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 ( ) =
(14.4-3)
Kecepatan rotasi diberikan sebagai N rev/min dan
=
(14.4-4)
N=
(14.4-5)
Substitusi persamaan (14.4-4) ke dalam persamaan (14.4-2), Fc newton = mr (
) = 0,01097 mrN2
(SI) (14.4-6)
Fc lbf =
(
) = 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 (2 N/60)2 = 0.001118 rN2
(SI) (14.4-7)
2
Fc/Fg = 0.000341 rN
(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).
(
)
(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 (
)
(14.4-9)
Integrasi antara limit r = r1 pada t = 0 dan r = r2 pada t = tT,
(
(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-r12). Substitusikan ke dalam Persamaan (14,4-10) dan selesaikan untuk nilai q,
(
(
)
)
=
π
(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
(
(
)
=
)
π (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:
(
)
(14.4-13) Waktu pengendapan tT kemudian mengikuti untuk kasus Dpc kritis. tT =
=
(14.4-14)
substitusi persamaan (14.4-13) ke persamaan (14.4-14) dan susun kembali
(
)
(14.4-15)
Volume V bisa dirumuskan V 2 r2 (r2-r1)b
(14.4-16)
Gabungkan persamaan (14.4-15) dan (14.4-16)
(
)
(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 clarified by centrifugation. The solution density
p
= 1461 kg/m3 is to be
= 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)
=
=
= 2410 rad/s
The bowl volume V is V = b(r22-r12) =
(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 = 7.87 x 10-7 m3/s
qc =
Substituting into Eq. (14.4-12) and solving for Dpc, qc = 7.87 x 10-7 m3/s (
=
)
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 (14.412) untuk mendapatkan (
qc = 2
)
=2vt .
(14.4-18)
di mana vt adalah kecepatan terminal pengendapan dari partikel di medan gravitasi dan
=
=
(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.
=
(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) =
(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 kg/m3 dan yang kedua adalah cairan ringan dengan densitas
L.
H
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 = [(2 rb) dr]
(14.4-23)
dimana b adalah tinggi dari mangkuk dalam m dan (2 rb) dr adalah volume fluida. Substitusikan persamaan (14.4-23) ke dalam persamaan (14.4-22) dan bagi kedua sisi dengan luas A = 2 rb dP = dFc/A = 2 r dr
(14.4-24)
dimana P adalah tekanan dalam N/m2 (lbf/ft2). Integrasi persamaan (14.4-24) antara r1 dan r2, P2 - P1 =
(r22-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.
(r22-r42) =
(r22-r12)
(14.4-26)
pemecahan untuk r22, posisi antarmuka,
r22=
(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
= 919.5 and
= 980.3 kg/m3. Substituting into Eq. (14.4-27) and
solving for r2, r2 2 = 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
