modul-104-filtrasi.pdf

MODUL 1.04 Filtrasi

MODUL 1.04 Filtrasi

I. Pendahuluan I. Pendahuluan

Proses filtrasi bertujuan memisahkan padatan dari campuran fasa cair dengan Proses filtrasi bertujuan memisahkan padatan dari campuran fasa cair dengan driving force

driving force perbedaan  perbedaan tekanan tekanan sehingga sehingga mendorong mendorong fasa fasa cair cair melewati melewati lapisanlapisan suport suport  pada

 pada medium filter. medium filter. Pada Pada proses filtrasi, proses filtrasi, pemisahan padatan pemisahan padatan akan akan tertahan tertahan pada pada mediummedium  penyaring.

 penyaring. Sedangkan Sedangkan fasa fasa cair cair yang yang melewati melewati medium medium filter filter berupa berupa limbah/ limbah/ hasilhasil sampingnya. Prosedur filtrasi sederhana dapat diterapkan langsung pada benda padat sampingnya. Prosedur filtrasi sederhana dapat diterapkan langsung pada benda padat yang bentuknya tetap. Sebaliknya, diperlukan perlakuan-perlakuan khusus sebelum dan yang bentuknya tetap. Sebaliknya, diperlukan perlakuan-perlakuan khusus sebelum dan sesudah proses filtrasi jika padatan yang akan dipisahkan berupa cairan yang mudah sesudah proses filtrasi jika padatan yang akan dipisahkan berupa cairan yang mudah terdeformasi atau berukuran kecil dan relatif sulit diambil dari suspensi cair. Filtrasi terdeformasi atau berukuran kecil dan relatif sulit diambil dari suspensi cair. Filtrasi sering diterapkan pada proses-proses biologis seperti memisahkan ekstrak

sering diterapkan pada proses-proses biologis seperti memisahkan ekstrak  juice juice atauatau memisahkan mikroorganisme dari medium fermentasinya. Pada proses-proses pemisahan memisahkan mikroorganisme dari medium fermentasinya. Pada proses-proses pemisahan yang sulit, proses filtrasi konvesional harus didukung dengan teknologi lain agar filtrasi yang sulit, proses filtrasi konvesional harus didukung dengan teknologi lain agar filtrasi lebih praktis, cepat, dan kualitas produk

lebih praktis, cepat, dan kualitas produk tidak terdegradasi.tidak terdegradasi.

Pada umumnya, penerapan teknologi filtrasi pada industri kimia telah banyak Pada umumnya, penerapan teknologi filtrasi pada industri kimia telah banyak mengalami modifikasi. Modifikasi ini terutama dilakukan untuk memperbaiki sifat dan mengalami modifikasi. Modifikasi ini terutama dilakukan untuk memperbaiki sifat dan karakteristik fisika dan kimiawi

karakteristik fisika dan kimiawi cakecake yang terakumulasi pada medium filter. Padatanyang terakumulasi pada medium filter. Padatan cakecake umumnya dipisahkan dari medium filter dengan penambahan aditif tertentu. Padatan umumnya dipisahkan dari medium filter dengan penambahan aditif tertentu. Padatan cakecake akan membentuk ageregat yang semakin lama semakin besar sehingga mudah dilepas akan membentuk ageregat yang semakin lama semakin besar sehingga mudah dilepas dari medium filternya. Padatan lain yang biasa ditambahkan adalah

dari medium filternya. Padatan lain yang biasa ditambahkan adalah filter aid. filter aid. TanpaTanpa filter filter aid

aid akumulasiakumulasi cakecake  pada  pada medium medium filter filter akan akan sangat sangat sedikit sedikit karena karena terbawa terbawa aliranaliran crosscross  flow

 flow yang besar.yang besar.

Dengan melaksanakan praktikum ini, praktikan akan memahami bagaimana Dengan melaksanakan praktikum ini, praktikan akan memahami bagaimana  proses

 proses filtrasi filtrasi konvensional konvensional dilaksanakan. dilaksanakan. Pada Pada teknologi teknologi filtrasi filtrasi konvensional,konvensional,  pembentukan

 pembentukan cakecake sangat signifikan, sehingga aliransangat signifikan, sehingga aliran cross flowcross flow diabaikan. Proses filtrasidiabaikan. Proses filtrasi ini umumnya melibatkan padatan tak terdeformasi yang berukuran relatif besar.

ini umumnya melibatkan padatan tak terdeformasi yang berukuran relatif besar. Pada praktikum ini digunakan

Pada praktikum ini digunakan press  press filter filter   berupa  berupa  plate  plate and and frame frame filter filter press.press. Filter terdiri atas

Filter terdiri atas plate  plate and and frameframe yang tersusun secara selang-seling. yang tersusun secara selang-seling. Plate Plate terpisah dariterpisah dari  frame

 frame

 frame yang sesuai dan dikerjakan dengan putaran manual dan putaran hidrolik.yang sesuai dan dikerjakan dengan putaran manual dan putaran hidrolik. SlurrySlurry dimasukkan melalui lubang-lubang

dimasukkan melalui lubang-lubang frame frame dan filtrat mengalir melaluidan filtrat mengalir melalui clothcloth ditiap sisiditiap sisi sehingga 2 produk (

sehingga 2 produk ( sluury sluury dandan cakecake) terbentuk secara simultan di tiap ruang penyaringan.) terbentuk secara simultan di tiap ruang penyaringan.

II. Tujuan II. Tujuan

Tujuan pelasanaan praktikum Modul Filtrasi adalah: Tujuan pelasanaan praktikum Modul Filtrasi adalah: 1.

1. Praktikan mengetahui karakteristik filtrasi (penyaringan), khususnya hubungan waktuPraktikan mengetahui karakteristik filtrasi (penyaringan), khususnya hubungan waktu dengan perolehan filtrat

dengan perolehan filtrat 2.

2. Praktikan memahami tahanan/hambatan baik pada medium filter maupunPraktikan memahami tahanan/hambatan baik pada medium filter maupun cakecake  pada  pada operasi penyaringan

operasi penyaringan

III. Sasaran III. Sasaran

Berkenaan dengan tujuan praktikum, praktikan diharapkan dapat: Berkenaan dengan tujuan praktikum, praktikan diharapkan dapat: 1.

1. Menentukan persamaan penyaringan pada tekanan tetap.Menentukan persamaan penyaringan pada tekanan tetap. 2.

2. Menghitung tahanan medium penyaring dan tahanan spesifik padatan saring.Menghitung tahanan medium penyaring dan tahanan spesifik padatan saring. 3.

3. Menentukan pengaruh tekanan terhadap tahanan spesifik padatan dan kekeringanMenentukan pengaruh tekanan terhadap tahanan spesifik padatan dan kekeringan  padatan.

 padatan.

IV.

IV. Tinjauan Tinjauan PustakaPustaka

IV.1

IV.1 Peralatan PrPeralatan Proses Filtrasi Konvoses Filtrasi Konvensionalensional

Peralatan untuk proses filtrasi konvensional sangat bervariasi, dari

Peralatan untuk proses filtrasi konvensional sangat bervariasi, dari conventionalconventional  plate and frame filter press

 plate and frame filter press sampai jenis sampai jenis rotary vacuum filters.rotary vacuum filters. TipeTipe plate and frame filter plate and frame filter  press

 press yang paling umum disajikan pada Gambar 1a.yang paling umum disajikan pada Gambar 1a. Plate and  Plate and frame filter pframe filter p ressress jenis ini jenis ini yang diaplikasikan di Industri umumnya terdiri atas tujuh bagian medium filter dari yang diaplikasikan di Industri umumnya terdiri atas tujuh bagian medium filter dari logam yang saling menutupi secara renggang dan tempat yang cukup untuk menampung logam yang saling menutupi secara renggang dan tempat yang cukup untuk menampung cake

cake sampai filtrasi selesai. Tipe lain memiliki pelat yang saling sejajar sehingga dapatsampai filtrasi selesai. Tipe lain memiliki pelat yang saling sejajar sehingga dapat digunakan dengan medium filter

digunakan dengan medium filter berupa penyaring kertas atau berupa penyaring kertas atau kain secara kain secara terpisah dariterpisah dari alat utama. Medium filter dapat dimasukkan pada peralatan filtrasi dengan membuka alat utama. Medium filter dapat dimasukkan pada peralatan filtrasi dengan membuka  frame

yang akan terbentuk relatif kering. Alat ini tidak dapat digunakan untuk bahan-bahan yang beracun dan berbahaya.

Gambar 1 Bermacam-macam tipe peralatan filtrasi konvensional

Tiga tipe lain dapat dilihat pada Gambar 1b, 1c, dan 1d. Jenis ini dapat digunakan untuk mengolah bahan aerosol ataupun yang berbahaya dan beracun. Peralatan-peralatan ini masih dalam pengembangan yang serius, sehingga umumnya digunakan pada skala kecil terutama pada laboratorium.

Jenis horizontal plate filter disajikan pada Gambar 1b digunakan pada operasi  pemisahan skala kecil. Filtrasi terjadi hanya pada bagian atas setiap pelat yaitu di bagian  bawah cake, walaupun diterapkan operasi yang terputus-putus, cake yang terbentuk akan

terus terakumulasi pada filter. Pada disain seperti Gambar 1b, struktur badan filter dapat dibongkar pasang untuk dibersihkan. Filter medium pun ditambahkan di luar perangkat alat filtrasi yang terlah terinstalasi sempurna. Variasi lain jenis ini adalah menerapkan  pengambilan cake dengan lubang kecil seperti valve yang difungsikan sebagai pengendali ketebalan cake  pada medium filter; atau variasi lain berupa cake yang dapat diambil dengan memutar-mutar bagian samping badan alat filtrasi.

Vertical leaf filter press disajikan pada Gambar 1c. Jenis ini hanya membutuhkan area yang sempit untuk menempatkannya, tetapi ruang harus cukup tinggi untuk

membongkar badan alat filtrasi yang tinggi tersebut saat mengambil cake. Jenis ini memiliki area filtrasi yang cukup luas per volumenya.

Tipe alat filtrasi tubes on the candle dapat dilihat pada Gambar 1d. Alat ini tergantung pada tabung-tabung yang fungsinya mirip tali penarik. Cake terbentuk pada  bagian luar alat filtrasi itu dan filtrat mengalir melalui cake yang terakumulasi menuju  bagian atas untuk dibuang. Peralatan ini dibersihkan dengan carabackwash.

Gambar 2 Skema Rotary Vaccum Filter

Jenis lain adalah rotary vacuum filter. Jenis ini paling banyak digunakan pada skala besar di industri kimia karena dapat menangani padatan yang sulit difilter, dan  banyak dilengkapi sarana otomatis sehingga tenaga manual yang dibutuhkan tidak  banyak. Desain rotary vacuum filter juga sangat bervariasi. Bentuk dasar rotari vacuum  filter adalah Gambar 2. Filter ini dilengkapi drum yang terus berputar. Tekanan di luar drum adalah tekanan atmosferik, tetapi di dalam drum mendekati vakum. Drum ini dimasukkan ke dalam cairan yang mengandung suspensi padatan yang akan difilter, lalu drum diputar dengan kecepatan rendah selama operasi. Cairan tertarik melewati  filter cloth karena tekanan vakum, sedangkan padatan akan tertinggal di permukaan luar drum membentuk cake. Jika cake akan diambil dari drum, putaran drum dihentikan, drum dikeluarkan dari fasa cair, cake dicuci, dikeringkan, dan kemudian diambil. Pengambilan  padatan dari drum dilakukan dengan sejenis pisau yang juga bermcam-macam jenis dan

IV.2 FiltrasiCake

Medium filter pada filtrasi cake  relatif tipis dibandingkan dengan filter klarifikasi. Pada awal filtrasi sebagian partikel padat masuk ke dalam pori medium dan tidak dapat bergerak lagi, tetapi segera setelah itu bahan terkumpul lagi pada permukaan septum/ medium penyaringnya. Setelah tahap awal yang berlangsung beberapa menit tersebut zat padat cake  tersebut  berfungsi sebagai medium filtrasi, bukan septum lagi. Cake tersebut terakumulasi sampai ketebalan tertentu pada permukaan dan sewaktu-waktu harus dibersihkan.

Filter cake  biasanya bekerja dengan tekanan lebih tinggi dari tekanan atmosfer  pada bagian hulu atau vaku m pada sisi hilir. Filter ini dapat b eroperasi kontinu dapat pula secara batch. Namun karena sulitnya mengeluarkan zat padat melawan tekanan positif , umumnya filter diopersikan secara batch.

IV.2.1 Medium Filter

Septum atau medium penyaring pada setiap filter harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:

1. harus dapat menahan zat padat yang akan disaring dan menghasilkan filtrat yang cukup jernih

2. tidak mudah tersumbat

3. harus tahan secara kimiawi dan kuat secara fisik dalam kondisi proses

4. harus memungkinkan penumpukan cake dan pengeluaran cake secara total dan  bersih

5. tidak mahal.

Dalam industri medium filter yang banyak dipakai adalah kain kanvas. Masing-masing  jenis kanvas dengan ketebalan dan pola anyaman tertentu juga memiliki kegunaan tertentu. Untuk zat cair yang bersifat korosi digunakan medium filter seperti kain wol, tenunan logam monel atau baja tahan karat, tenunan gelas, atau kertas. Kain sintesis seperti nilon, polipropilena, dacron juga t ahan secara kimia.

IV.2.2 Bahan Aditif untuk Proses Filtrasi

Zat padat yang lembek atau sangat halus, yang membentuk cake yang rapat dan impermeabel akan segera menyumbat medium filtrasi yang cukup halus untuk menahannya. Untuk menyaring bahan padat seperti itu porositas cake harus ditingkatkan

agar cairan tersebut dapat lewat dengan laju yang cukup. Hal ini dilakukan dengan menambah bahan aditif filtrasi ( filter aid ) seeprti tanah diatom, silika, perlit, selulosa kayu yang dimurnikan, atau bahan-bahan padat lain yang tidak bereaksi. Penambahan itu dilakukan terhadap slurry umpan sebelum dilakukan filtrasi. Dalam filter batch  lapisan filter aid  biasanya tipis, sedangkan pada filter kontinu lapisan ini biasanya tebal dan  bagian atasnya terkikis bersama zat padat yang tertahan filter oleh pisau kikis, sehingga menghasilkan permukaan filtrasi yang baru. Penggunaan lapisan pendahuluan ini  biasanya dapat mencegah tersumbatnya medium filter sehingga dihasilkan filtrat yang  jernih.

IV.2.3. Filter Batch Berdasarkan Tekanan

Filter tekanan dapat memberikan perbedaan tekanan yang cukup besar melintas septum sehingga menghasilkan filtrasi yang cukup cepat dengan zat cair viskos atau zat  padat halus. Filter tekanan yang umum adalah filter press dan shell-and-leaf filter .

Filter Press

Filter ini terdiri dari seperangkat lempengan yang dirancang untuk memberi sederetan kompartemen untuk pengumpulan zat padat. Lempengan tersebut ditutup dengan medium filter seperti kanvas. Slurry umpan masuk ke dalam masing-masing lempengan dan medium filternya dengan tekanan, cairannya lewat melalui kanvas dan keluar melalui pipa keluaran dan meninggalkan zat padat basah di antara lempengan tersebut.

Lempengan  press yang digunakan ada yang berbentuk bujur sangkar atau lingkaran, ada yang terletak vertikal dan horisontal. Tetapi umumnya lempengan untuk zat padat itu dirancang dengan membuat tekukan pada permukaan lempeng, atau dalam  bentuk  plate-and-frame. Pada desain  plate and frame ini, lempengan berbentuk bujur sangkar dengan panjang sisi 6-28 in dan disusun silih berganti dengan bingkai terbuka. Lempengan tersebut tebalnya berkisar 0,25 sampai 2 in, sedangkan bingkainya setebal 0,25 sampai 8 inci. Lempengan dan bingkai itu didudukkan secara vertikal pada rak logam dengan medium filter dipasang menutupi setiap bingkai dan dirapatkan dengan  bantuan sekrup dan rem hidraulik. Bubur umpan masuk pada satu ujung rakitan lempeng dan bingkai tersebut. Slurry mengalir melalui saluran yang terpasang memanjang pada salah satu sudut rakitan dari sudut tersebut melalui saluran tambahan mengalir ke dalam masing-masing bingkai. Di sini zat padat itu diendapkan di atas permukaan pelat. Cairan mengalir menembus kain filter, melalui alur atau gelombang pada permukaan lempeng, sampai keluar press filter tersebut.

Sesudah filter tersebut dirakit,  slurry dimasukkan dari pompa atau tangki  pendorong pada tekanan 3 sampai 10 atm. Filtrasi lalu diteruskan sampai tidak ada lagi

zat cair yang keluar dan tekanan filtrasi naik secara signifikan. Hal ini terjadi bila bingkai sudah penuh dengan zat padat sehinggga slury tidak dapat masuk lagi. Filter itu disebut  jammed. Setelah itu, cairan pencuci dapat dialirkan untuk membersihkan zat padat dari  bahan-bahan pengotor yang dapat larut. Cake tersebut kemudian ditutup dengan uap atau udara untuk membuang sisa zat cair tersebut sebanyak-banyaknya. Filter itu lalu dibongkar, cake  padatnya dikeluarkan dari medium filter sehingga jatuh ke konveyor menuju tempat penyimpanan. Pada kebanyakan press filter, operasi tersebut berlangsung secara otomatis.

Sampai cake  bersih, proses pencucian memakan waktu beberapa jam karena cairan pencuci cenderung mengikuti jalur termudah dan melangkahi bagian-bagian cake yang terjejal rapat. Jika cake  tidak terlalu rapat, sebagian besar cairan pencuci tidak efektif membersihkan cake. Jika diinginkan pencucian sampai benar-benar bersih,  biasanya dibuat sluury lagi dengan cake yang belum tercuci sempurna. Pencucian lebih lanjut dapat menggunakan zat cair pencuci dalam kuantitas besar dan menyaringnya kembali dengan  shell-and-leaf filter sehingga memungkinkan pencucian yang lebih efektif dari pada plate and frame filter.

 Shell-and-leaf Filter 

Shell-and-leaf Filter  memiliki beberapa keuntungan, antara lain: 1. dapat digunakan untuk proses filtrasi tekanan tinggi

2. tenaga manusia yang diperlukan sedikit 3. hasil pencucian cake lebih efektif

Gambar 4 Tekanan tangki horisontal shell and leaf filter

Salah satu model Shell-and-leaf Filter adalah tangki horisontal seperti pada Gambar 4. Seperangkat lempengan disusun pada suatu rak yang dapat ditarik keluar. Pada Gambar 4 terlihat unit tersebut sedang dibongkar untuk mengeluarkan cake. Pada waktu operasi, lempengan-lempengan itu terletak di dalam selongsong yang tertutup. Umpan masuk melalui sisi tangkai, filtrat lewat melalui daun dan keluar melalui sistem  pipa pembuangan.

 Press Filter Continue

Filter ini biasanya memerlukan banyak tenaga manusia untuk operasinya. Untuk mengatasinya digunakan tekanan vakum. Namun filter vakum juga terkadang kurang ekonomis pada zat padat yang sangat halus, tekanan uap zat cair tinggi, viskositas lebih dari 1 cP, atau bila zat cair berupa larutan jenuh yang akan mengkristal.

IV.3 Perlakuan Awal Sebelum Proses Filtrasi

Campuran tertentu seperti suspensi, padatan lumpur, atau larutan-larutan tertentu (seperti produk bioproses) sulit difiltrasi langsung. Hal ini disebabkan campuran tersebut merupakan fluida yang sangat non-newtonian, atau karena cake yang terbentuk sangat compressible sehingga cake dapat terdeformasi menjadi lapisan yang tidak

 permeabel.Karena itu, umpan yang memasuki peralatan filtrasi harus dikondisikan dahulu seperti dengan pemanasan, koagulasi dan flokulasi, ataupu n adsorpsi pada filter cloth.

IV.3.1 Pemanasan

Prose pemanasan adalah pretreatment umpan filter yang paling sederhana. Proses ini umumnya terbatas oleh stabilitas termal cake. Pemanasan terkadang efektif dalam  pretreatment umpan filter karena pemanasan dapat mengubah karakteristik senyawa kimia menjadi bentuk tak stabil yang mudah difiltrasi. Contohnya pada campuran koloid,  pemanasan dapat mengakibatkan ketidakstabilan koloid sehingga partikel koloid yang semula terdistribusi homogen menjadi terganggu ikatan kimianya, terkoagulasi membentuk agregat, dan mengendap sehingga mudah difiltrasi.

IV.3.2 Koagulasi dan Flokulasi

Metoda kedua adalah penambahan elektrolit untuk mendukung terjadinya koagulasi dan flokulasi. Bahan elektrolit yang biasa ditambahkan bervariasi dari asam/  basa sederhana sampai bahan polielektrolit sintetik.

Elektrolit sederhana menyebabkan terjadinya koagulasi-flokulasi dengan memilah-milah gaya tolak menolak elektrostatik yang terjadi antara partikel kololid. Jika gaya tolak menolak elektrostatik ini dikurangi, gaya tarik-menarik Londan-van der Walls akan mendominasi. Akibatnya koloid akan terkoagulasi menjadi partikel yang lebih  besar, lebih padat (dense) dan lebih mudah difiltrasi. Asam dan basa akan mengubah pH sehingga mengubah muatan partikel. Jika muatan berkurang, partikel akan banyak terkoagulasi dan makin mudah difiltrasi. Jika muatan bertambah, partikel yang terkoagulasi sedikit dan campuran makin susah difiltrasi.

Polielektrolit sintetik dapat mengurangi gaya tolak-menolak elektrostatik, mengadsorbsi dan membuat partikel beragregasi, membentuk semacam jembatan antar  partikel-partikel tersebut. Dengan demikian partikel koloid akan membentuk flok-flok

yang besar, agregat yang tidak begitu padat tetapi mudah difilter. Polielektrolit dapat  berupa anionik, kationik, dan nonionik.

IV.3.3 Adsorpsi denganFilter Aids

Metoda pretreatment ketiga adalah penambahan filter aids. Partikel koloid pada cairan akan teradsorbsi pada filter aids. Filter aids ini akan mengurangi kompresibilitas

cake, mengurangi penetrasi partikel kecil lain yang tidak diharapkan yang dapat menutupi  pori-pori membran sehingga mengurangi laju filtrasi.

IV.4 Teori Umum Filtrasi

Filtrasi adalah contoh khusus mengenai aliran melalui media berpori, khususnya kasus di mana tahanan terhadap aliran konstan. Dalam filtrasi, tahanan aliran meningkat sesuai dengan waktu, sesuai dengan pembentukan cake  di atas medium filter atau filter aid. Besaran-besaran utama yang penting adalah laju aliran melalui filter dan penurunan tekanan melintasi unit tersebut. Dengan berjalannya waktu selama filtrasi, laju aliran akan  berkurang atau penurunan tekanan akan meningkat. Pada proses filtrasi tekanan tetap,  penurunan tekanan dibuat konstan dan laju aliran dibiarkan menurun sesuai waktu.

IV.4.1 Hukum Darcy

Hukum  Darcy  menghubungkan laju partikel padatan melalui lapisan berpori dengan pressure drop yang menyebabkan aliran tersebut.

L . P k. v µ 

∆

=

  (1) dimana:

v = laju alir padatan dalam campuran cairannya

k = konstanta proporsionalitas yang umum disebut konstanta permeabilitas Darcy ∆P = pressure drop pada melalui kedua tebal pelat

L = ketebalan pelat µ = viskositas cairan

Analogi dengan Hukum Ohm, laju alir akan berbanding lurus dengan diriving  force verupa potensial ∆P  pressure drop, dan berbanding terbalik dengan penghambat

alirannnya (L/k).

 Namun, Hukum Darcy untuk filtrasi hanya berlaku pada kondisi:

5 ) -(1 dv

<

ε  µ   ρ    (2) dimana:

d = ukuran partikel yang diasumsikan sama dengan diameter pori yang menahan filter cake

ε = fraksi kosong pada cake

IV.4.2 Filtrasi Batch

Pada filtrasi batch laju alir cairan yang akan difiltrasi dapat disusun ulang menjadi: dt dV . A 1 v

 =

  (3) dimana:

V = total volume filtrat t = waktu filtrasi

Tahanan (L/k) dapat dianggap terjadi dari kontribusi tahanan cake (R C) dan tahanan medium filter (R M), sehingga dapat ditulis:

C M R  R  k  L

+

=

  (4)

Dengan mensubstitusi persamaan 3 dan 4 ke persamaan 1 akan didapat:

(

R M R C

)

P dt dV . A 1

+

∆

=

µ    (5)

Tahanan medium R M  biasanya konstan, tidak bergantung pada jumlah cake yang dihasilkan, sedangkan tahanan cake R C  bervariasi bergantung volume cake yang telah difiltrasi.

 Incompresible Cake

Jika cake bersifat incompresible, ketebalan cake berbanding lurus dengan volume filtrat dan berbanding terbalik dengan luas filter, sehingga dapat ditulis:



 

 



 

 

=

A V . . R _C α ρ _o   (6)

dimana α merepresentasikan reistansi spesifik cake dan ρo adalah massa cake per volume filtrat. Dimensi α adalah panjang per massa.

Substitusi persamaan umum filtrasi menjadi:



 

 



 

 



 

 



 

 

+

∆

=

A V . . R  P dt dV . A 1 o M α ρ  µ    (7)

Dengan kondisi batas saat t =0, V=0 (pada awal proses tidak ada padatan yang tertahan  pada filter). Integrasi persamaan tersebut akan menghasilkan bentuk sederhana:

B A V K. V At

+



 

 



 

 

=



 

 



 

 

  (8) dimana: P .R  B dan P 2. . . K  o M

∆

=

∆

=

µ α  ρ  µ 

Dengan demikian plot antara (A.t / V) terhadap (V/A) akan linear. Gradien K adalah fungsi  pressure drop dan sifat milik cake (α,ρ). Intercep B tidak bergantung pada sifat milik cake, tetapi preporsional terhadap tahanan medium. Jika tahanan medium diabaikan, persamaan tersebut dapat disederhanakan lagi:

V . P 2. . . t 2 o

_

 

 



 

 



 

 



 

 

∆

=

 A  ρ  α  µ    (9) Compressibel Cake

Untuk mengestimasi efek faktor kompresibilitas, diasumsikan resistansi spersifik α adalah fungsi dari ∆P menurut hubungan:

( )

 s

P

'

∆

=

α 

α    (10)

α’ adalah konstanta yang berhubungan dengan ukuran dan bentuk partikel yang membentuk cake, dan s adalah kompresibilitas cake. Umumnya s bervariasi dari 0,1 sampai 0,8. Nilai α’ dan s mudah ditentukan dengan memplot log α terhadap log ∆P. Jika nilai s besar umpan harus di pretreatment dengan penambahan filter aid.

IV.4.3 Filtrasi Kontinu

Teknologi filtrasi yang umum diterapkan dalam industri kimia adalah filtrasi kontinue. Analisis operasi filtrasi ini dibagi dalam 3 tahap. Dalam satu siklus filtrasi ada 3 proses pokok yang terjadi:

1.  pembentukan cake,

2.  pencucian cake untuk membuang larutan baik yang masih berguna maupun yang telah menjadi limbah,

( )

∆

 P 



 

 



 

 

=



 

 



 

 

=

. A V . .' R  A V . . R  o C o C  ρ  α   ρ  α 

Walapun proses pelepasan cake dari filter sangat penting dan menentukan keseluruhan kesuksesan proses filtrasi, proses pelapasan cake ini tidak turut menentukan ukuran filter.

IV.4.3.1 PembentukanCake

Diasumsikan proses filtrasi dengan siklus pertama pembentukan cake dimulasi sesaat setelah umpan dimasukkan ke dalam filter. Diasumsikan tahanan medium filter R M dapat diabaikan, sehingga persamaan dasar untuk proses filtrasinya menjadi:

C

R 

.

P

dt

dV

.

A

1

µ 

∆

=

  (11)

Seperti sebelumnya, kondisi batas yang digunakan adalah saat t=0, volume filtrat V=0. Jika Rc ditulis ulang dan diasumsikan cake bersifat compressible:

(12)

(13)

Dengan mengombinasikan kedua persamaan tersebut, dan dilakukan integrasi sepanjang  badan filter dimana terjadi pembentukan cake akan diturunkan persamaan:

( )

V . P 2. .' . t 2 f  1 o f 



 

 



 

 



 

 



 

 

∆

=

₋  A  s  ρ  α  µ    (14)

dimana tf   adalah waktu pembentukan cake, Vf   adalah volume filtrat yang terakumulasi selama watu tf . Waktu filtrasi tf   terkadang dinyatakan dalam bentuk hubungannnya dengan waktu 1 siklus filtrasi tc, yang dinyatakan sebagai:

c f  β.t

t

=

  (15)

dengan β adalah fraksi waktu dari keseluruhan waktu kerja filter. β adalah fraksi waktu satu siklus filtrasi yang digunakan untuk pembentukan cake. Maka persamaan filtrasi yang dinyatakan dalam bentuk tc dan β akan menjadi:

( )

2 1 c o s 1 c f  .t µ.α'.ρ P 2.β. A.t V













_∆

=

−   (16)

Dari persaamaan itu dapat disimpulkan bahwa pembentukan  cake dapat dikendalikan dengan memvariasikan tc  dan β. Pada β  yang konstan, fulks filtrat akan berbanding terbalik dengan akar tc.

V.4.3.2 PencucianCake

Setelah cake terbentuk dan terakumulasi dalam jumlah yang cukup banyak, dilakukan pencucuian untuk melarutkan dan membuang pelarut dan cairan lain yang tidak diinginkan berada dalam cake tersebut. Proses pencucian ini memiliki 2 fungsi. Fungsi  pertama adalah membuang pelarut yang tidak diinginkan dalamcake yang terjebak dalam  pori-pori di dalam cake. Yang kedua, proses pencucian berfungsi mendukung difusi keluar larutan yang terikat dalam partikel cake. Difusi ini akan memudahkan recovery cake selanjutnya.

Ada 2 faktor yang terrlibat dalam proses pencucian cake.  Yang pertama adalah fraksi bahan terlarut yang masih boleh berada dalam cake setelah pencucian selesai, fraksi ini menentukan volume larutan pencuci yang dibutuhkan. Faktor kedua adalah laju larutan pencuci melewati cake. Laju pencucian ini mengendalikan fraksi waktu dari keseluruhan waktu siklus tc yang dibutuhkan untuk pencucian.

Fraksi material terlarut yang dapat ditoleransi berada dalam cake setelah  pencucian berhubungan dengan volume larutan pencuci yang dibutuhkan menurut  persamaan:

(

)

n ε  -1 r 

 =

  (17)

dimana r adalah rasio bahan terlarut yang masih tertahan dalam cake setelah pencucian dengan bahan t erlarut mula-mula sebelum dicuci, n adalah volume larutan pencuci dibagi dengan volume cairan yang tertahan dalam cake, dan ε adalah efisiensi pencucian cake. Fraksi r bervariasi dari 0 sampai 1, makin kecil r makin efektif pencucian. Efisiensi 1  berarti r =1, dan berarti pula tidak akan ada bahan terlarut tertinggal dalam cake  berapapun volume pencuci yang digunakan.

Larutan pencuci tidak mengandung padatan baru, sehingga laju alirnya dapat dianggap konstan dan sama dengan laju filtrat di akhir tahap pembentukan cake. Laju alir ini dinyatakan dengan persamaan:

( )

W 2 1 f  o s 1 W _.t .t 2.µ.µ.α' P A V













=

−   (18)

 f 

n.

.

2

t

t

V

V

.

V

V

.

2

t

t

V

V

.

2

t

t

f  W f  r  r  W f  W f  W f  W

=

=

=

dimana VW  adalah volume larutan pencuci yang dibutuhkan, tW  adalah waktu yang dibutuhkan untuk pencucian. Pada banyak kasus akan sangat berguna hubungan berikut:

(19)

(20)

(21)

dimana Vr adalah volume pencuci yang tertahan di dalamcake, dan f adalah rasio volume  pencuci yang tertahan di dalam cake terhadap volume filtrat.

IV.5 Proses Filtrasi pada Tekanan Tetap

Proses filtrasi yang dikerjakan dalam praktikum ini adalah proses filtrasi pada tekanan tetap. Ada beberapa asumsi yang digunakan dalam praktikum ini:

1. -∆P yaitu penurunan tekanan dianggap konstan pada tiap tempuhan 2. Konsentrasi slurry konstan pada setiap tempuhan

3. Temperatur sluury sama dengan temperatur filtrat 4. dV/dt dapat dianggap sama dengan ∆V/∆t

5. tidak ada kebocoran

6. filtrat dianggap berupa padatan

Persamaan umum untuk semua jenis filtrasi pada tekanan tetap dikembangkan oleh Hermans-Bredee (1935). Persamaan tersebuat adalah:

n 1 2 2 dV dT . k  dV t d



 

 



 

 

=

  (22)

dimana V adalah volume filtrat yang terkumpul selama waktu t, k 1 dan n adalah konstanta empirik.

Seperti telah disebutkan sebelumnya, dalam filtrasi dengan akumulasi cake, zat cair mengalir melalui 2 tahanan seri; tahanan cake dan tahanan medium filter. Tahanan medium filter umumnya hanya signifikan pada tahap-tahap awal saja. Tahanan cake adalah 0 pada awal filtrasi dan meningkat selama berlangsungnya filtrasi. Jika cake dicuci

setelah filtrasi, kedua tahanan tersebut konstan selama proses pencucian dan tahanan medium filter biasanya dapat diabaikan.

Penurunan tekanan menyeluruh pada setiap waktu adalah jumlah dari penurunan tekanan pada medium dan pada ampas. Jika pa adalah tekanan pada waktu masuk dan p b adalah tekanan kelkuar, dan p’ adalah tekanan antara batas cake dan medium, maka:

m c b a b a  p  p  p  p  p  p  p  p  p

=

−

=

−

+

−

=

∆

+

∆

∆

( ') ( ' )   (23) dimana:

 p = penurunan tekanan keseluruhan  pc = penurunan tekanan pada cake  pm = penurunan tekanan pada medium

Penurunan Tekanan MelaluiCake

Gambar 5 menunjukkan diagram satu potongan cake filter dan medium filter  pada waktu tertentu t sejak awal aliran filtrat. Pada waktu itu tebal ampas diukur dari

medium filter adalah Lc. Luas filter A diukur tegak lurus terhadap arah aliran. Perhatikan suatu lapisan tipis cake setebal dL yang terletak di dalam cake pada jarak L dari medium. Tekanan pada titik ini adalah p. Lapisan ini terdiri dari hamparan tipis partikel zat padat yang dilalui aliran filtrat. Dalam hamparan filter laju alir biasanya rendah sehingga alirannya laminar.

Gambar 5 Penampang melalui medium filter dan cake

Oleh karena itu, sebagai titik awal untuk menghitung penurunan tekanan melalui cake dapat digunakan persamaan:

3 2 2 3 . ) 1 .( . . ε  ε  µ  C   P   P   g  v  s u k  dL dP 

 _



 



 

 

−

=

  (24) dimana:

dP/dL = gradien tekanan pada ketebalan L µ = viskositas filtrat

u = laju alir linear atas dasar luas permukaan filter sP = luas permukaan satu partikel

vP = volume satu partikel ε = porositas cake k 3 = konstanta

gc = faktor proporsional Hukum Newton

Kecepatan linier dapat dihitung dari persamaan:

 A dt  dV 

u

 =

, dimana V adalah volume filtrat yang terkumpul sejak awal filtrasi hingga waktu t. Oleh karena filtrat harus melewati keseluruhan cake, V/A sama untuk semua lapisan, dan u tidak bergantung pada L. Volume zat padat pada lapisan itu adalah A.(1-ε)dL, dan jika ρ p  adalah densitas  partikel, massa dm zat padat pada lapisan itu adalah:

dL  A

dm

=

 ρ  _p(1

−

ε ). .   (25)

Eliminasi dL akan menghasilkan:

dm  A  g  v  s u k  dL  p C   P   P  . . ) 1 .( . . 3 2 3  ρ  ε  ε  µ 



 

 



 

 

−

=

  (26)

Pada proses penyaringan bertekanan tetap persamaan Kozeny-Carman dapat diterapkan: 3 2.  p 2 ε D ε) .v.(1 µ 180. L P

−

=

−

  (27) dengan: ε.L.A) (V . C ρ ε). -(1 A. . L  _p

=

_s

+

  (28)

.V P . A α.µ.C P.A µ.R  dV dt A .V α.µ.C µ.R  . A.dt dV P ) P ( ) P ( P µ.R  P A V . α.µ.C P A.dt dV ε) .µµ.( 5.S ε . .V C ε).ρ A.(1 . P A.dt dV ε).ρ A.(1 .V C . ε) .(1 A.dt dV . ε 5.S L P 2 s m s m m c m m s c 2 o 3 s  p c  p s 2 3 2 o c

−

+

−

=









₊

=

−

+

−

=

−

=



 

 



 

 

−

=













−













−

−

=





 

 





 

 

−

−

=

−

µ 

Jika diturunkan dengan prosedur berikut:

(29) (30) (31) (32) (33) (34)

maka akan diperoleh:

.V 2 K  B V t P).A ( µ.R  B dan P).A ( α.µ.C K  .V 2 K  B.V t  p m 2 s  p 2  p

+

=

−

=

−

=

+

=

  (35)

Persamaan tersebut adalah persamaan filtrasi pada tekanan tetap.

V. Rancangan Percobaan

V.1 Perangkat dan Alat Ukur

1. Satu unit peralatan filtrasi Plate and Frame Filter Press 2. Tangki Suspensi

3. Kompresor 4. Oven 5. Gelas Ukur 6. Stopwatch

V.2 Bahan/ Zat Kimia

1. Bubuk CaCO3 atau bubuk yang sejenis 2. Air

V.3 Langkah Percobaan

Percobaan Filtrasi dilakukan sesuai diagram kerja seperti pada Gambar 4.

CaCO₃

campurkan dengan air 

Slurry CaCO₃

Peralatan Filtrasi

Siapkan

Nyalakan agitator 

Peralatan Filtrasi siap digunakan masukkan slurry Udara alirkan Filtrat slurry mengalir ke filter  Catat volumenya tiap waktu tertentu Padatan Saring

Timbang Data

Gambar 4 Diagram Alir Praktikum Modul Filtrasi V.4 Data Pengamatan

Dalam praktikum modul Filtrasi ini, data yang diambil hanyalah data massa cake  basah dan massa cake kering. Contoh tabel data pengamatan praktikum adalah

sebagai berikut:

Konsentrasi padatan = % (W/W) P = N/m2

Massa cake basah = g Massa cake kering = g Jenis medium penyaring = Tabel pengamatan:

V.5 Data Literatur

Data literatur yang dibutuhkan adalah:

V.5.1 Viskositas dan densitas air pada berbagai T

T (0C) µ (cP) ρ (kg/m3)

Sumber:

V.5.2 Koefisien Kompresibilitas (δ₎

Jenis Cake Rentang δ

Compressible cake  Incompressibel cake

δ >0 ; 0,2 ≤ δ ≤ 0,8 δ = 0

V.6 Prosedur Perhitungan V.6.1 Perhitungan Rasio Cake

Persamaan yang digunakan:

V.6.2 Perhitungan konsentrsi cake kering yang terakumulasi Persamaan yang digunakan:

dimana Cx = fraksi massa padatan dalam slurry

ρ

= densitas filtrat

V.6.3 Perhitungan resistansi spesifik bahan Persamaan yang digunakan :

V.6.4 Perhitungan resistansi spesifik medium (R m)

kering cake  berat  basah cake  berat m

 =

x x s m.C 1 ρ.C C

−

=

V terhadap v t grafik slope 2 K  dimana µ.C P) .( .A K  α  p s 2  p

=

−

=

V terhadap t grafik intercept B dimana µ P) ( B. A. R _m

=

−

=

V.6.5 Contoh Data dan Pengolahan Data

Misalkan data hasil praktikum adalah sebagai berikut: - Konsentrasi slurry yang digunakan = Cx = 0,05

- Beda tekan = P = 8,5 Psi = 58589,285 Pa - Massa cake basah = mb = 3,417 g

- Massa cake kering = mk = 2,575 g - Medium penyaring = kanvas

- Viskositas air pada 260C = 0,93 cP - Luas frame = 0,0216 m2

- Densitas air pada 260C = 996,783 kg/m3

Tebel Pengamatan Volume Filtrat setiap waktu adalah: V (m3) t (detik) t/V (detik/m3) 0.0005 3 6000.000 0.001 9 9000.000 0.0015 14 9333.333 0.002 27 13500.000 0.0025 22 8800.000 0.003 29 9666.667 0.0035 37 10571.429 0.004 44 11000.000 0.0045 47 10444.444 0.005 53 10600.000 0.0055 59 10727.273 0.006 65 10833.333 0.0065 71 10923.077 0.007 77 11000.000 0.0075 83 11066.667 0.008 88 11000.000 0.0085 97 11411.765 0.009 102 11333.333 0.0095 110 11578.947 0.01 118 11800.000 0.0105 124 11809.524 0.011 132 12000.000 0.0115 140 12173.913 0.012 149 12416.667 0.0125 155 12400.000 0.013 162 12461.538

V (m3) t (detik) t/V (detik/m3) 0.0135 171 12666.667 0.014 180 12857.143 0.0145 189 13034.483 0.015 196 13066.667 0.0155 204 13161.290 0.016 213 13312.500 0.0165 223 13515.152 0.017 232 13647.059 0.0175 242 13828.571 0.018 253 14055.556 0.0185 266 14378.378 0.019 276 14526.316 0.0195 290 14871.795 0.02 304 15200.000 0.0205 316 15414.634 0.021 329 15666.667 0.0215 343 15953.488 0.022 357 16227.273 0.0225 370 16444.444 0.023 383 16652.174 0.0235 397 16893.617 0.024 413 17208.333 0.0245 427 17428.571 0.025 441 17640.000 0.0255 456 17882.353 0.026 470 18076.923 0.0265 484 18264.151 0.027 499 18481.481 0.0275 516 18763.636 0.028 532 19000.000 0.0285 548 19228.070 0.029 564 19448.276 0.0295 581 19694.915 0.03 598 19933.333 0.0305 613 20098.361 0.031 629 20290.323 0.0315 646 20507.937 0.032 665 20781.250 0.0325 680 20923.077 0.033 695 21060.606 0.0335 711 21223.881 0.034 730 21470.588 0.0345 743 21536.232 0.035 759 21685.714 0.0355 777 21887.324 0.036 795 22083.333

V (m3) t (detik) t/V (detik/m3) 0.0365 814 22301.370 0.037 835 22567.568 0.0375 855 22800.000 0.038 876 23052.632 0.0385 899 23350.649 0.039 923 23666.667 0.0395 946 23949.367 0.04 968 24200.000 0.0405 989 24419.753 0.041 1013 24707.317 0.0415 1059 25518.072 0.042 1167 27785.714

Grafik Karakteristik Proses Filtrasi tersebuat adalah:

Kurva Filtrasi y = 397607x + 7885.9 R2 _{= 0.97} 0.000 5000.000 10000.000 15000.000 20000.000 25000.000 30000.000 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 V (m3)    t    /    V    (    d  e    t    /  m    3    )

Dari grafik tersebut didapat persamaan:

9 . 7885 * 397607 V t

+

=

V  Dari hubungan: V terhadap v t grafik slope 2 K  dimana µ.C P) .( .A K  α  p s 2  p

=

−

=

P * A R  * µ q 1 adalah sebut grafik ter  Intercept m 0

=

Maka: m/kg 2432 , 437865 381 53, * 0,001 * 0,93 58589,285 * 0,0216 * 2 * 397607 α 381 , 53 0,05 * 2,575 417 , 3 1 0,05 * 996,783 .C mb 1 ρ.C m.C 1 ρ.C C 397607 P) .( A . 2 α . µ.C 2 K  x x x x s 2 s  p

=

=

=

−

=

−

=

−

=

=

−

=

mk  m  A / 83 , 10731001 001 , 0 * 93 , 0 58589,285 * 0,0216 * 9 , 7885 P * * 9 , 7885 R  9 , 7885 P * A R  * µ q 1 m m 0

=

=

=

=

=

µ 

A adalah luas permukaan filtrasi yang diasumsikan sama dengan luas frame. dihitung dengan cara:

A = Luas bujur sangkar – 2 Luas lingkaran

A = 15*15 – 2*1/4*π*(1,5)2 =216 cm2= 0,0216 m2

Daftar Pustaka

1. Larian, M.G., Fundamentals of Chemical Engineering Operations, Prentice Hall Inc., 1958, pp. 585

2. Geankoplis, C.j., Transport Process and Unit Operations, 2nd  Edition, Allyn and Bacon Inc., Boston, 1993

3. Mc Cabe, W.L., Unit Operation of Chemical Engineering, 5rd Edition, McGraw-Hill Book Co., Singapore, 1993, pp. 309-369.