modul v

BAB V. PROSES PEMISAHAN SECARA MEKANIK

Lingkup bahasan

1. Filtrasi

2. Sentrifugasi

3. Sedimentasi

Kompetensi dasar

Dapat menguasai prinsip dasar dan perhitungan keteknikan dalam proses

pemisahan mekanik secara sistematis dan teliti.

1. FILTRASI

Ringkasan:

Filtrasi merupakan salah satu jenis proses pemisahan secara fisik dan

mekanis. Gaya yang bekerja pada proses filtrasi disebabkan karena adanya

perbedaan tekanan. Perbedaan tekanan tersebut mengakibatkan fluida mengalir

melalui saringan dan partikel padatan tertahan dipermukaan saringan.

Filtrasi memisahkan partikel padat yang tersuspensi di dalam

fluid/liquid/gas. Partikel yang tertahan di atas permukaan ayakan disebut cake

atau separate phase sedangkan fluida yang dapat melalui saringan adalah

filtrate. Partikel dapat berukuran sangat halus atau berdiameter besar, keras atau

lunak, berbentuk bulat atau tidak beraturan, berupa agregate atau individual.

Salah satu jenis filter yang banyak digunakan di laboratorium adalah vacum

filter dengan desain seperti gambar 5.1. alat filtrasi yang digunakan dalam

industri antara lain bed filter, plate danframe filter press, leaf filter dan

continuous rotary filter.

Tim Pengajar Prinsip Teknik Pangan dan Hasil Pertanian-FTP-UNEJ 102

Gambar 5.1. Simple Laboratory Filtration Apparatus.

Bed Filter

Sering digunakan untuk memisahkan partikel padat dalam jumlah kecil dari

air dalam jumlah besar dengan tujuan untuk pemurnian air. Pada dasar bed filter

tersusun atas coarse pieces of gravel dan diatasnya adalah fine sand yang

bertindak sebagai filter yang sesungguhnya (gambar 5.2)

Gambar 5.2. Bed filter of solid particles.

Plate and Frame Filter Press

Alat ini biasa digunakan untuk proses batch sehingga tidak dapat

diaplikasikan untuk luaran yang besar. Pengoperasiannya sederhana, luwes danl

dapat digunakan untuk tekanan tinggi sehingga dapat untuk penyaringan larutan

yang kental ataupun filter cake-nya memiliki resistance yang tinggi (gambar 5.3).

Seperti halnya proses batch pada umumnya pengoperasian alat ini memiliki

beberapa hambatan diantaranya adalah: ongkos tenaga kerja ketika

membersihkan cake dan biaya reassembling. Selain itu biaya-biaya tetap harus


dikeluarkan walaupun sedang down time. Oleh karena itu beberapa tipe baru

menggunakan cadangan plate and frame yang dipasang dalam satu alat dan

digunakan bergantian.

Gambar 5.3 Plate and frame filter press

Leaf Filter

Alat ini dikembangkan untuk penyaringan jumlah slurry yang banyak dan

pencucian yang lebih efisien. Setiap leaf merupakan pipa berlubang yang

dibungkus dengan kain penyaring. Aliran water jet dapat digunakan untuk

membersihkan cake tanpa harus membuka filternya. Leaf filter juga dioperasikan

secara batch sehingga memiliki kekurangan seperti pengoperasian batch pada

umumnya (gambar 5.4).

Gambar 5.4. Leaf Filter


Continuous Rotary Filter

Filter jenis ini dapat digunakan untuk operasi kontinyu, otomatis, biaya

operasi rendah akan tetapi biaya modalnya tinggi. Perbedaan tekanan

maksimum yang diperbolehkan adalah 1 atm (gambar 5.5).

Gambar 5.5. Continuous Rotary Vacum Drum Filter

Filtrasi dapat dilakukan pada tekanan konstant maupun tekanan yang

berubah.

Pada tekanan konstan:

Keterangan:

Kp dalam s/m6 atau s/ft6 dan B dalam s/m3 atau s/ft3

(SI)

(English)


α = spesific cake resistance ( m/kg) atau (ft/lbm)

µ = viskositas filtrate (Pa.s ) atau (lbm/ft.s)

cs = konsentrasi slurry (kg/m3) atau (lbm/ft3)

A = luas area filter (m2) atau (ft2)

Δp = perbedaan tekanan (kN/m2 ) atau (lbf/ft2)

.........................(SI)

(English)

Rm = resistance of filter medium

Sehingga:

Keterangan:

V adalah volume total filtrat (m3) atau (ft3) dalam waktu t (s).

Soal latihan

1. Data untuk filtrasi CaCO3 dalam bentuk slurry dengan air pada (25oC)

dilakukan pada tekanan konstan (-Δp) 338 kN/m2 Luas filter pada plate

and frame filter press adalah A = 0,0439 m2 dan konsentrasi slurry adalah


cs = 23,47 kg/m3 Hitung konstanta α dan Rm berdasarkan data percobaan

sebagai berikut:

t V t V t V

4,4 0,493 x 10-3 34,7 2,498 x 10-3 73,6 4,004 x 10-3

9,5 1,000 x 10-3 46,1 3,002 x 10-3 89,4 4,502 x 10-3

16,3 1,501 x 10-3 59,0 3,506 x 10-3 107,3 5,009 x 10-3

24,6 2,000 x 10-3

α = 1,950 x 1011 m/kg; Rm = 9,09 x 1010 m-1

2. Slurry dengan kondisi yang sama seperti soal no. 1 difiltrasi menggunakan

plate and frame filter press yang mempunyai 20 frame dengan luas masing-

masing frame adalah 0,873 m2. Filtrasi dilakukan dengan tekanan konstan

dengan perbedaan tekanan sama dengan soal no. 1, begitu juga dengan

nilai parameter resistance untuk filter cake dan filter cloth. Hitunglah waktu

yang diperlukan untuk memperoleh filtrate sejumlah 3,37 m3.

(271,8 detik)


2. SETTLING AND SEDIMENTASI

Ringkasan:

Settling dan sedimentasi merupakan proses pemisahan partikel yang terjadi

karena adanya gaya gravitasi. Gaya gravitasi akan bekerja pada partikel

sehingga partikel akan turun dan mengendap. Partikel dapat berupa padatan

atau liquid drop. Fluid dapat berupa liquid atau gas yang diam ataupun bergerak.

Ketika partikel berada pada jarak yang cukup jauh dari dinding dan

berjauhan dengan partikel lain sehingga gerak jatuhnya tidak terpengaruh maka

gerak jatuh pada kondisi tersebut disebut free settling. Kondisi tersebut bisa

dicapai jika konsentrasi partikel kurang dari 0,2 % volume. Jika jumlah partikel

banyak atau konsentrasinya pekat sehingga pengendapannya berjalan lambat

kondisi tersebut disebut hindered settling. Pemisahan padatan dari slurry atau

suspensi dengan gaya gravitasi sehingga dihasilkan fluida yang jernih dan slurry

dengan kandungan partikel yang pekat disebut sedimentation.

Partikel rigid

Ketika partikel bergerak melalui fluida terdapat gaya-gaya yang bekerja

pada partikel tersebut yaitu perbedaan densitas antara partikel dengan fluida

serta gaya gravitasi. Jika densitas fluida dan partikel sama maka gaya apung

akan melawan gaya gravitasi sehingga partikel tidak bergerak relatif terhadap

cairan.

Pada partikel rigid yang sedang bergerak melalui fluida gaya yang bekerja

pada partikel tersebut adalah: gaya gravitasi (ke arah bawah), gaya apung (ke

arah permukaan) dan drag force (berlawanan dengan arah gerak partikel)

Besarnya gaya apung dalam Newton pada partikel dapat digambarkan

pada persamaan berikut:

Keterangan:

m: masa partikel dalam kg,

ρ densitas fluida dalam kg/m3 liquid,


ρp densitas partikel dalam kg/m3liquid,

Vp adalah volume partikel dalam m3.

Besarnya gaya gravitasi sebagai eksternal force dalam Newton adalah:

Drag force FD besarnya sebanding dengan head velocity v2/2 dengan

persamaan sebagai berikut:

CD nilainya konstan dan tanpa dimensi.

Jumlah gaya-gaya yang bekerja pada partikel adalah: Fg – Fb – FD. Jumlah

gaya-gaya tersebut harus sama dengan besarnya gaya karena adanya

percepatan

Pada partikel yang jatuh bebas pada sistem cairan terdapat dua periode

yaitu periode accelerated fall dan constant velocity fall. Periode accelerated fall

hanya terjadi sebentar diawal gerakan partikel sehingga yang berperan dalam

gerakan partikel adalah constant velocity fall dimana kecepatannya disebut free

setling velocity atau terminal velocity vt dengan nilai dv/dt sama dengan nol

(karena tidak ada percepatan) maka nilai vt dapat ditentukan dari penurunan

persamaan jumlah gaya-gaya, sehingga diperoleh nilai vt sebagai berikut:

vt dalam m/s (ft/s), untuk partikel yang bulat dan

, sehingga untuk materi yang bulat diperoleh persamaan

sebagaiberikut:


Besarnya koeffisien drag untuk partikel merupakan fungsi dari bilangan

Reynold ( ).

Persamaan drag koeffisient untuk partikel yang bergerak dalam aliran laminer

yang disebut daerah hukum Stokes NRE <1.

Sehingga nilai aliran laminer

Untuk partikel dengan bentuk yang berbeda nilai koeffisien drag akan

berbeda. Untuk aliran turbulen (daerah hukum Newton) dengan bilangan

Reynold diatas 1000 hingga 2,0 x 105, nilai koeffisien drag mendekati konstan

yaitu CD=0,44.

Partikel yang sangat kecil akan bergerak sesuai dengan gerak Brownian

yang merupakan gerak acak dan partikel saling bertabrakan. Gerakan partikel

menjadi random dan menekan efek gaya gravitasi. Pengendapan partikel

berjalan lambat atau bahkan tidak terjadi sama sekali. Untuk partikel yang sangat

kecil gaya sentrifugasi dapat mengurangi pengaruh gerak Brownian.

Hindered settling

Pengendapan umumnya melibatkan partikel dalam jumlah besar sehingga

partikel-partikel tersebut saling terpengaruh gerakkannya. Untuk kondisi ini

disebut hindered settling dimana kecepatan gerakan partikel akan lebih lambat

jika dibandingkan kecepatan gerak partikel pada daerah hukum stokes. Nilai


koeffisien drag akan lebih besar. Persamaan-persamaan yang berlaku dalam

kasus hindered settling adalah sebagai berikut:

dimana nilai ψp tanpa dimensi dengan nilai sebagai berikut (dalam SI unit)

Density untuk fase liquid akan menjadi bulk density dari slurry (ρm)

ρm merupakan densitas dari slurry dalam kg partikel + liquid / m3. Nilai

perbedaan densitas antara parttikel dengan slurry adalah sebagai berikut:

Sehingga untuk hindered settling kecepatan pengendapan partikel pada daerah

aliran turbulen adalah sebagai berikut:

Nilai bilangan Reynold untuk hindered settling adalah sebagai berikut:

Peralatan untuk settling dan sedimentasi

Simple gravity settling tank

Equipment for classification

Spitzkasten classifier

Sedimentation thickener

3. CENTRIFUGAL SEPARATION PROCESSES


Ringkasan:

Pemisahan sentrifugal berjalan berdasarkan prinsip bawah jika sebuah

objek berputar pada suatu jarak tertentu dari titik pusat. Gaya sentripental

bekerja pada arah pusat putaran. Jika sebuah obyek dalam wadah selinder yang

berputar maka fluida dan partikel yang berada di dalamnya akan mengalami

gaya sentrifugal yang arah berlawanan dengan gaya sentripental kearah dinding

silinder. Kondisi tersebut dapat dimanfaatkan untuk memisahkan partikel dengan

berat jenis yang berbeda.

Persamaan untuk gaya sentrifugal adalah sebagai berikut:

ae = rω2

ac = kecepatan dari gaya setrifugal m/s2 (ft/s2), r merupakan jarak radial dari

pusat putaran dalam m dan ω adalah kecepatan angular dalam rad/s

Gaya setrifugal Fc dalam N (lbf) bekerja pada partikel dengan persamaan

Fc= mae =mrω2

Fc =

Dimana gc = 32.174 lbm.ft

Karena ω = v/r dimana v merupakan kecepatan tangential dari partikel dalam

m/s.

Sering kecepatan rotasional dinyatakan dalam N dengan satuan putaran/menit

dan


Sehingga = 0,01097 mrN2

dimana g adalah kecepatan gravitasi yang bekerja pada partikel dimana

(SI)

Persamaan kecepatan pengendapan untuk sentrifugasi

Persamaan umum untuk pengendapan

Jika sentrifugasi digunakan untuk mengendapkan partikel, partikel dengan

ukuran tertentu bisa dipisahkan dari liquid jika waktu yang dibutuhkan untuk

partikel mencukupi partikel untuk menyentuh dinding sentrifuge. Diasumsikan

semua liquid bergerak naik dengan kecepatan uniform membawa partikel

padatan bersamanya. Partikel diasumsikan bergerak radial pada kecepatan

terminalnya vt. Panjang silinder sentrifus adalah b m.

Pada akhir residence time-nya partikel dalam fluida, partikel dengan jarak rB

m dari axis dengan perputaran. Jika rB < r2, sehingga particle meninggalkan

mangkok dengan fluida. Jika rB=r2, partikel tersebut akan tinggal didinding

mangkok dan dapat terpisah secara efektif dari liquid.

Untuk pengendapan pada daerah hukum stokes kecepatan terminal pada r

diperoleh untuk percepatan sebesar g adalah:


dimana vt adalah kecepatan settling dalam arah radial dalam m/s. Dp adalah

diameter partikel dalam m dan ρp adalah densitas partikel kg/m3 dan µ adalah

viskositas liquid dalam Pa.s.

Jika diintegrasikan dengan batasan r = r1 pada t = 0 dan r = r2 pada t = tT, maka

diperoleh persamaan:

Residence time tT adalah sama dengan volume liquid V m3 dalam mangkok

dibagi dengan kecepatan volumetri q m3/s. dimana . Sehingga

diperoleh q,

Partikel yang memiliki diameter lebih kecil daripada persamaan diatas tidak akan

mengendap dan terikut aliran liquid.

Cut point atau diameter kritis Dpc didefinisikan sebagai diameter partikel

yang mencapai ½ jarak antara r1 dan r2. Partikel ini bergerak dalam fluida dengan

jarak (r2 – r1)/2. Sehingga batasan untuk menyelesaikan integrasinya adalah

antara r=(r1+r2)/2 pada t = 0 dan r=r2 pada t=tT. Sehingga diperoleh:

Persamaan untuk kondisi khusus


Untuk kondisi dimana ketebalan lapisan liquid sangat kecil dibandingkan

radius mangkok maka dapat dianggap r ≈ r2 dan Dp =Dpc sehingga:

Waktu untuk settling tT menjadi:

Sehingga diperoleh qc adalah:

Dimana nilai violume V dapat dinyatakan dalam

V≈2πr2 (r2 – r1) b

Jika dikombinasikan maka akan diperoleh:

Contoh Soal:

1. Centrifuge has radius silinder 0,1016 m (0,333 ft) diputar dengan kecepatan

N = 1000 put/min.

a. Hitung gaya sentrifugal yang dikembangkan dalam bentuk gaya gravitasi

(113,6).

b. Bandingkan dengan gaya untuk mangkok dengan diameter 0.2032 m

berputar pada kecepatan yang sama dalam putaran/menit (r = 0.2032 =

227,2 gravities).

2. Larutan yang kental mengandung partikel dengan densitas ρp = 1461kg/m3

akan dijernihkan dengan sentrifugasi. Densitas larutan ρ=801 kg/m3 dan

viscositasnya 100 cp. Centrifus memiliki mangkok dengan r2 = 0,02225 m,


r1=0,00716 m dan tinggi b = 0,1970 m. Hitung diameter kritis berdasarkan

diameter partikel terbesar pada aliran keluar jika N = 23 000 putaran/menit

dan flow rate q = 0.002832 m3/h (ω = 2410 rad/s; V = 2,747x10-4 m3;

qc=7,87x10-7m3/s, Dpc = 0.746 µ , Dpc tersebut dimasukkan untuk memperoleh

nilai vt untuk mengecek apakah pengendapan masuk dalam daerah hukum

stokes).


modul v

Documents