Download - Resume Otk
CHAPTER 14
PROSES PEMISAHAN MEKANIK-FISIKA
14.1 PENDAHULUAN DAN KLASIFIKASI DARI PROSES PEMISAHAN MEKANIKA-
FISIKA
14.1A PENDAHULUAN
Pada semua proses pemisahan dianggap selama ini didasari oleh perbedaan fisika-kimia
pada molekul itu sendiri dan pada transfer massa dari molekul. Pada chapter ini proses separasi
dianggap dimana pemisahan tidak dilakukan pada skala molekul juga buka karena perbedaan
variasi molekul. Pemisahan akan di lakukan menggunakan mechanical-physical force dan bukan
dengan molecular atau chemical force dan diffusi. Mechanical-physical force akan bertindak atas
partikel, liquid, atau campuran dari partikel dan liquid itu sendiri.
Mechanical-physical forces menggunakan gravitasi dan centrifugasi,mekanika aktual,dan
kekuatan kinetik dari aliran.Partikel dan/ aliran fluida akan terpisah karan efek pembeda yang
dihasilkan oleh force (kekuatan) tersebut.
14.2B Tipe Alat Filtrasi
1. Klasifikasi Filter
Filter diklasifikasikan berdasarkan berbagai cara, salah satunya adalah produk apa yang
diinginkan, apakah produk tersebut berupa cake, filtrat, atau outlet liquid. Selain itu, filter dapat
diklasifikasikan berdasarkan siklus operasinya. Filter dapat dioperasikan secara batch, dimana
cake dihilangkan ketika proses selesai, atau kontinyu, dimana cake dihilangkan secara kontinyu.
Selain itu, filter dapat pula diklasifikasikan berdasarkan tipe gravitasi, dimana liquid mengalir
akibat hydrostatic head, atau tekanan, atau vakum untuk membantu menambah flow rate.
Metode penting dari klasifikasi dipengaruhi oleh susunan mekanis dari media filter. Filter cloth
dapat disusun secara seri sebagai plate tipis di dalam suatu enclosure, sebagai lembaran tunggal
yang tenggelam di dalam slurry, atau di atas roll tipe rotasi di dalam slurry.
2. Bed Filter
Bed filter adalah tipe filter yang paling sederhana. Berikut adalah gambar bed filter:
Tipe ini sangat bermanfaat ketika jumlah solid yang akan dihilangkan sangat sedikit daripada
jumlah air yang sangat banyak. Filter ini dapat digunakan untuk memurnikan air. Lapisan
terbawah disusun dari pecahan kuarsa dari pasir di atas plate berlubang atau slotted plate. Di atas
pasir terdapat pasir sedang, yang berfungsi sebagai medium filter. Air dialirkan dari atas ke
dalam baffle dimana menyebarkan air yang keluar. Liquid yang murni mengalir di bagian bawah.
Filtrasi berlanjut hingga partikel yang terpresipitasi atau terfilter terperangkap di dalam pasir
sehingga laju alir menurun. Kemudian aliran berhenti dan air dialirkan secara berlawanan
sehingga aliran air ke atas (backwashing). Backwashing ini mengakibatkan solid partikel
terperangkap keluar dari pasir. Alat ini digunakan untuk presipitan yang tidak terikat secara kuat
dengan pasir dan dapat secara mudah dihilangkan dengan backwashing. Open tank filter
digunakan untuk memfilter suplai air perkotaan.
3. Plete and frame filter presses. Salah satu tipe filter yang penting adalah plate-and-frame filter
press,yang mana dapat dilihat pada gambar 3a. Filter ini terdapat plate dan frame yang di rakit
bersama filter kain yang di jepit pada sisi-sisi dari plate-plate. Pada plate-plate terdapat saluran-
saluran yang dapat membersihkan cairan filtrat sehingga dapat mengalir turun sepanjang plate
tersebut. Feed slurry di pompa hingga tertekan dan mengalir menuju saluran frame terbuka
sehingga slurry memenuhi frame-frame. Filtrat menglir menuju filter kain dan partikel solid akan
membentuk cake pada sisi frame dari kain filter.
Proses filtrasi selesai sampai frame-frame terisi dengan solid. Pada gambar 3b. Semua
komponen di buang melalui outlet. Pada berbagai kasus,filter press akan memiliki debit terpisah
untuk sepanjang frame yang terbuka. Pengecekan dapat dilakukan dengan melihat jika filtrat
yang mengalir sudah bening/bersih. Jika satu saja yang mengalir keruh karena rusaknya filter
kain atau berbagai faktor lain,hal itu dapat menghentikan proses separasi. Ketika frame telah
terisi penuh,frame dan plate-plate separasi dan cake di hilangkan. Kemudian filter di rakit ulang
dan siklus di ulang untuk proses lagi.
Jika cake di cuci,cake yang menempel pada plate dan washing dilakukan,dapat dilihat
pada gambar 14.2-3b. Air pencuci (wash water) masuk dari inlet,yang mana akan melalui bagian
bawah filter kain pada setiap plate dari filter press. Air pencuci kemudian mengalir melalui filter
kain,melalui tempat masuknya cake ,melelui filter kain pada sisi lain dari frame, dan dan keluar
pada discharge channel (saluran pembuangan).
Plate-and-frame presses tidak luput dari kerugian dari proses batch yang digunakan.
Biaya dari tenaga kerja untuk membersihkan cake dan perakitan ulang di tambah biaya dari
tagihan tetap untuk waktu peluruhan dapat masukkan dalam biaya operasi. Beberapa tipe baru
dari teknik ini memiliki set duplikat dari frame yang di pasang pada rotating shaft. Setengah dari
frame yang digunakan akan bersih sehingga menghemat biaya peluruhan dan tenaga kerja.
Filter presses di gunakan pada proses batch akan tetapi tidak dapat di gunakan untuk
proses high throughput. Tipe ini mudah untuk di operasikan,serba guna dan fleksibel pada
operasionalnya,dan dapat digunakan pada tekanan tinggi.
4. Leaf Filters
Filter press pada filter ini dapat berguna untuk banyak hal, tetapi filter ini tidak memiliki
nilai ekonomis dan efisiensi dalam pencucian untuk penanganan sludge dan cake dalam jumlah
besar dengan jumlah wash water yang sedikit. Untuk pencucian ini dibutuhkan wash water
dalam jumlah yang sangat besar. Leaf filter pada gambar dibawah ini menunjukkan efisiensi
pencucian untuk volume slurry dalam jumlah besar. Setiap leaf adalah rangka berlubang yang
dilapisi dengan filter cloth.
Leaf pada filter ini tergantung secara paralel pada closed tank. Slurry masuk ke dalam
tangki dan dengan tekanan rendah terdorong ke filter cloth, dimana cake akan terkumpul pada
bagian luar dari leaf. Filtrat mengalir di dalam rangka berlubang. Wash liquid masuk sejalan
dengan slurry. Untuk menghilangkan cake dapat menggunakan udara yang ditiup atau dengan
pencucian sederhana.
5. Continuous Rotary Filters
Pada plate-dan-frame filter tidak dapat digunakan untuk kapasitas proses yang besar.
a. Continuous rotary vacuum-drum filter
Pada drum dikover dengan filtering medium yang sesuai. Rotary drum dan katup otomatis berada
pada bagian pusat untuk mengaktifkan fungsi pelepasan filtering, drying, washing dan cake pada
siklus. Filtrat akan meninggalkan filter pada bagian axle.
Katup otomatis pada bagian outlet memisahkan filtrat dan wash liquid. Selain itu, jika
dibutuhkan, koneksi kompresor udara sebelum pelepasan juga dapat digunakan untuk membantu
menghilangkan cake dengan knife scraper. Tekanan maksimum untuk vacuum filter adalah 1
atm. Tipe ini tidak sesuai untuk viscous liquid atau liquid. Jika drum tertutup, tekanan diatas
atmosfer dapat digunakan.
Secara modern, proses dengan kapasitas tinggi menggunakan continuous filter. Keuntungan yang
utama adalah karena filternya terjadi secara kontinyu dan otomatis, selain itu biaya pekerja yang
dibutuhkan juga rendah meskipun modal yang dibutuhkan cukup besar.
b. Continuous rotary disk filter
Filter ini terdiri dari disk vertikal konsentris yang berada di atas shaft rotasi horizontal. Prinsip
kerja filter sama dengan vacuum rotary drum filter. Setiap disk memiliki rongga dan dilapisi
dengan filter cloth dan sebagian dari disk terendam di dalam slurry. Cake dicuci, dikeringkan,
dan dibuang ketika disk berada di setengah bagian atas rotasinya. Pencucian memiliki efisiensi
yang lebih kecil daripada tipe rotating drum.
c. Continuous rotary horizontal filter
tipe ini adalah tipe filter vakum dengan permukaan filter berupa anular rotasi yang dibagi
menjadi sektor-sektor. Ketika filter horizontal berputar, maka alat ini akan menerima slurry.
Slurry tersebut dicuci, dikeringkan, dan dibuang. Efisiensi pencucian lebih baik daripada rotary
disk filter. Filter ini banyak digunakan pada proses ekstraksi bijih logam, pencucian pulp, dan
proses yang berkapasitas besar.
14.2.C. Media Filtrasi dan Filter Aids
1. Media Filter
Media filter yang digunakan pada kebanyakan industri haruslah mengadung
beberapa unsur yaitu dapat menghilangkan padatan dari slurry pada proses filtrasi
tersebut, pemasangan pori nya tidak boleh menyumbat sehingga tidak menyebabkan laju
filtrasi menjadi lambat, serta harus dapat melewatkan filter cake untuk dihilangkan secara
mudah.
Aplikasi penggunaan filter secara luas digunakan dalam bentuk beberapa kain
seperti metal cloth, nylon cloth, dacron cloth, dan sebagainya. Serat yang berbentuk tidak
teratur dari materi alami dalam pembuatan filter memiliki keefektifan yang lebih baik
untuk menghilangkan partikel dibanding serat yang rata ataupun serat logam.
2. Filter Aids
Beberapa peralatan filter aid digunakan untuk proses filtrasi diatomaceous atau
kieselguhr yang tersusun atas komponen silika. Selain itu juga digunakan untuk selulosa
kayu, asbestous, dan beberapa padatan berpori inert lainnya.
Penggunaan filter aids dapat digunakan sebagai precoat sebelum slurry dilakukan
filtrasi. Hal ini dilakukan untuk mencegah terbentuk padatan gelatin saat proses filtrasi.
Selain itu filter aids juga dapat ditambahkan dalam slurry sebelum proses filtrasi
berlangsung. Ini ditujukan untuk menambah porositas dari cake dan mengurangi
resistensi cake selama filtrasi.
Pengguaan filter cake umumnya terbatas hanya pada kasus dimana cake yang
terbentuk dibuang atau pada kasus dimana presipitat dapat dipisahkan secara kimia dari
filter aids.
14.2D Teori Dasar Filtrasi
1. Pressure drop fluida yang melewati adonan filter (filter cake)
Gambar 14.2-6 menjelaskan tentang fluida yang melewati adonan filter dan medium filter
saat waktu pasti t (s). pada waktu ini terbentuk ketebalan adonan L (m) dengan luas permukaan
filter sebesar A (m2) dan kecepatan linear filtrate sebesar v (m/s) yang bergantung pada luas
permukaan dari luas permukaan A.
Aliran filtrate melewati packed bed dideskribsikan yang setara dengan persamaan Hukum
Poiseulle, dengan asumsi aliran laminar terjadi dalam tempatnya filter. Persamaan 2.10-2 adalah
persamaan Poiseulle untuk aliran laminar dalam tube yang lurus yang mana dituliskan sebagai
berikut:
Dimana ∆p adalah pressure drop dalam satuan N/m2, v adalah tube terbuka dalam m/s, D
adalah diameter dalam m, L adalah panjang dalam m, µ adalah viskositas dalam Pa.s dang c
adalah 32,174 lbmft/lbr.s2.
Untuk aliran laminar dalam packed bed partikel, hubungan Carman-Kozeny sama dengan
persamaan 14.2-1 dan persamaan Blake-Kozeny 3.1-17 dan telah ditunjukkan untuk aplikasi
pada proses filtasi.
Dimana kt adalah konstanta untuk partikel acak dengan ukuran dan bentuk yang pasti, µ
adalah viskositas filtrate dala Pas, v adalah kecepatan linear dalam luas permukaan filter dalam
m/s, Ɛ adalah fraksi yang rejeksi atau porositas adonan, L adalah ketebalan adonan dalam m, So
adalah luas permukaan spesifik dari partikel dalam m2 dari luas partikel per m3 volume partikel
solid, dan ∆pc adalah pressure drop dalam adonan dalam N/m2. Kecepatan linear berdasarkan
pada luas permukaan kosong adalah:
Dimana A adalah luas filter dalam m2 dan V adalah volume total (m3) dari filtrate yang
terkumpulkan selama waktu t (s). ketebalan adonan L mungkin berhubungan dengan volume
filtrate V oleh neraca masa. Jika cS adalah kg solid/m3 filtrat, neraca massanya adalah:
Dimana ρp adalah densitas partikel padat dalam adonan dalam kg/m3 solid. Hubungan
akhir dari persamaan 14.2-4 adalah volume filtrate yang tertahan dalam adonan. Kondisi ini
biasanya diabaikan karena berukuran kecil.
Subtitusi persamaan 14.2-3 ke dalam 14.2-4 dan menggunakan persamaan 14.2-4 untuk
menghilangkan L, dengan persamaan yang hasilnya:
Dimana α adalah resistansi adonan spesifik dalam m/kg, didefinisikan sebagai
Untuk resistansi medium filter, bias dituliskan sebagai analogi dengan persamaan 14.2-5:
Dimana Rm adalah resistansi medium filter untuk aliran filtrate dama m-1 dan ∆pf adalah
pressure drop. Kemudian Rm diolah sebagai konstanta empiris, yang termasuk dalam resistansi
untuk mengalir dalam pipa yang tertuju dan dari filter dan resistansi medium filter.
Karena resistansi adonan dan luas medium filter dalam seri, persamaan 14.2-5 dan 14.2-7
bisa dikombinasi dan menjadi:
Dimana ∆p=∆pc+∆pf. kadang-kadang persamaan 14.2-8 dimodifikasi sebagai:
Dimana Vc adalah volume filtrate yang dibutuhkan untuk membuat adonan filter yang
dibuat dengan resistansi yang sama dengan Rm.
Volume filtrate V bias juga dihubungkan dengan W (kg) yang terakumulasi adonan
kering solid sebagai berikut:
Dimana cx adalah fraksi masa solid dalam slurry, m adalah rasio massa adonan basah
terhadap adonan kering, dan ρ adalah densitas filtrate dalam kg/m3.
2. resistansi adonan spesifik
Dari persamaan 14.2-6 dapat dilihat bahwa resistansi adonan yang spesifik adalah fungsi
dari fraksi yang terrejeksi Ɛ dan So. Yang juga fungsi tekanan, karena tekanan bisa berfek pada Ɛ.
Dengan mengonduksi percobaan tekanan konstan pada pressure drop yang berbeda-beda, variasi
dari α dan ∆p bisa dicari.
Alternatifnya, percobaan kompressi permeabilitas bisa dibentuk. Adonan filter saat
pressure drop yang rendah dan tekanan atm dibuat oleh filtrasi dengan gaya gravitasi dalam suatu
silinder dengan bagian bawah yang porous. Piston dimuat pada bagian atas dan adonan
dikompressi untuk memberikan tekanan. Kemudian filtrate diumpankan ke adonan dan α
ditentukan oleh persamaan diferensial yang terbentuk dari persamaan 14.2-9. Diulangi juga
untuk tekanan kompressi yang lain (GI).
Jika α dibebaskan dari -∆p, lumpur menjadi incompressibel. Biasanya α meningkat
dengan -∆p, karena adonan sewaktu-waktu bersifat compressibel. Persamaan empiris sering
digunakan adalah:
Dimana αo dan s adalah konstanta empiris. Konstanta kompressibel s adalah nol untuk
adonan atau lumpur yang bersifat incompressibel. Konstanta s biasanya jatuh pada nilai 0,1
sampai 0,8. Kadang-kadang digunakan sebagai berikut:
Dimana α’o, β dan s’ adalah konstanta empiris. Data experiment untuk variasi lumpur
diberikan oleh Grace (GI).
Data diperoleh dari percobaan filtrasi yang tidak sering mempunyai kadar yang tinggi
dari proses reproduksi. Keadaan agglomerasi dari partikel dalam lumpur yang bisa divariasi dan
mempunyai efek pada resistansi adonan spesifik.
14.2E Persamaan Filtrasi dalam Kondisi Tekanan Konstan
1. Persamaan dasar dalam proses batch . yang sering digunakan dalam proses filtrasi dengan
kondisi tekanan konstan adalah
(1)
Dimana Kp dalam satuan s/m6(s/ft6) dan B dalam satuan s/m3(s/ft3)
(2)
(3)
Kp dan B dalam rumus satuan SI unit.
Untuk tekanan yang konstan , α konstan dan incompressile cake , V dan t adalah salah satu
variabel di persamaan
Sehinga didapatkan persamaan t dalam detik
(4)
Persamaan tersebut kemudian dibagi dengan V maka didapatkan,
(5)
Dimana V adalah total volume dari filtrat dalam satuan m3 (ft3)
Untuk mengevaluasi persamaan (4) diperlukan juga untuk mengetahui α dan Rm. Ini
dapat di selesaikan menggunakan persamaan (5) . data dari V di coba beberapa kali sehingga
didapatkan nilai t . kemudian data eksperimen di plot dengan hubungan t/V versus V sehingga
didapatkan figure 14.2.-7 . dari grafik tersebut kemudian didapatkan nilai dari α dan Rm.
2. Equations of washing of filter cakes and total cycle time
Untuk filtrasi menggunakan leaf filter, filtrasi tekanan konstan menggunakan
tekanan yang sama pada pencucian, maka laju filtering akhir dapat ditulis:
Untuk plate and frame filter presses, dapat dituliskan:
3. Persamaan untuk filtrasi kontinu
Dalam filtrasi kontinu, seperti rotary drum vacuum, umpan filtrat, dan cake
dipindahkan pada kondisi steady, laju kontinu. Pembentukan cake melibatkan perubahan
kondisi yang berkelanjutan. Dalam filtrasi kontinu, hambatan media filter diabaikan
dibandingkan hambatan cake sehingga integrasi persamaan 13 dengan B=0 menjadi:
pers. 21
pers. 22
Dimana t merupakan waktu yang dibutuhkan untuk pembentukan cake. Dalam rotary drum
filter, waktu filter t lebih kecil dari waktu siklus total tc dengan:
pers. 23
Dimana f merupakan fraksi dari siklus yang digunakan untuk pembentukan cake. Dengan
substitusi persamaan sebelumnya, didapatkan laju filtrasi sebagai berikut:
pers. 24
Ketika waktu siklus pendek digunakan di filtrasi kontinu dan/atau hambatan media filter
sangat besar dan persamaan 13 menjadi:
pers. 25
Kemudian persamaan 25 menjadi:
pers. 26
14.2F Persamaan Filtrasi untuk Filtrasi dengan Kecepatan Konstan
Dalam beberapa kasus filtrasi dilakukan dibawah konsidi kecepatan kontan dibandingkan dengan
tekanan konstan. Ini terjadi jika sulurry diumpankan ke filter dengan positive displacement
pump. Persamaan (14.2-8) dapat diubah untuk mendapatkan kecepatan kostan (dV/dt)m3/s.
(14.2-27)
dimana
Kv dalam N/m5 (lbf/ft5) dan C dalam N/m2 (lbf/ft2).
Asumsi bahwa cake incompressible, Kv dan C dengan karakteristik slurry, cake, laju alir
filtrate konstan. Oleh sebab itu, plot tekanan, - Δp, banding total volume filtrate yang diperoleh,
V, memberikan garis lurus untuk tekanan konstan dV/dt. Slope garis tersebut adalah KV dan
intersepnya adalah C. Tekanan meningkat dengan ketebalan cake yang meningkat dan volume
filtrate yang terkumpul meningkat.
Persamaan juga dapat diubah dalam konsidi – Δp dan waktu t sebagai variable. Dalam
berbagai waktu selama filtrasi, total volume V berhubungan terhadap laju dan total waktu t
sebagai berikut:
Substitusi persamaan (14.2-30) ke persamaan (14.2-27)
Untuk kasus dimana hambatan cake α yang tidak konstan namun bervariasi seperti
persamaan (14.2-11), ini dapat disubstitusi untuk α pada persamaan (14.2-27) untuk menentukan
persamaan akhir.
(14.2-28)
(14.2-29)
(14.2-30)
(14.2-31)
!4.4 PROSES PEMISAHAN SENTRIFUGAL
14.4A Introduction
Pada proses pemisahan sentrifugal akan dibahas mengenai settling atau pemisahan
partikel dari fluidanya menggunakan gaya sentrifugal yang dikenakan pada partikel. Penggunaan
centrifuge akan meningkatkan gaya pada partikel menjadi berlipat ganda. Oleh karena itu,
partikel-partikel tidak akan mengendap dengan mudah karena gravitasi untuk memisahkan dari
fluidanya. Laju pengendapan yang tinggi berarti laju pengendapan dengan parikel yang lebih
kecil dibandingkan gaya gravitasinya. Gaya sentrifugal yang tinggi tidak mengubah kecepatan
relative pengendapan dari parikel-partikel kecil, tetapi gaya tersebut mengatasi efek pergerakan
Brown dan arus konveksi bebas.
Terkadang pemisahan secara gravitasi mungkin terlalu lambat karena selisih densitas dari
partikel dan fluida yang sangat dekat, atau dikarenakan gabungan gaya yang bekerja pada
komponen seperti pada emulsi. Pemisahan atau settling sentrifugal digunakan pada banyak
industri makanan, seperti pada tempat pembuatan bir, pengolahan minyak sayur, pengolahan
konsentrat protein ikan, dan sebagainya. Pemisahan secara sentrifugal juga dapat digunakan
dalam pengeringan kristal dan untuk memisahkan emulsi ke dalam konstituen cairan atau padat-
cair.
Centrifuge juga digunakan dalam filtrasi sentrifugal dimana gaya sentrifugal digunakan
sebagai pengganti beda tekan yang menyebabkan aliran slurry di filter dimana padatan cake
terbentuk di permukaan (screen). Padatan granular cake dari slurry mengendap disimpan pada
media filter dalam rotating basket, dicuci, dan kemudian diputar “kering”. Centrifuge dan filter
biasa kompetitif dalam kebanyakan proses pemisahan padat-cair.
14.4B Pengembangan Gaya dalam Pemisahan Sentrifugal
Pemisah sentrifugal memanfaatkan prinsip umum bahwa sebuah benda berputar terhadap
suatu sumbu atau titik pusat pada jarak radial konstan dari titik tersebut bekerja dengan gaya.
Objek yang berputar di sekitar sumbu terus berubah arah dan menyebabkan percepatan meskipun
kecepatan rotasi konstan. Gaya sentripetal ini bertindak dalam arah menuju pusat rotasi.
Jika objek yang diputar adalah wadah silinder, cairan dan padatan mengerahkan gaya
yang sama dan berlawanan, yang disebut gaya sentrifugal, ke luar dinding wadah. Ini adalah
kekuatan yang menyebabkan sedimentasi atau pengendapan partikel melalui lapisan cair atau
filtrasi cairan melewati bed filter cake yang terdapat dalam rotating chamber.
Pada gambar 14.4-1a sebuah cylindrical bowl terlihat berputar dengan umpan slurry dari
partikel-partikel padatan dan cairannya akan terkumpul di pusat. Umpan masuk dan segera
dibuang keluar ke dinding wadah, seperti yang terlihat pada gambar 14.4-1b. Cairan dan padatan
ditindaklanjuti menggunakan gaya vertical gravitasi dan gaya horizontal sentrifugal. Gaya
sentrifugal biasanya besar sehingga gaya gravitasi mungkin diabaikan. Lapisan cairan
diasumsikan setimbang dengan permukaan hampir vertikal. Partikel mengendap secara
horizontal dan menekan dinding vertikal bowl. Sedangkan pada gambar 14.4-1c, dua cairan yang
memiliki densitas berbeda dipisahkan menggunakan centrifuge. Cairan yang lebih padat akan
menempati pinggiran luar karena gaya sentrifugal lebih besar pada cairan yang lebih padat.
Pada gerakan melingkar, percepatan dari gaya sentrifugal adalah sebagai berikut :
dimana, ac merupakan percepatan dari gaya sentrifugal dalam m/s2 (ft/s2), r adalah jarak radial
dari pusat rotasi dalam m (ft), dan Ѡ adalah kecepatan angular dalam rad/s.
Gaya sentrifugal, Fc dalam N (lbf) dikenakan pada partikel yang dirumuskan sebagai
dimana gc = 32.174 lbm.ft/lbf . s2.
Gaya ω = v/r, dimana v adalah velocity tangensial dari partikel dalam m/s (ft/s),
Kecepatan rotasi sebagai N rev/min sebagai berikut
Substitusi persamaan 14.4-4 ke persamaan 14.4-2 sehingga dihasilkan sebagai berikut
Dengan persamaan 14.3-2, gaya gravitasi pada partikel adalah
Dimana g adalag percepatan gravitasi yang nilainya 9.80665 m/s2. Gaya sentrifugal dapat
dirumuskan dengan kombinasi persamaan 14.3-2, 14.4-2 dan 14.4-3 menjadi
Sehingga, gaya yang berkembang dalam centrifuge adalah rω2/g atau v2/rg yang nilainya sebesar
dengan gaya gravitasi.
14.4C Persamaan laju settling dalam Centrifuge
1. Persamaan umum untuk settling. Sebuah centrifuge digunakan untuk sedimentasi
(penghilangan dari partikel dengan settling), partikel dihilangkan dari liquid dalam bowl, jika
waktu tinggal dari partikel dalam bowl cukup maka partikel dapat meraih dinding. Untuk partikel
yang berpindah secara radial pada kecepatan pengendapan terminal, diameter partikel paling
kecil yang dihilangkan dapat dihitung.
Pada gambar 14.4-2 merupakan skematik tubular-bowl centrifuge. Umpan masuk pada
bagian bawah dan diasumsikan semua liquid bergerak ke atas pada kecepatan seragam, dan
membawa partikel padatan. Partikel diasumsikan untuk berpindah secara radial pada kecepatan
pengendapan terminal vt. Trayek atau lintasan partikel ditunjukkan pada gambar 14.4-2. Pada
gambar tersebut panjang bowl adalah b m.
Pada akhir dari waktu tinggal partikel dalam fluida, partikel berada pada jarak rB m dari
axis rotasi. Jika rB<r2, partikel meninggalkan bowl dengan fluida. Jika rB=r2, deposit pada dinding
bowl dan secara efektif dihilangkan dari liquid.
Untuk settling dalam range hukum Stokes, kecepatan pengendapan terminal pada jari-
jari, r, didapatkan dengan substitusi persamaan 14.4-1 untuk percepatan gravitasi, g, ke
persamaan 14.3-9.
Dimana Vt merupakan kecepatan settling pada arah radial dalam m/s.
Dp merupakan diameter partikel dalam m dan ρp merupakan densitas liquid
dalam kg/m3 dan μ merupakan viskositas liquid dalam Pa.s. Jika hindered
settling terjadi sisi kanan dari persamaan 14,4.8 akan dikalikan dengan
factor ε2ψp yang diberikan pada persamaan 14.3.16
Karena Vt =dr/dt maka persamaan 14.4-8 menjadi
Integrasi antara limit r=r1 pada t=0 dan r=r2 pada t=tT
Waktu tinggal tT sama dengan volume liquid V m3 dalam mangkok
dengan laju alir volumetric dari feed q dalam m2/s. volume V= пb
(r22 – r1
2 ) yang disubstitusi kedalam persamaa 14.4.10 untuk
menyelesaikan q
Partikel memiliki diameter lebih kecil seperti yang dikalkulasi dari
pers. (14.4.11) yang tidaka akan menjangkau dinding dari wadah dan
akan terikut keluar dengan keluaran liquid. Partikel yang besar akan
menjangkau dinding dan dihilangkan dari liquid.
Titik cut atau diameter kristis dari DPc dapat didefinisikan sebagai
diameter partikel yang menjangkau seyengah dari jarak antara r1 dan
r2 . partikel berpindah dari jarak setengah layer liquid atau (r1 – r2 )/2
pada t=0 dan r=r2 selama waktu partikel ini berada dalam sentrifugal.
Intergrasi antarar= (r1 – r2 )/2 pada t=0 dan r=r2 pada t=tT. kemudian
dihasilkanlaju alir qc . partikel yang lebih besar daripada DPC akan
secara predominan mengenai dinding dan partikel yang lebih kecil
akan tetap berada di liquid.
2. Persoalan khusus untuk settling. Untuk persoalan tertentu dimana ketebalan lapisan cairan
berbanding terhadap jari-jari lingkaran. Persamaan (14.4-8) dapat digunakan untuk jari-jari
konstan r=r2 dan Dp = Dpc sebagai berikut:
Waktu settling tT untuk Dpc kritis, sebagai berikut.
Substitusi persamaan (14.4-13) ke (14.4-14) dan disusun ulang, menjadi,
Voliume V dapat dinyatakan sebagai berikut.
Kombinasi persamaan (14.4-15) dan (14.4-16),
Analisis diatas telah disederhanakan. Pola aliran fluida sebenarnya lebih rumit.
Persamaan-persamaan tersebut dapat digunakan untuk sistem cair-cair dimana tetesan cair
berpindah tempat berdasarkan persamaan dan bergabung pada fase cair yang lain.
3. Nilai sigma dan scale-up sentrifugasi
Kegunaan karakteristik fisika tubular-bowl centrifuge dapat diturunkan dengan mengalikan dan
membagi persamaan (14.4-12) dengan 2g dan kemudian mensubstitusikan persamaan (14.3-9)
digunakan Dpc ke persamaan (14.4-12) untuk memperoleh
Dimana Vt adalah kecepatan terminal settiling partikel pada kondisi gravitasi dan
Dimana Σ adalah karakteristik fisik sentrifugasi. Menggunakan persamaan (14.4-17) untuk
persoalan khusus pada settling untuk lapisan tipis,
Nilai Σ adalah luas yang sebenarnya dalam m2 pada settler gravitasi yang memiliki
karateristik sedimentasi yang sama dengan sentrifugasi pada laju umpan yang sama. Untuk
scale-up dari uji laboratorium q1 dan Σ1 menjadi q2 (untuk vt1 = vt2),
Prosedur scale-up ini digunakan tergantung jenis dan geometri sentrifugasi dan jika gaya
sentrifugal dalam faktor 2 dari satu sama lain. Jika digunakan konfigurasi yang berbeda, faktor
efisiensi E dapat digunakan dimana q1/ Σ1E1 = q2/ Σ2E2. Efisiensi ini ditentukan dengan percobaan
dan nilai untuk tipe sentrifugasi yang bebeda (F1, P1).
4. Pemisahan cair pada sentrifugasi
Pemisahan cair-cair pada cairan yang tidak bercampur tapi terdipersi sebagai emulsi pada
operasi umum di industri makanan dan industri lainnya. Contohnya adalah industri pembuatan
susu, yangmana emulsi susu dipisahkan menjadi susu skim dan krim. Pemisahan cair-cair ini,
tidak hanya mengendalikan volumetrik V dalam sentrifugasi tapi juga menentukan bagaimana
pemisahan yang sebenarnya terjadi.
Pada figure 14-4-3 tubular-bowl centrifuge menunjukkan sentrifugasi dipisahkan menjadi
dua fase cair, cairan yang berat dengan densitas ρH kg/m3 dan yang kedua cairan ringan dengan
densitas ρL. Jaraknya adalah sebagai berikut: r1 adalah jari-jari permukaan pada lapisan cairan
ringan, r2 adalah jari-jari permukaan cair-cair, dan r4 adalah jari-jari pemukaan pada hilir cairan
berat.
Gaya pada fluida pada jarak r adalah, dengan persamaan (14.4-2),
Perbedaan gaya melewati ketebalan dr
Tapi,
Dimana b adalah ketinggian bowl dalam m dan dr adalah volume fluida. Substitusi
persmaan (14.4-23) dengan (14.4-22) dan dibagi kedua sisi dengan luas A = ,
Dimana P adalah tekanan dalam N/m2 (lbf/ft2).
Integrasikan persamaan (14.4-24) antara r1 dan r2,
Terapkan persamaan (14.4-25) ke figure 14.4-3 dan menyamakan tekanan yang diberikan oleh
fase ringan dengan ketebalan r2 – r1 menjadi tekanan yang diberikan oleh fase berat dengan
ketebalan r2 – r4 pada permukaan cair-cair pada r2.
Menyelesaikan r22, posisi inteface,
Interface pada r2 harus ditempatkan pada jari-jaro yang lebih kecil daripada r3 pada figure 14.4-3.
13.4D Peralatan Sentrifugasi untuk Sedimentasi
1. Tubular centrifuge
Skema bagi tubular bowl centrifuge ditunjukkan pada Fig. Bowl pada tubular centrifuge
ukurannya tinggi dan memiliki diameter yang kecil, 100 hingga 150 mm. Centrifuges
tersebut, dikenal sebagai supercentrifuges, mengembangkan gaya sekitar 13000 kali gaya
gravitasi. Beberapa sentrifugasi yang kecil memiliki diameter 75 mm dan kecepatan yang
sangat tinggi sekitar 60000 rev/min yang dikenal sebagai ultracentrifuges. Supercentrifuges
ini seringkali digunakan untuk memisahkan emulsi cair-cair.
2. Disk bowl centrifuge
Sentrifugasi disk-bowl sering digunakan pada separasi fase liquid-liquid. Umpan yang masuk
pada kompartemen yang terletak dibawah dan akan mengalir keatas melalui ruang berlubang
vertical, mengisi ruang diantara disks. Bagian berlubang akan membagi kumpulan vertical
menuju bagian dalam, dimana sebagian besar cairan ringan ada, dan pada bagian luar, dimana
terdapat sebagian besar cairan yang berat. Garis pembagian ini serupa dengan antarmuka pada
sentrifugal tubular.
Cairan yang berat akan mengalir dibawah disk menuju batas luar bowl. Cairan ringan akan
mengalir disisibagian atas disk dan menuju bagian dalam keluaran. \sejumlah kecil partikel
solid berat dibuang ke dinding outlet. Pembersihan secara periodic diperlukan untuk
menghilangkan deposit. |Disk bowl dari sentrifugal digunakan dalam pemisahan starch-gluten,
konsentrasi dari getah karet, dan pemisahan cream.
14.4E Centrifugal Filtration
Teori untuk sentrifugal filtras
Filtrasi pada sentrifugal filter tidak berjalan dengan baik. Filtrasi dalam sentrifugal lebih
rumit dibandingkan filtrasi biasa yang menggunakan perbedaan tekanan, semenjak luas
penampang untuk aliran dan gaya dorong yang meningkat dengan jarak dari aksis dan resistensi
cake yang spesifik bisa berubah . Sentrifugal untuk filtering secara umum dipilih dengan
meningkatkan dari percobaan pada sentrifugal skala laboratorium menggunakan slurry untuk
diproses.
Teori tekanan-konstan filtrasi didiskusikan pada bab 14.2e dapat dimodifikasikan dan digunakan
dimana percepaan sentrifugal disebabkan aliran terjadi perbedaan tekanan.Persamaan akan
diturunkan untuk kasus dimana cake yang sudah terendapkan . Radius dalam pada keranjang
adalah r₂,r₁ adalah radius dalam permukaaan cake , dan r₁ adalah radius dalam permukaan
liquid . Kita akan mengasumsikan bahwa cake incompressible sehingga rata-rata nilai dapat
digunakan untuk cake. Alirannya laminar. Jika kita mengasumsikan bahwa ada cake yang tipis
dalam diameter besar sentrifugal, untuk aliran pada area A dapat diperkirakan konstan.
Kecepatan pada liquid adalah
=qA
=dVA dt
dimana q adalah aliran filtrasi dalam m³/s dan adalah kecepatan.substitusi kan persamaan tadi
ke persamaan menjadi
−p=q¿ )
dimana m=cV,masa cake dalam kg terendap pada filter untuk head hidrolik dz m, Pressure drop
adalah : dp=ρ g d z
pada sentrifugal field,, g dapat digantikan dengan r w² dan dz oleh dr sehingga menjadi
dp=ρrw² dr
14.5. FLOTASI
Flotasi adalah suatu proses pemisahan suatu zat dari zat lainnya pada suatu cairan /
larutan berdasarkan perbedaan sifat permukaan dari zat yang akan dipisahkan, dimana zat yang
bersifat hidrofilik tetap berada fasa air, sedangkan zat yang bersifat hidrofobik akan terikat
pada gelembung udara dan akan terbawa ke permukaan larutan dan membentuk buih, sehingga
dapat dipisahkan dari cairan tersebut.
Secara sederhana, flotasi merupakan proses pemisahan satu mineral atau lebih, dengan mineral
lainnya melalui cara pengapungan.
Terdapat tiga fase pada proses flotasi yang dilakukan dalam media air, yaitu:
Fase padat
Fase cair
Fase udara
Flotability (daya apung) adalah kemampuan butiran mineral untuk dapat mengapung yang
ditentukan oleh tendensi (hasrat) dari butiran mineral untuk melekat (mengikat diri) pada
gelembung udara yang relatif besar dan kemudian mengapung kepermukaan cairan pulp.
Daya apung suatu butiran mineral tergantung pada sifat permukaan butiran mineral tersebut
dapat dikontrol dan diubah-ubah dalam proses flotasi dengan mempergunakan reagen kimia yang
berbeda-beda.
Pada proes ini, mineral dapat dibedakan menjadi beberapa bagian
Mineral yang tidak senang Air (Hidrophobik) adalah mineral yang mudah melekat pada
gelembung udara pada cairan. Mineral ini umumnya mineral yang dikehendaki.
Mineral Senang Air (Hidrophilik) adalah mineral yang tidak mudah melekat pada
gelembung udara pada cairan.
Dengan mendasarkan sifat mineral tersebut maka mineral yang satu dengan lainnya dapat
dipisahkan dengan gelembung udara.
Prinsip Flotasi :
Penempelan partikel (mineral) pada gelembung udara
Gelembung mineral harus stabil.
Ada sifat Float dan Sink
Syarat Flotasi :
1. Ada gelembung udara dalam cairan (0.5” – 1”)
2. Ukuran partikel harus halus dan disesuaikan dengan butiran mineral (48 – 50 #)
3. Derajat liberasi yang tinggi
4. Feed dalam bentuk pulp (lumpur)
5. Ada sudut kontak yang baik, yaitu sekitar 60° – 90°. Ini berarti usaha adhesinya besar,
sehingga udara dapat menempel pada permukaan mineral, yang mengakibatkan mineral
dapat mengapung. Sudut kontak merupakan sudut yan dibentuk antara gelembung udara
dengan mineral pada suatu titik singgung. Sudut kontak mempengaruhi daya kontak
antara biji dengan gelembung udara. Untuk melepaskan gelembung dan mineral
dibutuhkan usaha adhesi.
6. pH Kritis. pH kritis ini merupakan pH larutan yang mempengaruhi konsentrasi kolektor
yang digunakan dalam pengapungan mineral.
Faktor- faktor yang mempengaruhi flotasi :
Ukuran partikel.
Ukuran partikel yang besar membuat partikel tersebut cenderung untuk mengendap,
sehingga susah untuk terflotasi.
pH larutan.
Partikel cenderung mengendap pada pH yang tinggi.
Surfaktan.
Fungsi surfaktan adalah kolektor yang merupakan reagen yang memiliki gugus polar dan
gugus non polar sekaligus. Kolektor akan mengubah sifat partikel dari hidrofil menjadi
hidrofob.
Bahan kimia lainnya, misalnya koagulan.
Penambahan koagulan dapat mengakibatkan ukuran partikel menjadi lebih besar.
Laju udara
Laju udara berfungsi sebagai pengikat partikel yang memiliki sifat permukaan
hidrofobik, persen padatan. Untuk flotasi pada partikel kasar, dapat dilakukan dengan
persen padatan yang besar demikian juga sebaliknya. Besar laju pengumpanan,
berpengaruh terhadap kapasitas dan waktu tinggal. Laju udara pembilasan, berfungsi
untuk mengalirkan konsentrrat ke dalam lounder.
Ketebalan lapisan buih
Ukuran gelembung udara
Dengan adanya perbedaan sifat permukaan (Hidrophobik dan Hidrophilik) tadi, perlu ada suatu
reagen kimia untuk merubah permukaan mineral. Reagen kimia yang digunakan pada proses
flotasi terdiri dari :
Kolektor (Collector): suatu bahan kimia organik yang gunanya untuk merubah sifat
permukaan mineral yang tadinya senang air menjadi tidak suka air. Hal ini, bila mineral
yang senang air itu, mineral yang diinginkan. Contoh :solar, sabun.
Modifier : bahan kimia an-organik yang fungsinya mempengaruhi kerja kolektor.
Frother (Pembusa) : suatu zat untuk menstabilkan gelembung-gelembung udara dalam
air, contohnya : deterjen.
Syarat–syarat alat flotasi :
Mempunyai penerima pulp dan pengeluaran konsentrat.
Dapat menghasilkan atau ada aliran udara yang dapat dimasukan ke dalam sistem
tersebut.
Feed harus dalam bentuk pulp.
Sel flotasi berfungsi untuk menerima pulp dan dilakukan proses flotasi. Berdasarkan cara
pemasukan udaranya, jenis sel dibedakan menjadi:
1. Agitation Cell.
Alat ini jarang digunakan, sebab adanya perkembangan dengan diketemukannya sub
aeration cell. Udara masuk ke dalam cell flotasi, karena putaran pengaduk.
2. Sub Aeration Cell:
Udara masuk akibat hisapan putaran pengaduk. Alat ini paling praktis, sehingga banyak
digunakan.
3. Pneumatic Cell
Alat ini jarang sekali digunakan, udara langsung dihembuskan ke dalam cell
4. Vacum and Pressure Cell
Udara bisa masuk karena tangki dibuat vakum oleh pompa penghisap dan udara
dimasukkan oleh pompa injeksi.
5. Cascade Cell
Udara masuk karena jatuhnya mineral
Syarat cell :
1. Pulp tidak mengandap (dilengkapi dengan alat agitasi)
2. Ada pengatur tinggi pulp
3. Ada daerah yang relatif tenang sehingga butiran yang menempel gelembung udara mudah
naik ke permukaan
4. Konstruksi dibuat sedemikian rupa, sehingga tidak terjadi short circuit
5. Mempunyai resirkulasi dan pengeluaran middling.
6. Harus mempunyai penerimaan pulp dan pengeluaran busa yang menumpuk
7. Mempunyai permukaan bebas untuk gelembung-gelembng yang sudah mengandung
mineral, sehingga tidak mempengaruhi agitasi
8. Harus dilengkapi dengan pengeluaran froth.
Langkah-langkah Flotasi
1. Liberasi, analisis pendahuluan
Agar mineral dapat terliberasi, maka perlu dilakukan crushing atau grinding yang
diteruskan dengan pengayakan atau classifying. Ini dimaksudkan agar ukuran butir
mineral dapat seragam, sehingga proses akan lebih sukses atau berhasil. Analisis
pendahuluan dilakukan dengan menggunakan mikroskop, sehingga dapat dilihat derajat
liberasinya dan kadar dari mineral tersebut. Diupayakan dalam tahap ini juga dilakukan
desliming, sebab slime akan mengganggu proses flotasi.
2. Conditioning
Conditioning adalah membuat suatu pulp agar nantinya pulp tersebut dapat langsung
dilakukan flotasi. Preparasi ini sebaiknya disesuaikan dengan liberasi dalam proses basah,
maka conditioning juga harus dilakukan pada proses basah. Pada tahap pengkondisian,
reagent yang diberikan adalah modifier, collector dan terakhir frother.
3. Proses flotasi
Proses ini ditandai dengan masuknya gelembung udara ke dalam pulp.