## DISAIN KOLOM PENYERAPAN GAS FLUOR YANG KELUAR DARI

## UF 6 CHEMICAL TRAP

## Prayitno
Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir – BATAN
Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang

## ABSTRAK
DISAIN  KOLOM  PENYERAPAN  GAS  FLUOR  YANG  KELUAR  DARI UF6  CHEMICAL  TRAP . Telah  dilakukan  disain  kolom  penyerapan  gas  fluor  menggunakan  larutan  sodium  hidroksida (NaOH). Salah satu tahapan dalam proses pemubuatan gas UF 6 dari serbuk U 3 O 8 dengan kapasitas 8840  Ton/tahun  adalah  penyerapan  gas  fluor  yang  keluar  dari  penjebak  kimia  UF 6 .  Poses  ini dilakukan  untuk  mencegah  terlepasnya  gas  UF 6 yang  mungkin  belum  seluruhnya  terjebak  dalam penjebak  kimia  UF 6 ,  serta  untuk  menyerap  gas  fluor  sisa  proses  fluorimasi  serbuk  UF 4 .  Untuk mencegah  terbentuknya  gas  oksi fluorit  (OF 2 )  yang  sangat  beracun  digunakan  larutan  NaOH  lebih dari 2 % berat serta waktu tinggal minimum gas dalam kolom 1 menit.  Oleh karena itu perlu disain kolom  penyerap  yang  bekapasitas  39,361  kg/j  yang  memenuhi  persyaratan  baik  dari  segi keselamatan  maupun  ekonomi.  Telah  dipilih  kolom  penyerap  berpacking  dengan plastic  intalox saddle 1 in, dan bahan konstruksi Inconel alloy-22, dengan larutan penyerap NaOH 10% berat. Dari hasil perhitungan untuk menyerap 39,361 kg/j gas fluor dibutuhkan 3348,294 kg/j larutan NaOH 10% dengan diameter kolom 0,937 ft, tinggi packing 17,891 ft, waktu tinggal gas dalam kolom penyerap 1,029  menit,  dan  spesifikasi  kolom  penyerap  berpacking  tersebut  memenuhi  syarat  dari  segi keselamatan maupun ekonomi..
Kata kunci : Disain, kolom packing , fluor, larutan NaOH 10%.

## ABSTRACT
THE  DESIGN  OF  FLUOR  GAS  ABSORTION  COLUMN  THAT  EXIT  FROM  UF6  CHEMICAL TRAP . The design of fluorine gas absorption column that exit from UF 6 chemical trap using sodium solution has been performed. One of stages in UF 6 gas production from U 3 O 8 powders with capacity 8840  Ton/years  is  absorption  of  fluor  gas  that  exit  from  UF 6 chemical  trap.  The  process  is permofmed to prevent the release of UF 6 gas that probably have not been completely trapped in UF 6 chemical  trap.  In  order  to  prevent  the  formation  of  oxide  fluoride  (OF 2 )  that  very  poisonous  used sodium  solution  more  than  2  weight  %  and  minimum  residence  time  of  gas  in  column  is  1  minute. Therfore,  it  is  necessary  to  design  absorption  column  with  capacity  39,361  kg/hour  that  meets requirement of safety and economic point of view. The packed absorber column has been selected using  plastics  intalox  saddle  1  in,  and  Inconel  alloy-22  as  material  construction  of  column  and absorbent of sodium hydroxide solution 10 weight %. From result of calculation for absorbing 3.361 kg/j fluorine gas required 334.294 kg/j sodium hydroxide ( NaOH) 10% with column diameter 0.937 ft, packed  height  17.891 ft, residence  time of gas in column 1.029 minutes and  the specification  of the packed absorber column meet the safety and economic point of view.

## Keyword : Design, absorption column, fluorine, sodium hydroxide solution 10 weight %.

## PENDAHULUAN
Salah  satu  tahapan  dalam  proses pembuatan gas UF 6 dari serbuk U 3 O 8 dengan kapasitas  8840  Ton/tahun  adalah  penyerapan gas fluor yang keluar dari penjebak kimia UF 6 . Proses ini dilakukan untuk mencegah terlepasnya  gas  UF 6 yang  mungkin  belum seluruhnya  terjebak  dalam  penjebak  kimia UF 6 ,  serta  untuk  menyerap  gas  fluor  sisa proses  fluorimasi  serbuk  UF 4 .  Air  merupakan bahan  penyerap  yang  murah  dan  melimpah, namun tidak dapat digunakan untuk menyerap gas  fluor  karena  tidak  seluruhnya  gas  fluor dapat  terserap,  serta  kemungkinan  terjadinya peledakan dalam system [1] .
Larutan  NaOH  mampu  menyerap  gas fluor  ,  dengan  persyaratan  konsentrasi  NaOH dalam  larutan  NaOH  lebih  dari  2  %  berat,  hal ini  untuk  mencegah  timbulnya  senyawa  oksi fluorit (OF 2 )  yang sangat  beracun,  dan larutan NaOH  5-10  %  berat  mampu    menyerap  gas fluor dengan baik. Oleh karena itu perlu disain kolom penyerap yang berkapasitas 39,361 kg/j yang  memenuhi  persyaratan  baik  dari  segi keselamatan maupun  ekonomi.
Lingkup  kajian  ini  adalah  menentukan spesifikasi  desain  kolom  penyerap  gas  fluor dengan    variasi pressure  drop  packing sehingga  diperoleh  hubungan  antara pressure drop  packing ,  diameter  kolom,  dan  waktu
tinggal  gas  dalam  kolom.  Dalam  perancangan ini  akan  ditentukan  diameter  kolom,  tinggi packing dan  waktu  tinggal  gas  dalam  kolom penyerap  sehingga  diperoleh  spesifikasi  yang ekonomis  dan  aman  dari  segi  keselamatan lingkungan.

## TEORI
Gas  fluor  akan  diserap  menggunakan larutan NaOH yang sangat berlebihan membentuk  sodium  fluorit  ,  air  dan  oksigen dengan persamaan reaksi sebagai berikut [1] :
F 2 +2 NaOH  2NaF + H 2 O + 1 / 2 O 2 (1) Untuk menghindari
terbentuknya senyawa oksi fluorit (OF 2 ) maka larutan NaOH yang  digunakan  harus  lebih  dari  2%  berat, serta waktu tinggal gas dalam kolom penyerap minimal  60  detik [1] .  Gas  UF 6 dalam  order  ppm yang  lolos  dari  penjebak  kimia  UF 6 (sebagai penjebak kimia digunakan NaF) akan bereaksi dengan air membentuk uranil fluorit dan asam fluorida  dengan  persamaan  reaksi  sebagai berikut [2] :
UF 6 +2 H 2 O  UO 2 F 2 + 4HF                (2)
Gas  fluor  dialirkan  dari  bagian  bawah    kolom packing ,  sedangkan  larutan  NaOH  10%  berat dialirkan dari bagian atas kolom packing .
Gambar 1. Kolom penyerapan gas fluor Proses  penyerapan  gas  fluor  dalam larutan NaOH ini merupakan proses penyerapan  yang  dikendalikan  oleh  fase  gas, maka  perlu  ditentukan  koefisien  transfer massa  gas  (KGa);  namun  mengingat  data KGa untuk gas fluor dalam larutan NaOH tidak diketahui,  maka  ditentukan  dari  data  koefisien transfer  massa  (KGa)  gas  CO 2 dalam  larutan NaOH.  Adapun  koefisien  transfer  massa    gas fluor (KGa2) dapat ditentukan dengan persamaan berikut [3] :
KGa2=   KGa1
(3)
dengan:   KGa1= koefisien  transfer massa gas CO 2 [lbmol/(j)(ft 3 )(atm)],  Dv1=  diffusivitas  gas CO2(ft 2 /j ), dan Dv2= diffusivitas gas fluor(ft 2 /j).
Adapun  diffusivitas  gas  dapat  ditentukan dengan persamaan berikut [3] :
Dv=0,0069T 3/2 / [P(VA 1/3 +
VB 1/3 ) 2 ]                                                        (4)
Dengan  :    T=  temperature  ( o R),  MA=  berat molekul  gas  CO 2 /F 2 ;  MB=  berat  molekul  gas inert dalam gas CO 2 atau gas F 2 ; VA= volume molekuler  gas  CO 2 atau  gas  F 2 ;  sedangkan VB=  volume  molekuler  gas  inert  dalam  gas CO 2 atau gas F 2 , sedangkan tinggi packing , Z (ft)  dapat  ditentukan  dengan  persamaan berikut [3,4] :
Z= (5)
Adapun waktu tinggal gas , t (detik) dalam kolom packing dapat ditentukan dengan persamaan berikut :
t =                                                 (6)
dengan :  V= volume kolom penyerap(ft 3 ), dan Q= laju lairan gas (ft 3 /detik)

## TATA KERJA
Dalam  menentukan  spesifikasi  kolom penyerap  gas  fluor  yang  berkapasitas  39,361 kg/j ini tahapan yang ditempuh adalah sebagai berikut  :  1).  Menentukan  kebutuhan  larutan NaOH  10%  sebagai  penyerap,  serta  memilih jenis dan ukuran packing , kemudian dilanjutkan  dengan  menentukan  diameter kolom  berdasarkan  variasi  tekanan  kolom  per tinggi packing dari  0,05  sampai  0,5,  2). Menentukan  tinggi packing dan  waktu  tinggal gas dalam kolom packing . Kemudian menganalisis berbagai dimensi kolom
penyerap  tersebut  untuk  memperoleh  dimensi kolom  yang  memenuhi  syarat  yaitu  waktu
Z Z Z Z D Z Z Z y 1, G 1 y 2 , G 2 X 2, L 2
x 1, L 1 Keterangan Gambar : D   = Diameter kolom, ft Z   = Tinggi packing, ft G 1 = Laju gas masuk kolom, lb/ft 2 .det G 2 = Laju gas keluar kolom, lb/ft 2 .det y 1 = Konsentrasi gas F 2 masuk kolom, fraksi mol y 2 = Konsentrasi gas F 2 keluar kolom, fraksi mol L 1 = Laju cairan masuk kolom, lb/ft 2 .det L 2 = Laju cairan keluar kolom, lb/ft 2 .det x 1 = Konsentrasi NaOH masuk kolom, fraksi mol x 2 = Konsentrasi NaOH masuk kolom, fraksi mol
tinggal gas F 2 minimal 1 menit, diameter kolom yang ekonomis, serta tidak terjadi flooding .
Perhitungan  melibatkan  persamaan  1 hingga  6  dengan  bantuan  program  Excel, sementara  itu  pustaka  5,  6,  dan  7  digunakan untuk  mendapatkan  data  densitas,  viskositas, dan penentuan standar bahan konstruksi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam perhitungan ini data masukan yang digunakan adalah sebagaimana terlihat dalam Tabel 1.
Tabel 1. Data masukan
1  Gas F 2 masuk 39,361 kg/j 2  Larutan  NaOH  10% berat masuk 3348.294 kg/j 4  Temperatur penyerapan 30 o C 5  Tekanan 1,5 Atm 6 Jenis packing Intalox saddle 1” 7  Bahan Packing Plastik 8  Bahan konstruksi Inconel alloy-22
Dalam  perhitungan  ini  dipilih  kolom packing dengan penyerap larutan NaOH 10 % (karena persyaratan  konsentrasi  larutan  NaOH  adalah lebih dari 2%) untuk menghindari terbentuknya senyawa  fluor  oksida(OF 2 )  yang  sangat beracun.  Di  dalam  kolom  penyerap  ini  akan dihasilkan  senyawa  NaF  yang  kelarutannya dalam larutan NaOH terbatas.  Oleh karena itu dipilih  jenis  packing plastic  intalox  saddle 1  in yang sangat efisien dan kemungkinan terjadinya penyumbatan dalam packing sangat kecil  serta pressure  drop lebih  rendah  jika dibanding  dengan raschig  ring maupun berl saddle .  Bahan packing dari  plastic  dipilih karena  lebih  tahan  terhadap  korosivitas  gas fluor  dan  larutan  NaOH  jika  dibanding  dengan bahan  keramik  maupun  logam,  serta  lebih murah  dan  tidak  mengalami  deformasi karena beroperasi  pada  tekanan  dan  temperatur rendah.  Bahan    konstruksi  kolom  dipilih inconel  alloy  22.  Bahan  konstruksi  tersebut dipilih  karena  mempunyai  ketahanan  korosi
yang  baik  terhadap  gas  fluor  mapun  larutan NaOH.  Dari  data  masukan  tersebut  didapat hasil perhitungan seperti terlihat dalam Tabel 2 pada lampiran dan Gambar 2 dan Gambar 3.
Gambar 2. Hubungan pressure drop terhadap diameter kolom
Gambar 3. Hubungan diameter kolom terhadap  waktu tinggal
Dari Tabel 2 pada Lampiran,  Gambar 2 dan 3. terlihat  bahwa  semakin  tinggi pressure  drop semakin  kecil  diameter  kolom,  tetapi  tinggi packing semakin bertambah, sedangkan waktu  tinggal  gas  dalam  kolom  penyerap berkurang.
Dari  segi  ekonomi,  kolom  penyerap dengan  diameter  terkecil  yaitu  0,731  ft merupakan  diameter  paling  ekonomis,  serta tekanan kolom 0,5 in H 2 O/ft packing yaitu nilai diatas prosentase flooding yang diperbolehkan (0,2  sampai  0,4  in  H 2 O/ft  ),  namun  waktu tinggal  gas  dalam  kolom  penyerap  belum memenuhi  syarat  yaitu  kurang  dari  1  menit (=0,865  menit).  Oleh  karena  itu,  perlu  dipilih
diameter  tangki  ekonomis  yaitu  0,937  ft  yang masih memenuhi syarat dari segi waktu tinggal gas  dalam  kolom  penyerap  diatas  1  menit (1,029 menit) sehingga tidak terbentuk senyawa OF 2 , namun sedikit dibawah prosentase flooding yang  diperbolehkan  ( tekanan  kolom  0,2  sampai  0,4  in  H 2 O/ft packing ).  Oleh  karena  itu  dipilih  kolom penyerap  diameter  0,937  ft,  tinggi packing 17,891  ft,  dengan packing  plastic  intalox saddle 1 in, bahan konstruksi kolom penyerap Inconel alloy-22.

## SIMPULAN
Dari  perhitungan  kolom  penyerap  gas fluor  dengan  kapasitas  39,361  kg/j  dengan penyerap  larutan  NaOH  10%  sebanyak 3348,294  kg/j,  dengan  mempertimbangkan aspek flooding ,  ekonomi  dan  menghindari terjadinya  senyawa  oksi  fluorit  yang  sangat beracun  diperoleh  spesifikasi  kolom  penyerap sebagai berikut  : bahan packing plastic intalox saddle 1  in,  diameter  kolom  0,937  ft,  tinggi packing  17,891  ft,  waktu  tinggal  gas  dalam kolom  penyerap  1,029  menit,  serta  bahan konstruksi kolom dari  Inconel alloy 22 standar.

## DAFTAR PUSTAKA
1. STRAUSS.W.,”
Industrial Gas Cleaning ”;  2 nd Edition,  University  of
Melbourne, Pergamon Press, 1975,  p. 99-135.
2. ANONIM.,” Uranium  Hexafluoride :  A Manual  Of  Good  Handling  Practices”, USEC-651  (Revision  7),  January 1995,  p. 13-19.
3. LUDWIG.E.E.,  ” Applied  Process
Design  For  Chemical  and  Petroche- mical  Plant “,  Vol.2,  3 rd Edition,  Gulf Professional  Publishing,    Houston  TX, 1979, p.230-369.
4.  ECKERT,  S.  E., ” Design  Techniques For  Sizing  Packed  Towers ”,  Chemical
Engineering  Progress,  Vol.57.No.9, September 1961,  p.54-58. 5.  PERRY,  R.  H.  and  GREEN,  D.  W., ” Perry’s Chemical Engineers’ Handbook ”,  6 th Edition,  Mc  Graw  Hill Book Company, 1984, p.3-6 s/d 3-158.
6.  KRIGENS,  A. G.,” Compilation  of
Physical  and  Chemical  Properties  of Materials  and  Streams  Encountered In The Chemical Processing Department “,  Addendum  to  HW- 53786,  Process  Design  Engineering, Facilities Department Engineering Department, Chemical Processing Division, 1968, p.9-16. 7.  ANONIM, ”Specials Metals”, www.specialmetals.com , p.3. LAMPIRAN Tabel 2. Hasil Perhitungan No Tekanan Kolom ΔP (in H2O/ft packing) Diameter Kolom, D(ft) Tinggi Packing, Z(ft) Waktu Tinggal Gas, t (menit) 0,05 1,178 13,283 1,208 2 0,10 0,991 16,640 1,070 3 0,15 0.937 17,891 1,029 4 0,20 0,847 20,412 0,959 5 0,25 0,809 21,685 0,928 6 0,30 0,798 22,042 0,920 7 0,35 0,788 22,413 0,912 8 0,40 0,779 22,771 0,904 9 0,45 0,770 22,118 0,896 10 0,50 0,731 24,709 0,865