PROSES PEMISAHAN SENTRIFUGAL

(CENTRIFUGAL SEPARATION PROCESS)

Proses pemisahan sentrifugal terdiri atas pengendapan sentrifugal atau

sedimentasi, dan filtrasi sentrifugal.

1. Pengendapan sentrifugal atau sedimentasi

Sebelumnya telah didiskusikan metode proses dari pengendapan dan

sedimentasi di mana partikel dipisahkan dari suatu fluida dengan gaya gravitasi yang

terjadi pada partikel. Partikel dapat berupa padatan, gas, atau cairan dan fluidanya

dapat berupa cairan ataupun gas. Pada bagian ini kita akan mendiskusikan

pengendapan atau pemisahan partikel dari fluida berdasarkan gaya sentrifugal yang

terjadi pada partikel.

Penggunaan sentrifus meningkatkan gaya pada partikel berlipat ganda. Partikel

yang tidak dapat diendapkan dengan mudah atau sama sekali tidak mengendap dalam

pengendap gravitasi bisa dipisahkan dari fluida berdasarkan gaya sentrifugal. Gaya

pengendapan yang tinggi berarti bahwa kecepatan praktis dari pengendapan bisa

diperoleh dengan partikel kecil yang lebih banyak dibanding pada pengendap

gravitasi. Gaya sentrifugasi yang tinggi ini tidak mengubah kecepatan relatif

pengendapan dari partikel-partikel kecil, namun gaya-gaya ini mengatasi efek

gangguan dari gerak Brown dan arus konveksi bebas

Kadang pemisahan gravitasi bisa terjadi begitu lambat karena kedekatan

densitas partikel dan fluida, atau karena gaya-gaya asosiasi memegang komponen

bersamaan, sebagai emulsi. Sebagai contoh dalam industri susu, pemisahan krim dari

susu, menghasilkan susu tanpa rum. Pemisahan secara gravitasi membutuhkan waktu

berjam-jam, sementara pemisahan sentrifugal dapat dicapai dalam hitungan menit di

dalam pemisah krim. Pengendapan sentrifugal atau pemisahan digunakan pada

banyak industri makanan, seperti pengolahan minyak sayur, pengolahan protein ikan,

pengolahan jus buah dengan menghilangkan bahan selularnya, dan lain-lain.

Pemisahan sentrifugal juga digunakan dalam pengeringan kristal dan untuk

memisahkan emulsi dari cairannya atau padatan-cairan.

2. Filtrasi sentrifugal

Sentrifus juga digunakan dalam filtrasi sentrifugal di mana gaya sentrifugal

digunakan berdasarkan perbedaan tekanan untuk membuat aliran slurry pada

penyaring di mana ampas padatan terbentuk pada saringan. Ampas padatan granular

dari slurry diendapkan pada medium penyaring, terjadi pada rotary basket, dicuci,

lalu dikeringkan. Sentrifugasi dan penyaringan sederhana kompetitif di dalam

permasalahan pemisahan padatan-cairan.

14.14B Pengembangan Gaya dalam Pemisahan Sentrifugal

1. Pendahuluan

Pemisah sentrifugal memanfaatkan prinsip umum di mana sebuah obyek

berputar di sekitar sumbu atau titik pusat pada jarak radial konstan dari titik yang

bertindak dengan gaya. Obyek yang berputar terhadap suatu sumbu terus berubah

arah secara konstan dan mengalami percepatan, meskipun kecepatan rotasi konstan.

Gaya sentripetal ini bertindak dalam arah menuju pusat rotasi.

Jika objek yang diputar adalah sebuah wadah silinder, isi cairan dan padatan

mengerahkan kekuatan yang sama dan berlawanan, yang disebut gaya sentrifugal,

yang keluar ke dinding wadah. Gaya inilah yang menyebabkan pengendapan atau

sedimentasi partikel melalui lapisan cair atau filtrasi cairan melalui sebuah bed filter

cake di dalam ruang berputar berlubang (perforated rotating chamber).

Pada gambar 14.4-1a, mangkuk silinder ditunjukkan berputar dengan umpan

slurry partikel padat dan cair yang terdapat di bagian pusat. Umpan masuk dan

langsung dibuang ke luar menuju dinding wadah, seperti yang ditunjukkan pada

gambar 14.4-1b. Cairan dan padatan sekarang ditindaklanjuti oleh gaya gravitasi

vertikal dan gaya sentrifugal horizontal. Gaya sentrifugal biasanya begitu besar

sehingga gaya gravitasi bisa diabaikan. Lapisan cairan kemudian mengasumsikan

posisi kesetimbangan dengan permukaan yang hampir vertikal. Partikel mengendap

horizontal keluar dan menekan dinding mangkuk vertikal

Pada gambar 14.4-1c dua cairan yang memiliki densitas berbeda dipisahkan

dengan cara sentrifugasi. Fluida yang densitasnya lebih tinggi akan menempati

pinggiran luar karena gaya sentrifugal lebih besar pada fluida dengan densitas lebih

tinggi.

2. Persamaan untuk gaya sentrifugal.

Pada gerak melingkar, percepatan dari gaya sentrifugal adalah

ae = r2 (14.4-1)

di mana ae adalah percepatan dari gaya sentrifugal dalam m/s2 (ft/s2), r adalah

jarak radial dari pusat rotasi dalam m (ft), dan adalah kecepatan melingkar dalam

rad/s.

Gambar 14.4-1. Sketsa pemisahan sentrifugal: (a) awal umpan slurry masuk, (b)

pengendapan padatan dari cairan, (c) pemisahan dua fraksi cairan

Gaya sentrifugal Fc dalam N (lbf) yang bertindak pada partikel sesuai persamaan

Fc = mae = mr2 (SI)

(14.4-2)

Fc = (mr2)/gc (English)

di mana gc = 32.174 lbm.ft/lbf.s2.

Karena = v/r, di mana v merupakan kecepatan tangensial dari partikel dalam

m/s (ft/s),

Fc = mr ( vr )

2

= m v2

r(14.4-3)

Kecepatan rotasi diberikan sebagai N rev/min dan

= 2 N60

(14.4-4)

N = 60 v2 πr

(14.4-5)

Substitusi persamaan (14.4-4) ke dalam persamaan (14.4-2),

Fc newton = mr ( 2N60 )

2

= 0,01097 mrN2 (SI)

(14.4-6)

Fc lbf = mrgc

( 2N60 )

2

= 0,000341 mrN2 (English)

Dengan persamaan (14.3-2), gaya gravitasional pada partikel adalah

Fg = mg (14.3-2)

di mana g adalah percepatan gravitasi dan nilainya 9.80665 m/s2. Dalam kondisi gaya

gravitasional, gaya sentrifugal dikombinasikan dengan persamaan (14.3-2), (14.4-2),

dan (14.4-3).

Fc/Fg = r2/g = v2/rg = r/g (2N/60)2 = 0.001118 rN2 (SI)

(14.4-7)

Fc/Fg = 0.000341 rN2 (English)

di mana gaya dikembangkan dalam sentrifus adalah r2/g atau v2/rg kali sama

besarnya dengan gaya gravitasi. Ini sering dinyatakan seimbang dengan banyak gaya

g.

EXAMPLE 14.4-1. Force in a Centrifuge

A centrifuge having a radius of the bowl of 0.1016 m (0.333 ft) is rotating at N

= 1000 rev/min.

(a) Calculate the centrifugal force developed in terms of gravity forces

(b) Compare this force to that for a bowl with a radius of 0.2032 m rotating at the

same rev/min

Solution:

For part (a), r = 0.1016 m and N = 1000. Substituting into Eq. (14.4-7)

Fc/Fg = 0.001118 rN2 = 0.001118 (0.1016 m) (1000 rev/min)2

= 113.6 gravities or g's

For part (b), r = 0.2032 m. Substituting into Eq (14.4-7)

Fc/Fg= 0.001118 rN2 = 0.001118 (0.2032 m) (1000 rev/min)2

= 227.2 gravities or g's

14.4C Persamaan Untuk Kecepatan Pengendapan Dalam Sentrifus

1. Persamaan umum untuk pengendapan.

Jika sebuah sentrifus digunakan untuk sedimentasi (pemindahan partikel

dengan cara pengendapan), partikel dengan ukuran tertentu bisa dipindahkan dari

cairan dalam mangkok jika waktu tinggal partikel dalam mangkok tersedia untuk

partikel mencapai dinding. Untuk partikel yang berpindah secara radial dengan

kecepatan terminal pengendapannya, diameter dari partikel terkecil yang dipindahkan

bisa dihitung.

Pada gambar 14.4-2 skema dari sentrifus tubular-bowl ditunjukkan. Umpan

masuk dari bagian bawah dan diasumsikan semua cairan bergerak ke atas pada

kecepatan yang sama, membawa partikel padatan bersamanya. Partikel di asumsikan

bergerak radial pada kecepatan terminal pengendapan vt. Lintasan atau jalur dari

partikel ditunjukkan pada gambar 14.4-2. Partikel dengan ukuran tertentu

dipindahkan dari cairan jika waktu tinggalnya cukup tersedia untuk partikel mencapai

dinding bowl, di mana partikel itu berada. Panjang dari bowl (mangkuk) adalah b m.

Gambar 14.4-2. Pengendapan partikel dalam sedimentasi tubular-bowl centrifuge

Pada akhir waktu tinggal dari partikel dalam fluida, partikel berada pada jarak

rB m dari sumbu rotasi. Jika rB < r2, maka partikel meninggalkan bowl dengan fluida.

Jika rB = r2, partikel melekat pada dinding mangkuk dan secara efektif dipindahkan.

Untuk pengendapan pada hukum Stokes, kecepatan terminal pengendapan pada

jarak r diperoleh dengan cara substitusi persamaan (14.4-1) untuk percepatan g ke

dalam persamaan (14.3-9).

v t=❑2r D p2¿¿ (14.4-8)

di mana vt adalah kecepatan pengendapan dalam arah radial dalam m/s, Dp adalah

diameter partikel dalam m, ρp merupakan densitas partikel dalam kg/m3, ρ adalah

densitas cairan dalam kg/m3, dan µ adalah viskositas cairan dalam Pa.s. Jika

pengendapan terjadi, ruas kanan dari Persamaan (14.4-8) dikalikan dengan faktor

(ε2Ψp ) yang diberikan dalam Persamaan (14.3-16).

Karena vt = dr/dt, maka Persamaan (14.4-8) menjadi

d t=18

❑2¿¿ (14.4-9)

Integrasi antara limit r = r1 pada t = 0 dan r = r2 pada t = tT,

tT=18

❑2 ¿¿ (14.4-10)

Waktu tinggal tT sama dengan volume cairan V m3 dalam mangkuk dibagi dengan laju

alir volumetrik umpan q dalam m3/s. Volume V = πb(r22-r1

2). Substitusikan ke dalam

Persamaan (14,4-10) dan selesaikan untuk nilai q,

q=❑2 ¿¿ = ❑2¿¿ (14.4-11)

Partikel yang memiliki diameter yang lebih kecil dari yang dihitung dengan

Persamaan (14.4-11) tidak akan mencapai dinding mangkuk dan akan keluar bersama

dengan cairan yang keluar. Partikel yang lebih besar akan mencapai dinding dan

dihilangkan dari cairan.

Sebuah titik potong atau diameter kritis DPC dapat didefinisikan sebagai

diameter partikel yang mencapai 1/2 jarak antara r1 dan r2. Partikel melewati jarak dari

setengah lapisan cairan atau (r2-r1)/2 selama partikel ini berada dalam sentrifus.

Integrasi antara r = (r1 + r2)/2 pada t = 0 dan r = r2 pada t = tT. Kemudian kita

memperoleh

qc=❑2 ¿¿ = ❑2¿¿ (14.4-12)

Pada kecepatan alir qc ini, partikel-partikel dengan diameter yang lebih besar daripada

Dpc akan mengendap di dinding dan kebanyakan partikel-partikel kecil akan tetap

dalam cairan.

2. Kasus spesial untuk pengendapan.

Untuk kasus spesial di mana ketebalan dari lapisan cairan kecil dibandingkan

dengan jari-jari, persamaan (14.4.8) bisa ditulis untuk konstan r r2 dan Dp Dpc

yang mengikuti:

v t=❑2r2 Dpc¿¿ (14.4-13)

Waktu pengendapan tT kemudian mengikuti untuk kasus Dpc kritis.

tT = Vqc

= (r2−r1)/2

v t

(14.4-14)

substitusi persamaan (14.4-13) ke persamaan (14.4-14) dan susun kembali

qc=❑2 r2 D pc2¿¿ (14.4-15)

Volume V bisa dirumuskan

V 2r2 (r2-r1)b (14.4-16)

Gabungkan persamaan (14.4-15) dan (14.4-16)

qc=2 b r222 D pc

2¿¿ (14.4-17)

Analisis di atas agak disederhanakan. Pola aliran dari fluida sebenarnya lebih

rumit. Persamaan ini juga bisa digunakan untuk sistem cair-cair di mana tetesan dari

cairan bermigrasi menurut persamaan dan bersatu dengan fasa cair lainnya.

EXAMPLE 14.4-2. Settling in a Centrifuge

A viscous solution containing particles with a density p = 1461 kg/m3 is to be

clarified by centrifugation. The solution density = 801 kg/m3, and its viscosity is

100 cp. The centrifuge has a bowl with r2 = 0.02225 m, r1 = 0.00716 , and height b =

0.1790 m. Calculate the critical particle diameter of the largest particles in the exit

stream if N = 23000 rev/min and the flow rate q = 0.002832 m3/h.

Solution:

Using Eq. (14.4-4)

= 2 N60

= 2(23000)

60 = 2410 rad/s

The bowl volume V is

V = b(r22-r1

2) = (0.1970) [(0.02225)2-(0.00716)2] = 2.747 x 10-4 m3

Viscosity µ = 100 x 10-3 = 0,100 Pa.s = 0.100 kg/m.s. The flow rate qc is

qc = 0.002832

3600 = 7.87 x 10-7 m3/s

Substituting into Eq. (14.4-12) and solving for Dpc,

qc = 7.87 x 10-7 m3/s

= (2410)2 (1461−801 ) D pc

2 (2.747 x 10−4 )18 (0.100 ) ln [2 x 0.02225/ (0.00716+0.02225)]

Dpc = 0.746 x 10-6 m or 0.746 m

Substituting into Eq.(14.4-13) to obtain vt and then calculating the Reynolds number,

the settling in the Stokes’ law range.

3. Nilai sigma dan peningkatan sentrifuse.

Karakteristik fisik yang berguna dari tubular-bowl centrifuge bisa diturunkan

dengan mengalikan dan membagi persamaan (14.4-12) dengan 2g dan kemudian

disubstitusi ke persamaan (14.3-9) yang ditulis untuk Dpc menjadi persamaan (14.4-

12) untuk mendapatkan

qc = 2 ¿¿ ω2 V

2 g ln [2 r2/ (r1+r2 )] =2vt . (14.4-18)

di mana vt adalah kecepatan terminal pengendapan dari partikel di medan gravitasi

dan

= ω2 V

2 g ln [2 r2/ (r1+r2 )] = ω2 b(r2

2−r12)

2 g ln [2 r2/ (r1+r2 )] (14.4-19)

di mana ∑ adalah karakteristik fisik dari sentrifus dan bukan sistem fluida-partikel

yang terpisah. Dengan menggunakan persamaan (14.4-17) untuk kasus spesial untuk

pengendapan pada lapisan tipis.

= ω2 b 2 r2

2

g (14.4-20)

Nilai dari ∑ adalah luas dalam m2 dari gravitational settler yang akan

mempunyai karakteristik sedimentasi yang sama sebagai sentrifus untuk laju umpan

yang sama. Untuk meningkatkan q1 dari tes labor dan ∑1 menjadi q2 (untuk vt1 = vt2)

q1

∑1

= q2

∑2

(14.4-21)

Prosedur peningkatan ini dapat diandalkan untuk tipe sejenis dan sentrifus geometri

dan jika gaya sentrifugal dalam factor 2 dari satu sama lain. Jika konfigurasi yang

digunakan berbeda, faktor efisiensi E seharusnya digunakan di mana q1/∑1 E1 = q2/∑2

E2. Efisiensi ini ditentukan secara eksperimen dan nilai untuk tipe sentrifuse yang

berbeda diberikan di lain tempat (F1, P1)

4. Pemisahan cairan-cairan di dalam sentrifus.

Pemisahan cair-cair yang mana cairan bercampur tetapi terdispersi dengan baik

sebagai sebuah emulsi umumnya beroperasi pada industri makanan dan lainnya.

Sebagai contoh industri susu, di mana emulsi susu dipisahkan menjadi skim milk dan

krim. Dalam pemisahan cair-cair, posisi dari keluarnya aliran pada sentrifuse itu

penting, tidak hanya dalam mengontrol volumetric hold up V di sentrifus tetapi juga

menentukan apakah pemisahan sebenarnya terbentuk.

Pada gambar 14.4-3 tubular-bowl centrifuge yang dilihatkan yang mana

sentrifus adalah pemisahan dua fase cair, yang satu cairan berat dengan densitas H

kg/m3 dan yang kedua adalah cairan ringan dengan densitas L. Jarak yang

ditunjukkan sebagai berikut: r1 adalah jari-jari untuk permukaan lapisan cair ringan, r2

adalah jari-jari antarmuka cair-cair, dan r4 adalah jari-jari permukaan untuk cairan

berat.

Untuk melokasikan antarmuka, keseimbangan harus dibuat dari tekanan di dua

lapisan. Gaya pada fluida pada jarak r, dengan persamaan (14.4-2):

Fc = mr2 (14.4-2)

kekuatan diferensial seluruh ketebalan dr adalah

dFc = d mr2 (14.4-22)

tetapi,

dm = [(2rb) dr] (14.4-23)

dimana b adalah tinggi dari mangkuk dalam m dan (2rb) dr adalah volume fluida.

Substitusikan persamaan (14.4-23) ke dalam persamaan (14.4-22) dan bagi kedua sisi

dengan luas A = 2rb

dP = dFc/A = 2r dr (14.4-24)

dimana P adalah tekanan dalam N/m2 (lbf/ft2).

Integrasi persamaan (14.4-24) antara r1 dan r2,

P2 - P1 = ❑2

2 (r2

2-r12) (14.4-25)

Terapkan persamaan (14.4-25) ke gambar 14.4-3 dan samakan tekanan yang

diberikan oleh fase cahaya dengan ketebalan r2-r1 ke tekanan yang diberikan oleh fase

berat dengan ketebalan r2-r4 pada antarmuka cair-cair pada r2.

❑H ❑2

2 (r2

2-r42) = ❑L❑

2

2 (r2

2-r12) (14.4-26)

pemecahan untuk r22, posisi antarmuka,

r22=

❑H r42−❑L r1

2

❑H−❑L (14.4-27)

antarmuka pada r2 harus dilokasikan pada jarak lebih kecil dai r3 pada gambar 14.4-3

Gambar 14.4-3. Tubular bowl centrifuge untuk memisahkan dua fasa liquid

EXAMPLE 14.4-3. Location of Interface in Centrifuge

In a vegetable-oil-refining process, an aqueous phase is being separated from the oil

phase in a centrifuge. The density of the oil is 919.5 kg/m3 and that of the aqueous

phase is 980.3 kg/m3. The radius r1 for overflow of the light liquid has been set at

10.160 mm and the outlet for the heavy liquid at 10.414 mm. Calculate the location of

the interface in the centrifuge.

Solution:

The densities are ❑L= 919.5 and ❑H= 980.3 kg/m3. Substituting into Eq. (14.4-27)

and solving for r2,

r22 =

980.3(10.414)2−919.5(10.160)2

980.3−919.5

r2 = 13.75 mm

14.4D Peralatan Sentrifus untuk Sedimentasi

1. Tubular centrifuge/Sentrifus tubular.

Skema dari tubular bowl centrifuge (mangkuk sentrifus tubular) ditunjukkan

pada gambar 14.4-3. Mangkuknya tinggi dan memiliki diameter sempit, 100 sampai

150 mm. Sentrifugal tersebut dikenal sebagai supercentrifuges (sentrifus super),

mengembangkan kekuatan sekitar 13000 kali gaya gravitasi. Beberapa sentrifus

sempit berdiameter 75 mm dan kecepatan yang sangat tinggi yaitu 60000 atau lebih

putaran/menit dikenal sebagai ultracentrifuges (ultrasentrifus). Supercentrifuges ini

sering digunakan untuk memisahkan emulsi cair-cair.

2. Disk bowl centrifuge/sentrifus piringan yang berbentuk mangkuk.

Disk bowl centrifuge yang ditunjukkan dalam gambar 14.4-4 sering digunakan

dalam pemisahan cair-cair. Umpan memasuki kompartemen yang sebenarnya di

bagian bawah dan naik ke atas melalui lubang-lubang umpan ruang vertikal, mengisi

ruang antara piringan. Lubang-lubang itu membagi perakitan vertikal ke bagian

dalam, di mana sebagian besar berisi cairan ringan, dan bagian luar, di mana

kebanyakan berisi cairan berat. Garis pemisah ini mirip dengan sebuah antarmuka

dalam sentrifus tubular.

Cairan berat mengalir di bagian bawah piringan ke pinggiran mangkuk. Cairan

ringan mengalir melalui sisi atas dari piringan dan menuju outlet dalam. Setiap

jumlah kecil padatan berat dibuang ke dinding luar. Pembersihan secara berkala

diperlukan untuk menghilangkan padatan yang disimpan. Disk bowl centrifugal

digunakan dalam pemisahan pati-gluten, krim, dan konsentrasi getah karet

Gambar 14.4-4 Skema dari disk bowl centrifuge

TUGAS OPERASI TEKNIK KIMIA 1

PROSES PEMISAHAN SENTRIFUGAL

(CENTRIFUGAL SEPARATION PROCESS)

Oleh:

Kelompok 2

Kelas A

Muhammad Yahya (1107120113)

Teddy Pratama (1107114357)

Bonita Ester (1107114169)

Rizka Aulia Hardi (1107136560)

Triyana Defi (1107120892)

PROGRAM SARJANA TEKNIK KIMIA

UNIVERSITAS RIAU

2013