ISBN 978-979-99141-3-2 305

RANCANGAN ALAT PROSES PENGOLAHAN BIJIH URANIUM RIRANG : REAKTOR DEKOMPOSISI

Faizal Riza, Hafni Lissa Nuri

Pusat Pengembangan Geologi Nuklir – BATAN

ABSTRAK RANCANGAN ALAT PROSES PENGOLAHAN BIJIH URANIUM RIRANG : REAKTOR DEKOMPOSISI.. Dekomposisi adalah proses pemisahan fosfat dari bijih menggunakan NaOH. Rancangan ini dibuat berdasarkan data hasil ujicoba kondisi optimal pengolahan bijih uranium Rirang yang telah dilakukan pada penelitian sebelumnya. Tujuan untuk mendapatkan spesifikasi alat dengan menentukan bentuk, material serta kapasitas reaktor. Hasil penentuan ukuran reaktor dekomposisi adalah bentuk silinder berpengaduk berkapasitas 3 kg dengan diameter luar (Dt) 26 cm, diameter dalam (Di) 25 cm, tinggi (Hs) 50 cm dan tinggi dished (Hd) 5 cm bahan terbuat dari SS 304, kecepatan pengaduk 354 rpm, daya motor 1,1 HP. Pengaduk dipilih bentuk jangkar dengan diameter impeler (Da) 20 cm, tebal impeller (W) 1 cm bahan SS 304 dan batang pengaduk dari SS 304. ABSTRACT EQUIPMENT DESIGN OF URANIUM ORE RIRANG PROCESSING : DECOMPOSITION REACTOR. Decomposition are seperated fosfat process from ore with NaOH. The design to make from data results experiment optimal condition uranium ore Rirang processing before. Design equipment to get specification with determination type, materials and capacity. Results determination sizing decomposition reactor are type silynder agitation capacity 3 kg with diameter out (Dt) 26 cm, diameter in (Di) 25 cm, high (Hs) 50 cm, dished (Hd) 5 cm matrials SS 304, Agitator speed 354 rpm, power 1,1 HP. Agitated anchor diameter impeller 20 cm, impeller 1 cm and stick agitated materials SS 304.

ISBN 978-979-99141-3-2 306

PENDAHULUAN

Pengolahan bijih uranium

dilakukan di laboratorium G&PBGN -

PPGN yang meliputi proses dekomposisi,

pelarutan, pengendapan dan kalsinasi.

Peralatan yang digunakan adalah

reaktor/tangki sesuai dengan jenis

tahapan prosesnya yaitu tangki

dekomposisi, tangki pelarutan, tangki

pengendapan dan tungku kalsinasi.

Untuk melengkapi peralatan

pengolahan bijih uranium Rirang maka

dirancang reaktor dekomposisi dengan

kapasitas 3 kg. Data rancangan

diperoleh dari data hasil ujicoba kondisi

optimal pengolahan bijih uranium Rirang

yang telah dilakukan pada penelitian

sebelumnya.[ 1] Dekomposisi adalah

proses untuk memisahkan kandungan

fosfat dari bijih U Rirang, karena

senyawa fosfat mengganggu proses

pemisahan unsur yang lain pada tahap

proses selanjutnya. Faktor yang

mempengaruhi proses dekomposisi

antara lain : perbandingan bijih, air dan

reagen, temperatur, waktu, kecepatan

pengadukan dan penyaringan.[2]

Disamping mengandung U, fosfat, bijih U

Rirang juga mengandung unsur tanah

jarang yang cukup potensial sebagai

bahan semikonduktor. Reaksi

dekomposisi :

REPO4 + 3 NaOH RE(OH)3 + Na3PO4

Th3(PO4)4 + 12 NaOH 3Th(OH)4 + 4 Na3PO4

(UO2)3(PO4)2+ 6 NaOH 3UO2(OH)2 +2 Na3PO4

Kondisi tetap proses dekomposisi :

perbandingan Bijih : Air : NaOH= 1 : 1,7 :

1,7 ; Temperatur 140 oC; Waktu

dekomposisi 4 jam dan pencucian

dengan air panas sebanyak 30 x (kali)

berat bijih[2]. Berdasarkan kebutuhan

yang diperlukan untuk pengembangan ke

proses skala yang lebih besar dan

sebagai bahan kajian dalam rangka

meningkatkan pengolahan tersebut ke

skala pilot atau pabrik maka perlu

ditentukan ukuran reaktor dekomposisi

dengan kapasitas 3 kg. Hasil ukuran

reaktor dekomposisi berupa ukuran,

bentuk dan bahan alat perlu dilanjutkan

dengan pembuatan alat dan uji coba

sehingga diperoleh kinerja yang baik

yaitu ketepatan ukuran, bahan

(rancangan) dan daya guna alat.

METODE

Berdasarkan data hasil ujicoba

penelitian sebelumnya maka dibuat

rancangan reaktor dekomposisi. Data

penentuan ukuran reaktor dekomposisi

kapasitas 3 kg yang digunakan untuk

menentukan reaktor dekomposisi adalah

kondisi proses dengan bijih uranium

Rirang sebesar 3 kg, Air 5,1 kg, NaOH

ISBN 978-979-99141-3-2 307

5,1 kg dan temperatur 140 oC serta

waktu dekomposisi 4 jam. Reaktor

dekomposisi dirancang dengan bentuk

tangki silinder berpengaduk dan bentuk

“bottom silinder dished” serta mempunyai

tutup berbentuk plate yang terbuat dari

bahan SS 304. Bentuk silinder dipilih

karena sederhana dan mudah

pembuatannya. Disamping itu

pengoperasian sangat sederhana karena

proses pengolahan dilakukan secara

catu sedangkan tutup untuk menjaga

kadar air dalam reaktor dekomposisi

dengan mengalirkan uap ke kondenser

untuk dikembalikan lagi ke dalam reaktor

yang berguna untuk menstabilkan

temperatur selama proses. Pengadukan

menggunakan motor pengaduk dengan

kecepatan 147 rpm dan jenis pengaduk

dipilih bentuk jangkar terbuat dari SS

304. Batang pengaduk terbuat dari SS-

304 dan untuk pemanas menggunakan

jaket pemanas dengan bahan kawat

nikelin.

PERHITUNGAN ALAT Data perhitungan :

Umpan bijih U Rirang = 3000 gram

Air = 1,7 x 3000 gram= 5100 gram

NaOH = 1,7 x 3000 gram = 5100 gram

bijih U Rirang = 4,5 gr/cm3 [3]

NaOH = 2,1 gr/cm3 [4 ]

air = 1,00 gr/cm3 [4]

Perhitungan tangki dekomposisi Volume umpan = Vol (bijih + NaOH + air ) 3000 gr 5100 gr = + + 5100 cm3 4,5 gr/cm3 2,1 gr/cm3 = 8195,238 cm3

Volume tangki silinder (V) = r2H

Diambil perbandingan = 2 [5], H = 2 D kondenser Dikarenakan ada pengembangan H Maka : V tangki = 3 x v umpan (3) 8195,238 cm3 = 3,14 r2.4r 24.585,714 cm3 = 12,56 r3 r 3 = 1957,461 cm3 Da r (jari-jari tangki) =12,5 cm t E D Gb.1 Penampang reaktor dekomposisi

ISBN 978-979-99141-3-2 308

Ket. Gambar 1. Diameter dalam tangki (D) = 2 r

D = diameter dalam tangki = 2 x 12,5 cm

Da = diameter pengaduk = 25 cm

Dt = diameter luar tangki Tinggi tangki (H) = 2 D

H = tinggi tangki = 2 x 25 cm = 50 cm

t = tebal tangki Tebal tangki (t) diambil 1/2 cm

E = Jarak pengaduk dan dasar tangki

Diameter luar tangki (Dt ) = D + 2 t = 25 cm + 2(0,5)cm = 26 cm Pada tangki dipasang jaket pemanas maka tangki dilapisi lagi oleh pelindung (SS-304) yang berjarak 1,5 cm

Aa

Dtl

Gb.2 Penampang penutup reaktor Keterangan Gb. 2 A = Lubang untuk batang pengaduk B = Lubang untuk kondenser C = Lubang untuk umpan Da

1 = diameter dalam Dt

1 = diameter luar

Karena tangki dirancang tertutup maka dipilih

bentuk tutup adalah silinder dengan diameter

dalam tutup (Da1) besarnya sama diameter luar

tangki (Dt) yaitu 26 cm.

Tebal tutup diambil ½ inch maka diameter luar (Dt1)

penutup = 26 cm + 2(1/2 inch) = 27 cm (1,27)

Gambar 2 adalah penampang penutup reaktor

yang dilengkapi lubang untuk pengaduk diameter

2,5 cm dan lubang untuk penguapan ke kondenser

diameter 1,5 cm serta lubang untuk umpan dengan

diameter 5 cm.

Tutup bawah reaktor berbentuk dished :

b = ½ ( D – M ) tg 30 o [5] M diambil 1,0 inci [5]

= ½ ( 0,666 – 1/12 ) tg 30 o D = 20 cm = 0,666 ft

= ½ ( 0,666 – 0,083 ) 0,577

= 0,17165 ft = 5,1459 cm

Tinggi dished diambil = 5 cm

B A C C

ISBN 978-979-99141-3-2 309

Perhitungan pengaduk : Berdasarkan Pustaka [2] maka M B Da = 0,8 D W = 0,8 x 25 cm = 20 cm Tinggi pengaduk diambil 1/3 tinggi tangki = 1/3 x 50 cm = 16,667 cm diambil = 17 cm C tebal impeller diambil = 1 cm Da Gb. 3 Penampang pengaduk

Keterangan Gambar 3.

M = motor pengaduk B = batang pengaduk C = Impeler W = tebal impeler Da = diameter impeler Impeler dipilih berbentuk jangkar Kecepatan pengadukan (n) dihitung berdasarkan persamaan zwietering [5}:

Sv 0,1 D 0,2 (g ) 0,45 B0,13

n = Da 0,85 dimana : n = kecepatan pengaduk s = konstanta v = viskositas kinematik, cm2/det Dp = ukuran partikel rata-rata, -325 mesh g = percepatan gravitasi, 980 gr/cm2 det = beda densitas ( padatan - fluida ) = densitas fluida B = 100 x bobot zat padat / bobot zat cair Da = diameter impeler pengaduk, 20 cm kekentalan fluida v = viscositas kinematik = fluida

ISBN 978-979-99141-3-2 310

Berdasarkan pustaka operasi teknik [6] maka diambil kekentalan fluida untuk

(40 - 50) % NaOH yaitu = 1,5 cp atau 1,5 x 10-2 gr/det cm

fluida = campuran

Umpan = bijih + NaOH + air

= 3000 gr + 5100 gr + 5100 gr

= 13.200 gr

3000 5100 5100 fluida = ( 4,5 gr/cm3 ) + ( 2,1 gr/cm3 )+ (1 gr/cm3) 13.200 13.2 00 13.200 = 1,023 gr/cm3 + 0,81 gr/cm3 + 0,386 gr/cm3

= 2,220 gr/cm3

1,5 x 10-2 gr/det.cm v = 2,220 gr/cm3

= 0,676 x 10-2 cm2/det D = ukuran partikel rata-rata dan residu adalah -325 mesh atau 0,0392 mm = padatan - fluida

= 4,5 gr/cm3 - 2,220 gr/cm3 = 2,280 gr/cm3

B = 100 x bobot zat padat/bobot zat cair

= 100 x 3000 gr/(5100 gr + 5100 gr)

= 29,41

S = 9,5 (tabel 9-3) [5]

3,03 9,5 (0,676 x 10-2)0,1 (0,0392 x 10-1)0,2 ( 980 )0,45 (29,41)0,13

2,220 n = (20 )0,85 9,5 (0,607) (0,3301) ( 25,518) (1,552) = 12,6 = 5,9 put/det atau 354 rpm

ISBN 978-979-99141-3-2 311

Daya (P) yang diperlukan untuk menggerakkan pengaduk adalah [5] :

KTn3cDa5

P = gc

dimana :

KT = koefisien nc = kecepatan kritis pengadukan, 5,9 putaran/det Da = diameter impeler, 20 cm atau 0,656 ft gc = gravitasi, 32,2 ft/det2 = densitas larutan , 122,987 lb/ft3

Berdasarkan Tabel 9-2 [5] maka KT = 6,3 6,3 (122,987) lb/ft3 (0, 656)5 ft5 (5,9)3 put/det P = 32,2 ft/det2

600,37 lb ft/det = 550 lb ft/det HP = 1,1 HP � Perhitungan Pemanas : Pemanas yang digunakan adalah kawat nikelin yang dihubungkan dengan listrik.

Jumlah panas yang diperlukan untuk memanaskan larutan pada suhu 140 oC

(Q 1) = MCp dT

M campuran = m bijih + m NaOH + m air

= 3000 gr + 5100 gr + 5100 gr

= 13.200 gr

Cp bijih U Rirang diambil mendekati Cp Ce yaitu 0,045 kal/gr oK [4]

Cp air = 3,674 x 10-3 kal/gr oK [1]

Cp NaOH = 2,254 x 10-3 kal/gr oK [4]

3000 5100 Cp Campuran = (0,045 kal/gr oK) + (3,674 x 10-3 Kal/gr oK) 13.200 13.200

ISBN 978-979-99141-3-2 312

5100 + (2,254 x 10-3 Kal/gr oK) = 0,0125 Kal/gr oK 13.200

Q1 = M Camp Cp Camp dT

= (13.200 gr) (0,0125) kal/gr oK (140 + 273) oK

= 68.145 kal

Jumlah panas (Q1) diperoleh dari lilitan kawat nikelin (Q2) maka Q1 = Q2

(Q2) = MNi CpNi dT

CpNi = 0,566 kal/gr oK [4]

Ni = 8,9 gr/cm3 [1]

maka 68.145kal = MNi 0,566 kal/ gr oK (413)oK

68.145 kal MNi =

0,566 kal/gr oK x 413 oK = 291,52 gr

Kawat nikelin yang dipergunakan dengan diameter (D) = 1,25 mm atau 0,125 cm

M Volume (V) = P 291,52 gr = = 32,75 cm3 8,9 gr/cm3

V = /4 D2L

32,75 cm3 = 3,14/4 (0,125)2 cm2L

4 x 32,75 cm3 L = = 2670,5 cm 3,14 (0,125)2 cm2

ISBN 978-979-99141-3-2 313

Faktor keamanan 20 % maka L = 1,2 x 2670,5 cm = 3205 cm

Jika kawat nikelin dibuat lilitan dengan diameter 25 cm dipasang di dinding reaktor dan

jumlah lingkaran lilitan (N) adalah :

3205 3205 cm = = = 41 buah D cm (3,14)(25 cm)

H A S I L

SPESIFIKASI ALAT Reaktor Dekomposisi Jenis alat : Reaktor dekomposisi berpengaduk

Fungsi : memisahkan fosfat dari U,Th dan RE dengan NaOH

Diameter luar (Dt ) : 26 cm

Diameter dalam (D) : 25 cm

Tebal tangki : 0,5 cm

Tinggi tangki (L) : 50 cm

Tinggi dished bawah : 5 cm

Bahan : SS 304 / Cast iron coating Ni

Bentuk reaktor : Silinder

Penutup reaktor : bentuk lingkaran

Diameter dalam tutup : 21 cm

Diameter luar tutup : 24 cm

Pengaduk Jenis pengaduk : impeller bentuk Jangkar

Fungsi : Mengaduk bijih dan NaOH

Diameter impeller (Da) : 20 cm

Tinggi impeler : 17 cm

Tebal impeller (W) : 1 cm

Bahan : SS 304

ISBN 978-979-99141-3-2 314

Motor Pengaduk

Jenis motor : motor listrik

Fungsi : memutar pengaduk

Kecepatan pengaduk : 354 rpm

Daya motor : 1,1 HP

Pemanas Jenis pemanas : Jacket / nikelin

Fungsi : Memanaskan larutan dalam reaktor

Pemanas : Kawat nikelin / jaket pemanas

Panjang kawat Nikelin : 3205 cm

Diameter lilitan : 25 cm

Jumlah llingkaran lilitan (N) : 41 buah

Power : 2200 watt, 10A

KESIMPULAN

Telah ditentukan ukuran reaktor

dekomposisi untuk proses dekomposisi

bijih uranium Rirang berkapasitas 3 kg

bijih. Reaktor dekomposisi dipilih

berbentuk silinder dengan ” bottom

dished” bertutup serta berpengaduk

dengan pemanas nikelin / jacket untuk

memanaskan proses dekomposisi pada

suhu 140 oC. Dari perhitungan diperoleh

hasil bahwa diameter luar (Dt) tangki 26

cm; tinggi (L) 50 cm dan tinggi dished 5

cm; kecepatan pengaduk 354 rpm; daya

motor 1,1 HP ; panjang kawat nikelin

3205 cm; diameter lilitan 25 cm dan

jumlah lilitan 41 buah dengan power 2200

watt, 10A.

DAFTAR PUSTAKA 1. SUMARNI, dan kawan - kawan,

“Pelarutan residu hasil dekomposisi

bijih uranium Rirang” Prosiding

Seminar Geologi Nuklir dan

Sumberdaya Tambang, Jakarta, 22

September (2004)

2. FAIZAL RIZA, dan kawan - kawan,

“Kajian Proses Pengolahan Bijih U

Kalan menjadi Yellow Cake”

Prosiding Seminar Tekno Ekonomi

IPTEK Nuklir, Serpong, 7 September

(2006)

ISBN 978-979-99141-3-2 315

3. HAFNI LN. dan kawan - kawan, “

Aplikasi Peralatan Proses Monasit

Skala Laboratorium untuk

Pengolahan Monasit Bangka Menjadi

Rare Earth Oksida dengan Kapasitas

1 kg/hari” Prosiding Seminar Geologi

nuklir dan Sumberdaya Tambang ,

Jakarta, 22 September (2004)

4. PERTH, H. PERRY, “Chemical

Engineers Hand Book” ed V, Mc

Graw-Hill Ko Gabusha, Ltd (1973)

5. BROWNELL L.E , YOUNG E.H, “

Proses Equipment Design” , Vessel

design Willey Eastern Limited, First

US Edition (1959)

6. J.E. MC. CABE, L.W. SMITH ,”Unit

Operations Chemical Engineering”

International Student edition, Mc

Graw Hill Kogakusha Ltd. Japan

(1976).

Diuskusi : Kurnia T. :

- Sistem condenser mekanisme dan level permukaan isi tangki dekomposisi Ir. Faizal Riza :

- Sistem mekanisme ada di laboratorium, turun naik level isi tangki menggunakan kondensor terkendali volume airnya.

Penanya :

1. Kenapa level permukaan bisa turun, kemana ? 2. Level kontrol bagaimana ?

Jawaban :

1. Level di Laboratorium 2. Pakai kondensor