas transfer panasdalam reaktor mesophase). Hasil perhitungan menunjukkan semakin tinggi kapasitasreaktor 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, 199Ib/batch, 265lb/batch dan 397,98Ib/batch maka kapasitas reaktor mesophase optimalpada 265 Ib/batch sehingga kapasitas pabrik graphite fiber mencapai 100 ton/tahun.Analisis dinamik tersebut berbasis model matematik neraca massa dan neraca panasyang 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 FROMTARPITCH BASED ON FIXED CARBON AND TEMPERA TURE DYNAMICANAL YSIS. The process steps fiber graphite production with tarpitch as raw materialare mesophase forming from tar pitch, fiber forming, carbon fiber forming andgraphitization of fiber. The mesophase forming at 400 - 550°C so fixed carbon on themesophase was getting 99.15 % from 98.9 % as fixed carbon on tar pitch. The firststep of optimation is identification of graphite fiber capacity production withmesophase reactor capacity. The selection some mesophase reactor capacity, whichis optimal, based on value change study of heating utility technical coefficient. Theheating utility technical coefficient are Uc (0 veraall heat transfer coefficient of cleancondition) ,Ud (overall heat transfer coefficient of design) and Ar area of heat transferin the mesophase reactor ). The result of calculation, more higher mesophase reactorcapacity so the Uc is bigger but it is not for Ud dan Ar. The Ud dan Ar are effluencewith the design condition. Based on the dinamic analysis for selected reactor 132,68Ib/batch, 199 Ib/batch, 265 Ib/batch and 397,98 Ib/batch. The optimal capacity ofmesophase reactor is 265 Ib/batch, it means plant capacity graphite fiber 100ton/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


Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 September 2010

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

PENDAHULUAN

~

batan

Secara lUlllUll penggWlaan carbon fiber sangatluas dari beberapa aplikasi diantaranyalingkungan, peralatan olah raga, (Jtomotif,

aerospace sampai bahan propeller dipennesinanmaupWl energi angin. Carbon fiber marketrevolution dalam berbagai industri kebutuhannyameningkat tennasuk karbon aktif yangdiaplikasikan dalam kebutuhan lingkunganKebutuhan tersebut mencapai 150 kton setiaptahoo (/.2)

Sebagai bahan baku pembentuk carbonfiber atau graphite fiber dapat digWlakan pitch.Bahan ini merupakan bahan yang bemilai tambahstrategis karena mempWlyai kandungan aromaticcoumpound dan carbonaceous materials.Keberhasilan pembentukan carbon fibertergantung pada pembentukan mesophase. Padaproses pembentukan mesophase akan terjadiunique liquid crystal. Secara skematis perancangan(design) perangkat pemebentukan fiber dari pitchditunjukkan oleh RYU seperti pada Gambar 1a.Usulan perancangan berdasar proses tertera padaGambar 1b. Daftar perangkat yang di usulkanadalah reaktor catu berpengaduk untuk melelehkantarpitch sampai suhu 550°C sehingga diperlukanpemanas. Tidak dipilih reaktor sinambung karenawaktu pelelehan cukup lama. Pembentuk fibermenggunakan pip a dengan nozlle berdiameter 0,4rom yang dilengkapi dengan pemanas sampai suhusoftening dan tekanan nitrogen 2-4 MPa. Reaktorplug flow berlaku untuk proses stabilisasi (320°C)dan karbonisasi (1000 0q. Masing masing dalamsuasana atmosferis dan inert sehingga aliran udaradan gas nitrogen dialirkan secara counter current.Carbon fiber diperoleh dari reactor karbonisasi.Produk graphite fiber diperoleh dari tungkugrafitisasi dalam suasana inert memerlukan alirangas N2 dan suhu 2000 °C (3.4).

Pada kegiatan penyusunan prarancangansuatu pabrik pembuatan fiber graphite diperlukanperancangan konsep untuk setiap perangkat proses.Adanya spesifikasi perangkat proses maka analisisekonomi dapat dilakukan. Atas dasar analisistersebut maka penelitian fiber graphite dapatdilalrukan atau tidak.

Analisis dinamik dilakukan untuk

perubahan fixed carbon dari 0,989 sampai 0,9915dan perubahan suhu dari suhu kamar sampai 550°C pada pembuatan mesophase dari tarpitch.

Tujuan penelitian ini selain menganalisisperubahan tersebut juga menentukan volume·optimal reaktor batch pembuatan mesophase.Analisis dinamik berdasar model matematik neraca

bahan dan neraca panas. Kegiatan tersebut dimulaidengan mengidentifikasi korelasi kapasitasproduksi graphite fiber dan kapasitas atau volumereaktor mesophase berdasar neraca bahan.Berdasar volume maka dimensi reaktor dan

beberapa parameter berupa overall heat transfercoefficient (Ud) dan luas ttransfer panas (A) dapatdihitung.

Reaktor pembentukan mesophase dari tarpitch menggunakan reaktor berpengaduk secarabatch (catu) (Gambar 2). Proses pembentukanmesophase pada suhu 440°C - 550 0c. MenurutAndresj, reaksi pembentukan mes(Jphasemerupakan endothermic reaction, orde satu denganpersamaan reaksi I. Data kinetik dari pitch danmesophase 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 <Jndtho<!melt-iSpinning "PPamtUlS

a. diagram proses pembuatan carbon fibe/4)

Buku I hal. 70 ISSN 1410 - 8178 Tundjung Indrati Y.

@>batan



LTnllg]", 5()Q'C

pttnbmtu.kan

p~OY

t.vpi>::lr

1,Tung.lro

Pembmtubn

jibu 19J'C:

N,. 2-, MP.

5.TungkllCinfitiu.ri2000 ~C

b. diagram proses pembuatan graphite fiber yang diusu1kan

Gambar 1. Garis besar perangkat pembuatan carbon fiber atau graphite fiber

Laju bahan masukreactor

dC =-r=-kCdt

Laju bahan keluar + Laju penambahan::reaktor akibat adanya reaksi

Laju bahan terakumulasi di reaktor(2)

(3)

Gambar 2. Skema Reaktor Tangki Berpengaduk (10)

Tabe1 1. Data tar pitch dan mesophase (3,5,6,7,8,9,10)

No Parameter Hasil distilasi

I Light pitchMesophase(MP)

MP1

MP2

1Komposisi rantai C-H : . (Antracena, Penatrene (95 %) ,Pyrene Carbazole, Benzoapyrene);

.(SM)rata rata: 1722

Softenino point , °C Phenantrene-157.4159,13

Glass transition temperature,OC 3840

4Kandungan bahan tidak larut dalam quinoline, 3-70,6-1,135,7542,62

QI% 5Kandunqan bahan tidak larut dalam toluene, % 12,6 -27,93,6- -

6Serat ienis, q/cm3 1,291,21,21,2

7Kandunqan abu, % 0,1-0,2350,1-0,33-

-

8Coking value, CV (%) 28,510,258,9860,95

9Viscosity, mPa,s pada 140°C 2020 - 6000-1040-4000 -

pada 220°C165-135 -

10Aktivation Energy, E (kJ/mol) 56,575

11Konstante kecepatan reaksi pembentukan mesophase, Imenit.°K, pada 440°C. 0,68 x 10-41,2 X 10-4

Model matematik neraca panas dapat ditu1is sebagai berikut,



Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 September 2010

~

batan

Laju panasmasuk reaktor

Laju panas keluar +reaktor

Laju panas akibatadanya reaksi

Laju panas terakurnulasidi reaktor

(4)

(5)

Harga WELH merupakan perkalian

antara Z; dan spesifikasi gravity dan jumlah

pengaduk dapat dihitung dari perbandingan hargaWELH dan Dj• Oleh karena pembentukan

mesophase merupakan reaksi endotermik maka

reaktomya memerlukanjaket pemanas dan dipilih

menggunakan jaket menggunakan pemanassteam. Menurut Kern(J4) harga overall heattransfer coefficient dapat ditentukan

menggunakan persaman persamaan sbb,

dT -UdA(T-Tw)+r(-Mf)V-=----------dt L n;CPi

Harga V yang telah diidentifikasi

menggunakan kapasitas produksi dapat untuk

menentukan dimensi reaktor sekaligus diameter

dalam dan diameter luarnya. Reaktor mesophasemempunyai ketentuan HID 1,5 dan jenis bahanstainless stell 316 dan tebal 3/8 in. Jenis

pengaduk dipilih turbine dengan six curve blade.Pengaduk dengan bentuk tersebut cukup baikuntuk bahan seperti lelehan tar pich. Ketentuan

yang harus diperhatikan adalah perbandingandiameter 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 diameterimpeller (Di) antara 2,7-3,9.

[ 2 ]213[ ]Jl3[ ]0.14

h=j!.. LNp Cpf1 J!....

I Df1 k f1W(8)

w.

Gambar 3. Skema Penentuan Dimensi Pengaduk

Dalam pengadukan berlaku nilai Re dan

didapat harga kecepatan putar pengaduk,

pNL2Re=-- (6)J.I

N = 600 ~ WELH7r*D,(ft) 2*D,(in)

C

Kandungan carbon dalam ,k

mesophase, 9 TWaktu, menit Tw

R

Kecepatan reaksi T

V

Volume reaktor,ft3atau m3• LiT

J

Factor dari heat transfer (fig 20.2;fJ

p718 Kern,1965 LPanjang pengaduk ( length of;V

agitator paddle), ftJ.lw

Luas transfer panas untuk perubahan setiap

volume reaktor adalah sebagai berikut

A=lU/J.T

(9)

(11)

(10)

Thermal konduktivitas,BTU/(hr)(ft)2(OFIft).Heat transfer coeft inside

and outset bejana ,BTU/hr(ftj2.(OF)

Overall heat transfer

coefficient,

Luas permukaan transferpanas, ft2Kapasitas panasPanas dalam pembuatanmesophase, BTU/jam

Data fouling factor (Rd) for treated boilerfeedwater (Tab. 12 p.845 Kem,1965 dengan

harga 0,0005 sehingga harga hd dapat diketahuisebesar liRI = 200.

1 1 Uehd-=-+Rd~,,,Ud'=--Ud Ue Ue+hd

(7)

1 (asumsi) hi,

hio

Konstante kecepatan reaksi, Ve, Vd

Suhu media pemanas/pendingin, Aof

Suhu reaktor, of Cp

perbedaan temperature pemanas Q

steam dan reaktor mesophase , 75OF

Viskositas campuran, Iblfifjam kth

r]D,

W3lL H~_~ ..- .

~---- u···::::Jr!~--=-~~-_..-=-.~

..

-_..~,.. 1+--

N Kecepatan putar pengaduk,rev~arn

o

00

Diameter luar, ft 10 Diameter bagian dalam, ft


~

batan

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR.


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

ParameterKomposisi tarpitch

TitikKapasitas panas~H,

didih,oC

J/mol.Kcal/mol

Moisturizer

0,0020,34-

Abu

0,0080,709-

Volatile

0,0140,4-

fixed

carbon(terdiri dari

carbazole, antracene,penatrene,

0,9891,7391.1

benzoapyreneJBoron, B

Tidak terdeteksi392711 ,087116

Khromium, Cr

1 ,8E-05267124,44078,1

CODoor,Cu

1,2E-05256222,44067

Manaan, Mn

1,9E-05151914,30450,54

Nikel, Ni

9,5E-0527300,44477 ,635

Timbal, Pb

2,4E-0517490,1641.17

Vanadium, V

°26710,489102.4

Sena-Zn

6,2E-058060,3974,52

Silver,Aa

1,2E-0622500,2457,5

Arsen,As

2E-078130,3341.79

Cadmium, Cd

5E-077650,2322.97

Cobalt,Co

3,1 E-0619000,38586,7

METODOLOGI

Input data

Gambar 3. Algoritma Analisis DinamikPembuatan Mesophase

Penyelesaian numerik menggunakanprogram matlab dengan algoritma seperti terterapada Gambar 3. Hasil analisis dinamik dapatuntuk pemilihan volume reaktor tangkiberpengaduk dengan kapasitas produksi graphitefiber tertentu (ton/tahun) berbasis pada waktutunak dan tetapan teknis utilitas.

Analisis dinamik perubahan kandunganfIXed carbon dan perubahan suhu pada prosespembuatan mesophase dari tarpitch dimulaidengan menyusun neraca massa keseluruhanproses produksi graphite fiber. Berdasar darineraca mass a keseluruhan maka penyusunanneraca massa dan neraca panas pada prosespembuatan mesophase dapat dilakukan. Studikorelasi kapasitas produksi graphite fiber dankapasitas reaktor tangki berpengaduk (lb/batch)atau (kg/batch) dilakukan untuk memperolehdimensi reaktor mesophase. Adanya dimensimaka dapat untuk menghitung tetapan teknisutilitas (BTU/ mnt (ft2) OF). Data ini termasukentalpi. Data entalphi dan tetapan teknis utilitasyang diperlukan dalam analisis dinamik. Data lainyang digunakan adalah data kinetika pembutanmesophase yang diperoleh dari referensi. Analisisdinamik berdasar pada penyusunan modelmatematik neraca massa dan neraca panas yangmerupakan perubahan kandungan fixed carbondan suhu disetiap waktu selama proses pembuatanmesophase berlangsung dengan konstantekecepatan pembentukan mesophase dari tarpich.

(t,w]=odeI5s(

odefun,tspan,w

Tampilkan profildengan plot

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

;-+{ Selesai


PRO SIDING SEl\1INARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR


~

batan

menentukan rentangan kapasitas reaktormesophase yang baik diperlukan simulasipengaruh kapasitas mesophase atas tetapan teknisutilitas.

Pengaruh Kapasitas MesophaseTerhadap Tetapan Teknis Utilitas.

Gambar 6 merupakan hasil simulasipengaruh kapasitas mesophase ootuk satu reaktoryang dioperasikan secara batch pada suhu 30°Csampai mencapai 550°C. Panas yang diperlukandiperhitungkan berdasar pada kapasistas reaktorjadi semakin besar kapasitas mesophase makakebutuhan panas semakin tinggi. Overall heattransfer coefficient (Uc dan U,J pada reaktortangki berpengaduk sangat dipengaruhi olehkapasitas mesophase. Overall heat transfercoefficient of clean condition (Uc) yangmenyesuaikan perangkat tanpa dipengaruhi efekpengoperasian ternyata makin lama makin tinggidengan adanya kapasitas bertambab. Overall heattransfer coefficient of design (Ud) yangmenyesuaikan perangkat dengan pengaruh efekpengoperasian ternyata makin lama makin tinggidengan kapasitas yang meningkat. Perbedaan Ucdan Ud pada kapasitas yang semakin tinggisemakin terlihat nyata (significant). Hal ini dapatdifabami karena reaktor yang digunakan dalampembentukan mesophase beroperasi pada suhu550°C. Pemanasnya menggunakan steamsehingga lama lama reactor mengalamipenambaban kerak dibagian luar. Bagian dalamreaktor juga akan menebal adanya mesophaseyang menempel pada diding reaktor dan menjadikerak. Timbulnya kerak maka koefisien transferpanasnya dipengaruhi dengan adanya foulingfactor (Rd). Data fouling factor (Rd) yangdigunakan dalam kepentingan analisis dinamikpembentukan mesophase mcmerlukan asumsi.Asumsi yang digunakan adalab fouling factor(Rd)for treated boiler feedwater. Data dari

HASIL DAN PEMBAHASAN

Identifikasi Kapasitas Produksi GraphiteFiber dan Kapasitas Reaktor Mesophase

Untuk mengidentifikasi kapasitasproduksi graphite fiber dengan kapasitas tangkimesophase maka dimulai dengan membuat neracababan secara keseluruhan pada unit pembuatangraphite fiber. Perhitoogan neraca baban berdasarpada tabapan proses pembuatan graphite fiberseperti tertera pada Gambar 1 dan dataketakmumian tarpitch (Tabel 2). Oleh karenaproses pembuatan graphite merupakan prosespemurnian dan penataan struktur kristal makaperubaban neraca baban disetiap tabapan prosesdiakibatkan karena pelepasan 'oosur ketakmurniantarpitch berdasar titik didih oosur atau komponendalam kondisi inert. Contoh perhitoogan neracababan pembuatan graphite fiber dengan kapasitas100 ton/taboo tersaji pada lampiran Tabel Ll.Perhitungan tersebut dapat dilakukan untukkapasitas 25 ton/taboo, 50 ton/taboo, 150ton/taboo, 200 ton/taboo dan 250 ton/taboo.Kapasitas yang lebih besar mengakibatkankapasitas produksi mesophase dan volume reaktormesophase bertambab besar pula (Gambar 4).Volume reaktor mesophase yang terlalu besaragak diragukan homogenitasnya. Hal inidisebabkan dengan adanya diameter dan tinggireaktor yang semakin tinggi pula (Gambar 5) .Volume reaktor yang memadai ootuk prosespembuatan mesophase sangat diperlukan dalamperancangan baik diameter, tinggi reaktor dandiameter blade pengaduk. Blade yang terlalu lebarmaka tenaga motor yang diperlukan akan lebihbesar.

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

: r=~-=r~,=--=r=~==l------=1·-==~~I----..------~-~i:~--~==-:------==I=-=~==:-~-~--=----j~ 300 1 ; , I I ---.-15 ! ! !'i 250 -t ! ···-····1

r i ! i -j= 1501- ..-------+----f----·-i~ 100 1. - .. -.- -.- -H-.\lO~fe ••••to'jJJ.- -.- -.- i

I ~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 graphitefiber dengan massa mesophase/batch

Kapasitas yang terlalu besar tidakdikehendaki hal ini dikarenakan kecuali

homogenitas mesophase tidak baik hasilnya,disisi lain harga reaktor dan biaya perawatanreaktor akan semakin tinggi pula. Untuk

~ 50 100 150 200 250L __~pasitas produk5i~~'!.phit6flb". loolt.huD

300


~batan


Pusat Teknologl Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

3000''OJI

50 100 150 200 250 300

i;;

i!iIj

II

350

Kapasitas mt!$Ophasf/, Icgibatch

Gambar 6. Pengaruh Kapasitas Mesophase Terhadap Enthalphi dan Tetapan Utilitas

pustaka KERN didapat Rd mempunyai harga0,0005 sehingga harga hd dapat diketahui sebesarllR.J = 200.

Timbulnya kerak maka transfer panassemakin lama semakin menurun dan

pembentukan mesophase tidak optimal. Akibathal terse but maka semakin tinggi kapasitasmesophase akan semakin keeil harga luas transferpanasnya. Atas dasar simulasi perhitungan padaGambar 6 maka pemilihan kapasitas mesophasedipilih pada rentang dimana Ud dan Uc tidakterlalu jauh perbedaannya. Jadi kapasitas akandikaji menggunakan analisis dinamik padarentang 60 kg/batch atau 132,31 Ib/batch sampai180,9 kg/batch atau 397,98 Ib/batch (waktutinggal 10 jam).

Analisis Dinamik Perubahan KonsentrasiFixed Carbon dan Perubahan Suhu.

Analisis dinamik perubahan konsentrasi fIXedcarbon dan perubahan suhu pada pembuatanmesophase dapat digunakan untuk memastikankapasitas reaktor tangki berpengaduk yangoptimal. Optimal yang menjadi ukuran padapembuatan mesophase adalah tereapainyakandungan fixed carbon dalam mesophasemaksimal. Peneapaian suhu 550°C masih dapatmemberikan waktu tunak (steady state) yangmemadai. Hal ini diartikan proses pembentukanmesophase diharapkan kurang dari 10 atau 12 jamtetapi kualitas tetap memenuhi syarat yaitumesophase yang kandungannya fixed carbon0,999152. Analisis dinamika perubahan fIXedcarbon yang terkandung dalam tarpich sebagaibahan baku makin lama makin turun dari 0.98

sampai O. Ini menujukkan bahwa tarpitch sudahberubah menjadi mesophase. Adanya perubahantersebut maka kandungan fixed carbon dalam

mesophase akan berubah dari 0 menjadi0,999152. Hal ini disebabkan kandunganmoisturizer dan bahan volatile menguap.Kandungan ketakmurnian dan abu masih tetaptinggal dalam mesophase. Unsur ketakmurniansebesar 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 7terlihat bahwa dinamika perubahan kandungan

fixed carbon dan suhu dalam proses pembuatanmesophase lebih eepat terjadi pada kapasitasreaktor tangki berpengaduk yang keeildibandingkan yang lebih besar. Tabel 3merupakan hasil analisis dinamika pembentukanmesophase dari tarpitch. Pada Tabel 3 terlihatbahwa peneapaian suhu 550°C untuk kapasitasmesophase / batch yang semakin besar makawaktu yang diperlukan semakin lama. Hal inidikarenakan massa yang dipanaskan lebih besardan faktor tetapan teknis utilitas seperti overallheat transfer coefficient for design ( U<iJ dan luastransfer panas yang semakin menurun karenaadanya kerak direaktor rnesophase. Akibatnya,peneapaian suhu 550°C memerlukan waktu yanglebih lama dan waktu tunak semakin pendek.Adanya waktu tunak yang pendek dikhawatirkanproduk mesophase tidak optimal dalamkehomgenitasannya. Untuk hal tersebut makadipilih kapasitas mesophase 265 Ib/batch atau 120kg/batch dengan volume 173,7 dm3 yangmemberikan waktu tunak 4 jam .

Kapasitas produksi graphite fibermeneapai 100 ton/tahun. Hal ini akanberkonstribusi 2 % kebutuhan carbon fiber/graphite fiber didunia dimana kebutuhan tersebutsebesar 150 kton/tahun. Data ini sebagai landasanperancangan konsep dan perhitungan ekonomi.

Tundjung Indrati Y. ISSN 1410 - 8178 Buku I haI. 75



~

batan

Mesophase 132,68 Ib /batch=60,31 kg/batchVolume reaktor=86,85 m3•

Kapasitas produksi fiber = 50ton/tah un

Mesophase 199 lb/batch=90,47 kg/batchVolume reaktor=130 dm3,

Kapasitas produksi fiber = 75ton/tahun

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

Mesophase 397,98 lb/batch=180,9 kg/batchVolume reaktor=260,5 dm3,

Kapasitas produksi fiber = 150ton/tahun

, ~'-l"•. ---"----., '\ //.J.---

:: \ // 1

U \ I:: ;\ L::c;';:;:;;;;:;:;::J .

OJ! \" j.~; "" .I' I ....'_..,I, _ ••.•• ;;.- WI 1M

-[-_._~-~:::==:-:::=:~:~-~~:::~~.=:=:~-I ;/_J. /I

_~ / ~~_HC:fW.cc!,-tl-~

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

----/'

_f ,/"I-, // I ,· ••• .«'1_f,I

_d

~ - - - - ~ -

.. /"/

•• / 1···7::::::::::i;·~·_b~;;i~:=..~·~~;C·1:/.~_._--------"....-..--.-..--.••----y,---

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

"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 daritarpitch.

No

Kapasitas KapasitasUd. BrUI mntAr, ft2

Pencapaiansuhu550°CWaktutunaktonIthn

mesophase, Ib Ibatch(ft2)ofpactaMenitke...,jam

1

50 132,883512,6 2006662

75 1996,6694 3204663

100 26510.585,523 36044

150 398129747 400333

* apabila operasi dalam 10 jamKESIMPULAN

Optimalisasi kapasitas reaktor pembuatanmesophase diawali dengan identifikasi kapasitasproduksi graphite fiber dengan kapasitas reaktorpembuatan mesophase. Pemilihan beberapakapasitas reaktor mesophase yang akan dioptimasiberdasar pad a studi perubahan nilai tetapan teknis

utilitas pemanas reaktor. Tetapan teknis tersebutberupa Uc (overall heat transfer coefficient ofclean condition) ,Ud (overall heat transfercoefficient of design) dan Ar (luas transfer panasdalam reaktor mesophase). Hasil perhitunganmenunjukkan semaldn tinggi kapasitas reaktormesophase semaldn tinggi nilai Uc tetapi tidak


@batan

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLffi.


demikian halnya dengan nilai Ud dan Ar. Hal inikarena nilai Ud dan Ar dipengaruhi dengan kondisiperancangan. Berdasar analisis dinarnik ataskapasitas reaktor yang dipilih 132,68 Ib/batch,199 Ib/batch, 265 Iblbatch dan 397,98 Iblbatchmaka kapasitas reaktor mesophase optimal pada265 Iblbatch sehingga kapasitas pabrik graphitefiber mencapai 100 ton/tabun. Kapasitasmesophase dapat digunakan untuk perancangankonsep sehingga spesifikasi perangkat dapatditentukan. Adanya spesifikasi alat maka hargaalat dapat ditentukan. Data ini digunakan untukanalisis ekonomi. Analisis dinarnik tersebutberbasis model matematik neraca massa dan

neraca panas yang diselesaikan secara numerikdengan program matlab karena dari analisis inidiperoleh waktu tunak yang optimal.

DAFT AR PUST AKA

1. Y. TUNDJUNG INDRATI , 2013, KajianPotensi Pasar Produk Carbon atau Graphite,Proseding Seminar Nasional Kejuangan UPNVet-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, TheStudy of The Early Stages of TheCarbonization of Some Pitch Materials of

Difference Composition, Universiy VanPetroria

4. RYU.SK, J.E SHIM, K.S.Y ANG, I.MOCHIDA, 2000, Activated Carbon Fibersfrom 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 CoalTar Pitch In Europe,Koppers UK Lomited,Scunthorpe Works, Dawes, Lane, Scunthorpe,DNI5 6UR.UK .

6. PIERRE EHRBURGER, 1994, Properties ofCoal Tar Pitch Materialas, Energeia, CAERUniversity of Kebtucky, Center for AppliedEnergy 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-LAWBLAZEWICZ, ZBIGNIEW ROBAK, 2003,Analysis of The Carbonization and Formation

of Coal Tar Pitch Mesophase Under DynamicConditions, Pergamon, Carbon 41, 2413-2424.

9. ANONIM, 2008, Coal Tarpitch,High Temperature, Summarry risk Asses-mentReport, CAS NO.

10. ANONIM, 1998, Health Hazards ofCombustion Products From Aircraft

Composite Materials, DOT IFN AR-98/34,Office of Aviation Research Washington.D.C20591.

1I.A.EGEDY, T.VARGA, T.CHO-VAN, 2011,Application of Models With DifferentComplexity for Stirred Tank Reactor,Hungarian Journal of Industrial ChemestryVeszprem, Vol 39(3) 335-339.

12. YATEMAN dkk ,1996, Laporan KegiatanRiset Unggulan , UGM-PT APB,BAT ANY ogyakarta.

13. M.,T.GANIC, 1996, Analysis of Mesophaseformation Inside Chain Lliquid CrystallinePolycarbosilaneous, Joma1 of ThermalAnalysis

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, mengapaharus dioptimasi?

~ Apakab reactor dimensinya sudah tertentu,sehingga dinyatakan yang optimal 265Ib/batch, mengapa bukan volume(m3,fe)/batch?Design reactor dimensinyaadalab diameter dan tinggilpanjang.

~ Kalau pertimbangan untuk optmasi adalabsecara ekonomis, harus disertakanpertimbangan 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 kegiatanperancangan.Bila mengacu ke kegiatanpranuklir ada di sub kegiatan II dan dimensitersebut sesuai saran diatas.

~ Tahapan berikutnya setelah beberapa"equipment" dirancang dan ditentukanspesifikasinya.

~ Silinder tegak dengan bagian bawah conical.

Tundjung Indrati Y. ISSN 1410 - 8178 Buku I hai. 77

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR


Lampiran

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

~

batan

Reaktor precursor, 500 oC,Grafitisasi , 2000 "C, kg~amka/iam

Pembentuk Fiber,400 "C,Karbonisasi fiber

Komposisi

Keluarkg~am600 "C, kg~amMasuk

KeluarParameter umpanUmpan Impuritas

GasProdukMasukKeluarMasukKeluarUmpanmenjadiproduk

aasMoisturizer

0,0020,0240,02381 0 0000000

Abu

0,0080,0950,09524 0 0000000

Volatile

0,0140,1670,16667 0 0000000

fIXed carbon

0,98911,77011,7711,7711,7711,7711,7711,77011,77

Boron, B

0000 0000000

Khromium, Cr

1,8E-052E-0400,0002190480,0002190480,000219050,0002190,0002190,000200,0002

Copper,Cu

1,2E-051E-0400,0001428570,0001428570,000142860,0001430,0001430,000100,0001

Manaan, Mn

1,9E-052E-0400,000226190,000226190,000226190,0002260,0002260,000200,0002

Nikel, Ni

9,5E-050,00100,0011309520,0011309520,001130950,0011310,0011310,001100,0011

Timbal, Pb

2,4E-053E-0400,0002833330,0002833330,000283330,0002830,0002830,00030,0002830

Vanadium, V

0000 0000000

Sena-Zn

6,2E-057E-0400,0007333330,0007333330,000733330,0007330,0007330,00070,0007330

Silver,Aa

1,2E-061E-0501,42857E-051,42857E-051,4286E-050,0007330,000733000,0007

Arsen,As

2E-072E-0602,38095E-062,38095E-062,381 E-061,43E-051,43E-0501,43E-050

Cadmium,Cd

5E-076E-0605,95238E-065,95238E-D65,9524E-062,38E-D62,38E-0602,38E-060

Cobatt,Co

3,1E-064E-0503,69048E-053,69048E-053,6905E-055,95E-065,95E-060.0000059 00

Total

12,060,2857111,7727952311,7727952311,7727911,7734511,7734511,77620,00103311,775


OPTIMASI KAPASITAS REAKTOR PEMBUATAN MESOPHASE ...

Documents

Transcript of OPTIMASI KAPASITAS REAKTOR PEMBUATAN MESOPHASE ...