4. Mereaksikan silikon tetraklorida SiCl
4
dengan uap zinc pada suhu 950
o
C sehingga menghasilkan silikon menurut persamaan reaksi:
SiCl
4
+ 2Zn Si + 2ZnCl
2
Wikipedia, 2008 5.
Pembuatan silikon yang berdasar pada penggunaan fluidized bed menggunakan silana, seperti ditunjukkan pada reaksi berikut:
3SiCl
4
+ Si + 2 H
2
4HSiCl
3
4HSiCl
3
3SiCl
4
+ SiH
4
SiH
4
Si + 2H
2
Wikipedia, 2008
2.8 Seleksi Proses
Proses pembuatan silikon yang dipilih dalam perancangan pabrik ini adalah reduksi silika dengan menggunakan karbon. Adapun alasan dipilihnya proses ini
adalah sebagai berikut: 1.
Silikon yang dihasilkan memiliki kemurnian yang sangat tinggi paling sedikit 98 murni
2. Bahan baku silika dan karbon yang sangat murah dan mudah diperoleh sehingga
memudahkan proses pengadaan bahan baku.
2.9 Pemurnian
Penggunaan silikon dalam perangkat semikonduktor memerlukan kemurnian silikon yang sangat tinggi. Menurut sejarah, berbagai macam metode telah digunakan
untuk menghasilkan silikon dengan kemurnian yang tinggi.
2.9.1 Metode Fisika
Pada awalnya teknik pemurnian silikon adalah berdasar pada kenyataan dimana silikon dileburkan dan dipadatkan kembali, bagian akhir dari tumpukan yang
akan dipadatkan mengandung sebagian besar impuritis. Metode pemurnian silikon
paling pertama diperkenalkan pada tahun 1919 dan digunakan pada dasar yang
terbatas untuk membuat komponen radar selama perang dunia kedua, melibatkan silikon yang telah dihancurkan dan kemudian secara bertahap tepung silikon
Universitas Sumatera Utara
dilarutkan dalam suatu asam. Ketika dihancurkan, silikon yang hancur menyebabkan bagian yang kemurniaanya rendah berada pada bagian luar dari butiran silikon yang
dihasilkan. Sebagai hasilnya, silikon yang mempunyai kemurnian tinggi yang terlebih dahulu larut ketika dilarutkan dalam asam, dan akhirnya menghasilkan
produk yang lebih murni. Pada zona peleburan melting, juga disebut sebagai zona penyulingan
refining, metode pemurnian silikon pertama yang digunakan secara luas dalam industri, batang silikon dipanaskan dan dileburkan pada suatu tempat. Kemudian,
pemanasnya secara perlahan menurunkan panjang silikon, dan menimbulkan batang kecil karena silikon mengalami pendinginan dan pemadatan kembali. Karena
sebagian besar impuritis cenderung terdapat pada bagian yang dileburkan daripada bagian yang dipadatkan kembali, ketika proses berakhir, sebagian besar impuritis
dalam batang akan bergerak menuju suatu tempat. Bagian ini kemudian dibuang, dan prosesnya diulang kembali jika diinginkan kemurnian yang lebih tinggi.
2.9.2 Metode Kimia
Sekarang, silikon dimurnikan dengan cara mengubahnya menjadi senyawa silikon yang dapat dengan lebih mudah dimurnikan daripada keadaan alaminya.
Kemudian senyawa tersebut diubah kembali menjadi silikon yang murni. Triklorosilana merupakan senyawa silikon yang paling umum digunakan sebagai
intermediate , walaupun silikon tetraklorida dan silana juga digunakan. Ketika gas ini
mengalir diatas silikon pada temperatur tinggi akan menyebabkan terdekomposisi menjadi silikon dengan kemurnian yang tinggi.
Pada Proses Siemen, batang silikon dengan kemurnian yang tinggi menguraikan triklorosilana pada 1150
o
C. Gas triklorosilana akan terdekomposisi dan mengendapkan tambahan silikon dalam batang silikon.
2HSiCl
3
Si + 2HCl + SiCl
4
Silikon yang diproduksi dengan cara demikian disebut polycrystalline silicon. Polycrystalline silicon
mempunyai tingkat impuritis kurang dari 10
-9
.
Universitas Sumatera Utara
2.10 Sifat – Sifat Bahan yang Terlibat Dalam Proses
2.10.1 Silikon Dioksida SiO
2
1. Berat molekul
: 60,086 grmol 2.
Massa jenis : 2,2 grcm
3
3. Titik lebur
: 1650 ± 75
o
C 4.
Titik didih : 2230
o
C 5.
Kelarutan dalam air : 0,012 gr dalam 100 gr
6. Konduktivitas Termal
: 0,01 Wcm K 7.
Struktur molekul : tetrahedal
8. Berwarna putih
9. Berbentuk serbuk padat dalam keadaan murni
10. Tidak dapat terbakar
Wikipedia, 2008
2.10.2 Karbon C
1. Berat
atom :
12,0107 grmol
2. Titik
lebur :
3652
o
C 3.
Densitas : 1,9 – 2,3 grcm
3
4. Kapasitas panas pada 25
o
C : 8,517 Jmol K
5. Konduktivitas Termal 300K
: 80 – 230 Wm K 6.
Struktur atom
: heksagonal
7. Berwarna hitam
Wikipedia, 2008
2.10.3 Oksigen O
2
1. Berat molekul
: 32 grmol 2.
Titik didih
: –183
C 3.
Titik lebur
: –218,4
C 4.
Densitas 0 C, 101.325 kPa
: 1,429 grl 5.
Panas peleburan : 0,444 kJmol
6. Panas penguapan
: 6,82 kJmol 7.
Temperatur kritis
: 154,59
K
Universitas Sumatera Utara
8. Tekanan kritis
: 5,043 Mpa 9.
Kapasitas panas 25 : 29,378 Jmol K
10. Merupakan unsur diatomik
Wikipedia, 2008
2.10.4 Nitrogen N
2
1. Berat molekul
: 14,0067 grmol 2.
Titik didih
: –195,8
C 3.
Titik lebur
: –209,86
C 4.
Temperatur kritis
: 126,26
C 5.
Tekanan kritis : 33,54 atm
6. Densitas 25
C, 1 atm : 1,25046 grl
7. Panas peleburan
: 172,3 kalmol 8.
Panas penguapan : 1332,9 kalmol
9. Gas yang tidak berbau, berasa dan berwarna
10. Merupakan unsur diatomik
Wikipedia, 2008
2.10.5 Air H
2
O
1. Berat molekul
: 18,016 grmol
2. Titik
didih :
100 C
3. Titik
beku :
C 4.
Densitas 25 c
: 0,998
grml 5.
Viskositas pada kondisi standar, 1 atm : 8,949 mP
6. Tekanan uap 20
c : 0,0212
atm 7.
Panas pembentukan : 6,013 kJmol
8. Panas spesifik pada kondisi standar
: 4,180 Jkg K 9.
Panas penguapan
: 22,6.10
5
Jmol 10.
Kapasitas panas
: 4,22
kJkg K
11. Tidak berbau, berasa dan berwarna
Othmer, 1968
Universitas Sumatera Utara
2.10.6 Kalsium Oksida CaO
1. Berat
molekul :
56,8 grmol
2. Massa
jenis : 3350
kgm
3
3. Titik
lebur :
2572
o
C 4.
Titik didih
: 2850
o
C 5.
Tidak larut dalam air, tetapi bereaksi dengan air. 6.
Berwarna putih. Wikipedia, 2008
2.10.7 Silikon Si
1. Berat
molekul :
28,086 grmol
2. Densitas
: 2,53
grcm
3
3. Titik
lebur :
1420
o
C 4.
Titik didih
: 2355
o
C 5.
Panas pembentukan : 50,21 kJmol
6. Panas
penguapan :
359 kJmol
7. Kapasitas panas 25
o
C : 19,789 Jmol K
8. Bentuk padat
9. Silikon murni berwarna abu-abu
Wikipedia, 2008
2.10.8 Karbondioksida CO
2
1. Berat
molekul :
44,01 grmol
2. Massa jenis
: 1,6 gL, padat; 1,98 gL, gas 3.
Titik lebur
: -57
o
C 4.
Titik didih
: -78
o
C 5.
Viskositas pada -78
o
C : 0,07 cP
6. Gas yang tidak berwarna dan berbau
Wikipedia, 2008
Universitas Sumatera Utara
2.10.9 Sulphur S
1. Berat
molekul :
32,064 grmol
2. Densitas
: 2,07
grcm
3
3. Titik
lebur :
115,21
o
C 4.
Titik didih
: 444,6
o
C 5.
Kapasitas panas 25
o
C : 22,75 Jmol K
6. Panas
penguapan :
45 kJmol
7. Panas pembentukan
: 1,727 kJmol 8.
Bentuk kristal padatan 9.
Berwarna kuning Wikipedia, 2008
2.10.10 Metana CH
4
1. Berat
molekul :
16,0425 grmol
2. Densitas
: 0,717
kgm
3
3. Titik
lebur :
-182,5 °C
4. Titik
didih :
-161,6 °C
5. Kelarutan dalam air 17
o
C : 3,5 mg100 mL
6. Mudah terbakar
7. Gas tidak berwarna
Wikipedia, 2008
2.10.11 Etana C
2
H
6
1. Berat molekul
: 30,07 grmol 2.
Titik lebur
: –
182,76 °C 3.
Titik didih : – 88,6 °C
4. Densitas
gas :
1,212 kgm³
5. Kelarutan dalam air
: 4,7 gr100ml 6.
Mudah terbakar 7.
Gas tidak berwarna Wikipedia, 2008
Universitas Sumatera Utara
2.10.12 Propana C
3
H
8
1. Berat
molekul :
44,096 grmol
2. Densitas
gas :
1,83 kgm3
3. Densitas
cair :
0,5077 kgL
4. Titik
lebur :
−187,6 °C 5.
Titik didih
: −42.09 °C
6. Kelarutan dalam air 37,8 °C
: 0,1 gcm
3
7. Mudah terbakar
8. Gas tidak berwarna
Wikipedia, 2008
2.10.13 Butana C
4
H
10
1. Berat
molekul :
58,124 grmol
2. Densitas 15 °C, 1 atm
: 2,48 gl 3.
Titik lebur
: −138,4 °C
4. Titik
didih :
−0,5 °C 5.
Kelarutan dalam air 20 °C : 6.1 mg100 ml
6. Mudah terbakar
7. Gas tidak berwarna
Wikipedia, 2008
2.11 Deskripsi Proses
Secara keseluruhan proses perancangan pabrik pembuatan industrial grade silicone
IGS ini terdiri dari dua bagian proses, yaitu proses reaksi menghasilkan silikon dari karbon dan pasir silika, dan proses pemanfaatan gas buang untuk
menghasilkan steam tekanan tinggi yang dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik yang digunakan pada bagian proses reaksi.
Bahan baku utama yang digunakan dalam keseluruhan proses pembuatan IGS ini adalah karbon C dan pasir silika SiO
2
.
Universitas Sumatera Utara
2.11.1 Bagian Proses Reaksi
Partikel pasir silika SiO
2
pada alur 1 dan karbon C pada alur 2 dikirimkan melalui bucket elevator I BE-101 pada alur 3 menuju fluidized bed preheater
H-101. Di dalam Fluidized bed preheater, kedua campuran tersebut kemudian dipanaskan hingga suhunya mencapai 1500
o
C. Panas yang digunakan dalam proses pemanasan ini berasal dari proses pembakaran antara gas alam pada alur 4 dengan
udara bebas pada alur 5 di di dalam burner B-101. Gas hasil pembakaran inilah yang dikirimkan melalui alur 6 ke fluidized bed preheater H-101 sebagai pemanas.
Pada temperatur ini 1500
o
C, tidak ada reaksi yang terjadi antara silika dan karbon. Karbon dan silika yang telah dipanaskan, serta sulfur yang yang berasal dari gas
alam kemudian dikirim melalui bucket elevator II BE-102 pada alur 8 menuju tungku reduksi elektrik R-101. Pada tungku reduksi ini terjadi reaksi antara karbon
dengan silika yang kemudian menghasilkan silikon. Selain itu, silika juga dapat bereaksi dengan sulfur yang berasal dari gas alam dan menghasilkan silikon serta gas
sulfur dioksida SO
2
. Adapun reaksi yang terjadi pada tungku reduksi untuk menghasilkan silikon
adalah sebagai berikut: 2SiO
2
+ 4C SiO + SiC + 3CO SiO + SiC 2Si + CO
SiO
2
+ S SO
2
+ Si Reaksi yang terjadi pada tungku reduksi ini berlangsung pada suhu 2045
o
C. Konversi sebesar 90 dicapai pada reaksi antara silika dengan karbon menghasilkan
silikon. Silikon yang terbentuk pada dasar tungku kemudian dialirkan keluar pada
alur 12 dan didinginkan. Sedangkan silika dan karbon yang tidak bereaksi pada alur 11 dikirim ke unit pengolahan limbah. Gas karbon monoksida CO yang dihasilkan
dari reaksi kemudian teroksidasi oleh oksigen dari udara bebas pada alur 10 menghasilkan gas karbon dioksida CO
2
. Gas buang dari fluidized bed preheater H-101 yang terdiri dari oksigen
O
2
, nitrogen N
2
, karbon dioksida CO
2
, dan air H
2
O pada alur 7 yang dihasilkan dari reaksi pembakaran antara gas alam dengan udara bebas di dalam
fluidized bed preheater H-101 serta Gas buang dari tungku reduksi yang terdiri
Universitas Sumatera Utara
dari gas karbon dioksida CO
2
dan gas sulfur dioksida SO
2
pada alur 9 kemudian dikirim ke bagian proses pemanfaatan gas buang pada alur 13 untuk menghasilkan
steam tekanan tinggi yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik dan
kemudian dikonsumsi pada bagian proses reaksi di tungku reduksi elektrik R-101.
2.11.2 Bagian Proses Pemanfaatan Gas Buang
Gas buang pada alur 13 dialirkan ke steam boiler E-201, dimana gas tersebut menyuplai energi untuk menghasilkan steam tekanan tinggi pada alur 16.
Boiler feed water pada alur 14 dipompakan pada tekanan 40,8 Mpa untuk
menghasilkan steam tekanan tinggi. Steam ini pada alur 16 kemudian dialirkan ke turbin T-201, dimana energi listrik dibangkitkan dan digunakan pada tungku
reduksi elektrik R-101. Untuk menjaga agar udara bersih, senyawa SO
2
di dalam gas buang pada alur 18 harus dihilangkan. Kadar SO
2
di dalam gas buang sebelum dibuang ke udara bebas tidak boleh melebihi 0,5 ppm. Dengan digunakannya kalsium oksida CaO di
dalam fluidized bed scrubber R-201 dapat mereduksi SO
2
yang terdapat di dalam gas buang. Dengan perbandingan antara kalsium oksida dan sulfur dioksida 2,5 : 1,
diamati bahwa sulfur dioksida tidak ditemukan lagi dalam gas buang. Kalsium oksida pada alur 19 diumpankan melalui bucket elevator III
BE-201 pada bagian atas fluidizing gas yang berasal dari gas buang pada alur 18. Fluidizing gas
dari alur 18 mengandung karbon dioksida, air, nitrogen, oksigen, dan sulfur dioksida. Disini terjadi reaksi antara kalsium oksida dengan sulfur dioksida
membentuk kalsium sulfat. Reaksinya ditunjukkan pada persamaan reaksi dibawah ini:
SO
2
+ CaO CaSO
3
CaSO
3
+ ½ O
2
CaSO
4
Gas buang pada alur 20 yang sudah tidak mengandung sulfur dioksida dibuang secara bebas ke udara. Sedangkan kalsium sulfat yang terbentuk pada alur
21 dikirim ke unit pengolahan limbah.
Universitas Sumatera Utara
III-1
BAB III NERACA MASSA
Hasil perhitungan neraca massa pada proses pembuatan Industrial Grade Silicon IGS dengan kapasitas produksi 631,3479 kgjam atau 5.000 tontahun
diuraikan sebagai berikut : Basis perhitungan
: 1 jam operasi Waktu operasi
: 330 hari tahun Satuan operasi
: kgjam ; kmoljam
3.1 Bucket Elevator I BE-101
Tabel 3.1 Neraca Massa Bucket Elevator I BE-101
Komponen Masuk kgjam
Keluar kgjam Alur 1
Alur 2 Alur 3
SiO
2
1501,1364 -
1501,1364 C - 625,4735
625,4735 Total
1501,1364 625,4735 2126,6099 2126,6099 2126,6099
Universitas Sumatera Utara
3.2 Burner B-101
Tabel 3.2 Neraca Massa Burner B-101
Komponen Masuk kgjam
Keluar kgjam Alur 4
Alur 5 Alur 6
CH
4
59,4567 - -
C
2
H
6
9,2871 -
- C
3
H
8
2,2698 -
- C
4
H
10
2,9919 - -
S 0,0292 -
0,0292 O
2
- 377,6448 86,912
N
2
- 1243,0852
1243,0852 CO
2
- -
206,1048 H
2
O - -
158,6335 Total
74,0347 1620,73 1694,7647 1694,7647 1694,7647
3.3 Fluidized Bed Preheater H-101
Tabel 3.3 Neraca Massa Fluidized Bed Preheater H-101
Komponen Masuk kgjam
Keluar kgjam Alur 3
Alur 6 Alur 7
Alur 8
SiO
2
1501,1364 - - 1501,1364
C 625,4735 -
- 625,4735
S - 0,0292 - 0,0292 O
2
- 86,912 86,912 -
N
2
- 1243,0852
1243,0852 -
CO
2
- 206,1048 206,1048 -
H
2
O - 158,6335 158,6335 -
Total 2126,6099 1694,7647 1694,7355 2126,6391
3821,3746 3821,3746
Universitas Sumatera Utara
3.4 Reduction Furnace R-101
Tabel 3.4 Neraca Massa Reduction Furnace R-101
Komponen Masuk kgjam
Keluar kgjam Alur 8
Alur 10 Alur 9
Alur 11 Alur 12
SiO
2
1501,1364 - - 150,05768 -
C 625,4735 - - 85,4833 -
S 0,0292 - -
- -
O
2
- 719,3472
- - - CO
2
- - 1979,0392
- - SO
2
- - 0,0583
- - Si - - - -
631,3479 Total
2126,6391 719,3472 1979,0975 235,54098 631,3479
2845,9863 2845,9863
3.5 Mixing Point M-101
Tabel 3.5 Neraca Massa Mixing Point M-101
Komponen Masuk kgjam
Keluar kgjam Alur 7
Alur 9 Alur 13
O
2
86,912 -
86,912 N
2
1243,0852 -
1243,0852 CO
2
206,1048 1979,0392
2185,144 H
2
O 158,6335 -
158,6335 SO
2
- 0,0583
0,0583
Total
1694,7355 1979,0975
3673,833 3673,833
3673,833
Universitas Sumatera Utara
3.6 Pompa P-201
