Buku Ajar Perlakuan Mekanik Revisi [PDF]

Citation preview

Tujuan Pembelajaran Umum Mahasiswa mampu memahami prinsip-prinsip kerja, perhitungan operasi teknik kimia, tujuan dan manfaat satuan operasi secara mekanik Tujuan Pembelajaran Khusus Mahasiswa dapat memahami prinsip-prinsip kerja, perhitungan operasi teknik kimia, tujuan dan manfaat satuan operasi secara mekanik 1.1 Perlakuan Mekanik Dalam Teknik Kimia dan bidang-bidang terkait, unit operasi adalah suatu tahapan dasar dalam suatu proses. Suatu proses dapat terdiri dari banyak unit operasi untuk mendapatkan produk yang diinginkan. Setiap unit operasi mengikuti hukum fisika yang sama dan dapat digunakan pada semua industri kimia. Unit operasi menjadi prinsip dasar dalam bidang teknik kimia. Unit operasi dan teknik kimia membentuk dasar utama untuk segala jenis industri kimia dan merupakan dasar perancangan pabrik kimia serta alat-alat yang digunakan. Dalam Teknik Kimia, proses pemisahan digunakan untuk mendapatkan dua atau lebih produk yang lebih murni dari senyawa kimia. Sebagian besar senyawa kimia ditemukan di alam dalam keadaan yang tidak murni. Biasanya, suatu senyawa kimia berada dalam keadaan tercampur dengan senyawa lain. Untuk beberapa keperluan seperti sintesis senyawa kimia yang memerlukan bahan baku senyawa kimia dalam keadaan murni atau proses produksi suatu senyawa kimia dengan kemurnian tinggi, proses pemisahan perlu dilakukan Dalam proses pemisahan digunakan untuk mendapatkan dua atau lebih produkyang lebih murni dari suatu senyawa kimia. Secara mendasar, proses pemisahan dapat diterangkan sebagai proses. Proses pemisahan sendiri dapat diklasifikasikan menjadi proses pemisahan secara mekanis atau kimiawi. Pemilihan jenis proses pemisahan yang digunakan bergantung pada kondisi yang dihadapi. Pemisahan dengan cara perlakuan mekanis dilakukan kapanpun memungkinkan karena biaya operasinya lebih murah dari pemisahan secara kimiawi. Untuk campuran yang tidak dapat dipisahkan melalui proses pemisahan dengan perlakuan mekanis (seperti pemisahan minyak bumi), proses pemisahan kimiawi harus dilakukan. Proses pemisahan suatu campuran dapat dilakukan dengan berbagai metode. Metode pemisahan yang dipilih bergantung pada fasa komponen penyusun campuran. Suatu campuran dapat berupa campuran homogen (satu fasa) atau campuran heterogen (lebih dari satu fasa). Suatu campuran heterogen dapat mengandung dua atau lebih fasa: padat-



padat, padat-cair, padat-gas, cair-cair, cair-gas, gas-gas, campuran padat-cair-gas, dan sebagainya. Pada berbagai kasus, dua atau lebih proses pemisahan harus dikombinasikan untuk mendapatkan hasil pemisahan yang diinginkan.Pemisahan komponen-komponen dari suatu campuran menjadi fraksi-fraksi lain yang berbeda, baik dalam ukuran partikel, fase, atau komposisi kimianya diperlukan suatu proses pemisahan. Misalnya :



 Proses reduksi ukuran untuk menghasilkan ukuran dan bentuk partikel yang sesuai dengan kebutuhan pada proses berikutnya dan memperluas permukaan partikel agar dapat mempercepat kontak dengan zat lain.  Proses distilasi untuk memisahkan dua produk atau lebih di dalam suatu campuran menjadi produk yang murni.  Proses klasifikasi untuk menghasilkan produk yang berharga, seperti bijih logam dengan memisahkan dari penggotornya dan sebagainya. Banyak metode yang digunakan untuk melakukan pemisahan (separasi), dan ada beberapa satuan operasi yang dikhususkan untuk itu. Dalam praktek, banyak. masalah separasi yang harus dihadapi dan kita harus memilih di antara berbagai metode itu, mana yang paling cocok untuk masalah yang dihadapi. Prosedur pemisahan komponen-komponen campuran dapat dikelompokkan menjadi dua metode, yaitu:



 Metode operasi difusi (diffusional operation) yang meliputi perubahan fase atau 



perpindahan bahan dari satu fase ke fase yang lain Metode separasi dengan perlakuan mekanik atau pemisahan mekanik (mechanical separation), yang digunakan untuk memisahkan partikel zat padat atau tetesan zat cair dengan memanfaatkan gaya-gaya yang bekerja pada partikel dan fluida.



Gaya-gaya yang bekerja pada proses pemisahan dengan perlakuan mekanik adalah gaya gravitasi, gaya sentrifugal dan, gaya tekan atau vakum. Separasi dengan perlakuan mekanik dipakai untuk campuran heterogen, bukan untuk larutan homogen, terutama adalah mengenai partikel ukuran lebih besar dari 0,1 µm. Teknik-teknik ini didasarkan atas perbedaan fisika antara partikel-partikel itu, seperti ukuran, bentuk, atau densitas. Teknik ini dapat digunakan untuk memisahkan zat padat dari gas, tetesan zat cair dari gas, zat padat dari zat padat, atau zat padat dari zat cair. Penggunaan perbedaan laju sedimentasi partikel atau tetesan pada waktu bergerak melalui zat cair atau gas.



1.2 Klasifikasi Proses Pemisahan Dengan Prinsip Perlakuan Mekanik Proses pemisahan dengan perlakuan mekanik diklasifikasikan sebagai berikut :



2 Pemisahan Mekanik



     



Reduksi ukuran (size reduction) Pemisahan berdasarkan ukuran (sizing) Pemisahan dengan pengendapan dan sedimentasi (settling and sedimentation) Pemisahan dengan filtrasi Pemisahan dengan gaya sentrifugal Fluidisasi



Reduksi ukuran atau pengecilan ukuran (kominusi) merupakan tahap awal dalam proses pengolahan bahan dalam industri yang bertujuan untuk : 1. Membebaskan / meliberasi mineral berharga dari material pengotornya. 2. Menghasilkan ukuran dan bentuk partikel yang sesuai dengan kebutuhan pada proses berikutnya. 3. Memperluas permukaan partikel agar dapat mempercepat kontak dengan zat lain Pemisahan berdasarkan ukuran (sizing) adalah proses pemisahan secara mekanik berdasarkan perbedaan ukuran partikel yang menggunakan peralatan ayakan. Pengayakan (screening) dipakai dalam skala industri, sedangkan penyaringan (sieving) dipakai untuk skala laboratorium Pemisahaan Sedimentasi adalah metode pemisahan padatan dan cairan (suspensi) dengan menggunakan gaya gravitasi untuk mengendapkan partikel suspensi. Pemisahan dengan sentrifugasi adalah metode pemisahan campuran padatan dan cairan (suspensi) dengan menggunakan gaya sentrifugal untuk mengendapkan partikel suspensi. Filtrasi adalah suatu operasi pemisahan campuran antara padatan dan cairan (slurry) dengan melewatkan umpan berupa campuran padatan - cairan melalui medium penyaring (filter), karena adanya daya dorong (driving force) yaitu perbedaan tekanan masuk umpan dan tekanan keluar filtrat. Pemisahan dengan filtrasi sentrifugasi adalah suatu operasi pemisahan campuran antara padatan dan cairan (slurry) dengan melewatkan umpan berupa campuran padatan cairan melalui medium penyaring (filter), karena adanya gaya sentrifugal. Fluidisasi merupakan salah satu teknik pengontakan fluida baik gas maupun cairan dengan butiran padat. Pada fluidisasi kontak antara fluida dan partikel padat terjadi dengan baik karena permukaan kontak yang luas.



3 Pemisahan Mekanik



Tujuan Pembelajaran Umum 1. Mahasiswa mampu menjelaskan proses pengecilan/pengurangan ukuran bahan padat dari ukuran kasar/besar menjadi bentuk yang lebih halus/kecil dengan pemecahan/crushing dan penggilingan/grinding. 2. Mahasiswa mampu menjelaskan teori energi dan daya yang dibutuhkan untuk pengecilan/pengurangan ukuran (energi kominusi); yaitu teori Kick, Rittinger dan Bond Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan proses pengecilan pengurangan ukuran bahan padat dan ukuran kasar/besar menjadi bentuk yang lebih halus/kecil dengan pemecahan/crushing dan penggilingan/grinding. 2. Mahasiswa dapat menjelaskan teori energi dan dayayang dibutuhkan untuk pengecilan/pengurangan ukuran (energi kominusi); yaitu teori Kick, Rittinger dan Bond 2.1 Pendahuluan Kominusi atau pengecilan ukuran merupakan tahap awal dalam proses perlakuan me kanik yang bertujuan untuk : 1. Membebaskan / meliberasi mineral berharga dari material pengotornya dalam bijih logam. 2. Menghasilkan ukuran dan bentuk partikel yang sesuai dengan kebutuhan pada proses berikutnya. 3. Memperluas permukaan partikel agar dapat mempercepat kontak dengan zat lain, misalnya reagen flotasi. Kominusi ada 2 (dua) macam, yaitu : 1. Peremukan / pemecahan (crushing) 2. Penggerusan / penghalusan (grinding) Disamping itu kominusi, baik peremukan maupun penggerusan, bisa terdiri dari beberapa tahap, yaitu : 1



Tahap pertama / primer (primary stage)



4 Pemisahan Mekanik



2 3



Tahap kedua / sekunder (secondary stage) Tahap ketiga / tersier (tertiary stage)



Variabel Operasi Pengecilan Ukuran (SR) : 1. Moisture content : kandungan cairan. Di bawah 3 – 4 % (%berat) cairan dalam bahan, SR tidak mengalami kesulitan. Di atas 4%, bahan menjadi sticky (lengket), cenderung menyumbat mesin/alat. Di atas 50%, wet size reduction, biasanya untuk padatan halus. 2. Reduction ratio : rasio diameter rata-rata umpan dengan diameter rata-rata produk. Reduction Ratio=



diameter rata−rataumpan diameter rata−rata produk



Mesin penghancur ukuran besar atau crusher, mempunyai rasio 3 s/d 7. Mesin penhancur ukuran halus atau grinder, mempunyai rasio s/d 100. 2.2 Kebutuhan Energi Dan Daya Untuk Pengecilan Ukuran Energi yang dibutuhkan crusher/grinder digunakan untuk : a. Mengatasi friksi mekanis. b. Menghancurkan bahan.



Teori-teori atau hukum-hukum untuk memprediksi kebutuhan energi dan daya dalam reduksi ukuran, memberikan kalkulasi hasil perhitungan mendekati sekitar 0,1-2% dari hasil pengukuran. Energi dan daya yang dibutuhkan diturunkan dari teori-teori perubahan energi dE terhadap perubahan ukuran dX dari partikel ukuran X berbanding terbalik, seperti pada persamaan dibawah ini : dE =−c X −n dX



(1)



Dimana: dE = perubahan energy dX = perubahan ukuran C, n = konstanta yang besarnya tergantung dari jenis material dan alat Teori-Teori/Hukum-Hukum Untuk Menentukan Energi Kominusi 1. Teori/Hukum Rittinger 2. Teori/Hukum Kick’s 3. Teori/Hukum Bond 1. Teori/Hukum Rittinger



5 Pemisahan Mekanik



Energi ini proporsional terhadap luas permukaan baru yang terbentuk. Rittinger melakukan percobaan tentang hal ini, menggunakan“ a drop weight crusher” Hasil percobaannya dinyatakan dalam energi mekanis yang dibutuhkan luas permukaan baru yang terbentuk. Contoh : quartz , setiap energi 1 kg-cm akan memberikan luas permukaan baru sebesar 17,56 cm2. Luas permukaan baru = selisih luas permukaan sebelum dihancurkan dan setelah dihancurkan pada bilangan Rittinger, hal ini disebabkan energi alat harusmengatasi friksi dan efek enersia Menurut Rittinger energi kominusi sebanding dengan luas permukaan baru yang terbentuk, maka, dalam penelitiannya Rittinger menentukan harga n = 2, sehingga, dE =−c X −n dX XP



E



∫ dE=−C ∫ X−n dX , dintegralkan dengan batas: X 0



E=



1



= XF dan X2 = XP, maka:



XF



C 1 1 C 1 1 − n−1 = − 2−1 n−1 2−1 n−1 X P 2−1 X P XF XF



[



−1 E=C [ X −1 P −X F ]=C



[



]



[



1 1 − X P XF



]



]



KR = Cv = vkonstanta Rittinger, maka : E=K R



[



1 1 − X P XF



]



(2)



2. Teori/Hukum Kick’s Dalam penelitiannya Kick’s menentukan harga n = 1, maka; dE =−c X −n dX XP



E



∫ dE=−C ∫ X−n dX 0



XF



E



XP



∫ dE=−C ∫ X−1 dX, dintegralkan dengan batas: X 0



E=−C [ ln X ]



1



= XF dan X2 = XP, maka:



XF



xP =−C [ ln X P−ln X F ]=C [ ln X F −ln X P ] xF



KK=C=konstanta Kick’s, maka :



6 Pemisahan Mekanik



E=K K [ ln X F −ln X P ]



(3)



3. Teori/Hukum Bond Dalam penelitiannya Bond menentukan harga n = 1,5 , maka; dE =−c X −n dX XP



E



∫ dE=−C ∫ X−n dX, dintegralkan dengan batas: X 0



E=



1



= XF dan X2 = XP, maka:



XF



C 1 1 C 1 1 −0,5 −0,5 − n−1 = − 1,5−1 =2C [ X P −X F ] 1,5−1 n−1 X n−1 1,5−1 XF XP XF P



[



]



[



]



−0,5 KB = 2C, maka :E=K B [ X −0,5 P − XF ]



E=K B



[



1 1 kWh − √ X P √ X F Ton



]



(4)



Dimana : KB= konstante Bond XF = ukuran umpan 80% lolos (mm) XP = ukuran produk 80% lolos (mm) Untuk menentukan KB, Bond melakukan percobaan dengan mereduksi ukuran dari ukuran sangat besar (∞) menjadi ukuran 100 µm (80% lolos), sehingga : XF = ∞ dan XP = 100 µm = 0,1 mm E=K B



[√



1 1 − E=K B 0,1 √ ∞



]



[√



1 −0 → K B=E √ 0,1 0,1



]



Energi untuk reduksi ukuran dari ukuran sangat besar (∞) menjadi ukuran 100 µm (80% lolos) didifinisikan sebagai indek kerja material (Ei ) (kWh/Ton), sehingga rumus Bond menjadi : E=√ 0,1 Ei



[



1 1 kWh − √ X P √ X F Ton



]



(5)



Dimana : K B=Ei √ 0,1 Bila daya yang dibutuhkan P (kW) dan laju umpan T (Ton/jam), maka :



7 Pemisahan Mekanik



P =E= √0,1 Ei T



[



1 1 kWh − √ X P √ X F Ton



]



(6)



Bila, XF dan XP dalam satuan µm ( 1mm = 1000µm ), maka : P =E= √0,1 x 1000 Ei T P =E=10 Ei T



[√



[√



1 1 kWh − X P √ X F Ton



]



1 1 kWh − X P √ X F Ton



]



(7)



Bila, XF dan XP dalam satuan ft ( 1ft = 304,8 mm ), maka : P 1 =E= 0,1 x E T 304,8 i



√



P =E=0,0181 Ei T



[√



1 1 kWh − X P √ X F Ton



]



1 1 kWh − (8) √ X P √ X F Ton Bila P (dalam HP), T (dalam Ton/menit) , XF dan XP dalam satuan ft (1 ft=304,8 mm), maka : P 1 1 kWh HP 60 menit =E=0,0181 Ei − x x T 1h √ X P √ X F Ton 0,746 kW P =E=1,46 Ei T



[



[



]



[



]



1 1 HP − √ X P √ X F Ton/menit



]



(9)



Contoh-1: Untuk memecah 10 Ton/jam material hematite dengan indek kerja 12,68 kWh/Ton digunakan Crusher. Ukuran umpan 80% lolos 3-in (76,2 mm)(80% dan ukuran produk 80% lolos 1/8-in(3,175 mm). Hitung : a. Energi yang dibutuhkan dalam kWh/Ton HP b. Energi yang dibutuhkan dalam Ton/menit c. Daya yang dibutuhkan dalam kW d. Daya yang dibutuhkan dalam HP Penyelesaian : Ei = 12,68 kWh/Ton T = 10 Ton/jam XF = 3-in = 76,2 mm = 76200 µm XP = 1/8-in = 3,175 mm = 3175 µm P a. Energi dalam (kWh/Ton): T =E=10 Ei



[√



1 1 kWh − X P √ X F Ton



]



8 Pemisahan Mekanik



P =E=10(12,68) T



1 1 kWh − √ 3175 √ 76200 Ton



[



]



P kWh =E=1,8 T Ton b. Energi dalam (



P =E=1,46 Ei T



HP ): Ton/menit



[



1 1 HP − √ X P √ X F Ton /menit



]



XF = 3-in = 0,25 ft XP= 1/8-in=0,0104 ft P =E=1,46 ( 12,68 ) T



c. Daya, P (kW):



[√



1 1 − 0,0104 √ 0,25



P=T E=10



]



HP HP =144,5 Ton Ton /menit menit



Ton kWh x 1,8 =18 kW jam Ton



d. Daya, P (HP) T =10



Ton 1 jam Ton x =0,167 jam 60 menit menit



P=T E=0,167



Ton HP x 144,5 =24,1 HP menit Ton/menit



Contoh-2: Untuk memecah biji logam dari ukuran umpan 50,8 mm (80% lolos) menjadi produk 6,35 mm (80% lolos) dibutuhkan daya 89,5 kW. Dengan menggunakan Persamaan Hukum Bond, berapa daya yang dibutuhkan untuk ukuran umpan yang sama, dengan ukuran produk 3,18 mm ? Penyelesaian : XF=50,8 mm=50.800 µm(80% lolos) XP=6,35 mm= 6.350 µm (80% lolos) P=89,5 kW P =E=10 Ei T



[√



1 1 − kWh /Ton X P √X F



P=T E=10 T Ei



]



[√



1 1 − kW X P √ XF



]



9 Pemisahan Mekanik



P=T E=10 T Ei



[√



1 1 − =89,5 kW 6.350 √ 50.800



]



T Ei=1103,3 kW XF= 50,8 mm = 50800 µm (80% lolos) XP=6,35 mm = 3180 µm (80% lolos) =? P=T E=10 T Ei



[



1 1 − √ 3180 √50800



P=T E=10 ( 1103,3 )



[√



P



]



1 1 − =146,7 kW 3180 √ 50800



]



2.3 Peralatan Pengecilan Ukuran 1. Peralatan Peremukan / Pemecahan (Crushing) Peremukan adalah proses reduksi ukuran dari material yang langsung dari tambang (ROM = run of mine) dan berukuran besar-besar (diameter sekitar 100 cm) menjadi ukuran 20-25 cm bahkan bisa sampai ukuran 2,5 cm. Peralatan yang dipakai antara lain adalah : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.



Jaw crusher Gyratory crusher Cone crusher Roll crusher Impact crusher Rotary breaker Hammer mill



2. Peralatan Penggerusan / Penghalusan (Grinding) Penggerusan adalah proses lanjutan reduksi ukuran dari yang sudah berukuran 2,5 cm menjadi ukuran yang lebih halus. Pada proses penggerusan dibutuhkan media penggerusan yang antara lain terdiri dari : 1. Bola-bola baja atau keramik (steel or ceramic balls) 2. Batang-batang baja (steel rods) 3. Campuran bola-bola baja dan materialnya sendiri yang disebut semi autagenous mill (SAG). 4. Tanpa media penggerus, hanya materialnya sendiri yang saling menggerus dan disebut autogenous mill. Peralatan penggerusan yang dipergunakan adalah :



10 Pemisahan Mekanik



1. Ball mill dengan media penggerus berupa bola-bola baja atau keramik 2. Rod mill dengan media penggerus berupa batang-batang baja.



Gambar 2.1 Jaw Crusher



11 Pemisahan Mekanik



Gambar 2.2 Gyratory Crusher



Gambar 2.4 Roll Crusher Licin



Gambar 2.3 Impact Crusher



Gambar 2.5 Roll Crusher Bergigi



12 Pemisahan Mekanik



Gambar 2.6 Rotary Breaker



Gambar 2.7 Hammer Mill



13 Pemisahan Mekanik



Gambar 2.8 Ball Mill



Gambar 2.9 Penampang Ball Mill



14 Pemisahan Mekanik



Tujuan Pembelajaran Umum Mahasiswa mampu menjelaskan pemisahan bahan padat menurut besarnya butiran (berdasarkan ukuran) denan menggunakan ayakan, neraca material bahan dan efisiensi dari ayakan Tujuan Pembelajaran Khusus Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan pemisahan bahan padat menurut besarnya butiran (berdasarkan ukuran) denan menggunakan ayakan, neraca material bahan dan efisiensi dari ayakan 3.1 Pendahuluan Setelah bahan atau bijih diremuk dan digerus, maka akan diperoleh bermacam-macam ukuran partikel. Oleh sebab itu harus dilakukan pemisahan berdasarkan ukuran partikel agar sesuai dengan ukuran yang dibutuhkan pada proses pengolahan yang berikutnya. Pengayakan atau penyaringan adalah proses pemisahan secara mekanik berdasarkan perbedaan ukuran partikel. Pengayakan (screening) dipakai dalam skala industri, sedangkan penyaringan (sieving) dipakai untuk skala laboratorium. Produk dari proses pengayakan/penyaringan ada 2 (dua), yaitu : 1. 2.



Ukuran lebih besar daripada ukuran lubang ayakan (oversize). Ukuran yang lebih kecil daripada ukuran lubang ayakan (undersize).



Satu ayakan tunggal hanya dapat memisahkan menjadi dua fraksi saja setiap kali pemisahan, yaitu yang lolos dari ayakan dan yang tertahan diatas ayakan. Ayakan yang digunakan di industri dibuat dari anyaman kawat, sutera, plastik batanganbatangan logam, plat logam yang berlobang-lobang, atau kawat-kawat yang penampangnya berbentuk baji. Logam yang digunakanpun bermacam-macam, tetapi pada umumnya dibuat dari baja atau stainless steel. Ayakan standar mempunyai ukuran mesh yang berkisar antara 4 sampai 400 mesh, sedangkan ayakan dari logam yang digunakan secara komersial mempunyai lubang samapai 1 µm. Ayakan yang lebih halus dari 150 mesh jarang dipakai, karena untuk partikel yang sangat halus cara pemisahan lain mungkin lebih ekonomis. Pemisahan partikel yang ukurannya antara 4 mesh dan 48 mesh disebut pengayakan halus, sedangkan untuk yang lebih halus disebut ultra halus 3.2 Neraca Massa Ayakan



15 Pemisahan Mekanik



Neraca massa ayakan sederhana dapat digambarkan sebagai berikut :



Feed (F)



Produk Tertahan (D)



Fraksi Undersize(XF)



Fraksi Undersize(XD)



Fraksi Oversize(1- XF)



Fraksi Oversize(1-XD) Produk Lolos (B) Fraksi Undersize(XB)=1 Fraksi Oversize=(1-XB)=0



Neraca Massa Keseluruhan (Overall): F = D + B Neraca Massa Fraksi Undesize:



F X F = D XD + B XB



(1) (2)



Neraca Massa Fraksi Oversize: F (1-XF) = D (1-XD) + B (1-XB)



(3)



Eliminasi dari persamaan ( 1 ) dan ( 2 ) : D X B −X F 1−X F = = F X B− X D 1−X D (4) Eliminasi dari persamaan ( 1 ) dan ( 2 ) : B X F− X D X F −X D = = F X B− X D 1− X D



(5



) Efisiensi Ayakan Efisiensi Ayakan didifinisikan sebagai fraksi undersize umpan (Feed) yang benar-benar lolos dibagi dengan fraksi undersize umpan(Feed) yang seharusnya lolos. Fraksi undersize umpan (Feed) yang benar-benar lolos = fraksi undersize dalam produk lolos ( B XB ). Fraksi undersize umpan (Feed) yang seharusnya lolos = F XF Efisiensi Ayakan=



Fraksi undersize Feed yang benar−benar lolos Fraksiundersize Feed yang seharusnya lolos



Efisiensi Ayakan=E A =



Fraksiundersize produk lolos B X B = Fraksi undersize Feed F XF



(6)



3.3 Analisa Ayak



16 Pemisahan Mekanik



Partikel zat padat secara individu dikarakteristikan dengan ukuran, bentuk, dan densitas. Partikel zat padat homogen mempunyai densitas yang sama dengan bahan bongkahan. Partikel-partikel yang didapatkan dengan memecahkan zat padat campuran, misalnya bijih yang mengandung logam, mempunyai berbagai densitas. Untuk partikel yang bentuknya beraturan, misalnya bentuk bola dan kubus, ukuran dan bentuknya dapat dinyatakan dengan mudah. Tetapi partikel yang bentuknya tidak beraturan seperti butiran atau serpihan, ukuran dan bentuknya tidak begitu jelas dan harus dijelaskan secara acak. Bentuk Partikel Bentuk setiap partikel dikarakteristikan dengan sperisitas (sphericity) ФS, yang tidak tergantung pada ukuran partikel. Untuk partikel bentuk bola dengan diameter, DP, ФS =1, untuk partikel bukan bola didifinisikan oleh hubungan : Ф S=



6vP DP S P



(7)



Dimana : DP = diameter ekivalen atau diameter nominal partikel SP = luas permukaan satu partikel VP = volume satu partikel Diameter ekivalen didifinisikan sebagai diameter bola yang volumenya sama dengan volume partikel itu. Tetapi bahan-bahan berbentuk granular, volume maupun luas permukaannya tidak mudah ditentukan secara eksak, sehingga DP biasanya diambil dari ukuran nominal atas dasar analisa ayak. Luas permukaan diperoleh dari pengukuran didalam hamparan partikel. Untuk kebanyakan bahan pecahan harga ФS antara 0,6-0,8, untuk partikel yang telah membulat karena abrasi ФS bisa sampai 0,95. Cara Menyajikan Analisa Ayak Contoh menggunakan susunan 5 ayakan dengan ukuran lobang ayakan X 1, X2, X3, X4 dan X5 dalam mm dan mesh. M1 X1 = 0,297 mm = 48 mesh M2 X2 = 0,250 mm = 60 mesh M3 X3 = 0,210 mm =65 mesh M4 X4 = 0,177 mm = 80 mesh M5 X5 = 0,149 mm = 100 mesh M6 Pan



M = M1 + M2 + M3 + M4 + M5 + M6



17 Pemisahan Mekanik



Gambar 3.1 Susunan perlalatan analisa ayak



Tabel 3.1 Cara Menyajikan Tabel Analisa Ayak Dalam Ukuran mm Ukuran mm



Berat gram



% Berat



%Lolos Individu



M1



Y1



-



-0,297+0,250



M2



Y2



-0,250+0,210



M3



-0,210+0,177



+ 0,297



%Lolos Kumulatif



%Tertahan Individu



%Tertahan Kumulatif



-



Y1



Y1



Y2



Y2+Y3+Y4+Y5+Y6



Y2



Y1+Y2



Y3



Y3



Y3+Y4+Y5+Y6



Y3



Y1+Y2+Y3



M4



Y4



Y4



Y4+Y5+Y6



Y4



Y1+Y2+Y3+Y4



-0,177+0,149



M5



Y5



Y5



Y5+Y6



Y5



Y1+Y2+Y3+Y4+Y5



-0,149



M6



Y6



Y6



Y6



M



100%



-



-



Tabel 3.2 Cara Menyajikan Tabel Analisa Ayak Dalam Ukuran Mesh Ukuran Mesh



Berat gram



% Berat



%Lolos Individu



+ 48



M1



Y1



-



-48+60



M2



Y2



-60+65



M3



-65+80



%Lolos Kumulatif



%Tertahan Individu



%Tertahan Kumulatif



-



Y1



Y1



Y2



Y2+Y3+Y4+Y5+Y6



Y2



Y1+Y2



Y3



Y3



yY3+Y4+Y5+Y6



Y3



Y1+Y2+Y3



M4



Y4



Y4



Y4+Y5+Y6



Y4



Y1+Y2+Y3+Y4



-80+100



M5



Y5



Y5



Y5+Y6



Y5



Y1+Y2+Y3+Y4+Y5



-100



M6



Y6



Y6



Y6



M



100%



-



-



Keterangan : M = Berat total umpan ayakan M1= Berat fraksi yang tertahan pada ukuran ayakan X1 M2 = Berat fraksi yang lolos ukuran ayakan X1 dan tertahan ukuran ayakan X2 M3 = Berat fraksi yang lolos ukuran ayakan X2 dan tertahan ukuran ayakan X3 M4 = Berat fraksi yang lolos ukuran ayakan X3 dan tertahan ukuran ayakan X4



18 Pemisahan Mekanik



M5 = Berat fraksi yang lolos ukuran ayakan X4 dan tertahan ukuran ayakan X5 M5 = Berat fraksi yang lolos ukuran ayakan X5 Ukuran yang digunakan untuk menentukan ukuran rata-rata partikel padat didunia industri atau perdagangan dan juga untuk menghitung ukuran umpan dan produk dari peralatan reduksi ukuran adalah ukuran 80% lolos dan ukuran 66,7% lolos. Artinya kalau partikel padat diayak pada ukuran tersebut yang lolos jumlahnya 80% atau 66,7%., tetapi yang sering digunakan ukuran 80% lolos. Grafik Hasil Analisa Ayak 1. Grafik %lolos kumulatif vs ukuran 2. Grafik %tertahan kumulatif vs ukuran Misal : Y1 = 4% Y2= 8% Y3 = 15% Y4 =20% Y5=25% Y6 = 28% Tabel 3.3 Hasil Analisa Ayak Ukuran mm



%Lolos Individu



%Lolos Kumulatif



%Tertahan Individu



%Tertahan Kumulatif



4



-



4



4



-0,297+0,250



8



96



8



12



-0,250+0,210



15



88



15



27



-0,210+0,177



20



73



20



47



-0,177+0,149



25



53



25



72



-0,149



28



28



-



-



+ 0,297



19 Pemisahan Mekanik



120



100



%lolos kumulatif



80



60 Y-Values 40



20



0 0.14



0.16



0.18



0.2



0.22



0.24



0.26



0.28



0.3



0.32



Ukuran Ayakan (mm)



Gambar 3.2 Grafik Analisa Ayak Ukuran vs %Lolos Kumulatif



20 Pemisahan Mekanik



80 70



% Tertahan Kumulatif



60 50 40 Y-Values



30 20 10 0 0.14



0.16



0.18



0.2



0.22



0.24



0.26



0.28



0.3



0.32



Ukuran Ayakan (mm)



Gambar 3.3 Grafik Analisa Ayak Ukuran vs %Tertahan Kumulatif



Dari grafik Analisa Ayak Ukuran 80%Lolos = 0,225 mm Contoh Soal Gabungan Grinding Dan Sizing Material Hematit dengan indek kerja 12,68 kWh/Ton dengan laju umpan 100 Ton/jam di reduksi ukurannya dengan Ball Mill dilanjutkan dengan pengayakan seperti pada diagram dibawah ini :



Fresh Feed (FF)



Feed



Ball Mill (F)



Produk Ball Mill (PB)



Recycle(R)



Ayakan



Produk Ayakan (PA) Data Hasil Analisa Ayak dari Feed (F) dan Produk Ball Mill adalah sebagai berikut :



21 Pemisahan Mekanik



Tabel 3.4 Hasil Analisa Ayak Feed Dan Produk Ukuran (mm) +2 -2 + 1 -1 + 0,5 - 0,5



Feed (%) 10 30 40 20



Produk (%) 0 20 10 70



a. Berapa Energi (E) dan Daya (P) yang dibutuhkan ? b. Hitung berapa besar Produk Ayakan (PA), Recycle (R) dan Fresh Feed (FF) bila Produk Ball Mill diayak pada ukuran lubang ayakan 1 mm dan efisiensi ayakan 75%? Penyelesaian : Tabel 3.5 Analisa Ayak Feed Ukuran (mm) +2 -2 +1 -1 + 0,5 - 0,5



(%) Berat 10 30 40 20



% Lolos Individu 30 40 20



% Lolos Kumulatif 90 60 20



100 90 80 %lolos kumulatif



70 60 50 40



Y-Values



30 20 10 0 0



0.5



1



1.5



2



2.5



Ukuran (mm)



Gambar 3.4 Grafik Hasil Analisa Ayak Feed



22 Pemisahan Mekanik



Dari grafik ukuran Feed 80% lolos =XP = 1,6 mm = 1600µm



120



100



% Lolos Kumulatif



80



60



Y 40



20



0 0



0.5



1



1.5



2



2.5



Ukuran (mm)



Gambar 3.5 Grafik Hasil Analisa Ayak Feed



Dari grafik ukuran Produk 80% lolos =XP = 1 mm = 1000µm Ei = 12,68 kWh/Ton T = 100 Ton/jam a.



P =E=10 Ei T



P =E=100(12,68) T



[√



[



1 1 kWh − √ X P √ X F Ton



]



1 1 kWh − 1000 √ 1630 Ton



]



P kWh =E=8,18 T Ton Daya, P (kW)



23 Pemisahan Mekanik



P=T E=100



Ton kWh x 8,18 =818 kW jam Ton



b. Produk Ball Mill diayak pada ukuran 1 mm dengan efisiensi ayakan 75%. Klasifikasi Produk Ball Mill pada ukuran 1 mm +1 mm = 20% = 20 Ton/jam -1 mm = 80% = 80 Ton/jam Produk Ball Mill sebagai Umpan Ayakan Undersize dalam Umpan(-1mm) = 80 Ton/jam Efisiensi Ayak=



Undersize dalam Produk lolos x 100 % Undersize dalamUmpan



Produk Ayakan=Undersize dalam Produk lolos Produk Ayakan = PA= 75% x 80 =60 Ton/jam Recycle = (-1mm dari umpan yang tidak lolos)+ (+1mm dari umpan) Klasifikasi Recycle pada ukuran 1 mm : -1mm = 80 – 60 = 20 Ton/jam +1mm = 20 Ton/jam Recycle = R = (80-60) + 20 = 40 Ton/jam Klasifikasi Feed Ball Mill pada ukuran 1 mm +1 mm = 60% = 60 Ton/jam -1 mm = 40% = 40 Ton/jam Fresh Feed (FF) = Feed (F) – Recycle (R) = 100 – 40 = 60 Ton/jam Atau Fresh Feed = Produk Ayakan = 60 Ton/jam Klasifikasi Fresh Feed pada ukuran 1 mm -1mm = (-1mm dari Feed) – (-1mm dari Recycle) = 40 – 20 = 20 Ton/jam +1mm = (+1mm dari Feed) – (+1mm dari Recycle) = 60 – 20 = 40 Ton/jam 3.4 Peralatan Ayak



24 Pemisahan Mekanik



Ada berbagai macam ayakan yang digunakan untuk berbagai tujuan tertentu, tetapi hanya beberapa jenis saja yang akan dibahas disini. Pada kebanyakan ayakan, partikelpartikel itu jatuh melalui bukaan(lobang) dengan gaya gravitasi, dalam beberapa rancangan tertentu partikel didorong melalui ayakan dengan sikat atau dengan gaya sentrifugal. Partikel-partikel kasar jatuh dengan mudah melalui lobang besar didalam permukaan stasioner, tetapi partikel-partikel halus digetarkan dengan vibrator atau diayunkan melingkar dengan girasi secara mekanik atau elektrik. Jenis Peralatan Ayakan 1. Ayakan skala laboratorium (Sieve) 1. 2. 3. 4.



Hand sieve Vibrating sieve series / Tyler vibrating sive Sieve shaker / rotap Wet and dry sieving



2. Ayakan skala industri (Screen) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.



Stationary grizzly Roll grizzly Sieve bend Revolving screen Vibrating screen (single deck, double deck, triple deck, etc.) Shaking screen Rotary shifter



Ayakan Stasioner Grizzly Adalah ayakan yang dibuat dari batangan-batangan logam sejajar yang dipasang pada rangka stasioner yang miring. Kemiringan dan lintasan bahan itu sejajar dengan panjang batangan. Umpan kasar yang keluar dari pemecah primer, masuk pada ujung atas kisi. Bongkah-bongkah besar akan menggelinding atau meluncur menuju pengeluaran dibagian ekor dan bongkah-bongkah kecil jatuh kebawah menuju kolektor. Jarak antara batangan sekitar 2-8 in. Ayakan Girasi. Hampir semua ayakan menghasilkan fraksi-fraksi berukuran kasar dan halus, yang kasar dikel;uarkan dahulu dan yang halus kemudian. Cara ini dapat dilihat dari ayakan datar girasi (gyrating flat screen). Alat ini terdiri dari beberapa tingkat ayakan. Ayakan paling kasar ditempatkan paling atas, sedangkan yang paling halus paling bawah. Campuran partikel dijatuhkan pada ayakan teratas dan diayunkan melingkar dengan girasi untuk mendistribusikan partikel melalui lobang ayakan. Ayakan Vibrasi



25 Pemisahan Mekanik



Ayakan ini digetarkan dengan cepat dengan amplitude kecil lebih sulit membuka lobang daripada ayakan girasi. Vibrasi dapat digerakkan secara mekanik dan elektrik. mekanik ditransmisikan dari eksentrik berkecepatan tinggi ke ayakan Berikut ini gambar beberapa jenis ayakan yang sering digunakan dalam industri kecil ataupun industri besar.



Gambar 3.1 Ayakan Grizzly



Gambar 3.3 Ayakan Vibrasi



26 Pemisahan Mekanik



Gambar 3.2 Ayakan Girasi



Gambar 3.4 Sieve Ben



Gambar 3.5 Sieve Shaker



27 Pemisahan Mekanik



Tujuan Pembelajaran Umum 1. Mahasiswa mampu menjelaskan pemisahan partikel dalam fluida menjadi fraksi masing-masing, berdasarkan kecepatan pengendapan (kecepatan terminal) dengan proses sedimentasi. 2. Mahasiswa mampu menjelaskan pemisahan campuran partikel padat dengan menggunakan fluida menjadi fraksi-fraksi murni dan campuran berdasarkan perbedaan kecepatan pengendapan (kecepatan terminal) dengan proses sedimentasi. Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan pemisahan partikel dalam fluida menjadi fraksi masing-masing, berdasarkan kecepatan pengendapan (kecepatan terminal) dengan proses sedimentasi. 2. Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan pemisahan campuran partikel padat dengan menggunakan fluida menjadi fraksi-fraksi murni dan campuran berdasarkan perbedaan kecepatan pengendapan (kecepatan terminal) dengan proses sedimentasi. 4.1 Pendahuluan Sedimentasi adalah suatu proses pemisahan solid-liquid menggunakan pengendapan secara gravitasi untuk mimisahkan zat padat (suspended solid) atau tersuspensi non koloidal dalam fluida (fluida yang biasa digunakan air). Cara yang sederhana adalah dengan membiarkan padatan mengendap dengan sendirinya. Setelah partikel-partikel mengendap, maka air yang jernih dapat dipisahkan dari padatan yang semula tersuspensi di dalamnya. Cara lain yang lebih cepat dengan melewatkan air pada sebuah bak dengan kecepatan tertentu sehingga padatan terpisah dari aliran air tersebut dan jatuh ke dalam bak pengendap. Kecepatan pengendapan partikel yang terdapat di air tergantung pada berat jenis, bentuk dan ukuran partikel, viskositas air dan kecepatan aliran dalam bak pengendap. Pada dasarnya terdapat dua jenis alat sedimentasi yaitu jenis rectangular dan jenis circular. Proses sedimentasi dapat dikelompokkan dalam tiga klasifikasi, bergantung dari sifat padatan di dalam suspensi: 1. Discrete (free settling) Kecepatan pengendapan dari partikel-partikel discrete adalah dipegaruhi oleh gravitasi dan gaya geser yang didifinisikan sebagai Homogenizer Equalizer Settler. 2. Flocculant Kecepatan pengadukan dari partikel-partikel meningkat, setelah adanya penggabungan diantara partikel-partikel 3. Hindered/Zone settling Kecepatan pengendapan dari partikel-partikel di dalam suspensi dengan konsentrasi padatan melebihi 500 mg/l.



28 Pemisahan Mekanik



Pada umumnya sedimentasi digunakan pada pengolahan air minum, pengolahan air limbah, dan pada pengolahan bahan galian dari hasil penambangan. Pada pengolahan air minum proses sedimetasi khususnya digunakan untuk: 1. Pengendapan air permukaan, untuk pengolahan dengan saringan pasir. 2. Pengendapan flok hasil koagulasi/flokulasi, khususnya sebelum disaring dengan saringan pasir. 3. Pengendapan flok hasil penurunan kesadahan menggunakan soda-kapur. 4. Pengendapan lumpur pada pemisahan besi dan mangan. Pada pengolahan air limbah, proses sedimentasi digunakan : 1. Pemisahan grit, pasir atau silt. 2. Pemisahan padatan pada clarifier yang pertama. 3. Pemisahan flok/lumpur biologi hasil proses activated sludge, pada clarifier akhir. 4. Pemisahan humus pada clarifier akhir setelah trickling filter. Pada pengolahan bahan galian hasil penambangan , proses sedimentasi digunakan pada pengolahan bijih logam (ores) untuk memisahkan konsentrat logam (mineral) dari pengotornya. Prinsip proses sedimentasi pada pengolahan air minum, pengolahan air limbah, dan pengolahan bahan galian adalah sama, begitu juga metode dan peralatannya. Bak sedimentasi pada umumnya dibangun dari bahan beton bertulang dengan bentuk lingkaran, bujur sangkar, atau segi empat. Bak berbentuk lingkaran umumnya berdiameter 10,7-45,7 meter dengan kedalamannya 3-4,3 meter. Bak berbentuk bujur sangkar pada umumnya mempunyai panjang sisi 10-70 meter dengan kedalaman 1,5-6 meter. Bak berbentuk segi empat pada umumnya mempunyai panjang sampai 76 m dan lebarnya 1,5-6 meter dengan kedalaman 1,8 meter. 4.2 Proses Pengendapan Berdasarkan Gerakan Partikel Melalui Fluida Banyak metode separasi mekanik yang didasarkan atas gerakan partikel zat padat atau tetesan zat cair melalui fluida. Fluida dapat berbentuk gas atau zat cair dan dapat berada dalam keadaan mengalir atau keadaan diam. Dalam beberapa situasi, tujuan proses itu untuk memisahkan partikel dari arus fluida atau untuk memisahkan pengotor yang terdapat di dalam fluida atau untuk memisahkan partikel, sebagaimana dalam pembersihan udara atau gas buang terhadap debu dan uap racun dari air limbah.Dalam kondisi tertentu, partikel itu sengaja disuspensikan di dalam fluida supaya dapat dipisahkan fraksi-fraksi yang berbeda ukuran atau densitasnya, kemudian fluida dibersihkan, untuk digunakan kembali, dari partikel yang telah difraksinasi.Prinsip mekanika-partikel yang mendasari operasi ini ialah jika partikel itu mulai dari keadaan diam terhadap fluida tempat partikel itu terendam, lalu bergerak melalui fluida itu karena gaya-gaya luar, gerakan itu dapat dibagi menjadi dua tahap.



 Tahap pertama merupakan satu periode singkat di mana berlangsung percepatan, yaitu selama waktu kecepatan itu meningkat dari nol sampai kecepatan terminal.



29 Pemisahan Mekanik



 Tahap kedua ialah periode di mana partikel itu berada dalam kecepatan terminalnya. Oleh karena periode percepatan awal itu singkat saja, biasanya per puluhan detik saja atau kurang, pengaruh percepatan awal itu pendek pula. Kecepatan terminal, di lain pihak, dapat dipertahankan selama partikel masih mengalami perlakuan di dalam alat. Metode yang paling lazim, hanya menggunakan periode kecepatan terminal saja. Gaya-gaya yang bekerja pada partikel: a. Gaya gravitasi, F g=m g



(1)



mgρ b. Gaya tekan keatas fluida (Bouyant Force), F b= ρP 2 C v ρA c. Gaya gesek (Drag Force), F D = D 2 Dimana:



(2) (3)



m = massa partikel 𝜌 = densitas fluida 𝜌p = densitas partikel v = kecepatan linier A = luas proyeksi partikel CD = koefisien gesek Partikel



Fb



FD Fg



Gambar 4.1 Pergerakan partikel dalam fluida dv



∑ F=F g −Fb −F D =ma=m dt



(4)



2 dv m g ρ C D v ρA m =m g− − dt ρp 2



(5)



Pada kecepatan terminal, vt



C v 2 ρA dv =0 → m dv =0=m g− m g ρ − D dt dt ρp 2



30 Pemisahan Mekanik



(



v 2t = mg−



m gρ 2 2m g = ρp CD ρ A CD ρ A



)



(



2 m ( ρ p −ρ ) ρp ρ − = ρp ρp C D ρA ρ p



)



2mg ( ρ p −ρ ) CD ρ A ρp Untuk partikel bentuk bola : v t=



√



π D 3p ρ p m= 6 v t=



√



A=



(6)



2 π D3p ρ p g ( ρ p −ρ ) π D2p v t= 4 π D2p 6 CD ρ ρp 4



√



4 D P g ( ρ p−ρ ) 3 CD ρ



(7)



Bilangan Reynold NRe,P Untuk Gerakan Partikel Dalam Fluida N ℜ, p=



D p vt ρ µ



(8)



Dimana: Dp= diameter partikel



µ = viskositas fluida



Harga Bilangan Reynold, NRe,p Untuk Daerah (Zone) pengendapan : • • •



Daerah Laminer Daerah Transisi Daerah Turbulen



NRe,p < 1 1 > NRe,p < 1000 NRe,p > 1000



Pengendapan Di Daerah Laminer Untuk pengendapan didaerah laminar, maka koefisien gesek, CD , CD=



v t=



√



24 Nℜ



√ √



4 D P g ( ρ p−ρ ) 4 g D p ( ρ p− ρ ) 4 g D p ( ρ p−ρ ) = = 3 CD ρ 24 24 3 ρ 3 ρ Nℜ D p vt ρ µ



g D2p ( ρ p −ρ ) v t= vt 18 µ



√



(9)



g D 2p (ρ p −ρ) v= vt 18 µ 2 t



31 Pemisahan Mekanik



g D 2p ( ρ p− ρ) v t= 18 µ



( 10 )



Untuk Pengendapan Di Daerah Turbulen, CD = 0,44, maka: v t=



√ √



4 D P g ( ρ p−ρ ) 4 D P g ( ρ p−ρ ) = 3 CD ρ 3(0 , 44 )ρ



√



3 ,03 D P g ( ρ p−ρ ) D P g ( ρ p−ρ ) =1 , 74 ρ ρ Contoh Soal-1 v t=



√



( 11 )



Tetesan minyak bentuk bola dengan diameter (D p) 20µm (2x10-5m) berada dalam udara. Densitas minyak (𝜌p) 900 kg/m3. Pada temperatur 37,8oC dan tekanan 101,3 kPa densitas udara (𝜌) 1,137 kg/m3 dan viskositasnya (µ) 1,9x10-5Pa.s g=10 m/s2 Berapa kecepatan terminal (vt) tetesan minyak tersebut dalam udara ? Penyelesaian: DP = 2x10-5m 𝜌p = 900 kg/m3



𝜌 = 1,137 kg/m3 µ = 1,9x10-5Pa.s



g = 10 m/s2



Metode-1 : Menggunakan asumsi pengendapan di daerah laminar, maka : v t=



g D 2p ( ρ p− ρ) 10 ( 2 x 10−5 ) (900−1 ,139) = =0 , 01 m/s 18 µ 18 1, 9 x 10−5



Cek, NRe,p N ℜ, p=



D p v t ρ ( 2 x 10−5 ) ( 0 , 01 ) (1 ,197) = =0 , 02 𝜌PB , maka dapat digambarkan dalam grafik hubungan antara ukuran partikel ( Dp) dan kecepatan pengendapan (Vt) sebagai berikut : VtA4 A VtA3=VtB4 B Vt VtA2 VtA1=VtB2



35 Pemisahan Mekanik



Dp1



Dp2



Dp3



Dp4



Dp Gambar 4.3 Pengendapan dan pemisahan dari material A dan B  







Partikel A murni akan dipisahkan pada ukuran Dp3 - Dp4 (DpA3 - DpA4) (Partikel A ukuran Dp3 - Dp4 kecepatan pengendapannya paling besar) Partikel A dengan ukuran Dp1-Dp3 dan partikel B dengan ukuran Dp2-Dp4 akan mengendap bersama-sama (Kecepatan pengendapannya sama, VtA1=VtB2 dan VtA3=VtB4 ) Partikel B murni akan dipisahkan pada ukuran Dp1 – Dp2 (DpB1 – DpB2) (Partikel B ukuran Dp1 – Dp2 kecepatan pengendapannya paling kecil)



Untuk partikel A dan B yang mempunyai kecepatan pengendapan yang sama (VtA1 = VtB2 dan VtA3 = VtB4 ), maka : Untuk partikel bentuk bola di daerah laminar (didaerah Hukum Stoke’s), berlaku VtA1 = VtB2, maka : g D 2pA 1 (ρ pA −ρ) v tA1 = 18 µ VtA1 = VtB2 → D2pA 1 ρ pB−ρ ¿ 2 D pB 2 ρ pA−ρ v tA3 =



g D 2pA 3 ( ρ pA −ρ) 18 µ



VtA3 = VtB4 →



g D 2pB 2 (ρ pB −ρ) v tB2= 18 µ g D 2pA 1( ρ pA−ρ) g D 2pB 2 (ρ pB −ρ) ¿ 18 µ 18 µ D pA 1 ρ pB −ρ = Dp B 2 ρ pA −ρ



[



v tB4 =



1 /2



]



( 20



g D 2pB 4 ( ρ pB− ρ) 18 µ



g D 2pA 3( ρ A− ρ) g D 2pB 4 ( ρ pB−ρ) ¿ 18 µ 18 µ



36 Pemisahan Mekanik



D2pA 3 ρ pB−ρ ¿ 2 D pB 4 ρ pA−ρ



D pA 3 ρ pB −ρ = Dp B 4 ρ pA −ρ



[



1/ 2



]



( 21 )



Untuk partikel bentuk bola di daerah turbulen (didaerah Newtonian) v tA1 =



√



4 g D pA 1 ( ρ pA −ρ ) 3 C DA 1 ρ



VtA1 = VtB2 →



√



v tB2=



√



4 g D pB 2 ( ρ pB−ρ ) 3 C DB 2 ρ



4 g D pA 1 ( ρ pA−ρ ) 4 g D pB 2 ( ρ pB− ρ ) = 3C DA 1 ρ 3 C DB 2 ρ



√



C DA 1 =C DB 2=0 , 44 , maka : D pA 1 ρ pB−ρ ¿ D pB 2 ρ pA−ρ v tA3 =



√



4 g D pA 3 ( ρ pA−ρ ) 3 C DA 3 ρ



VtA3 = VtB4 →



√



D pA 1 ρ pB−ρ = Dp B 2 ρ pA−ρ



[



v tB4 =



√



1



]



( 22 )



4 g D pB 2 ( ρ pB−ρ ) 3 C DB 4 ρ



4 g D pA 3 ( ρ pA− ρ ) 4 g D pB 4 ( ρ pB−ρ ) = 3C DA 3 ρ 3 C DB 4 ρ



√



C DA 3 =C DB 4 =0 , 44 , maka : D pA 3 ρ pB−ρ ¿ D pB 4 ρ pA−ρ



D pA 3 ρ pB −ρ = Dp B 4 ρ pA −ρ



[



1



]



( 23 )



Contoh-3: Pengendapaan di daerah laminer, NRe1( Asumsi Salah)¿ Cek : NRe,p µ 10−3 Menghitung Dp2 : Asumsi partikel A dengan ukuran Dp1 mengendap didaerah laminer, maka : DpA1 = Dp1 = 6 x 10-5m (6 x 10¿¿−5)(7.500−1.000) g D 2pA 1 (ρ PA −ρ) v tA1 =10 =0,013 m/s ¿ v tA1 = 18 (10−3 ) 18 µ D v tA 1 ρ (6 x 10 ¿ ¿−5) ( 0,013 )( 1.000) = =0,78< 1( Asumsi Benar) ¿ Cek : NRe,p N ℜ, p= µ 10−3 v tA1 =v tB 2 D pB 2 ρ pA−ρ = D pA 1 ρ pB−ρ



[



0.5



]



D pB2



7.500−1.000 = −5 2.650−1.000 6 x 10



[



]



0.5



→ DpB2 = Dp2 = 1,19 x 10-4 m



Menghitung Dp3 : v tB4 =



√



4 g D pB 4 ( ρ PB−ρ) (8 x 10¿¿−4 )(2650−1000) 0,0176 v tB4 = 4 (10) = ¿ C DB 4 3 C DB 4 (1000) 3 C DB 4 ρ



√



0 , 0176 ( 24 ) v 2tB 4 Bilangan Reynold partikel B ukuran Dp4, NRe,p :



C DB 4 =



N ℜ, p=



D pB 4 v tB 4 ρ (8 x 10¿ ¿−4) v tB 4 (1000) = =800 v tB 4 ¿ µ 10−3



( 25 )



0 , 0176 0 ,0176 = =1, 76 v 2tB 4 0 , 12 N ℜ, p=800 v tB 4 =800 ( 0 , 1 )=80 Didapat koordinat-1 : ( NRe,p , CDB4)=(80 , 1,76) 0,0176 0,0176 Trial−2 :v tB 4 =1m/ s C DB 4 = 2 = =0,0176 v tB 4 12 N ℜ, p=800 v tB 4 =800 ( 1 )=800 Trial−1: v tB 4=0 ,1 m/s



C DB 4 =



Didapat koordinat-2 : ( NRe,p , CDB4)=(800 , 0,0176) Koordinat-1 dan koordinat-2 di plot pada grafik skala logaritma : N Re



vs



CD



10000



39 Pemisahan Mekanik



CD vs NRe 1000



CD 100



24



(80, 1,76)



10



Titik Potong



(800 , 0,0176)



1 0,44



0,1



0,01



0,01



0,1



1



10



100 1000 10000 100000 NRe NRe = 140



Gambar 4.4 Penyelesaian contoh-4 dengan metode grafik CD vs NRe Dari grafik CD vs NRe didapat NRe = 140 CD = 0,6 140 N ℜ, p=800 v tB 4 =140 → v tB 4= =0,175 m/s 800 C DB 4 =



v tA3 =



√



0 , 0176 0 , 0176 =0 , 6 → v tB 4= 2 0 , 57 v tB 4



[



0, 5



]



=0 , 175 v tB4 =v tA3 , maka :



4 (10) D PA 3 (7500−1000) 4 g D PA 3 ( ρ PA −ρ) =0,175 → 0 , 175= 3 C DA 3 (1000) 3 C DA 3 ρ



√



C DB 3=2830 D PA 3 D v ρ D ( 0 ,175 ) (1000) N ℜ, p= PA 3 tA 3 = PA 3 =175000 D PA 3 µ 10−3



( 26 ) ( 27 )



Trial-1: DPA3= 1x10-4m → C DB 3=2830 D PA 3=2830 ( 1 x 10−4 )=0,283 N ℜ, p=175000 D PA 3=175000 ¿ Didapat koordinat-1 : ( NRe,p , CDB4)=(17,5 , 0,283)



40 Pemisahan Mekanik



Trial-2: DPA3= 5x10-4m →C DB 3=2830 D PA 3=2830 ( 5 x 10−4 )=1,415 N ℜ, p=175000 D PA 3=175000 ¿ Didapat koordinat-2 : ( NRe,p , CDB4)=(87,5 1,415) Koordinat-1 dan Koordinat-2 di plot pada grafik NRe vs CD 10000



CD vs NRe 1000



CD 100



24



(87,5 , 1,415)



10



Titik Potong



(17,5 , 0,283)



1 0,44



0,1



0,01



0,01



0,1



1



10



100 1000 10000 100000 NRe NRe = 55,7



Gambar 4.5 Penyelesaian contoh-5 dengan metode grafik CD vs NRe 55,7 N ℜ, p=175000 D PA 3=55,7 → D PA 3 =DP 3 = =3,18 x 10−4 m 175000 C DB 3=2830 D PA 3=0,91 → D PA 3=D PA =



0,9 =3,18 x 10−4 m 2830



1. Galena (A) murni dipisahkan pada ukuran Dp3-Dp4=1,26x10-5m-2,5x10-5m 2. Campuran Galena(A) dan Silika(B) akan dipisahkan pada ukuran: Galena(A) pada ukuran Dp1-Dp3=5,2x10-6m-1,26x10-5m Silika(B) pada ukuran Dp2-Dp4=1,03x10-5m-2,5x10-5m 3. Silika(B) murni dipisahkan pada ukuran Dp1-Dp2=5,2x10-6m-2,5x10-5m



41 Pemisahan Mekanik



4.5 Sedimentasi Kontinyu Pada proses sedimentasi kontinyu waktu detensi (t) adalah sebesar volume basin (V) dibagi dengan laju alir (Q). t=



Q V



( 28 )



Overflow rate (Vo) menggambarkan besarnya kecepatan pengendapan adalah fungsi dari laju alir (Q) dibagi dengan luas permukaan basin (Ap). V 0=



Q AP



( 29 )



Laju linier (V0) mengambarkan besarnya kecepatan horizontal adalah fungsi dari laju alir (Q) dibagi dengan luas area tegak lurus aliran. Ketinggian tangki sedimentasi (H) adalah besarnya kecepatan pengendapan Overlow rate (V0) dikalikan waktu detensi (t). H=V 0 t



( 30 )



4.6 Sedimentasi Batch Mekanisme Sedimentasi Dengan Gaya Gravitasi. Cara yang sederhana adalah dengan membiarkan padatan mengendap dengan sendirinya. Setelah partikel-partikel mengendap, maka air yang jernih dapat dipisahkan dari padatan yang semula tersuspensi di dalamnya. Bila suatu dilute slurry diendapkan dengan gaya gravitasi menjadi cairan bening dan sedimen (endapan) dengan konsentrasi yang tinggi, prosesnya disebut sedimentasi. Metode untuk menentukan settling velocity dan mekanisme settling, digunakan batch settling test menggunakan slurry dengan konsentrasi homogen dalam tabung silinder. Seperti yang terlihat pada gambar berikut :



B



A



z0 Constant rate



42 Pemisahan Mekanik



B



A



z



z z



C C



zi



D z



D



z1



t (a)



(b)



(c)



t1



(d)



Gambar 4.6 : Mekanisme dan hasil sedimentasi secara batch (a) Suspensi homogen awal (original) (b) Zone pengendapan setelah beberapa waktu (c) Pemadatan zone D setelah zone B dan C tidak muncul, berubah menjadi cairan bening dan padatan (d) Kurva/grafik tinggi antar permukaan cairan bening (z) vs waktu pengendapan (t) Pada saat awal dalam tabung silinder terdiri suspensi zone B yang homogen dengan konsentrasi co (gambar-1a). Partikel dalam zone B mulai mengendap dengan laju homogen dan muncul cairan bening zone A (gambar-1b). Penurunan tinggi z konstan. Zone D mulai muncul. Setelah beberapa waktu zone B makin berkurang, diatas zone B cairan bening zone A makin bertambah, dibawah zone B muncul zone lapisan transisi C (zone antara B dan D) dan zone D makin bertambah. Setelah pengendapan berakhir zone B dan C tidak muncul lagi (gambar-1c). Terjadi pemadatan zone D dengan ketebalan zone D dan tinggi cairan bening zone A makin bertambah. Perhitungan Kecepatan Terminal (Settling Velocity) Pada gambar.4-6 d adalah grafik/kurve tinggi cairan bening antar permukaan (z) di plot terhadap waktu pengendapan (t). Ditunjukkan bahwa settling velocity, dimana slope dari garis, pertama konstan, sampai pada titik kritis C. Settling velocity dihitung dari gambar koefisien arah dari garis singgung pada gambar-d, pada saat t1, maka : −dz =v t dt



( 31 )



Pada titik dengan tinggi z1 dan zi intersep dari garis singgung kurve : v=



z i−¿z ¿ t 1−0



( 32 )



1



43 Pemisahan Mekanik



Konsentrasi c1 adalah konsentrasi rata-rata suspensi pada tinggi slurry zi , dapat dihitung dari : c1 zi = c0z0 atau c 1=



z0 c zi 0



[]



( 33 )



Dimana : c0 = konsentrasi awal slurry kg/m3 dan z0 tinggi awal slury (pada t = 0).



4.7 Peralatan Sedimentasi Dengan Gravitasi a. Alat Pemisah Debu Dan Udara (gambar 4.7) b. Bak Klasifikasi Dengan Pengendapan Sederhana Secara Gravitasi ( Classifier ) (gambar 4.8) c. Bak Pengendapan Spitzkasten (gambar 4.9) d. Tangki Pemisahan Dengan Pengendapan Gravitasi Liquid - Liquid ( Liquid – Liquid Coalescer Settler ) (gambar 4.10) e. Tikener (gambar 4.11)



Gambar 4.7 Alat Pemisah Debu Dan Udara



44 Pemisahan Mekanik



Gambar 4.8 Bak Klasifikasi Dengan Pengendapan Sederhana Secara Gravitasi



Gambar 4.9 Bak Pengendapan Spitzkasten



Gambar 4.10 Tangki Pemisahan Dengan Pengendapan Gravitasi Liquid - Liqui



45 Pemisahan Mekanik



Gambar 4.11 Tikener



46 Pemisahan Mekanik



Tujuan Pembelajaran Umum Mahasiswa mampu menjelaskan definisi filtrasi, jenis-jenis dan perolehan filtasi dan perhitungannya Tujuan Pembelajaran Khusus Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan definisi filtrasi, jenis-jenis dan perolehan filtasi dan perhitungannya 5.1 Pendahuluan Filtrasi atau penyaringan adalah pemisahan partikel zat padat dari fluida (cair atau gas) dengan mengalirkan campuran padat fluida (slurry) melalui suatu medium penyaring yang berlangsung akibat adanya gaya dorong ( driving force) sehingga dihasilkan zat padat, filtrat atau keduanya (filtrat dan padatan).Dalam industri, proses filtrasi dapat memisahkan partikel atau padatan dari ukuran partikel yang sangat kecil dalam µm sampai ukuran partikel yang cukup besar dalam mm.Slurry yang mengalir melalui medium filter karena adanya gaya dorong antara lain akibat perbedaan tekanan yang melintasi medium tersebut. Oleh karena itu filter dibagi atas filter yang beroperasi pada tekanan yang lebih tinggi dari atmmosfir di bagian hulu dan pada tekanan atmosfir yang beroperasi dibagian hilir atau beroperasi pada tekanan atmosfir dibagian hulu, sedang dibagian hilir pada tekanan vakum. Penggunaan proses filtrasi di Industri. Proses filtrasi untuk industri proses antara lain: -



Industri kertas yaitu untuk proses penyaringan pulp. Industry pengolahan air Industry kimia a.l: NaOH,



Jenis – jenis Proses Filtrasi. . Proses filtrasi dapat dikelompokkan berdasarkan beberapa criteria. Proses filtrasi berdasar jumlah padatan dalam slurry dapat dikelompokkan menjadi dua golongan yaitu filter klarifikasi (clarifying filter) dan filter ampas (cake filter ). a. Filter klarififikasi digunakan untuk memisahkan zat padat yang kuantitasnya kecil dan menghasilkan zat cair atau zat gas yang bersih. Filter klarifikasi juga



47 Pemisahan Mekanik



dikenal sebagi filter hamparan tebal ( deep bed filter), karena partikel zat padat diperangkap di dalam medium filter dan umumnya tidak ada lapisan zat padat yang terlihat di permukaan medium filter. Filter klarifikasi untuk zat cair digunakan untuk pembersihan air dan menggunakan jenis filter kertus ( cartridge) yang berisi elemen filter,yang merupakan sederetan piring logam tipis dengan diameter antara 3 sampai 10 in tersusun secara vertical dengan jarak pisah yang sempit satu sama lain. Piring yang tersusun tersebut mempunyai poros berlubang vertical dan terpasang dalam tabung berbentuk silinder. Zat cair terkumpul pada bagian atas melalui poros berlubang tersebut sedang padatan yang terpisah terperangkap diantara piring-piring di dalam filter kertus. Filter klarifikasi untuk memisahkan campuran berupa koloid menggunakan Ultra filter dengan membrane yang halus. b. Filter ampas digunakan untuk memisahkan campuran padatan –cair (slurry) dengan padatan yang cukup banyak sehingga membentuk ampas dan berfungsi sebagai penyarinng. Pada awal proses padatan tertahan oleh mediumfilter dan untuk selanjutnya ampas berfungsi sebagai tahanan ampas yang besarnya bergantung pada jumlah ampas yang terbentuk. 5.2 Dasar Teori Filtrasi Penurunan tekanan fluida melalui filter ampas (cake filter), perhatikan gambar berikut : Medium filter



Slurry



Filtrat



V m3/s



Cs Kg/m3



dL L Gambar 5.1 Penampang irisan aliran slurry melalui filter Gambar di atas merupakan penampang / irisan aliran slurry yang melalui filter ampas dan medium filter dengan luas permukaan A m2, selama waktu t(detik). Selama proses filtrasi dari awal sampai diperoleh filtrat pada t detik tersebut diperoleh: - tebal ampas L (m , ft) - volume filtrat V (m3,ft3) Dengan kecepatan linear filtrat sepanjang arah (yang melalui tebal ampas) tersebut :  (m/dt ,ft/s) Aliran filtrat yang melalui hamparan ampas dapat digambarkan



48 Pemisahan Mekanik



(dianalogikan)aliran fluida mengikuti hukum Poiseuile, dengan asumsi terjadi aliran laminer dalam suatu tabung. Persamaan Poiseuile untuk aliran laminer dalam tabung lurus adalah sebagai berikut: P 32 = (SI unit) L D2 P 32 = (British unit) L gc D 2 P  D L  gc



(1)



: penurunan tekanan N/m2 (lbt / ft2) : kecepatan linear dalam tabung terbuka m/dt (ft/s) : diameter tabung m (ft) : panjang / tebal ampas yg terbentuk selama filtrasi m (ft) : viscositas larutan Pa/s kg/m.dt (lbm/ft.s) : konstanta gravitasi 32,174 lbm ft/lbf. s2



Persamaan tahanan dalam hamparan partikel menurut Kozeny : α =k 1 S2o ¿ ¿ Untuk aliran laminer dalam hamparan partikel (cake) dapat ditunjukkan hubungan dari persamaan 1 dan persamaan Kozeny yang dapat digunakan untuk proses-proses filtrasi dan dituliskan sebagai berikut: Pc =k 1 ¿ ¿ ¿ L



(2)



k1 = konstanta = untuk partikel secara acak yang dapat diukur dari ukuran dan bentuk partikel µ = viskositas filtrat kg/m.dt (lbm/ft.s)  = kecepatan linear yang melalui luas permukaan filter m/dt (ft/s)  = porositas cake L = tebal cake m (ft) So = luas permukaan spesifik partikel per volume partikel padatan Sp/Vp Pc = penurunan tekanan dalam ampas N/m2 ( lbf/ ft2) Untuk satuan British : persamaan (2) sebelah kanan dibagi dengan gc Pengukuran kecepatan linear yang didasarkan pada luas penampang tanpa cake /hamparan adalah sebagai berikut: v=



dV /dt A



(3)



A = luas filter m2 (ft2) V = volume total filtrat m3 (ft3) selama t detik.



49 Pemisahan Mekanik



Hubungan volume(V) ,massa (m) dan ketebalan cake (L) merupakan neraca massa. Neraca massa dapat dituliskan sebagai berikut : L . A ( 1 -  ) p = Cs (V +  LA)



(4)



Cs = banyaknya padatan dalam filtrat = kg solid / m3 filtrat ( lb / ft3 ) p = density partikel padat dalam cake kg /m3 (lb / ft3 ) Substitusi persamaan 4 untuk mengeliminasi L dengan persamaan (3) dan persamaan (2) , maka diperoleh : Δ Pc Δ Pc dv = = 2 A .dt k 1 (1−ε )S o μ S α μ C S V A ε3 ρ p A



(5)



 = tahanan ampas spesifik m/kg (ft/ lb m) = k (1 -  ) So2 / 3 p



(6)



Untuk tahanan medium filter dianalogikan dengan persamaan (5) dan dapat ditulis sebagai berikut : ΔP f dV = A dt μ R m



(7)



Rm = tahanan medium filter (m-1) / ft -1  Pf = penurunan tekanan pada medium filter Rm berubah menurut penurunan tekanan dan tingkat kebersihan medium filter. Tapi hanya penting pada tahap awal, sehingga nilainya konstan selama filtrasi . Bila tahanan ampas dan medium filter tersusun seri, maka persamaan 5 dan 7 dapat digabung sebagai berikut: dV = A dt



ΔP α CSV μ + Rm A



[



(8)



]



Δ P = Δ Pc + ΔPf Volume filtrat dapat pula dihubungkan dengan W (berat cake / ampas kering yang terkumpul ) dengan hubungan sebagai berikut: W =C s .V =



Cx V 1−mC x



(9)



Cx = fraksi massa padatan dalam slurry



50 Pemisahan Mekanik



m = perbandingan massa ampas basah dan ampas kering  = densitas filtrat kg/m3 (lbm / ft3 )



Tahanan Ampas Spesifik Pada persamaan 6 tahanan ampas sebagai fungsi fraksi rongga  dan So. Dengan melakukan percobaan pada tekanan tetap dengan berbagai penurunan tekanan dapat diperoleh variasi  terhadap P. Jika  tidak bergantung P, maka lumpur/padatannya tak mampu mampat dan harga  = 0. Umumnya  meningkat dengan P, karena cake pada umumnya mampu mampat meskipun dalam jumlah sedikit. Untuk padatan yang sangat mampu mampat, jika  semakin naik, maka harga P juga naik. Persamaan empirik untuk  dan P dapat ditulis sebagai berikut :



 = 0 (P )S



( 10 )



0 dan s merupakan tetapan empirik s = koefisien komprebilitas ampas = 0 : lumpur tak mampu mampat = 0,1-0,8 : lumpur mampu mampat Persamaan Untuk Proses Filtrasi Tekanan Konstan Persamaan dasar untuk laju filtrasi dalam proses batch, secara umum beroperasi pada tekanan konstan, sehingga persamaan 8 dapat ditulis dan disusun sebagai berikut : dt μ Cs μ = 2 V+ Rm dV A ( ΔP) A



( 11 )



atau dt =Kp .V + B dV μα C s A2 ( ΔP ) μα C s Kp= 2 A ( ΔP ) gc μ Rm B= A( ΔP)gC



( 12 )



Kp=



untuk satuan SI untuk satuan British untuk satuan British



Untuk tekanan konstan dengan  konstan dan ampasnya yang bersifat mampu mampat, maka yang bervariasi adalah V dan t sehingga persamaan (11) bila diintegrasi di dapat : dt =KpV + B dV t



V



∫ dt =¿∫ (KpV + B)dV ¿ 0



0



51 Pemisahan Mekanik



Kp 2 t= V +B V 2 atau t Kp = V +B V 2



( 13 )



Persamaan 13 adalah untuk proses filtrasi pada tekanan tetap dengan melalui medium filter dan ampas (cake). Persamaan Filtasi Untuk Proses Filtrasi Laju Tetap Jika filtratnya mengalir pada laju tetap, kecepatan linear dinyatakan sebagai berikut : v= Atau v . A=



akan tetap, dan dapat



dV /dt A



dV dt



Bila dilakukan integrasi : v. A = V/t v = V/At



( 14 )



v = kecepatan linier proses filtrasi V = volume filtrat Sedang untuk filtrasi yang hanya melalui tahapan ampas: dV ΔPc = A dt α μ CsV A A2 ( ΔPc ) dt = α μ Cs V dV Bila dilakukan integrasi maka didapat : ΔPc .A2 .t ΔPc μ Cs V 2 = α 2t A2



= α μ Cs V2/2 ( 15 )



Persamaan Filtrasi Kontinu



52 Pemisahan Mekanik



Dalam filtrasi kontinu (jenis rotary drum vacuum filter): umpan, filtrat dan ampas bergerak pada kecepatan tetap dan stedi. Untuk setiap tahap proses pada permukaan filter kondisi sebenarnya adalah bukan stedi, tapi transien. Perhatikan proses filtrasi kontinu ppermukaan filter sejak rotary drum filter masuk ke dalam bak slurry sampai akhir proses; terdiri dari beberapa langkah sebagai berikut : a. b. c. d.



pembentukan ampas pencucian dan pengeringan pelepasan cake dan tahapan kosong



Untuk rotary drum filter dengan vakum di bagian tengahnya, sehingga cairan filtrate akan mengalir masuk ke bagian tengah drum dengan menembus medium filter dan support sambil meninggalkan padatan cake di permukaan medium filter. Cake yang menempel akan dilepaskan oleh pisau (knife) dan dikumpulkan dalam penampung cake, sementara itu filtrate mengalir keluar dari bagian poros drum dan dialirkan ke tangki filtrat oleh sebuah pompa. Dalam filtrasi kontinu, tahanan medium filter dapat diabaikan dibandingkan tahanan ampas, sehingga harga B (yang mengandung besaran Rm) ≈ 0. Dari persamaan filtrasi untuk tekanan tetap dengan B = 0 adalah sebagai berikut: dt =Kp .V + B dV jika B = 0 dt =KpV dV



Bila diintegrasi :



∫ dt=¿ Kp ∫ dV ¿ t=



Kp 2 V 2



( 16 )



Waktu t adalah waktu yang diperlukan membentuk cake. Sedang untuk rotary drum filter waktu proses untuk satu putaran adalah tc yang merupakan waktu siklus. Jika bagian yang tercelup slury adalah f dengan membentuk cake seluas A, dan luas total drum At serta berputar dengan kecepatan putar n, maka besar f (fraksi bagian yang tercelup slury) adalah: f = A/At atau f = t/tc atau f = t.n Persamaan rotary drum filter untuk flow rate pengumpulan filtrate dengan subsitusi harga Kp pada persamaan 16 dan t= f. tc, sehingga didapat :



53 Pemisahan Mekanik



V 2. f . ΔP = A .t c t c µ α C s



[



0,5



]



V 2. f . ΔP Φ= = A.t c t c µα C s



[



( 17 ) 0,5



]



( α1 )( 2µ.f .C∆ sP )( t1c )



Φ 2=



Jika disusun ulang untuk membentuk persamaan yang sederhana ,sehingga persamaan menjadi : 1 α = tc Φ2 Z



( 18 )



Dimana : Z = 2.f. ∆P/µ.Cs Pada umumnya laju filtrat berubah dengan semakin tebalnya ampas yang terbentuk. Hal itu hanya berlaku untuk ampas yang terbentuk cukup tebal dan dalam siklus waktu yang panjang. Pada siklus waktu yang pendek, hal tersebut harus memperhatikan adanya tahanan medium filter sehingga faktor B harus tetap diperhitungkan. Rumus yang berlaku : t=f . t c=



kp 2 V + B .V 2



Dan persamaan flow rate filtrat menjadi: −Rm Rm2 C s α . ΔP . f +2 2 t c tc µ .t c V = A .t c αC s ( 19 )



[



]



0,5



Pencucian Ampas Setelah Proses Filtrasi Perhitungan laju pencucian dengan asumsi bahwa selama proses pencucian kondisi struktur ampas tidak berpengaruh. Sehingga dianggap berupa ampas dan laju filtrasi dianggap laju pencucian. Selama pencucian hubungan konsentrasi terhadap waktu digambarkan sebagai berikut:



a



b



54 Pemisahan Mekanik



c



d



waktu (detik) Gambar 5.2 Hubungan konsentrasi terhadap waktu pencucian a-b : filtrat yang tertinggal dalam filter, disebut displacement washing. volume zat cair pencuci = volume filtrat dalam ampas = . A. L b-c : penurunan yang cepat dari konsentrasi zat cair c-d : zat terlarut dalam zat cair buangan kecil Soal latihan. 1. Proses filtrasi slury CaCO3 merupakan campuran CaCO3 dan H2O pada beda tekanan tetap sebesar 6,7 lbf/in2 menghasilkan filtrat seperti pada tabel segagai berikut: Vol.filtrat V (liter) Waktu



0,5 17,3



1,0



1,5



2,0



2,5



3,0



41,3



72,0



108,3



152,1



201,7



t (s) Luas total filter 440 cm2, konsentrasi slury adalah 23,5 g/l pada suhu 25°C. Dari data tersebut hitung tahanan ampas α (ft/lb) dan medium filter R m( ft-1). Gunakan data densitas dan viskositas air pada 25°C. Latihan Filtrasi Kontinu. Slurry berupa limbah tekstil merupakan campuran partikel pewarna dan H 2O difiltrasi dengan rotary drum filter pada ∆ P = 15 lbf/in2 dan temperature 25°C. Rasio ampas basah terhadap ampas kering sebesar 1,59 dan perbandingan zat padat dalam slurry (Cx) =0,13.Fraksi pembentukan ampas sebesar 30% dengan waktu putar drum untuk tiap siklus 10 menit.Tentukan luas permukaan filter pada proses tersebut, jika tahanan ampas α = 2,90 x 1010 ft/lb. Hasil percobaan berupa data sebagai berikut: Waktu (s) Berat



0



50



180



350



600



850



1000



1400



0



5



10



15



20



25



30



35



55 Pemisahan Mekanik



cake(lb )



Tujuan Pembelajaran Umum 1.



Mahasiswa mampu menjelaskan pemisahan bahan padat dan cair dalam suspensi dengan bantuan gaya sentrifugal 2. Mahasiswa mampu menjelaskan pemisahan bahan padat dan gas dalam campuran padat-gas dengan bantuan gaya sentrifugal Tujuan Pembelajaran Khusus 1.



Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan pemisahan bahan padat dan cair dalam suspensi dengan bantuan gaya sentrifugal



56 Pemisahan Mekanik



2.



Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan pemisahan bahan padat dan gas dalam campuran padat-gas dengan bantuan gaya sentrifugal



6.1 Pendahuluan Pengertian Sentrifugasi Pemisahan sentrifugasi untuk campuran padat-cair, padat-gas, cair-cair yang berbeda berat jenis dan dalam operasinya dipengaruhi adanya “percepatan sentripetal”, yang disebabkan adanya gaya sentrifugal menuju ke pusat sumbu putar. Kegunaan mesin sentrifugal : -



untuk pemisahan padat-cair , padat-gas, cair -cair untuk pemisahan cairan yang tidak saling larut dengan density yg berbeda: emulsi santan, emulsi susu. untuk pemisahan makro molekul : virus, spesies-spesies molekuler yang berbeda ukuran



Proses pemisahan padat-cair / padat-gas yang menggunakan proses sentrifugasi antara lain:   



Pengendapan Sentrifugal (Centrifugal Sedimentation) Filtrasi Sentrifugal (Centrifugal Filtration) Pemisahan Dengan Cyclone



6.2 Dasar Teori Pemisahan Dengan Gaya Sentrifugal Gambaran Pemisahan Dengan Gaya Sentrifugal :



Gambar 6.1 Pemisahan sentrifugal 57 Pemisahan Mekanik



Pada gambar-gambar tersebut, terjadi gaya sentrifugal dan mempunyai percepatan sentrifugal, yaitu : ac = r 2 (1) ac = percepatan sentrifugal (m/dt2 ) r = jarak radial dari pusat putaran (m)  = kecepatan putar ( rad/det) sedang gaya sentrifugal Fc yang timbul dari partikel-partikel tersebut adalah : Fc = m .ac = m.r. 2 Fc = m.r. 2/gc dimana : Fc = gaya sentrifugal m = massa partikel



SI British



(2)



, Newton (N) , gram, kg, lb.



Bila  = /r dan  = kecepatan tangensial partikel, sehingga gaya sentrifugal dapat juga ditulis : Fc = m.r. (/r)2 = m.2/r (3) Bila kecepatan putaran dinyatakan dalam sejumlah N putaran per menit. ( N rpm), maka kecepatan putar dapat ditulis sebagai berikut:  = 2 N / 60



(4)



N = 60  / 2 r



(5)



Substitusi persamaan 4 ke persamaan 2, maka diperoleh gaya sentrifugal : Fc = 0,01097 m. r. N2 satuan SI ( Newton) atau Fc = 0,000341 m.r.N2 satuan British ( lbf) Pengendapan Sentrifugasi. Jenis Peralatan pengendapan sentrifugasi. a. Tubular Bowl Sentrifugasi Sentrifugasi jenis ini banyak digunakan untuk memisahkan dua fase liquid yang berbeda, yaitu Liquid fase ringan (L) dan Liquid fase berat (H) dan pemisahan campuran padatan –cairan.



58 Pemisahan Mekanik



Gambar 6.2 Skematis Tubular Bowl Sentrifugal



Tubular Bowl sentrifugal mempunyai tinggi mangkok b , jari-jari r 2 dan mempunyai permukaan cairan dengan jarak r1 dari pusat sumbu. Umpan berupa campuran padatan/partikel dan liquid masuk dengan asumsi liquid bergerak ke atas pada kecepatan yang merata dan partikel pada campuran tersebut bergerak secara radial dengan kecepatan pengendapan terminal (t). Untuk partikel tertentu ada yang mulai mengendap pada dasar mangkok dengan jarak rA dari pusat sumbu putar . Untuk proses pengendapan sentrifugasi terbatas dengan waktu pemisahan, jika partikel yang berada pada posisi jarak rB dari sumbu rotasi akan keluar bersama zat cair (rB 150 mesh - kecepatan putar < 4000 rpm







Continuous Conveyer Filter Centrifuge ( Mesin Sentrifugal Konveyer Kontinu)



-



Beroperasi secara kontinu Diameter 12-48 in (30-120 cm) Kapasitas operasi 50 000 lb padatan/jam



Soal Latihan Perlakuan Mekanik. Slurry buah merah ( campuran padatan /serbuk dan air) dipisahkan secara filtrasi kontinu dengan system RDF dan pada pembentukan cake dengan drum yang tercelup slurry sebesar 35 % yang beroperasi pada perbedaan tekanan 67 kPa dan suhu 25 °. Perbandingan ampas basah terhadap ampas kering = 2 dan fraksi padatan dalam slurry adalah 0,191 kg padatan/ kg slurry. Tahanan ampas yang terbentuk = 1,225 x 10 11 m/kg. Jika laju slurry 0,778 kg/s dan waktu filtrasi untuk 1 cycle 250 second, maka tentukan luas filter yang diperlukan. Catatan:



64 Pemisahan Mekanik



Pada proses RDF tersebut Tahanan medium filter Rm diabaikan karena penyaringan berlangsung dengan cake yang tebal. Sebuah filter sentrifugal system batch mempunyai dimensi diameter 30 inci dan tinggi mangkuk 18 inci digunakan menyaring slurry CaCO 3 dengan filtrate (berupa air) dan padatan mempunyai sifat sebagai berikut: - kondisi operasi pada suhu 25°C - konsentrasi slurry = Cs = 60 gr/ liter - Volume zat cair = 2 m3 - tebal ampas yang terbentuk = 6 inci - jumlah putaran mesin = 2000rpm. - tahanan ampas = 1,1 x 1010m/kg - tahanan medium filter = 6,4 x 1010 m-1 - pada akhir proses zat cair yang ada mempunyai jari-jari 8 inci dari sumbu pusat. Dengan kondisi tersebut : a. Tentukan luas medium filter(luas tabung) A2, luas ampas logaritma AL, luas ampas aritmatik Aa dalam m2 b. Hitung laju volumetric q m3/s 6.4 Pemisahan Dengan Cyclone Separator Siklon (Cyclone Separator) adalah alat yang menggunakan prinsip gaya sentrifugal dan tekanan rendah karena adanya perputaran untuk memisahkan materi berdasarkan perbedaan massa jenis dan ukuran. Prinsip Kerja      



Gas atau aliran fluida diinjeksikan melalui pipa input secara tangensial. Bentuk kerucut Siklon menginduksikan aliran gas atau fluida untuk berputar, menciptakan vortex. Partikel dengan ukuran atau kerapatan yang lebih besar didorong ke arah luar vortex. Gaya gravitasi menyebabkan partikel-partikel tersebut jatuh ke sisi kerucut (konis) menuju tempat pengeluaran. Partikel dengan ukuran atau kerapatan yang lebih kecil keluar melalui bagian atas dari Siklon (bagian Vortex Finder) melalui pusat yang bertekanan rendah. Gaya sentrifugal timbul saat partikel di dalam fluida masuk ke puncak Siklon dan diputar dengan cepat mengarah ke bawah seperti pusaran air, sampai dibagian konis partikel berat mengarah ke dasar Siklon dan partikel ringan bersama fluida keatas melalui bagian Vortex Finder.



Komponen Siklon terdiri dari:  



Bagian Silinder



65 Pemisahan Mekanik



  



Bagian Konis (kerucut) Bagian Vortex Finder (Pipa outlet bagian atas) Bagian Zygot (Pipa outlet bagian bawah).



Gambar 6.5 Pemisah Cyclone Jenis Siklon  



Hydrocyclone Aircyclone



Hydrocyclone : adalah suatu alat yang berfungsi untuk memisahkan padatan dari cairan berdasarkan perbedaan gravitasi setiap komponen dengan gaya sentrifugal. Aircyclone : adalah suatu alat yang berfungsi untuk memisahkan padatan dari gas/udara berdasarkan perbedaan gravitasi setiap komponen dengan gaya sentrifugal Parameter Kunci dari Siklon Ada 3 parameter terpenting dari sebuah Siklon dalam pemisahan berbagai jenis materi yakni:   



Cut diameter (dpc) Pressure drop (ΔP) Overall collection efficiency



66 Pemisahan Mekanik



Cut Diameter (dpc) : batas diameter partikel yang keluar melalui bagian atas dan bagian bawah Siklon    dpc = [ 9 µ Bc / 2 A N I ( ρp-ρ ) ]0.5 ( 22 )  Dimana: µ = viskositas, lb/ft.s ( Pa.s)        N = effective number of turns (5-10 untuk  Siklon pada umumnya)        I = kecepatan fluida masuk, (m/s)        ρp = densitas partikel, (kg/m3)        ρ = densitas fluida, (kg/m3)        Bc= lebar bagian masuk, (m) A = luas proyeksi partikel (m2) Pressure Drop (Beda tekan masuk dan keluar Siklon)    ΔP = 0.0027q2 / [kc Dc 2Bc Hc (Lc /Dc )1/3( Zc / Dc )1/3]



( 23 )



Dimana: q = laju alir volum (debit)        kc = faktor diskriptif tanpa dimensi ( dimensionless factor descriptive ) dari bagian masuk vanes Siklon Overall Collection Efficiency   Ei = 1- e [-2(C)^1/(2n+2)]



( 24 )



Dimana: c = faktor dimensi Siklon (cyclone dimension factor)  = parameter impaksi (impaction parameter)        n = eksponen vortex (vortex exponent)     Efisiensi Siklon   Efisiensi Siklon tergantung pada:    



Ukuran partikel Diamater Siklon Viskositas fluida



Semakin besar ukuran partikel, maka efisiensi Siklon akan semakin meningkat karena berdasarkan Hukum Stokes, diameter partikel berbanding lurus dengan terminal settling velocity. Berdasarkan gaya sentrifugal, diameter Siklon berbanding terbalik dengan gayanya, sehingga semakin kecil diameter Siklon maka semakin besar efisiensinya. Berdasarkan Hukum Stokes, semakin besar viskositas maka efisiensi Siklon semakin kecil.  Aplikasi  a. Industri agrikultural:



67 Pemisahan Mekanik



b. memisahkan partikel debu emisi dari pengolahan kapas, pembersihan tepung, traktor, pencampuran tepung, dan mesin-mesin agrikultural lainnya. c. Selain itu juga digunakan dalam pemisahan endapan lumpur dari air sumur, dan pemisahan lumpur pada minyak tanah serta dalam pengumpulan karbon d. Industri makanan : 1. 2. 3. 4.



memisahkan gumpalan partikel memisahkan protein dan zat tepung memisahkan butiran pasir dari gula dalam jus kaleng pemurnian air yang digunakan untuk membersihkan kentang dalam industri keripik kentang.



6.5 Teori Separator Siklon (Theory For Cyclone Separators) Diasumsi partikel-partikel masuk Siklon pada kecepatan pengendapan terminal. Ukuran –ukuran partikel kecil selalu mengikuti hokum Stoke’s. Untuk gerakan sentrifugal dengan kecepatan radial terminal, vt,R, analog dengan kecepatan pengendapan terminal sedimentasi, vt, maka : ω 2 r D 2p (ρ p −ρ) v t , R= 18 µ



( 25 )



v tan rad =kecepatan sudut ( ) r s Vtan= kecepatan tangensial partikel pada radius r.



Dimana : ω=



Substitusi ω=



v t , R=



v tan pada persamaan ( r



) dan mengalikan dengan



v 2tan r D 2p ( ρ p−ρ) g g D 2p ( ρ p−ρ) v 2tan v 2tan x = =v t g 18 µ gr gr r 2 18 µ



g , maka : g ( 26 )



68 Pemisahan Mekanik



Tujuan Pembelajaran Umum Mahasiswa mampu menjelaskan proses fluidisasi, jenis-jenis peraltan fluidisasi dan perhitungannya Tujuan Pembelajaran Khusus Mahasiswa dapat memahami dan menjelaskan proses fluidisasi, jenis-jenis peraltan fluidisasi dan perhitungannya 7.1. Pendahuluan Fluidisasi adalah suatu operasi pengontakan unggun (padatan/partikel) dengan fluida (zat cair atau gas) sehingga sifat unggun berubah menyerupai fluida yang menimbulkan beda tekanan dengan pengaruh :  



bentuk, ukuran,densitas dan distribusi partikel densitas fluida.



Penggunaan Fluidisasi :    



Untuk proses katalitik cracking di industri minyak ( saat ini banyak digunakan riser yang dapat memecah komponen minyak ) Pengeringan zat padat ( fluidized bed drying partikel ) Regenerasi katalis. Teknik ini banyak digunakan di industri kimia dengan penggunaannya yang meningkat pesat pada decade terakhir ini. Pada proses pembuatan besi (iron making) fluidisasi merupakan cara alternatif dalam mereduksi bijih (Fe2O3) menjadi logam (Fe).



Jenis kondisi fluidisasi: * Fluidisasi yang homogeny * Channeling ( pengkanalan) * Slugging ( pergolakan) * Bubbling (penggelembungan) 7.2 Dasar Teori Fluidisai



69 Pemisahan Mekanik



Mekanisme fluidisasi menimbulkan beda tekan sesuai dengan bertambahnya kecepatan superficial aliran fluida digambarkan sebagai berikut:



C



B



D



E



∆P



Daerah Unggun Diam



Daerah Unggun Terfluidakan



A



Vmf V Gambar 7.1 Kurva karakteristik fluidisasi ideal Titik A sampai B merupakan awal proses fluidisasi dengan aliran fluida bentuk laminar pada kecepatan fluida yang rendah dan beda tekanan yang sebanding dengan kecepatan fluida. Jika kecepatan fluida dinaikan secara bertahap maka beda tekanan bertambah dengan semakin bertambahnya kecepatan fluida, kondisi ini partikel saling kontak secara merata. Pada titik B partikel dalam tabung mulai merenggang dengan bertambahnya kecepatan fluida,yang meningkatkan beda tekanan sampai ke titik C ( beda tekanan yang terjadi maksimum). Pada kondisi ini mulai terjadi fluidisasi dengan kecepatan tertentu dan merupakan kecepatan minimum fluidisasi (vmf). Pada titik D sampai E dengan kecepatan yang terus bertambah menimbulkan beda tekanan yang relatif konstan yang merupakan proses fluidisasi . Untuk proses fluidisasi, karakteristik pertama yang harus diperhatikan adalah kecepatan minimum fluidisasi. Persamaan yang berlaku untuk proses-proses aliran fluida dalam hamparan partikel. 1. Hubungan tinggi partikel (L) dengan porositas ().



70 Pemisahan Mekanik



Bila fluida mengalir melalui hamparan partikel dalam tabung dengan kecepatan rendah, partikel belum bergerak dan mempunyai tinggi Lo serta porositas o. Untuk kecepatan yang bertambah besar, partikel akan bergerak dan tingginya menjadi L1 dan porositasnya 1. Jika luas penampang tabung (A) tidak berubah selama fluida mengalir maka hubungan tinggi partikel dan porositas sebagai berikut: L0.A (1-0)= L1.A (1-1) L0/ L1 = 1-1/1-0



atau



(1)



Untuk partikel yang bergerak pada saat mulai terfluidisasi, maka: - tinggi partikel yang terjadi L1 adalah tinggi minimum fluidisasi (Lmf) - porositas yang terjadi 1 adalah porositas minimum (mf). Hubungan tinggi partikel dan porositas minimum adalah : L0/Lmf = 1- mf/ 1- 0



(2)



Harga porositas pada kondisi awal (0) = 0, sehingga persamaan ( 2 ) menjadi : L0/Lmf = 1- mf



(3)



2. Hubungan beda tekanan (∆P) dengan tinggi partikel (L) dan porositas pada fluidisasi minimum. Beda tekanan yang terjadi dalam tabung dengan luas penampang A akan sebanding dengan massa partikel pada kondisi tinggi dan porositas minimum dikalikan gravitasi sehingga menghasilkan neraca massa sebagai berikut: ΔP A = Lmf . A (1- mf) (p-) g



(4)



Bila dinyatakan beda tekan per tinggi unggun maka rumus yang berlaku: ΔP/ Lmf = (1- mf) (p-) g ΔP/ Lmf = (1- mf) (p-) g/gc



(SI) (British)



(5)



Dimana : ΔP = Beda tekan (atm, Pa) Lmf = tinggi unggun minimum fluidisasi (m) g = gravitasi (9,8 m/s2) Persamaan beda tekan untuk partikel yang mempunyai ukuran dan bentuk tertentu, maka rumus yang berlaku yaitu persamaan "Ergun" sebagai berikut :



71 Pemisahan Mekanik



ΔP =150 µ v ¿ ¿¿ L Persamaan "Ergun" dapat digunakan untuk menghitung vmf (kecepatan minimum fluidisasi) dengan substitusi v = vmf ,  = mf , dan L = Lmf serta subsitusi ΔP/L dengan persamaan 5 sehingga dihasilkan persamaan : 1,75 D p2 v 2mf 2 150(1−¿ mf ) D p v mf + −D p3 ¿ ¿ ¿ ¿ 3 2 23 ❑S ❑mf µ ❑s mf Jika bilangan Reynold untuk fluidisasi pada kecepatan minimum adalah : N ℜ=



D p v mf (8) µ



Bila persamaan 7 dinyatakan dalam NRe maka; 1, 75 N 2ℜ ,mf 150(1−¿ mf ) N ℜ, mf + −D3P ¿ ¿ ¿ ¿ 3 23 ❑s ❑mf ❑s mf Untuk kasus dengan partikel yang mempunyai diameter kecil dan bilangan N Re,mf < 20 maka kecepatan minimum fluidisasi adalah; Untuk partikel dengan diameter yang menghasilkan bilangan NRe,mf > 1000 maka kecepatan minimum fluidisasi adalah : V mf =D 2P g ¿ ¿ ¿ Vmf = [ Dp .g ( p - )/ 24,5  ]0,5



( 10 )



Contoh soal. Partikel batubara digunakan untuk hamparan proses fluidisasi dengan diameter partikel = 0,10 mm, faktor bentuk (s) = 0,65 dan porositas pada kondisi fluidisasi minimum = 0,60. density partikel = 1000kg/m 3. untuk fluidisasi digunakan udara pada suhu 250 C dan tekanan 1 atm. Luas penampang tabung 0,5 m2 dan massa partikel dalam hamparan tabung 500kg. a. tentukan tinggi minimum saat mulai terfluidisasi.(m) b. hitung beda tekan pada kondisi fluidisasi minimum (Pa) c. hitung kecepatan minimum fluidisasi dalam m/s



72 Pemisahan Mekanik



1. McCabe, W.L, Smith, J.C, And Harriot, P, 1985. Unit Operations Of Chemical Engineering. Fourth Edition, Mc Graw Hill International Book Company 2. Geankoplis, K, 1993, Unit Operation and Transport Penomena, Special Edition, Mc Graw Hill International Book Company 3. Foust, A. W, 1993, Principles of Unit Operations Of Chemical Engineering, Third Edition, Mc Graw Hill International Book Company 4. Badger, W. L And Banchero, J.T, 1984, Introduction To Chemical Engineering, International Student Edition, Mc Graw Hill International Book Company 5. Chopey, N.P, 1994, Hand Book of Chemical Engineering Calculations, Second Edition, Mc Graw Hill International Book Company. 6. Sudarsono, A, 1994, Pengolahan Bahan Galian Industri, Jurusan Teknik Pertambangan ITB.



73 Pemisahan Mekanik