BAB VIII PEMISAHAN PADAT - CAIR

BAB VIII PEMISAHAN PADAT - CAIR A. Bahasan Umum Sedimentasi adalah salah satu bentuk pemisahan padat dan cairan. Ada beberapa jenis operasi pemisahan padatan-cairan yang dapat dijumpai dalam industri kimia. Pelbagai jenis operasi pemisahan dan pertimbangan pemilihan jenis operasi pemisahan dapat dilihat dalam skema berikut ini : SOLID-LIQUID SEPARATION

Particles constrained, liquid free

Liquid constrained particles free

Flotation (dispersed air, dissalved air, elecrolitic)

Grafity sedimentation (theckeners, clarifiers)

Centrifugal sedimentation

Fixed wall (hidrociclones)

Cake filtration (vacum, preeuru, centrifugal

Deep bad Screening filtration (dewatering, (sand and vibrating cuke)

screens)

Roting wall (sedimenting centrifugess

Gambar: Klasifikasi operasi pemisahan padatan-cairan

Concentration

Flocculation

x<5

Particle size

Low

High

x >50

5 < x < 50 μm

Low

High

Low

High

Equipment

Deep bed filter cartridge filters precoal filtration sedimenting centrifuges

Cake filtration RV filters pressure filters plate and frame filters

Settling tanks centrifuges Hydrocyclones

Filtering centrifuges

Gambar : Hal-hal yang menentukan dasar pemilihan alat pemisah padatan-cair.

101

Sedimentasi mempelajari gerakan padatan dalam fluida (cairan dan gas). Oleh sebab itu hal-hal yang berhubungan dengan sifat fluida perlu diketahui terlebih dahulu. Fluida zat yang dapat mengalir, misalnya cairan, gas, slurry. Sifat-sifat fluida : -

Rapat massa (ρ)

-

Kekentalan fluida (μ)

1. Rapat Massa (Densitas (ρ)) Berdasarkan sifat rapat massa fluida dapat dikelompokkan menjadi dua : a. Fluida incompressible Dengan adanya penekanan rapat massa tidak berubah (sifat ini banyak dimiliki cairan) b. Fluida compressible Dengan adanya penekanan rapat massa tidak berubah (sifat banyak dimiliki oleh gas). Rapat massa (massa/volume) satuan g/cm2, kg/l, dan seterusnya. Spesific gravity = ρ/ ρref (tidak bersatuan) data ini sering dijumpai di pustaka dengan data ini rapat massa suatu zat dapat ditentukan. Untuk padatan dan cairan zat standar yang digunakan biasanya air pada suhu 400C atau sesuai dengan data informasi yang ada. 2. Kekentalan (viskositas, μ) Viskositas

fluida

suatu

tetapan

yang

menyatakan

perubahan

momentum terhadap waktu dibagi dengan satun luas dibagi dengan gradien kecepatan. Viscositas = μ =

d (mv) / dt A (dv / dy )

Satuan (sedimentasi) μ antara lain poice, g/(cm detik). Ada beberapa jenis viskositas yaitu :

102

a. Viscositas absolut (μ) b. Viscositas spesifik (μ/ μref) c. Viscositas kinematik (μ/ρ) B. Gerak Padatan dalam Cairan Gerak padatan dalam cairan ada yang ke atas ada yang ke bawah, tergantung densitas relatif padatan dalam cairan. Ada tiga peristiwa gerakan dalam cairan, yaitu : 1. Padatan diam fluida bergerak 2. Padatan bergerak fluida diam 3. Keduanya bergerak Gerakan padatan dalam cairan dimanfaatkan untuk operasi pemisahan campuran padatan cairan, yaitu operasi : 1. Sedimentasi (fluida diam, zat padat bergerak atau mengendap) 2. Elutriasi Aliran fluida ke atas dengan kecepatan tertentu dan tetap, sehingga untuk butiran dengan ukuran atau densitas tertentu terbawa ke atas, ukuran atau densitas yang lebih besar sebagai hasil bawah. 1. Gaya Gesek Terjadi pada sistem gerakan padat-fluida. Misal : Padatan bergerak dengan kecepatan v dan fluida diam, padatan bergerak maka fluida yang berada di sekitar padatan ikut bergerak dengan kecepatan u (karena ada gradien kecepatan maka ada perpindahan momentum ke fluida). 2. Hukum Newton m

d(mu) du dm m u dt dt dt

dengan : FD = gaya yang bekerja pada fluida m = massa fluida

103

u

= kecepatan max fluida yang dipengaruhi gerakan

padatan u = f(v) jika v tetap maka u tetap atau du / dt = 0 , sehingga FD = u

dm dt

dm =Avρ dt FD fD vr2

=u.Avρ

atau

FD = fD A ρ v r2 / 2

= fungsi bilangan Reynold f(Re) = kecepatan relatif padatan terhadap fluida

3. Kecepatan Relatif Padatan dalam pluida bergerak dengan kecepatan v Kecepatan relatif (vr) = v Padatan bergerak dengan kecepatan v fluida v Kecepatan relatif (vr) = v Padatan

bergerak dengan

kecepatan v1

fluida

bergerak dengan kecepatan v2 lebih cepat dari v1 dan searah Kecepatan relatif (vr) = v2 – v1 Padatan bergerak dengan kecep[atan v1 fluida bergerak dengan kecepatan v2 berlawanan arah  Kecepatan relatif (vr) = v2 – v1 Nilai fD dapat dibaca pada gambar 69 dan 70 (Brown) dengan parameter faktor berbentuk (ψ)

104

Ψ=

luas perm.bola yang mempunyai volume sama dengan volume butir luas permukaan partikel

Davg

= ukuran ayakan rata-rata = (D1 + D2) / 2

Ds

= diameter sama yang mempunyai volume sama dengan volume padatan

Untuk gerakan laminer (Re < 1) grafik Re vs FD  satu garis lurus dan tidak berpotongan Bila nilai v semakin besar FD juga semakin besar, sampai suatu saat besarnya F=0 atau

dv = 0 atau v tetap. Keadaan ini disebut dt

Keadaan Terminal (V maksimum) v2 maksimum= vm2 =

2 m g (ρ s  ρ  ) f D ρ ρs A

Untuk butir berbentuk bola dan gerakan laminer C = 24. A

= π/4 D2

m

= π/6 D3 ρs

fD

=

24 μ 24  Re ρ v m D

Persamaan vm dapat dituliskan menjadi vm

g D 2 (ρ s  ρ  ) = 18 μ

hukum stoke’s

4. Gerak Jatuh Butiran Padat Dalam Fluida Diam F KA

= G – K A - FD Dengan :

FD

G

105

G

= gaya berat

KA

= gaya keatas

FD

= gaya gesek

m

ρ A vr 2 dv m  m g  ρ g  fD dt ρs 2

ρ A vr 2 ρ dv  g(1  )  f D dt ρs 2m

Dengan ρs densitas padatan dan ρι densitas fluida Persamaan ini berlaku untuk : a. Padatan tidak berpori b. Fluida incompressible c. g uniform d. Padatan freely moving (tidak ada faktor lain di sekitarnya) 5. Pengaruh -Pengaruh Yang Mengganggu Persamaan Gerak (Bila asumsi yang diambil tidak dapat berlaku untuk permasalahan yang diamati) a. Hindered Settling Ada saling pengaruh antar partikel. Hal ini terjadi bila konsentrasi padatan cukup besar. Pendekatan Yang Digunakan Partikel dianggap bergerak dalam fluida yang bercampur dengan padatan. Untuk hal ini sifat fluida  sifat slurry (ρb, μb). Untuk keadaan ini hukum Stoke’s dapat dituliskan sebagai : vm

g D 2 (ρρ  ρb) = 18 μb

Nilai μb didekati dengan menggunakan rumus berikut atau dapat dibaca dari grafik 71 (Brown). μb 101,82(1 x)  μ x

x = fraksi volum cairan

106

Ρb

= berat campuran total per volum total

Untuk Butiran Berbentuk Bola Ada Cara Pendekatan Yang Lain VH =

g D 2 (ρρ  ρ) Fs 18 μ

Fs

=

vH vm

Nilai Fs merupakan fungsi x dapat dilihat dalam grafik berikut :

b. Flokulasi Ialah

suatu

peristiwa

butir-butir

padatan

saling

bergandengan. Keadaan ini menyebabkan vmaksimalnya semakin besar. Zat yang mendorong terjadinya flokulasi disebut flokulation agent. Pendekatan matematis untk peristiwa ini sangat komplek oleh sebab itu analisis terhadap peristiwa ini dilakukan secara percobaan laboratarium (empiris) c. Immobile Fluid Untuk butiran padatan yang bentuknya tidak beraturan, maka akan ada fluida yang terjerap di permukaan padatan tersebut Faktor koreksi untuk peristiwa ini dapat dituliskan dengan persamaan berkut:

107

Fs =

vH 0,12(1  a ) 2 a 3 = (x  ) vm 1 x 1 a

Dengan :a = volume immobile fluid per volum partikel d. Pengaruh Dinding Pengaruh dinding container tidak dapat diabaikan pengaruhnya bila nilai Dc/D tidak besar (kira-kira < 20) Faktor koreksi

Fs

= (1- D/Dc)2,25

laminer

Fs

= (1-(D/Dc)1,25)

turbulen

6. Persamaan Umum Gerak Partikel Bila ada gerakan kearah vertikal dan horizontal Horizontal FH

m

= FDH

dv h ρ A vr 2 v h  fD dt 2 vr

dv h ρ A vr v h  fD dt 2m

(A)

Vertikal FD

m

= G – KA - FDV

dv v ρ A vr 2 v v m  mg  ρ g  fD dt ρs 2 vr

dv v ρ A vr v v ρ  g(1  )ρ g  f D dt ρs 2m

Dengan vr

2

= v h  v 2v

(B) (C)

fD

= f (Re)

(D)

Re

= ρ vr D/μ

(E)

Persamaan A, B, C, D, dan E merupakan persamaan simultan.

108

Kalau Aliran Laminer =

fD

Cμ C = ρ D vr Re

(F)

dv v ρ A vr vh C μ C μ A vh   dt 2 m ρ vr D 2mD

(G)

dv v C μ A vh ρ  g(1  )  dt ρs 2mD

(H)

Persamaan F, G, dan H bukan merupakan persamaan simultan lagi. C. CLASSIFICATION Klasifikasi: Pemisahan material menjadi dua fraksi atau lebih didasarkan atas perbedaan kecepatan gerak dalam fluida. Sizing

: Proses pemisahan material yang sama densitasnya, tapi berbeda bentuk dan ukurannya.

Sorting

: Proses pemisahan material yang sama bentuk dan ukurannya tetapi berbeda densitasnya.

Pemisahan berdasarkan perbedaan ρ dan D, jika suatu keadaan untuk ρA > ρB tetapi DB >> DA tidak dapat terjadi pemisahan dengan sempurna. Oleh sebab itu perlu adanya batasan harga kisaran ukuran padatan agar menghasilkan pemisahan yang sempurna. Supaya

Pemisahan

Padatan

Berlangsung

Sempurna maka perbandingan ukuran padatan A dan B. vmA2 = vmB2 =

4D A g (ρ A  ρ) 3 f DB ρ 4D B g (ρ B  ρ) 3

f DB ρ

109

Dengan

Untuk partikel padatan A dan B yang mempunyai kecepatan maksimum sama (vmA = vmB), maka batasan perbandingan ukuran partikel dapat ditentukan dengan persamaan berikut :

DA fD A (  B   )  DB fD B (  A   ) Jika sifat gerakan turbulen sempurna maka fDA =fDA maka

DA (  B   )  DB (  A   )

Turbulen

Jika sifat gerakan laminer

DA fDA (  B   )  DB fDB (  A   )

DA fDA  Maka DB fDB

0,5

Laminer

Pemisahan dapat terjadi dengan baik bila Separation Ratio (perbandingan ukuran partikel yang kecil terhadap ukuran partikel yang terbesar)menurut persamaan berikut:

DA ( B  )  DB ( A   )

n

Turbulen

n=1

Laminer

n = 0,5

Transisi

0,5 < n < 1

Jika ρ harganya mendekati ρB atau sama dengan ρB maka (ρ B – ρ)

=0



DA 0 DB

Pada keadaan ini pemisahaan berlangsung sempurna pada sembarang perbandingan ukuran. Untuk mendapatkan medium yang berata jenisnya lebih besara dapat dilakukan dengan cara: 1. Melarutkan soluble material ke dalam cairan 2. Mendispersikan padatan yang relatif halus kedalam cairan

110

Gambar alat klasifikasi dan cara kerjanya dapat dibaca sendiri di text book. D. SEDIMENTASI Sedimentasi pemisahan slurry menjadi cairan bening cairan bening dan slurry yang lebih pekat (slude)

A : Cairan bening B : Zone dengan Konsentrasi Co C : Zone dengan konsentrasi C1 > Co D : cake atau endapan Sedimentasi

dalam

industri

dilakukan

secara

kontinyu

(sinambung), sedimentasi dalam laboratorium dilakukan secara batch. Data-data(persamaan-persamaan)pada proses kontinyu diperoleh dari data poses batch 1. Batch Sedimentasi Kecepatan turunnya bidang batas A-B disebut kecepatan sedimentasi. Pada periode awal merupakan “maximum velocity”atau dikenal dengan free settling. Data percobaan laboratorium --- tinggi bidang batas fungsi waktu

111

Kecepatan turunnya bidang batas = - slope =

dz = “terminal d

velocy”partikel- partikel yang berada pada bidang batas. V = f(ρs, ρ, μ, D, g, C, ψ) konsentrasi > >

V < < (karena ada saling pengaruh antar



partikel) Untuk bahan yang sama V =f (C)



penting untuk

perancangan alat sedimentasi untuk konsentrasi awal yang lebih pekat, kecepatan pengedapannya lebih lambat 

(hindered

settingnya lebih cepat) Menentukan Kecepatan pengendapan Vs konsentrasi  data –data sedimentasi secara Batch Kalau ditinjau titik dengan konsentrasi tetap (C), posisi titik tersebut semakinlama semakin tinggi  seolah-olah naik dengan kecepatanVL Neraca massa padatan pada zone dengan konsentrasi C

 C+dC

input = output A (V + dv + VL ) C

= A ( V + VL )( C + dC)

( V + VL ) C + C dv = ( V + VL ) C + (V + VL ) dC VL

=C

dv V dc

112

V

= f (C) 

dv dc

= f (C). Karena C tetap,

maka 

VL  C f ' (C )  f (C ) -

Maka V L

= tetap

 V = f(C) dapat ditentukan V  slope kurve Z vs ө Penentuan nilai CL Nilai CL dicari dengan cara sebagai berikut : Misal zone dengan konsentrasi CL bergerak keatas dengan kecepatan tetap VL. Mula-mula zone tersebut berada didasar tabung. -

Jadi V L

=

ZL

L

Pada saat ө = 0 (awal). Semua partikel berada diatas zone dengan konsentrasi CL (zone ini berada didasar tabung). Tapi pada saat ө = өL, semua partikel berada di bawah zone tersebut. Jadi dalam waktu өL semua partikel melewati zone tersebut. Jumlah paritikel yang menembus zone pada waktu өL = Jumlah total

partikel

dalam endapan. -

A (V + V L ) CL θL CL

= A Zo Co =

Zo Co VL  L  ZL

Berdasarkan data batch θL dan ZL dengan korelasi ini VL dan CL dapat ditentukan.

113

Dari dara batch dapat disusun V = f(C), korelasi ini sangat diperlukan pada perancangan sedimentasi kontinyu. Kecepatan merupakan fungsi konsentrasi, tetapi bukan merupakan konsentrasi

fungsi

konsentrasi

padatan

sama

awal akan

(Co).

Jadi

mempunyai

pada

saat

kecepatan

pengendapan yang sama, walaupun konsentrasi awal berbeda. Akhir sedimentasi semua padatan mengendap didasar, membentuk tumpukan padatan = Porositas (X) Porositas = X =

Volume rongga Volume total

Contoh penentuan pororitas Diket : ρs Ρ

=2

g cm3

=1

g cm3

Fraksi massa padatan = x = 20% Volume slurru mula-mula = A. 27 cm3 Basis 100 g slurry  padatan = 0,2 x 100 g = 20 gram Volume padatan

20 = 10 cm3 2

 cairan = 100 (1-X)

=

80 g = 80 cm3 1 g cm 3

Konsentrasi padatan

=

20 gram 2  g/cm3 3 (10  80) cm 9

Total padatan dalam slurry = =

2 27 A = 6 A gram 9

6A cm3 = 3 A cm3 2

Setelah mengendap Volume kueh

= 5. A cm3

114

Volume rongga Porositas

= 5A – 3A = 2A

2A = 0,4 5A

=

2. Continue Sedimentasi Perancangan Sedimentasi Kontinyu didasarkan atas Flux padatan yang diperkenankan. Kolom untuk sedimentasi kontinyu disebut Thickener

F CF

CV = 0 V, L, F CF, CV, CU

Volume campuran Waktu Massa padatan = Volume campuran

=

Karena tidak ada kontraksi volume maka Neraca massa = Neraca volume F=V+L

Cu L

FCF = V CV + L Cu karena CV = 0  F CF = LCU

Dasar Perancangan Luas thickener a. Tidak boleh ada partikel yang bergerak ke atas, oleh sebab itu luas tampang harus cukup besar.

115

b. luas tampang harus cukup untuk menampung gerak padatan ke bawah. Uraian masing-masing pernyataan 1) Luas tampang kecil 

kecepatan fluida keatas menjadi

besar. Sedangkan partikel dapat bergerak keatas bila Vm = Vf Oleh sebab itu dasar perancangan ( 2) Luas

V = Vm) A min

tampang thickener harus cukup untuk melewatkan

padatan kebawah. Padatan yang diletakan kebawah = FL FL = Padatan yang dibawa aliran kebawah + padatan kebawah karena settling FL = L C + A V C -- FL = f (C) Diinginkan FL > FCF atau f. Cp < FL oleh sebab itu harus dicek setiap ketinggian Amin



FL = FCF

Bila ada beberapa nilai Amin, Yang dipilih adalah yang nilainya maksimum Kedalaman Theckiner Kedalaman Thickener ditentukan oleh kecepatan pengeluaran hasil bawah. Kecepatan underflow turun Kedalaman

thickener

kedalaman thickener akan naik



dasar

perhitungannya

waktu

tinggal.

(Residence time) Residence time = lama suatu elemen bahan berada dalam suatu alat Hold up time = Residence time rata-rata θ

=

Volume massa  (Vo/Waktu) (massa/ waktu)

116

waktu tinggal rata-rata dalam campuran zone = θu

Zu 

Z o CF CU

A

F U Zo

u 

H A Cu FCF

H

F C F u A Cu

Penentuan θu Selama tes, massa zat padat dalam silinder tetap Subscript u menyatakan hasil bawah C menyatakan Compression zone θc

=

waktu

yang

diperlukan

sampai

mencapai

keadaan

Compression zone θc dapat diperkirakan dengan cara sebagai berikut :

Pada awal proses (keadaan free settling)



Pada tumpukan zat padat (akhir proses) 

slope tetap slpoe tetap

Titik potong antara 2 slope yang tetap dapat ditentukan Buat garis bagi sudut yang berbentuk dari perpotongan kedua garis singgung tersebut –θc dan Zc dapat ditentukan Titik potong antara garis yang melalui Zu dengan garis singung Cc

θu

117

Data pada batch sedimentasi

Gambar Thickener

118