TINJAUAN PENGARUH AMMONIUM NITRAT PADA PROSES PENGERINGAN PASTA AMMONIUM DIURANAT DENGAN PENGERING KABUT by nooryudhi

VIEWS: 282 PAGES: 11

More Info
									   TINJAUAN PENGARUH AMMONIUM NITRAT PADA PROSES
    PENGERINGAN PASTA AMMONIUM DIURANAT DENGAN
                              PENGERING KABUT




                                      Noor Yudhi




                          Bidang Elemen Bakar Eksperimental
                              Pusat Elemen Bakar Nuklir




                                      ABSTRAK
       Tinjauan pengaruh ammonium nitrat pada proses pengeringan pasta
ammonium diuranat dengan pengering kabut. Telah dipelajari secara penelaahan
pustaka tentang pengaruh amonium nitrat pada proses pengeringan pasta amonium
diuranat dengan menggunakan alat pengering kabut ( Spray Drier). Pada proses
pengeringan sebagian ammonium nitrat akan terurai dan sisanya akan terikut pada serbuk
ammonium diuranat kering sebagai kristal ammonium nitrat. kristal ammonium nitrat
pada serbuk ammonium diuranat kering tidak berpengaruh pada luas permukaan dan
densitas serbuk uranium dioksida, tetapi akan mempengaruhi keseragaman bentuk butir
serbuk uranium dioksida yang dihasilkan . Dari studi pustaka dapat disimpulkan bahwa
pasta amonium diuranat yang dicuci sebelum dikeringkan akan mempercepat proses
pengeringan dan keseragaman butiran dapat dipertahankan selama kalsinasi dan reduksi
sehingga dapat diharapkan serbuk uranium dioksida yang dihasilkan akan memenuhi
tingkat keramik yang dapat diumpankan ke alat pres pellet tanpa proses pendahuluan.




                                                                                      1
                                     ABSTRACT
Review of the Influennce of ammonium nitrate on the drying process of ammonium
diuranat slurries by Spray drier. Literature study on the influence of ammonium nitrate
on the drying process of ammonium diuranat slurries with the use of spray drier has been
carried out. In the drying process, part of ammonium nitrate will dissociate and the rest
will combine with ammonium diuranat powder             as ammonium nitrate crystals.
Ammonium nitrate crystals in the dried ammonium diuranat powder do not influence the
surface area and the density of uranium dioxide powder. but they influence the grain
uniformity of uranium dioxide powdr produced. From the literature study, it can be
concluded that ammonium diuranat slurries which have been washed before being dried
will accelerate the drying process and the grain uniformity can be maintained during
caltination and reduction, thus it is hoped that uranium dioxide powder produced will
fulfill the requirement of ceramic grade allowed to be feeded to the pellet pressing
equipment without initial process.




PENDAHULUAN
       Uranium dioksida adalah bahan bakar nuklir yang umumnya digunakan pada
reaktor nuklir, cara memproses uranium konsentrat tergantung pada apakah yang
digunakan uranium alam atau uranium yang diperkaya.Melalui proses amonium diuranat
secara luas digunakan untuk menghasilkan serbuk uranium dioksida sinterabel yang
digunakan untuk bahan pelletisasi.Sebagai contoh untuk bahan bakar uranium alam,
amonium diuranat diendapkan dari larutan uranil nitrat dengan amonia kemudian disaring,
dicuci, dikeringkan dan ahirnya dikalsinasi dan direduksi.Guna menyelidiki dan
memperbaiki teknologi pembuatan uranium dioksida, dipelajari penggunaan alat
pengering kabut untuk mengeringkan pasta amonium diuranat.Selain alat pengering kabut
sebagai pilihan pada umumnya digunakan tungku pengering, rotary kiln, dan continues
belt drying.




                                                                                       2
Diharapkan dengan memakai alat pengering kabut tersebut beberapa keuntungan pada
pengeringan dapat diperoleh misalnya :
•   Alat pengering kabut dapat digunakan secara kontinyu, operator yang dibutuhkan
    sedikit, sekarang ini pengering kabut digunakan sebagai pilihan utama dan dapat
    digunakan secara otomatis penuh untuk menghasilkan serbuk amonium diuranat
    kering.
•   Alat pengering kabut bekerja tunggal dari umpan pasta sampai kehasil kering,
    penyaringan dan pencucian pada cara yang normal yang mendahului pengeringan
    dapat dihilangkan.
•   Alat pengring kabut menghasilkan produk yang homogin dan dapat dikontrol dengan
    tepat/teliti, sehingga dapat diharapkan serbuk uranium dioksida yang dihasilkan
    memenuhi kwalifikasi pada tahapan fabrikasi.
Hasil pengeringan berupa serbuk yang seragam dengan bentuk bola, dan bentuk tersebut
dapat dipertahankan selama kalsinasi dan reduksi, sehingga serbuk uranium dioksida yang
dihasilkan memenuhi tingkat keramik yang dipersaratkan.


TINJAUAN PUSTAKA
Amonium diuranat ( ADU).
       Amonium diuranat dapat diperoleh bila uranil nitrat direaksikan dengan pereaksi
tertentu seperti amonia, gas NH3, urea dan amonium carbonat. Bila uranil nitrat
direaksikan dengan amonia akan terjadi reaksi sebagai berikut :
•   Reaksi penetralan asam bebas
    HNO3 + NH4OH → NH4NO3 + H2O
•   Pembentukan alkali yang dapat larut.
    UO2(NO3)2 + NH4OH → UO2(NO3)OH + NH4NO3
•   Pengendapan uranil hidroksida
    UO2(NO3)OH + NH4OH → UO2(OH)2 + NH4NO3
•   Pembentukan endapan amonium diuranat
    2UO2(OH)2 + NH4OH → (NH4)2U2O7 + 3H2O




                                                                                     3
Dengan metode yang dilakukan, maka untuk mendapatkan amonium diuranat yang kering,
pasta amonium diuranat tersebut perlu dipisahkan terlebih dahulu dari cairan induknya,
kemudian dicuci dan dikeringkan dalam pengering bentuk dulang (pengering oven).


Pengering kabut ( Spray Drying ).
       Pengering kabut adalah suatu alat dimana umpan yang berupa amonium diuranat
yang bercampur dengan larutan induk dapat langsung dikabutkan dalam bentuk butiran
yang sangat halus kedalam aliran gas panas sehingga terjadi penguapan sangat cepat.
Dengan cara ini, maka pengeringannya menjadi sangat cepat dan kapasitas dari alat
menjadi lebih besar.
Pengkabutan dengan alat ini ada 3 macam :
•   Pressure Nozzle : Nozzle merubah energi cairan yang bertekanan kedalam semburan
    yang berkecepatan tinggi yang jatuh membentuk gumpalan-gumpalan cairan karena
    ada kontak dengan aliran gas. Tekanan yang dipakai umumnya antara 0.7-30 MN/m2.
•   Pneumatic Atomiser : Pneumatic Atomiser bertumpu pada gaya tumbukan antara per-
mukaan cairan dan udara kecepatan tinggi untuk mendispersikan cairan. Pneumatic
Atomiser dapat menghasilkan atomisasi yang sangat halus dan sering dipakai untuk
kapasitas kecil.
•   Rotary(sentrifugal) atomiser : Rotary atomiser cairan diumpankan kepermukaan yang
    berputar dan disemburkan oleh gaya sentrifugal, putaran makin cepat maka akan
    menghasilkan atomisasi yang sangat halus.
Alat pengering kabut merupakan pilihan pertama dibanding dengan pengering yang lain
(oven, rotary kiln, pengering belt).
Alat ini mempunyai kelebihan dibanding dengan pengering yang lain karena pengering
kabut merupakan alat tunggal dari pasta amonium diuranat sampai hasil serbuk amonium
diuranat kering. Proses penyaringan dan pencucian yang biasa digunakan, pada proses
pengeringan ini dapat dihilangkan.




                                                                                      4
Amonium nitrat (NH4NO3)
          Pengeringan ADU dengan pengering kabut, amonium nitrat merupakan senyawa
yang dapat menjadi kendala, karena senyawa amonium nitrat dapat terikut didalam
amonium diuranat kering berupa kristal amonium nitrat. Kristal yang terikut pada
amonium diuranat kering dapat menyebabkan terjadinya porositas pada uranium dioksida
yang      dihasilkan.   Porositas   ini   terjadi   pada   saat   amonium   diuranat   kering
dikalsinasi/reduksi, yang menyebabkan butir uranium dioksida yang dihasilkan tidak
seragam.


Amonium nitrat pada proses pengeringan dapat terurai melalui tiga jalan :
•     Paada temperatur rendah dan menengah amonia (NH3) dapat menguap keudaara
      secara indotermik dan tertinggal asam nitrat, temperatur dibawah 170 o C
      NH4NO3 → NH3 + HNO3
•     Paada temperatur diatas 170 o C terjadi peruraian eksotermik dan tidak dapat balik.
      NH4NO3 → N2O + 2H2O
•     Pada temperatur tinggi terurai menjadi N2 dan O2
      2NH4NO3 → 2N2 + 4H2O + O2


PELAKSANAAN PENELITIAN
          Untuk menentukan pengaruh ammonium nitrat terhadap luas muka, densitas serta
micro struktur dari serbuk uranium dioksida maka perlu dibandingkan metode dengan cara
pencucian dan tanpa proses pencucian sebelum proses pengeringan.
Cara yang pertama pasta ammonium diuranat langsung dikeringkan dengan pengering
kabut tanpa melalui proses pencucian dan penyaringan. Cara yang kedua pasta ammonium
diuranat dicuci, disaring dan dikeringkan dengan oven. Kedua cara diatas kemudian
dikalsinasi /reduksi dan sintering pada kondisi yang sama yaitu : Kondisi pengendapan,
pH = 7.2, waktu kontak = 8 menit. Kondisi pengering kabut, suhu udara masuk 275
o
    C,tekanan udara atomiser 270 KN/m2, kecepatan umpan 4 lt/jam.




                                                                                            5
HASIL PENELITIAN
       Hasil penelehan pustaka disini berupa tabel dan gambar dari kedua cara
pelaksanaan penelaahan diatas.
•   Tabel 1 hasil penelitian dengan Pengering Kabut sentrifugal atomiser.
•   Tabel 2 luas muka dan kandungan NH3 dan NO3 yang diperoleh dengan alat Penge-
    ring Kabut dan pengering oven.
•   Tabel 3 densitas yang dihasilkan setelah pres dan sintering.
•   Gambar 1 Grafik kandungan ammonia dan nitrat pada ammonium diuranat kering
    dengan menggunakan pengering kabut sentrifugal atomiser.
•   Spesifikasi Spray Drying yang digunakan.


PEMBAHASAN
       Selama proses pembuatan elemen bakar, setiap tahap menunjukkan hubungan yang
erat dengan sifat-sifat serbuk UO2 yang dihasilkan.
Maka penting untuk menentukan apakah metode pengeringan ini memberikan suatu
pengaruh terhadap sifat-sifat UO2 yang dihasilkan setelah kalsinasi/reduksi.
•   Suhu pengeringan : Pada tabel 1 terlihat bahwa semakin tinggi suhu udara yang keluar
    dari alat pengering kabut maka kandungan NO3 dan NH3 pada ADU kering yang
    dihasilkan semakin kecil berarti untuk menguraikan NO3 dan NH3 dibutuhkan panas.
•   Luas muka : Pada tabel 2 terlihat bahwa serbuk ammonium diuranat yang dihasilkan
    pengering kabut memberikan luas muka yang lebih rendah jika dibandingkan dengan
    cara pengering oven, hal ini disebabkan terjadinya kristal ammonium nitrat pada
    ammonium diuranat kering yang dihasilkan. Setelah kalsinasi dan reduksi, UO2 yang
    dihasilkan mempunyai luas muka yang sama.
•   Molar ratio NH3/U dan NO3/U          : Pada tabel 2 terlihat bahwa hasil ammonium
    diuranat kering dengan alat pengering kabut mengandung nitrat (NH4NO3) yang lebih
    besar jika dibandingkan dengan alat pengering oven, berarti terjadi pembentukan
    kristal ammonium nitrat pada serbuk ammonium diuranat kering.




                                                                                       6
•   Densitas UO2 setelah sintering : Pada tabel 3 terlihat bahwa pada kondisi proses yang
    sama ( pengendapan, reduksi, dan sintering ) densitas UO2 yang dihasilkan pengering
    kabut yaitu 10.500 ± 0.500 kg/m3, hasil ini mendekati hasil yang diperoleh pengering
    oven .
•   Temperatur mempengaruhi molar ratio dari NH3/U dan NO3/U : Pada gambar 1
    terlihat bahwa makin tinggi temperatur yang keluar dari pengering kabut maka
    kandungan NH3 dan NO3 pada hasil serbuk ammonium diuranat makin kecil, berarti
    pada proses pengeringan terjadi peruraian ammonium nitrat dan ammonia (NH3).
•   Keseragaman butiran serbuk ammonium diuranat dan UO2 : Pada pendahuluan
    diuraikan butir ammonium diuranat hasil alat pengering kabut seragam berbenruk bola
    dan bila bentuk ini dipertahankan selama kalsinasi dan reduksi maka serbuk UO2 yang
    dihasilkan akan memenuhi tingkat keramik yang dapat diumpankan kealat pres pellet
    tanpa proses pendahuluan (pengompakan awal, penghancuran, dan granulasi).Menurt
    pendapat saya pribadi keseragam butiran UO2 yang dihasilkan sangat sulit
    dipertahankan karena terjadinya peruraian ammonium nitrat dan ammonia didalam
    butir selama proses kalsinasi dan reduksi akibatnya terjadinya porositas didalam butir
    UO2.Tetapi untuk membuktikannya kita perlu untuk melakukan penelitian lebih lanjut
    pada masa yang akan datang.


KESIMPULAN
         Dari hasil penelaahan pustaka ini terutama pada bab pembahasan dapat diambil
kesimpulan sebagai berikut :
•   Pada pengeringan ada sebagian panas yang diperlukan untuk menguraikan ammonium
    nitrat dan ammonia sehingga diperlukan temperatur yang lebih tinggi. Hal ini tidak
    perlu terjadi jika pasta ammonium diuranat dicuci terlebih dahulu sebelum dikeringkan
    dengan pengering kabut.




                                                                                        7
•   Hal yang menarik dalam peenelaahan pustaka ini terikutnya sebagian kristal
    ammonium nitrat didalam ammonium diuranat hasil pengeringan. Kristal ini sangat
    berpengaruh pada proses kalsinasi dan reduksi karena terjadinya perubahan bentuk dan
    porositas pada serbuk UO2 yang dihasilkan, berarti ammonium nitrat berpengaruh
    terhadap keseragaman ukuran butir      uranium dioksida. Tapi untuk hal ini perlu
    diadakan penelitian lebih lanjut untuk pembuktiannya.
•   Untuk mendapatkan hasil yang lebih teliti seharusnya penelitian diatas digunakan alat
    yang saama bukan dibandingkan dengan pengering oven.


DAFTAR PUSTAKA


•   LEVINS D. M., ALFREDSON P.G., HIRST R.C., MACBRIDE P.R., " Spray
    Drying of Ammonium Diuranat Slurries, AAEC/226 (1972).
•   SNIA-TECHINT, “ Operating Manual Part 6 Drying, Calcination and Reduction
    Process from ADU to UO2 powder product “, (1985).
•   SNIA-TECHINT, ANHYDRO COMPACT SPRAY DRIES, “ Instruction and
    Maintenance Manual for Spray Drying “ (1985).




                                                                                       8
 Kons.        Kecp.       Kecp.disk    Suhu        Suhu      Rapat     Rapat     Perb.     Perb.
 umpan       umpan        atomisasi   masuk.      keluar.    curah    goyang     mole      mole
(kg/m3)      (litre/h)     (rev/s)     (oC)        (oC)     (kg/m3)   (kg/m3)   NH3/U     NO3/U

153         1.5           830         270        150        560       1070      0.54      0.39
153         3.1           830         270        140        770       1230      0.67      0.59
153         2.5           950         283        148        570       1100      0.60      0.52
153         1.2           350         275        160        NA        1250      0.47      0.44
153         4.2           700         275        120        NA        1060      0.82      0.65



TABEL 1 : Contoh hasil penelitian dengan Pengering kabut sentrifugal atomiser



     Metoda                Perbandingan      Perbandingan mole      Luas muka       Luas muka
  pengeringan              mole NH3/U             NH3/U                ADU            UO2
Spray dried              0.65               0.50                  2850             5100
Try dried                0.53               0.03                  14300            5000



TABEL 2 : Luas muka dan kandungan NH3 dan NO3- yang diperoleh dengan Pengering
kabut
          dan pengering oven.



         Preparasi                           U3O8                       Densitas sinter
                                            (kg/m3)                       (kg/m3)
       Yang tertahan                          5340                         10490
      -100 fraksi mesh                        5640                         10450


TABEL 3 : Densitas yang dihasilkan setelah pres dan sintering dengan pengering kabut

Kondisi pengendapan : pH = 7,2
                      waktu kontak = 8 menit
Suhu reduksi : 670 oC
Suhu sintering : 1600 oC
Kondisi pengering kabut : Suhu udara masuk = 275 o C
                          Tekanan udara atomiser = 270 kN/m2
                           Kecepatan umpan = 4 liter/jam




                                                                                           9
SPESIFIKASI SPRAY DRIER YANG DIGUNAKAN :


Dimensions
       Chamber diameter                          1.0 m
       Chamber hight,cylindrical section         0.75 m
       conical section                           1.0 m


Air flow rate (constan)                          0.035 kg/s


Electrical heating
       Maximum heater output                     9 kW
       Maximum inlet air temperature             280 oC


Maximum evaporative capacity                     7 kg/h
       Pneumatic nozzle air consumption ( max)   7.2 m3/h
       Air gouge pressure                        400 kN/m2


Centrifugal atomiser
       Disk diameter                             65 mm
       Maximum rotational                        100 rev/s




                                                              10
                                                                         NH3/U molar rasio
                                  MOLAR RASIO VS SUHU KELUAR
                                                                         NO3/U molar rasio

                     0.9                     y = -0.083x + 0.869
                     0.8                         R2 = 0.9595             Linear (NH3/U molar

                     0.7
       MOLAR RASIO




                     0.6

                     0.5

                     0.4
                               y = -0.062x + 0.704
                     0.3           R2 = 0.8527
                     0.2

                     0.1

                      0
                       120            140                148       150                160
                                                     SUHU KELUAR




Gambar 1 : Grafik kandungan ammonia dan nitrat pada ammonium diuranat kering
                       dengan menggunakan pengering kabut sentrifugal atomiser.




                                                                                               11

								
To top