DlViretllulli ISSN 0216 - 3128 95

EFISIENSI SUBLIMATOR PADAZIRKON

Dwiretnani SudjokoPuslitbang Teknologi Maju BATAN. Yogyakarta

ABSTRAK

KHLORINASI PASIR

EFlSlENSl SUBLIMATOR PADA KHLORINASI PASIR ZIRKON. Telah dilakukan penelitian khlorinasi

pasir zirkon menggwwkan gas C/: dan karbon. Proses dilakukan dalam reaktor dari ge/as kuarsa yangdilengkapi dengan pengukur kecepatan aliran gas. pengukur sullll dan sub lima tor. Panas ditambahkankepada reaktor menggunakan pemanas /istrik. Variabe/ yang dite/iti ada/ah variabe/ waktll, variabelsulllldan jumlah karbon yang digzlllakan dalam proses. Dari hasil pene/itian didapatkan bahwa ejisiensisublimator memtnlll pada penambahan waktu proses dan penambahan sullll. sedangkan penambahan jumlahkarbon sampai 42.86 %. menaikkan ejisiensi sub/imatnr .. Untuk jumlah karhon yang lehih besar dari 42,86%. ejisiensi sub/imator memtnlll menjadi 11.25% pada jumlah karbon 84,52%. Secara keselllruhan ejisiensisub/imator rendah. sllblimator perfu dimodifikasi.

ABSTRACT

EFFICIENCY OF SUBLIMA TOR IN CHLORINA nON OF ZIRCON SAND. It was investigated chlorinationof zircon sand used Cl: gas and carbon. Process lI'as carried Olll in a quarts glass reactor. equipped withgas jlow meter. temperature indicator and sublimator. Heat was graduated supplied to the reactor by anelectric heater. The investigated \'ariables "'ere time of process, temperature and amollnt of carbon used inprocess. From these research it was found that as the time. the temperatllre increased. the efficiency ofsublimator decreased, while as the amount of carbon increased up to 42.86%. the efficiency of sub lima torincreased. For the amoullt of carbon more than 42.86%. the efficiency of sublimator decreased to 11.25% atthe amollnt of carbon 84,25%. In the whole of the research the efficiency of .\'IIblimalOr is loll'. sllblimatorneeds modification.

PENDAHULUAN

S ublimator adalah merupakan salah satu alatdalam rangkaian alat khlorinasi pasir zirkon,

berfungsi untuk mengembunkan hasil khlorinasiyang semula berupa uap zirkon tetrakhloridmenjadi zirkon tetrakhlorid yang berbentuk padat.Karena itu efisiensi sublimator merupakan hal

yang sangat penting untuk diteliti, sebab sangatbesar pcngaruhnya terhadap hasil khlorinasi. Bilaefisiensi sublimator besar hasil khlorinasi yang bisa

dipungut besar, sedangkan bila efisiensi keciltentulah hasil yang bisa dipungut sebaliknya,meskipun konvcrsi pada proscs khlorinasi yang

dipcrolch cukup besar. Dengan mengetahuiefisiensi sublimator bisa dilakukan modifikasi

alatnya untuk memperoleh hasil sesuai yangdiinginkan.

Pasir zirkon merupakan salah satu mineral

yang dipcroleh dari hasil buangan pabrik timah di

pulau [3angka. [3ila dijual begitu saja harganyarendal1. Salah salu usaha yang dilakukan untuk

mcnaikkan nilai tambah pasir zirkon, adalahmclakukan penclitian untuk pcngolahan pasirzirkon, menjadi bahan lain yang mcmpunyai nilailcbih tinggi. Pcnclitian yang sudah dilakukan

adalah khlorinasi pasir zirkon dari pabrik timah

dipulau [3angka, yang mcmbcrikan hasil berupa

padatan ZrCI4• Padatan ini berwarna putih agak

kekuningan dan menyublim pada suhu sekitar300" C. Menurut Olhmer'I), Luslman' ~ • dan

Mil1er( 3) dalam industri, zirkonium tetrakhlorid

didapatkan dengan jalan mereaksikan gas khlor

dengan zirkonium karbid, atau zirkoniumsianonitrit atau zirkon oksida dengan menggunakan

reduktor karbon. Hasil yang diperoleh berupa

zirkon tetrakhlorid yang berwujud gas, selanjutnyadiembunkan dalam sublimator. Kcgunaan ZrCl4

dewasa ini sangat bervariasi karena bahan ini bisadigunakan sebagai umpan awal pembuatanberbagai senyawa zirkonium misalnya logam

zirkonium dengan menggunakan proses Kroll

ataupun Zr02 yang sangat banyak digunakandalam industri.(4.5)

Sublimasi adalah pcristiwa tcrbentuknya uap

langsung dari padatan tanpa lerjadi pclelehan.

sedangkan desublimasi adalah pengembunan dari

uap langsung menjadi padatan. Peristiwa

pengembunan dari suatu aliran gas termasuk

peristiwa transfcr massa antara rase gas - padalan .

ivlenurut Treyball (6) pada proses perubahan dari

fase gas kedalam rase padatan sccara langsung

tanpa melalui fase cairan, proscs sangat tergantung

dari aplikasi kecepatan panas. Jadi disini

pengembunan dari uap kckondisi padalan

kecepatannya tergantung atas kccepatan

perpindahan panas. Oari sini bisa dilihat bahwa

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

96 ISSN 0216 - 3128 Dwiretl/lllli,- .- .... ----- -" --- .. ~.- ---....---- ------_.- ----------

sublimator merupakan bagian alat yang sangat dibiarkan dingin didalam eksikator sampaipenting dalam rangkaian alat khlorinasi. mencapai suhu kamar. Selanjutkan umpan dengan

D'd I bl" t Z CI k berat tertentu dimasukkan ke dalam krus dalamI a am su Ima or uap r 4 a an "I . b d" reaktor. RangkaIan alat dlpasang dan dicek

menga ami proses pengem un an Isepanjang k b M I I' . k.... e ocorannya. u a-mu a slstem dIva umkandmdmg subhmator dengan ketebalan dan panjang I b'h d h I k .... . . . ( 78 ) ter e I a u u untu menguslr slsa uap aIr yangsesual dengan kondlsl proses yang dlgunakan .. k' d d'd I k d"mung m a a I a am rea tor. Pemanas Ijalankan,

Untuk dapat menghitung efisiensi reaktor dialiri inert sampai suhu operasi,sublimator maka perlu diketahui terlebih dahulu selanjutnya gas khlor dialirkan sesuai variabel yangberapa hasil zirkon tetrakhlorid yang sesungguhnya diteliti. Waktu reaksi dihitung sejak saat suhuterjadi dalam proses khlorinasi, kemudian dicari proses sesuai variabel yang diinginkan tercapai.juga berapa hasil zirkon tetrakhlorida yang dapat Bila waktu proses telah tercapai, aliran gas khlordipungut dalam sublimator, yang dapat pula dihentikan, kemudian reaktor dialiri gas inertdinyatakan sebagai berat zirkonium dalam hasil . sampai suhu sekitar 400°C. Reaktor dibuka setelahKehilangan dalam proses selama pengaliran dari dingin, hasil proses diambil dan dianalisisreaktor kesublimator kecil sekali bila tidak ada

kebocoran alat sehingga bisa diabaikan, karena ituefisiensi dalam sublimator dihitung berdasar hasilyang bisa dipungut dari hasil proses khlorinasi dantertangkap dalam sublimator Dalam perhitunganini efisiensi sublimator dirumuskan sebagai berikut

Baha/l :

pasir zirkon, gas Cil. petroleum coke dan NaOH

Satu unit rangkaian alat khlorinasi yang terdiri darireaktor khlorinasi,pemanas, pengatur suhu,sublimator dan penyerap

Pada penelitian ini variabel yang akan ditelitiadalah pengaruh waktu, suhu dan jumlah karbonyang digunakan pad a proses khlorinasi.

Penelitian dengan pengaruh variabel waktuhasilnya dapat dilihat dalam Tabel I dan Gambar

I, sedangkan kondisi operasi yang digunakan padapenelitian ini adalah suhu 9000 C, kecepatan gas

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil-hasil penelitian yang diperoleh dapatdilihat dalam Tabel 1-3 dan untuk memperjelaspembahasan dilukiskan dalam Gambar 1-3.Dalam seluruh penelitian kecepatan gas Cil yangdigunakan adalah 270 ml/menit, ukuran butiranpasir (-0,106+0,063) mm, sedangkan ukuranbutiran karbon (0,125+0,1 06)mm. Adapun waktu,suhu dan jumlah karbon yang digunakan sesualvariabel yang diteliti.

Dalam seluruh penelitian, pada awalpemasukan aliran gas hasil proses masuk kedalamsublimator, selalu terbentuk kabut yang berwamaputih agak kekuningan didalam sublimator. Kabutini segera hilang bila aliran gas hasil prosesberlanjur. Menurut Sherwood (91 penyebabpembentukan kabut ini terjadi kemungkinan adadua sebab pertama kemungkinan pada dindingsublimator ada sedikit sisa padatan ZrCl4 dariproses sebelumnya sehingga berfungsi sebagaiinisiator ( atau seeding seperti pada prosespengkristalan) sehingga ada sebagian zirkontetrakhlorida mengembun membentuk kabut .Penyebab kedua mungkin pada waktu memasukisublimator ada bagian dinding sublimator yangpunya suhu lebih ding in daripada bagian yang lainsehingga bagian terbesar suhu campuran uap turun,sehingga konsentrasi uap zirkon tetra khloridalebih tinggi sedikit dari konsentrasi jenuhnya,karena itu ada sebagian uap zirkon tetra khloridamengembun membentuk kabut. Partikel ZrCI4

yang ada dalam kabut ini akan dibawa oleh alirangas sehingga tidak mengembun diatas permukaansublimator.

(I)X 100%

berat Zr yang tertangkap dalamsublimator, gberat Zr didalam umpan mula­mula yang menguap dalambentuk senyawa khlorida, g

Efisiensi

Cara kerja

Campuran pasir zirkon dan karbon denganperbandingan tertentu dan sukrosa sebagai binderdicampur sampai homogen kemudian dimasukkankedalam ball mill. Ball mill dijalankan sambildisemprot secara periodic dengan air dalam jumlahtertentu, sehingga terbentuk bulatan-bulatanumpan. Umpan ini kemudian dipanaskan didalampemanas pad a suhu 120° C selama Ijam, kemudian

A/at

TAT A KERJA

Dengan WI

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, B Juli 2003

Dwiretllalli ISSN 0216 - 3128 97

---"---- ------- .. ----. -~.~--_. __ .__ ._--_ .._._-_. ----~------------_ .. - ._--"' ----------

270 mllmenit sedangkan waktu divariasi antara 10- hasil yang diperoleh dapat dibaca dalam Tabel 240 menit. dan Gambar 2

Tabel 1. Hubungan antara ejisiensi sublimator, Tabel 2. Hubungan antara suhu, 0 C dan ejisiensi% dengan waktu. menit sublimator, %

Waktu Berat ZrBerat ZrBerat ZrEfisicnsi(menit)

dalamyang mc-yangsubli-

umpan.

nguap dalamtertangkapmator, %g

bentuk khlo-dalam su-

rida. gblimator, g

10

4.0320.8200.22126.94

20

4.0150.9320.17618.89

30

3.8011.0230.11711.45

40

4.0051.0880.02712.53

Suhu,Berat ZrBerat ZrBerat ZrElisiensi

"cdalamyang meng-yang tertang-sublima-

umpan. guap dalamkap dalamtor, °/0

bent uk khlo-sublimator, g

rida.g

700

3.8210.4 760.09720.44

800

4.0050.8530.01412.17

900

3.8011.0230.11711.45

30

II25k 25

~

20 20c

'Z 15.~ ;f.15'f.

10.~

U'Vi10

5'=

UJ

0

5

10

203040

I

0Waklu, m:nil

700800900

Suhu. C

Gambar 1. Hubul/gal/ aI/tara waklu dUI/ ejisiel/sisilblimalor

Dalam Tabel 1 dan GambaI' 1 dapat dilihat,bahwa makin lama waktu temyata efisiensisublimator makin menu run, karena prosentaseZrCI4 dalam bentuk uap yang dapat diembunkanmakin menurun. Secara teoritis makin lama waktu

mestinya jumlah yang terembunkan makinbertambah besar, temyata hasil yang diperolehberkebalikan. Hal ini dapat dijelaskan sebagaiberikut pad a perpindahan massa antar fasa biasanyadiikuti dengan perpindahan panas ( 10). Pada prosespengembunan dari uap zirkon tetrakhlorida menjadipartikel zirkon tetrakhlorida disertai denganpelepasan panas yang cukup besar, mungkin karenaluas bidang perpindahan panas kurang memenuhisehingga panas ini sebagian diserap lagi olehpartikel yang telah mengembun, sehingga menguaplagi dan ikut terbawa keluar bersama aliran gaskt:luar sublimator. Menururut Sherwood (9 )

untuk menghindari hal ini permukaan sublimatorhanls cukup luas untuk memindahkan sejumlahpanas yang dibawa oleh gas yang masuk dandilepaskan oleh uap yang mengembun.

Pengaruh suhu terhadap efisiensi sublimatorditeliti dengan kondisi operasi sebagai berikut,waktu 30 men it, kisaran suhu antara 700 °c ­9000 C, keccpatan gas Ch 270 ml/menit. Hasil-

Gambar 2. Hubul/gan aI/lara suhu denganejisiensi sublimator.

Dalam Tabel 2 dapat dilihat bahwa makintinggi suhu proses, pada keeepatan gas CI2 tetap,efisiensi sublimator makin menurun, padahalseeara teoritis makin tinggi suhu konversi hasilmakin besar, dengan sendirinya jumlah hasil dalamsublimator makin meningkat. Jika kecepatan gasCI2 tetap, makin tinggi suhu proses, suhusublimator makin naik, sehingga makin banyaksenyawa ZrCI4 yang mengembun menjadi ZrCl4padat Tetapi harus diingat juga, bahwapenambahan jumlah gas ZrCI4 yang mengembundiimbangi dengan kenaikan nilai kejenuhan gasZrCI4 , sehingga selisih antara fraksi mol gas ZrCl4dalam aliran gas masuk dan pad a keadaan jenuhhampir tak berubah ( 9 ), sehingga pertambahanhasil yang mengembun tidak begitu besar. Jugakemungkinan luas bidang perpindahan panas yaknipermukaan dinding sublimator kurang schinggatidak bisa berfungsi dengan baik schingga scbagianpadatan ZrCI4 yang telah mengembun menguap lagidan ikut keluar bersama dengan aliran gas kcluarsublimator. Hal ini juga karena kocfisienperpindahan massa tidak dipcngaruhi olch suhu t 7)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

98 ISSN 0216 - 3128 Dwiretllulli

Dari ketiga variabeGang-t~lah dipaparkan'diatas, terlihat bahwa efisiensi sublimator yangdiperoleh sang at kecil, sehingga alat inimemerlukan modifikasi supaya bisa digunakan,sehingga memberikan hasil yang lebih baik.Modifikasi dilakukan sehingga luas bidang kontakbertambah besar, tetapi penambahan ukuran alattidak terlalu besar. Bentuk sublimator yang palingsederhana seperti yang telah digunakan dalampenelitian ini, adalah bentuk pipa. Bentuk inidipilih selain sederhana, pembuatannya untukukuran skala laboratorium cukup mudah danpengambilan hasilnya juga mudah. Hubunganantara panjang hasil pengembunan dalam pipa, Ldengan besaran-besaran yang lain adalah sebagaiberikut ( 7)

Pengaruh jumlah karbon yang digunakanditeliti pada kondisi operasi suhu 9000 C, waktu 30menit dan kecepatan gas 270 mllmenit. Hasil-hasilpenelitian yang didapat dapat dilihat dalam Tabel 3dan GambaI' 3.

Tabel 3. Hubungan anlGl'a efisiensi sublimalordengan jumlah karbon yang digunakandalam proses

JumlahBerat ZrBerat ZrBerat ZrEfisiensi

karbon.dalamyang mengu-yang tertang-sublimat

%umpan, gap dalamkap dalamor,o/.

bentuk khlo-sublimator, g

rida, g

21.43

4.2521,1250,11610.38

42,86

3.8011.0230.11711.45

63.09

3.3500.6760.07711.41

84.52

2.9700.5370.06011.25

L= In (y' - Yin 1(y' - Yout )

Hubwlgan anlam jumlah karbonda/a/ll proses dengan efisiensi.I'II111i1l1alor

Dari Tabel 3 dan GambaI' 3 dapat dilihatbahwa pertambahan jumlah karbon yangdigunakan dalam proses awalnya menaikkanefisiensi sublimator, karena penambahan jumlahkarbon akan menaikkan konversi hasil proseskhlorinasi,tetapi untuk jumlah karbon lebih dari42.86 %, efisiensi mulai menurun. Hal ini sesuai

dengan proses makin banyak jumlah karbon yangdigunakan reaksi makin sempuma karena luasbidang kontak makin besar, tetapi untuk jumlahkarbon lebih besar dari 42.86 % mulai menu run ( II).

Hasil yang bisa diperoleh dari sub lima tor memangmengikuti hasil proses, jadi mula-mula efisiensinaik tetapi untuk jumlah karbon lebih besar dari42.86% , efisiensi sublimalor mulai menurun.Hanya disini efisiensi sublimator nilainya sangatkecil dibandingkan dengan hasil yang diperolehdalam proses

Hasil yang dipungut dari variabel iniberwama agak hitam, karena ban yak karbon yangikut terbawa bersama aliran gas keluar proses danmenempel didinding dan hasil sub lima tor

11.60

11.-1011.10~ 11.00i ;;

10.80.§

~10.60

10.-10c 0 10.20~ 10.00no21.4]

Gambar

3.

Jumlah Lubofl. 'Yo,

6.1.09 8-1.52

Dengan L = panjang hasil pengembunanG = kecepalan gas CI2D = diameter sublimator

Yin & Yout =' fraksi mol ZrCI4 dalam uap

Dari persamaan diatas dapal dilihal bahwamakin kecil diameter maka L rnakin besar, makinbesar diameter maka harga L makin keciI. Bilaharga L makin besar, maka panjang sublimatorjuga perlu lebih panjang karena pengembunanterjadi pada bagian dalam dari permukaansublimator. Unluk modifikasi sublimalor

disarankan untuk menambah panjang sublimalorberdasarkan hasil perhitungan alau hasil penelitian

KESIMPULAN

Dari hasil penelitian Inl dapal dilarikkesimpulan bahwa pada proses pengembunan hasildari hasil proses khlorinasi dengan tiga variasiyaitu variasi waktu dan variasi suhu efisiensisublimator menu run dengan bertambahnya waktudan suhu, sedangkan pada variasi jumlah karbon,pertambahan jumlah karbon mula-mula menaikkanefisiensi karena penambahan karbon akanmemperbesar konversi hasil pada proses khlorinasi,tetapi bila jumlah karbon melebihi 42,86% efisiensimenurun menjadi 11,25%. Efisiensi sublimatorsecara keseluruhan sangat kecil untuk ketiga variasikondisi proses sehingga sublimator perludimodifikasi.

DAFT AR PUSTAKA

I. OTHMER,D.F. dan KIRK,R.E., Encyclopediaof Chemical Technology, The InterscienceEncyclopedia Inc., New York (1957)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

Dwiretllalli ISSN 0216 - 3128 99

2. LUSTMAN, B. and KERZE, F., TheMetallurgy of Zirconium, edisi 1 McGraw HillBook Company Inc., New York (1955)

3. MILLER, G.L., The Metallurgy of RareMetals, edisi 2, Butterworths ScientificPublication (1957)

4. http://www.mineralorg.au/pages/page3

5. http://www .chemistrypromona.edu/chemistry.period ictab le/elemen tzircon iurn/zircon ium. htm

6. TREYBALL, R.E., Mass Transfer Operations,International Student Edition, Mc Graw HillBook Company, Inc. Kogakusha Company,Ltd. Tokyo (1955)

7. DWIRETNANI SUDJOKO, dkk, Koefisiel}.Perpindahan Massa Pada Desublimasi ZirkonTetrakhlorid, Jumal Nusantara Kimia (1996)

S. MIN CHEN.Y. WEN CHANG,F and YUANCHANG,C, Chlorination of Silicon Dioxide

111 the Prcsenccof Carbon. Ind. Eng.Chemistry.Rcs.29( 1973

9. SIlER WOQD.T.K, PIGFORD, R.L. andWILKE,C.R., Mass Transfer, Mac Graw HillKogakusha, Ltd . Tokyo (1975)

10.MINDARY ANI,A., Diktat PengantarPerpindahan Massa. PAU I1mu Teknik ,Universitas Gadjah Mada ( 1991)

II.DWIRETNANI SUDJOKO, KhlorinasiMineral Zirkon dengan gas CI2 dan karbon,Ratio Penguapan Zr,Cr dan Fe, disampaikanpada Seminar NasionaI VI , JaringanKerjasama Kimia Indonesia, 8-9 April diYogyakarta (2003)

TANYA JAWAB

Suhcryanto

Dari ketiga variabel proses, mana yang palingdominan dan mengapa ?

Dwirctnani

Variabel yang dOlllinall adalah waklu.

karena perubalulIl waklu proses dari 10lIIenit ke 40 mellit penllrllnan efisiensi

besar dari 26.94% melljadi 12,53%.

padahal IIntllk variabel lain penllrunanefisiensi lidak sebesar variabel waklu.

Pada proses pengembunan selalu disertm'

pelepasan panas yang besar, karena luas

bidang PP panas yang kurang panas ini

sebagian diserap padatan ZrC/~ yangtelah mengelllbun. sehingga akall

mengllap lagi. akibatllya mengllrangiefisiensi.

Bintarti

Pada khlorinasi Zr tentunya pemakain gas CI2

sangat berpengaruh mengapa disini tidakditinjau/ diteliti ?

Apa yang mcycbabkan kira-kira efisiensisublimator menu run pad a pertambahan waktudan suhu, dan apa yang menyebabkan pada pe­nurunan pemakaian karbon yang lebih besar ?

Dwirctnani

Pada pel/elitian /Ill ditilljallpellgelllbllallall hasil proses khlorillasi.

bllkall proses khlorillasi. Gas C/: tidakmel/gemblll/ dalalll sllhlilllator. Proses

khlorinasi dapat ditinjall dalam pllsraka 7dan II.

Penll/'llllal/ efisiensi pada varia bel waktll

dan sllhll karella IIIas bidallg PP kllrallg

besar (lihat dalam lIIakalah), pada jllllllah

karboll yallg lebih besar kOIll'ersi hasi/

khlorinasi menurun. jadi hasil sublilllasi

juga menll/'l/ll.

Yunanto

Mengapa sublimator efisiensi rendah ?

Apa ada cara memperbaiki sublimator?

Kalau sublimator sudah baik berapa efisiensiyang dapat dihasilkan ?

Dwirctnani

Efisiensi rendah padahal kOllversi hasil

dari proses clIkup tillggi. karella IIIas PP

bidang kontak kllrang besar.

Dengall cara lIIemperlllas bidallg konlakall tara lase.

Diharapkan efisiensi sllblilllator tinggimendekati diatas 90%.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003