Prosiding Perlemuon don Presenlasi IilniahPPNY-BATAN. Y°8>'akarla 23-25 .4pril1996110 Buku IJ

KESET.IMBANGAN FASA PAD A PROSES PEMURl'fIANLOGAM ZIRKONIUM.

Dwiretnani Sudjoko, Busron Masduki, Sunardjo, Budi SulistyoPPNY.BATAN. JI. BabarsariKotakPos 1008. Yogyakarta 55010

ABSTRAK.

KESETIMBANGAN FASA PADA PROSES PE,\-IURNIAN LOGAM ZIRKONIUlvl. Te/ah di/akukanpene/itian pemurnian /ogam zirkonium dari hasil proses reduksi dengan cara penambahan panas da/am/ingkungan vakum. Proses di/akukan secara catu dida/am reaktor dari baja nirkarat, yang di/engkapidengan pompa yokum don pemanas /istrik. Peubah yang diteliti ada/ah suhu don tekanan proses. Darihasi/ penelitian didapatkan bahwa konstante kesetimbangan untuk MgClz dan ,\-fg dapat dinyatakanda/am persamaon

K",,(gCI2= 0,9011 pl.37791.06552 T

=6,Ol15P + 1,35256 T-6,93912K""g

ABSTRACT.PHASE EQUILIBRIA AT THE ZIRCONIUM "fETAL PURIFICATION. It was investigated theresearch in the purification of zirconium metal. which was results from the reduction process. by addingheat in the vacuum environment. The process was done in batch in the stainless steel reactor, equipedwith vacuum pump and electric heater. The investigated variable were process temperature andpressure. From this research it was obtained that equilibrium constant for J~fgC12 and ,~fg were expressedin the equation

=6,01 15P+I,35256T-6,93912KMg

tekan didalam reaktor jenis air berat bertekanan

(1,2)PENDAHULUAN

Z irkonium merupakan logam yang mempunyai

ketahanan korosi yang besar, baik terhadap

asarn maupun terhadap basa pacta berbagai suhuclan konsentrasi. Selain itu logam zirkonium jugamempunyai titik lebur yang tinggi clan mempunyaisifat mudah dibentuk, sehingga kegunaannya dalamindustri sangat bervariasi. Dalam industri non nuklirmisalnya banyak digunakan sebagai bahanpembuat peralatan proses, juga digunakan dalamindustri alat.alat elektronik, industri peralatankedokteran, dalam industri peralatan yang cukupcanggih misalnya industri pesawat terbang clan

lain-lain. lndustri nuklir juga banyak mengambilmanfaat dari logam ini, terutama banyak digunakansebagai kelongsong elemen bakar karenamempunyai tampang lintan,; serapan neutrontermal yang rendah clan juga dipakai dalam tabung

Pada proses Kroll pembuatan zirkoniumlogam didasarkan atas reduksi zirkoniumtetrakhlorid dengan menggunakan leburanmagnesium. Zirkonium tetraklorid didapat dariproses sebelumnya, proses klorinasi, setelahmetalui proses pemumian, hasil ini barndigunakan sebagai umpan proses reduksi. Padaproses reduksi terjadi reaksi sebagai berikut (1,2)

ZrCI4 + 2 Mg > Zr + 2 MgClz (1)

Dari reaksi 1 dapat dilihat hasil zirkoniumlogam yang didapat dari proses reduksi masihbercampur dengan hasil reaksi yang lain, yaitumagnesium dan magnesium klorida. Untukmendapatkan logam zirkonium dengan kemumian

yang tinggi diperlukan pemisahan lebih lanjut.Kroll (Miller, 1957) menggunakan cnra

pemisahan dengan menambahkan panas dalamkondisi lingkungan vakum, magnesium khloridadipisahkan dari zirkonium karena adanya pele-lehan dan juga penguapan, demikian juga denganmagnesium. Untuk menentukan komponen manayang menguap, digunakan ratio penguapan yangdinyatakan sebagai

Penelitian ini bertujuan untuk menentuknnkonstante kesetimbangan komponen yang mudah

menguap yang berada dalam campuran hasil pro-ses reduksi. Dengan mengetahui konstante kesetim-

bangan ini dapat ditentukan

I. Komposisi rase yang ada pada suhu clan tekannn

yang ditentu kan.

2. Kondisi suhu clan tekanan yang diperlukan un-

tuk mendapatkan kesetimbangan rasa pada

komposisi yang tertentu.~~~Va

v=I xlOO% (2)

ALA T dan CARA PENELITIANdenganV. = jumlah komponen mula-mulaVb = jumlah komponen pada akhir prosesVi = ratio penguapan komponen Rangkaian alat yang digunakan dalam proses

dapat dilihat dalam gambar I

eDalam suatu proses kimia ada 2 macamkesetimbangan yaitu kesetimbangan rasa (fisis)dan kesetimbangan kimia. Pada proses pemisahanini tidak terjadi kesetimbangan kimia, karena tidakterjadi reaksi kimia, sehingga yang ada hanya ke-setimbangan fisis. Komposisi rase yang berada da-lam kesetimbangan adalah sangat penting di-dalam sejumlah proses fisis dan kimia. Hubunganal\tara suhu, tekanan dan komposisi dalam sistemdengan multifase dalam kesetimbangan mem-bentuk basis dalam proses distilasi, absorpsi danekstraksi (Smith, 1959). Untuk sistem dengandua rase dan dua komponen, suhu clan tekanansangat menentukan keadaan dari sistem, clankarena itu juga komposisi rase dalam kese-timbangan. Sehingga konstante kesetimbangandapat dinyatakan dalam persamaan 3

Kk = f(P,T) (3)

Diperkirakan dalam proses pemisahan iniyang menguap adalah gas Mg clan gas MgCl2,Tekanan total proses rendah sekali, karena itucampuran kedua gas ini dianggap bisa mengikutihukum gas ideal, sehingga harga konstante kesetim-bangan untuk masing masing gas dapat dinyatakan

sebagai

K=YjIXj (4)

Keterangan :I. Dapur pemanas listrik2. Kolom penguapan vaku3. Tempat sampel4. Penyangga dari grafit5. Tabung Gas Helium6. Trap7. Manometer8. Piranimeter9. Pompa vakum

denganK = konstante kesetimbangan.

Y i = molefraksi komponen i dalam gasa gas.

Xi = molefraksi komponen i dalam rasa cairo

Gambar 1. Rangkaian oInt penguapan vakum

Dwiretnani Sudjoko, dkkISSN 0216-3128

PrO$iding Pertemuon don Pre$ento$i ,imiohPPNY-BATAN. Yogyokorto 23.25 April 1996112 Buku 11

Harga konstante kesetimbangan untuk Mgdan MgClz dapat dicari dengan menggunakan per-samaan 3, dan hubungan antara konstante kese-timbangan dengan suhu dapat dilihat dalam gambar4. Selanjutnya hubungan antara konstante kesetim-bangan dengan suhu, dengan perhitungan dapat d-nyatakan dalam persamaan 5 dan 6, sebagai berikut

KTMg= 0.1 1 26T-8 1.9676 (5)

KTMSCI2 = 0.012(1.0085)T (6)

CARA KERJA

Proses dilakukan secara catu. Krus diletak-kiln seperti pada gambar I, kemudian rangkaianalat dipasang. Mula-mula dilakukan pcmvakumanreaktor berganti-ganti dengan pengaliran gashelium, terakhir kali dilakukan pemvakumansampai kondisi vakum tertentu. Rangkaian alatdibuat sistem tertutup, pemanas dihidupkan clanpemanasan dilanjutkan sampai suhu yangdiinginkan, sesudah waktu yang diinginkan tercapaipemanas dimatikan, reaktor dibiarkan dingin sarnpaimencapai suhu 60°C, kemudian dialirkan gashelium kedalam reaktor secara terns mene~ssampai suhu reaktor mencapai suhu karnarkembali. Reaktor dibuka clan basil proses diarnbildan dianalisis.

Variasi tekanan

Penelitian dengan variasi tekanan dila-kukan selama 17 jam, pad a suhu 900°C clan ha-silnya hubungan antara ratio penguapan dengantekanan dapat dilihat dalam gambar 3.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Penelitian dilakukan dengan menggunakandua variabl;l yaitu variabel suhu clan variabeltekanan. Dari kedua variabel ini dapat ditentukankonstante kesetimbangan sebagai fungsi daritekanan dan suhu, selanjutnya dengan variabel ga-bungan dapat dicari konstante kesetimbangan se-bagai fungsi suhu dan tcka nan.

--,.Vari~lsi ~ullu

Penelitian dengan variasi suhu dilakukanpacta tekanan 0,4 mbar, waktu 17 jam. Darigambar 2, hubungan antara ratio penguapan dansuhu dapat dilihat bahwa makin tinggi suhu

ratio penguapan Zr tidak mengalami perubahan,sedangkan untuk Mg clan MgC12 perubahannyacukup besar. Pertambahan suhu menaikkan ratiopenguapan, hat ini disebabkan dengan bertambah.nya besarnya suhu komponen yang menguap akanbertambah banyak.

Gllmbllr 3. HubulI.'.:1I1I IIlItara ratio pellguapan dalltekllllall

104...0.'.m,..-

+. SF ,,-

-

,..,..

.."

Gambar 2. Ilubullgall alltari' rilt;opellguilpall i/ellgansuhu

Dari gambar 3 dapat dilihat bahwa dengan ber-tambahnya tekanan ratio penguapan Zr tidakberubah, sehingga dapat dianggap_O, sehingga Zrtidak mengalami penguapan, tetapi dengannaiknya tekanan komponen yang menguap, yaituMg clan MgCI2, jumlah komponennya yang mudahmenguap juga akan berkurang.

Dari hasil penelitian, dapat dihitungkonstante kesetimbangan untuk Mg clan MgCl2pada masing-masing tekanan operasi. Dari hasil inidapat dibuat gambar hubungan antara konstantekesetimbangan dengan tekanan seperti tertera dalamgambar 5. Setelah dilakukan perhitungan,hubungan antara konstante kesetimbangan deng-an tekanan untuk masing-masing komponen dapatdinyatakan dalam persamaan 7 clan 8.

KpMg = 75.80 P-16.3329 (7)

KpMgCI2 = 114,71po.224 (8)

Harga konstante kesetimbangan Kk dapat

Dwiretnani Sudjoko, dkkISSN 0216-3128

dicari dengan cara "multi tinier regrcssi " (Rudd.

dkk,1968), clan setelah dihitung didapatkanuntuk masing-masing komponen sebagai berikut

._~... ,..M

M

70

..

....,..i. .

»--~ ~~~

KMg = 6,0 115P+ 1 ,35256T -6,93912 (9)

KMgCI2=0,901Ipl,37791.06552T (10)

KESIMPULAN.

0 0." 0.8 ~. ~. 0." ...0.-T_._v

c "~'-'

Gambar 5. Hubungan antara tekanan don konstante

kesetimbangan.Dari penelitian ini dapat ditarik kesirnpulan

bahwa:5. Konstante kesetimbangan sebagai fungsi dari

suhu dan tekanan dapat dinyatakan sebagaiKMSC12 = 0,90 II pl.3779 I ,06561 T dan

KMS = 6,0115P + 1,35256T -6,93912~1'

DAFT AR PUST AKA

1

2

1. Pada pemisahan logam zirkonium daTi hasilreaksi reduksi dapat dilakukan dengan cara

penguapan vakum karena yang menguap hanyaMg dan MgCI2, sehingga jumlah zirkonium

logarn tidak akan berubah.

2. Pada proses pemisahan ini, kondisi operasisangat dipengaruhi oleh kesetimbangan rasaantara kedua komponen Mg dan MgCl2

tersebut.

3. Konstante kesetimbangan sebagai fungsi daTi

suhu dapat dinyatakan dengan persamaan

KTh1gCI2 = 0.012(1.0085)1 dan

KTMg= 0.1126T -81.9676

4. Konstante kesetimbangan sebagai fungsi dari

tekanan dinya takan dalam persamaan0224KpMgCI2 = 114,71P

Kp~1g = 75.80 P-16.3329

~-

3

LUSTMAN,B DAN KERZE,F, The Meta-llurgy of Zirconium, Mc Graw Hill BookCompany, New York (1955)

Miller,G.L, Metallurgy of The Rarer Metals,Butterworth Scientific Publications, London

(1957)SMITH,J.M dan V AN NESS,H.C, Introduc-

tion to Chemical Engineering Thermody-namics, International Student Edition,McGraw Hill-Kogakusha Book Company,

LTD,Tokyo (1968).

RUDD,DF DAN W A TSON,C.C., Strategy ofProcess Engineering, John Wiley and Sons,

New York (1968).

4.

4...""-."'.'.,..,-.'...,

.".,...'..'..0

...00.

-1m-

...-I' .18 .

'1*~000

'1:

r.-----McCII .0.. WI

~.?to

Gambar 4.I-Iubungan anlara suhu dan Konslanle

keselimbangan.

TANYA JAWAB

Supardjo-Apa yang dimaksud kesetimbangan fasa didalam

penelitian ini?

Dwiretnani Sudjoko

-Kesetimbangan antara rasa gas (Mg,MgC12 ) dan

rasa cair

Nunvijayadi-Dari persamaan K~(gCI1 maupun KMg ada

Prosiding Pertemuan don Presentasi I/miahPPNY-BATAN. YOg}'akarta ::3-::5 April/99614 Buklill

Dwiretnani Sudjoko

-Bentuk dan model persamaan dapat dicari dariHandbook Perry, memang belum tentu orde 1

Damllnir

-Pada penyajian bu D\vi hanya menampilkanreaksi

variabel P (/ckanan). ;/pakah P{/ekanun)berlaku un/uk semua tekanan? .Bila tidakmohon ditulis batasan P{ tekanan ) yangberlaku?

D\viretnani Sudjoko

-Terimakasih, memang ada batasan suhu dantekanan

Sit; A,lun;

-Sedikit komentar pada abstrak bahwa kalimatkonstante kelilnhangan MfQz. don Mf... tiba-tiba muncul sebagai hasil penelitian. sedangkanparameter yang diteliti adalah suhu dantekanan. Jadi terdapat satu kalimat yang lebihinformatif agar abstrak tersebut dapatdipahami. seperti yang disampaikan padapenyaj iannya.

Dwiretnani Sudjoko

-Terima kasih.

Sukarsono

-Dasar apa dipakai model K=a. pblK= a2P+ bIT-C

ZrCI4 + Mg 7 Zr + MgCI2pad aha/ do/am reaksi itu terikut juga HjC/4 'Mengapa pada hasi/ penelitian ditampi/kan fasakesetimbangan MgC/] dan Iv/g, Mengapa tidakditampilkan hasi/ kesetimbanganfasa untuk ZrC/4, Zr don HjC/4 don Hi?

D\viretnani Sudjoko

-Kadar Hfkecil sekali dibandingkan dengan Zr

-Oari hasil analisis ternyata ZrC14 tidak ada dalam

proses pemisahan ini, sehingga HfCI4 pasti jugatidak ada

Sumiyanto

-Oari penelitian yang dilakukan diperolehkonstante sebagai berikut

1, Fungsi suhu (T) : KMgcl2 = Xuap I XclirK~lg = X "apl X cair

2. Fungsi tekanan (P) : K~tsC12 = Xuap I X cairKMg = X uapl Xclir

Atas dasar apa penggabungan kedua konstante (T)dan (P) sehingga diperoleh konstante fungsi T danP?

Dwirctn:lni Sudjoko

-Dalam pustaka disebutkan bahw.a untuk kese-timbangan gas dan cair K= f (P, T) , dengan carapenggabungan variabel didapat K = f (P, T).

-.Pad,a K fungsi P maka T tetap.Pada K fungsi T maka P tetap Bagaimana bisa

digabungkan menjadi K = f(P, T)?

Dwiretnani Sudjoko

-Model persamaan dicari dari buku Perry

-Dengan cara penggabungan variabcl. sesuai p~r-nyataan dalam pustaka K= f(p,t)

/ndra Suryawan

-Bentzlk persamaan persamaan yang dihasi/kanapa se/a/u orde I (/nier), sedangkan do/ammembuat bentuk persamaan dari dasar-dasarpene/itian dapat do/am bentuk orde /ebih darisatu?

ISSN 0216-3128 Dwiretnani Sudjoko, dkk