BAB VIII
PEMISAHAN PADAT - CAIR A. Bahasan Umum
Sedimentasi adalah salah satu bentuk pemisahan padat dan cairan. Ada beberapa jenis operasi pemisahan padatan-cairan yang dapat dijumpai dalam industri kimia.
Pelbagai jenis operasi pemisahan dan pertimbangan pemilihan jenis operasi pemisahan dapat dilihat dalam skema berikut ini :
Gambar: Klasifikasi operasi pemisahan padatan-cairan
Gambar : Hal-hal yang menentukan dasar pemilihan alat pemisah High
Deep bed filter cartridge filters precoal filtration sedimenting centrifuges
Cake filtration RV filters pressure filters plate and frame filters Settling tanks centrifuges Hydrocyclones Filtering centrifuges x < 5
Low High Low High
5 < x < 50 μm Low x >50 Particle size Concentration Equipment Flocculation Centrifugal sedimentation Fixed wall (hidrociclones) SOLID-LIQUID SEPARATION Grafity sedimentation (theckeners, clarifiers) Flotation (dispersed air, dissalved air, elecrolitic) Liquid constrained particles free Particles constrained, liquid free Roting wall (sedimenting centrifugess Screening (dewatering, vibrating screens) Deep bad filtration (sand and cuke) Cake filtration (vacum, preeuru, centrifugal
Sedimentasi mempelajari gerakan padatan dalam fluida (cairan dan gas). Oleh sebab itu hal-hal yang berhubungan dengan sifat fluida perlu diketahui terlebih dahulu. Fluida zat yang dapat mengalir, misalnya cairan, gas, slurry.
Sifat-sifat fluida : - Rapat massa (ρ) - Kekentalan fluida (μ)
1. Rapat Massa (Densitas (ρ))
Berdasarkan sifat rapat massa fluida dapat dikelompokkan menjadi dua :
a. Fluida incompressible
Dengan adanya penekanan rapat massa tidak berubah (sifat ini banyak dimiliki cairan)
b. Fluida compressible
Dengan adanya penekanan rapat massa tidak berubah (sifat banyak dimiliki oleh gas).
Rapat massa (massa/volume) satuan g/cm2, kg/l, dan seterusnya. Spesific gravity = ρ/ ρref (tidak bersatuan) data ini sering dijumpai di pustaka dengan data ini rapat massa suatu zat dapat ditentukan.
Untuk padatan dan cairan zat standar yang digunakan biasanya air pada suhu 400C atau sesuai dengan data informasi yang ada.
2. Kekentalan (viskositas, μ)
Viskositas fluida suatu tetapan yang menyatakan perubahan momentum terhadap waktu dibagi dengan satun luas dibagi dengan gradien kecepatan. Viscositas = μ = ) / ( / ) ( dy dv A dt mv d
Satuan (sedimentasi) μ antara lain poice, g/(cm detik). Ada beberapa jenis viskositas yaitu :
a. Viscositas absolut (μ) b. Viscositas spesifik (μ/ μref) c. Viscositas kinematik (μ/ρ)
B. Gerak Padatan dalam Cairan
Gerak padatan dalam cairan ada yang ke atas ada yang ke bawah, tergantung densitas relatif padatan dalam cairan.
Ada tiga peristiwa gerakan dalam cairan, yaitu : 1. Padatan diam fluida bergerak
2. Padatan bergerak fluida diam 3. Keduanya bergerak
Gerakan padatan dalam cairan dimanfaatkan untuk operasi pemisahan campuran padatan cairan, yaitu operasi :
1. Sedimentasi (fluida diam, zat padat bergerak atau mengendap) 2. Elutriasi
Aliran fluida ke atas dengan kecepatan tertentu dan tetap, sehingga untuk butiran dengan ukuran atau densitas tertentu terbawa ke atas, ukuran atau densitas yang lebih besar sebagai hasil bawah.
1. Gaya Gesek
Terjadi pada sistem gerakan padat-fluida.
Misal : Padatan bergerak dengan kecepatan v dan fluida diam, padatan bergerak maka fluida yang berada di sekitar padatan ikut bergerak dengan kecepatan u (karena ada gradien kecepatan maka ada perpindahan momentum ke fluida).
2. Hukum Newton m dt dm dt du m dt d(mu) u
dengan : FD = gaya yang bekerja pada fluida m = massa fluida
u = kecepatan max fluida yang dipengaruhi gerakan padatan
u = f(v)
jika v tetap maka u tetap atau du / dt = 0 , sehingga FD = dt dm u dt dm = A v ρ FD = u . A v ρ atau FD = fD A ρ v r2 / 2 fD = fungsi bilangan Reynold f(Re)
vr2 = kecepatan relatif padatan terhadap fluida
3. Kecepatan Relatif
Padatan dalam pluida bergerak dengan kecepatan v Kecepatan relatif (vr) = v
Padatan bergerak dengan kecepatan v fluida v Kecepatan relatif (vr) = v
Padatan bergerak dengan kecepatan v1 fluida bergerak dengan kecepatan v2 lebih cepat dari v1 dan searah Kecepatan relatif (vr) = v2 – v1
Padatan bergerak dengan kecep[atan v1 fluida bergerak dengan kecepatan v2 berlawanan arah Kecepatan relatif (vr) = v2 – v1
Nilai fD dapat dibaca pada gambar 69 dan 70 (Brown) dengan parameter faktor berbentuk (ψ)
Ψ = partikel permukaan luas butir volume dengan sama volume mempunyai yang bola perm luas . Davg = ukuran ayakan rata-rata = (D1 + D2) / 2
Ds = diameter sama yang mempunyai volume sama dengan volume
padatan
Untuk gerakan laminer (Re < 1) grafik Re vs FD satu garis lurus dan tidak berpotongan
Bila nilai v semakin besar FD juga semakin besar, sampai suatu saat besarnya F=0 atau
dt
dv = 0 atau v tetap. Keadaan ini disebut Keadaan Terminal (V maksimum)
v2 maksimum = vm2 = A ρs ρ f ) ρ (ρ g m 2 D s
Untuk butir berbentuk bola dan gerakan laminer C = 24. A = π/4 D2 m = π/6 D3 ρs fD = D v ρ μ 24 Re 24 m
Persamaan vm dapat dituliskan menjadi vm = μ 18 ) ρ (ρ D g 2 s hukum stoke’s
4. Gerak Jatuh Butiran Padat Dalam Fluida Diam F = G – KA - FD Dengan : G = gaya berat KA = gaya keatas FD = gaya gesek KA FD
m 2 vr A ρ f g ρ ρs m g m dt dv 2 D m 2 vr A ρ f ) ρs ρ g(1 dt dv 2 D
Dengan ρs densitas padatan dan ρι densitas fluida
Persamaan ini berlaku untuk : a. Padatan tidak berpori b. Fluida incompressible c. g uniform
d. Padatan freely moving (tidak ada faktor lain di sekitarnya)
5. Pengaruh -Pengaruh Yang Mengganggu Persamaan Gerak (Bila asumsi yang diambil tidak dapat berlaku untuk permasalahan yang diamati)
a. Hindered Settling
Ada saling pengaruh antar partikel. Hal ini terjadi bila konsentrasi padatan cukup besar.
Pendekatan Yang Digunakan
Partikel dianggap bergerak dalam fluida yang bercampur dengan padatan. Untuk hal ini sifat fluida sifat slurry (ρb, μb). Untuk keadaan ini hukum Stoke’s dapat dituliskan sebagai :
vm = μb 18 ρb) (ρρ D g 2
Nilai μb didekati dengan menggunakan rumus berikut atau dapat dibaca dari grafik 71 (Brown).
x 10 μ
μb 1,82(1x)
Ρb = berat campuran total per volum total
Untuk Butiran Berbentuk Bola Ada Cara Pendekatan Yang Lain
VH = Fs μ 18 ρ) (ρρ D g 2 Fs = m H v v
Nilai Fs merupakan fungsi x dapat dilihat dalam grafik berikut :
b. Flokulasi
Ialah suatu peristiwa butir-butir padatan saling bergandengan. Keadaan ini menyebabkan vmaksimalnya semakin besar. Zat yang mendorong terjadinya flokulasi disebut flokulation agent. Pendekatan matematis untk peristiwa ini sangat komplek oleh sebab itu analisis terhadap peristiwa ini dilakukan secara percobaan laboratarium (empiris)
c. Immobile Fluid
Untuk butiran padatan yang bentuknya tidak beraturan, maka akan ada fluida yang terjerap di permukaan padatan tersebut
Faktor koreksi untuk peristiwa ini dapat dituliskan dengan persamaan berkut:
Fs = m H v v = 2 )3 1 ( 1 ) 1 ( 12 , 0 a a x x a
Dengan :a = volume immobile fluid per volum partikel d. Pengaruh Dinding
Pengaruh dinding container tidak dapat diabaikan pengaruhnya bila nilai Dc/D tidak besar (kira-kira < 20)
Faktor koreksi Fs = (1- D/Dc)2,25 laminer
Fs = (1-(D/Dc)1,25) turbulen
6. Persamaan Umum Gerak Partikel
Bila ada gerakan kearah vertikal dan horizontal
Horizontal FH = FDH vr v 2 vr A ρ fD dt dv m h 2 h m 2 v vr A ρ fD dt dvh h (A) Vertikal FD = G – KA - FDV vr 2 v vr A ρ f g ρ ρs m g m dt dv m v 2 D v m 2 v vr A ρ f g )ρ ρs ρ g(1 dt dv v D v (B) Dengan vr = 2 v 2 h v v (C) fD = f (Re) (D) Re = ρ vr D/μ (E)
Kalau Aliran Laminer fD = ReC =ρDvr μ C (F) D m 2 vh A μ C D vr ρ m 2 μ C vh vr A ρ dt dvv (G) D m 2 vh A μ C ) ρs ρ g(1 dt dvv (H)
Persamaan F, G, dan H bukan merupakan persamaan simultan lagi.
C. CLASSIFICATION
Klasifikasi: Pemisahan material menjadi dua fraksi atau lebih didasarkan atas perbedaan kecepatan gerak dalam fluida. Sizing : Proses pemisahan material yang sama densitasnya,
tapi berbeda bentuk dan ukurannya.
Sorting : Proses pemisahan material yang sama bentuk dan ukurannya tetapi berbeda densitasnya.
Pemisahan berdasarkan perbedaan ρ dan D, jika suatu keadaan untuk ρA > ρB tetapi DB >> DA tidak dapat terjadi pemisahan dengan sempurna. Oleh sebab itu perlu adanya batasan harga kisaran ukuran padatan agar menghasilkan pemisahan yang sempurna.
Supaya Pemisahan Padatan Berlangsung Dengan Sempurna maka perbandingan ukuran padatan A dan B.
vmA2 = ρ D f ρ) (ρ g 4D 3 B A A vmB2 = ρ D f ρ) (ρ g 4D 3 B B B
Untuk partikel padatan A dan B yang mempunyai kecepatan maksimum sama (vmA = vmB), maka batasan perbandingan ukuran partikel dapat ditentukan dengan persamaan berikut :
) ( ) ( A B B A B A fD fD D D
Jika sifat gerakan turbulen sempurna maka fDA =fDA maka
) ( ) ( A B B A D D Turbulen Jika sifat gerakan laminer
B A B A fD fD D D Maka
0,5 ) ( ) ( A B B A B A fD fD D D LaminerPemisahan dapat terjadi dengan baik bila Separation Ratio (perbandingan ukuran partikel yang kecil terhadap ukuran partikel yang terbesar)menurut persamaan berikut:
n A B B A D D ) ( ) ( Turbulen n = 1 Laminer n = 0,5 Transisi 0,5 < n < 1Jika ρ harganya mendekati ρB atau sama dengan ρB maka (ρ B – ρ) = 0 0
B A
D D
Pada keadaan ini pemisahaan berlangsung sempurna pada sembarang perbandingan ukuran.
Untuk mendapatkan medium yang berata jenisnya lebih besara dapat dilakukan dengan cara:
1. Melarutkan soluble material ke dalam cairan
Gambar alat klasifikasi dan cara kerjanya dapat dibaca sendiri di text book.
D. SEDIMENTASI
Sedimentasi pemisahan slurry menjadi cairan bening cairan bening dan slurry yang lebih pekat (slude)
A : Cairan bening
B : Zone dengan Konsentrasi Co C : Zone dengan konsentrasi C1 >Co
D : cake atau endapan
Sedimentasi dalam industri dilakukan secara kontinyu (sinambung), sedimentasi dalam laboratorium dilakukan secara batch. Data-data(persamaan-persamaan)pada proses kontinyu diperoleh dari data poses batch
1. Batch Sedimentasi
Kecepatan turunnya bidang batas A-B disebut kecepatan sedimentasi.
Pada periode awal merupakan “maximum velocity”atau dikenal dengan free settling.
Kecepatan turunnya bidang batas = - slope =
d dz
= “terminal velocy”partikel- partikel yang berada pada bidang batas.
V = f(ρs, ρ, μ, D, g, C, ψ)
konsentrasi > > V < < (karena ada saling pengaruh antar partikel)
Untuk bahan yang sama V =f (C) penting untuk perancangan alat sedimentasi untuk konsentrasi awal yang lebih pekat, kecepatan pengedapannya lebih lambat (hindered settingnya lebih cepat)
Menentukan Kecepatan pengendapan Vs konsentrasi data –data sedimentasi secara Batch
Kalau ditinjau titik dengan konsentrasi tetap (C), posisi titik tersebut semakinlama semakin tinggi seolah-olah naik dengan kecepatanVL
Neraca massa padatan pada zone dengan konsentrasi C C+dC input = output A (V + dv + VL ) C = A ( V + VL )( C + dC) ( V + VL ) C + C dv = ( V + VL ) C + (V + VL ) dC VL = C V dc v d
V = f (C) dc dv = f (C). Karena C tetap, maka '( ) ( ) VL C f C f C Maka L -V = tetap V = f(C) dapat ditentukan V slope kurve Z vs ө Penentuan nilai CL
Nilai CL dicari dengan cara sebagai berikut :
Misal zone dengan konsentrasi CL bergerak keatas dengan kecepatan tetap VL. Mula-mula zone tersebut berada didasar tabung. Jadi L -V = L L Z
Pada saat ө = 0 (awal). Semua partikel berada diatas zone dengan konsentrasi CL (zone ini berada didasar tabung). Tapi pada saat ө = өL, semua partikel berada di bawah zone tersebut. Jadi dalam waktu өL semua partikel melewati zone tersebut.
Jumlah paritikel yang menembus zone pada waktu өL = Jumlah total partikel dalam endapan. A (V + L -V ) CL θL = A Zo Co CL = L L L Z V Co Zo
Berdasarkan data batch θL dan ZL dengan korelasi ini VL dan CL dapat ditentukan.
Dari dara batch dapat disusun V = f(C), korelasi ini sangat diperlukan pada perancangan sedimentasi kontinyu.
Kecepatan merupakan fungsi konsentrasi, tetapi bukan merupakan fungsi konsentrasi awal (Co). Jadi pada saat konsentrasi padatan sama akan mempunyai kecepatan pengendapan yang sama, walaupun konsentrasi awal berbeda.
Akhir sedimentasi semua padatan mengendap didasar, membentuk tumpukan padatan = Porositas (X)
Porositas = X =
total Volume
rongga Volume
Contoh penentuan pororitas Diket : ρs = 2 3 cm g Ρ = 1 3 cm g
Fraksi massa padatan = x = 20% Volume slurru mula-mula = A. 27 cm3
Basis 100 g slurry padatan = 0,2 x 100 g = 20 gram Volume padatan 2 20= 10 cm3 cairan = 100 (1-X) = 3 1 80 cm g g = 80 cm 3 Konsentrasi padatan = 9 2 cm 80) (10 gram 20 3 g/cm 3
Total padatan dalam slurry = 9 227 A = 6 A gram = 2 A 6 cm3 = 3 A cm3 Setelah mengendap
CV = 0 Volume rongga = 5A – 3A = 2A Porositas = 5A A 2 = 0,4 2. Continue Sedimentasi
Perancangan Sedimentasi Kontinyu didasarkan atas Flux padatan yang diperkenankan.
Kolom untuk sedimentasi kontinyu disebut Thickener
Karena tidak ada kontraksi volume maka Neraca massa = Neraca volume
F = V + L
FCF = V CV + L Cu karena CV = 0 F CF = LCU
Dasar Perancangan Luas thickener
a. Tidak boleh ada partikel yang bergerak ke atas, oleh sebab itu luas tampang harus cukup besar.
V, L, F = Waktu campuran Volume CF, CV, CU = campuran Volume padatan Massa F CF Cu L
b. luas tampang harus cukup untuk menampung gerak padatan ke bawah.
Uraian masing-masing pernyataan
1) Luas tampang kecil kecepatan fluida keatas menjadi besar. Sedangkan partikel dapat bergerak keatas bila Vm = Vf
Oleh sebab itu dasar perancangan (
min
A V
= Vm)
2) Luas tampang thickener harus cukup untuk melewatkan padatan kebawah. Padatan yang diletakan kebawah = FL FL = Padatan yang dibawa aliran kebawah + padatan kebawah karena settling
FL = L C + A V C -- FL = f (C)
Diinginkan FL > FCF atau f. Cp < FL oleh sebab itu harus dicek setiap ketinggian
Amin FL = FCF
Bila ada beberapa nilai Amin,
Yang dipilih adalah yang nilainya maksimum
Kedalaman Theckiner
Kedalaman Thickener ditentukan oleh kecepatan pengeluaran hasil bawah.
Kecepatan underflow turun kedalaman thickener akan naik Kedalaman thickener dasar perhitungannya waktu tinggal. (Residence time)
Residence time = lama suatu elemen bahan berada dalam suatu alat
Hold up time = Residence time rata-rata θ =
ktu) (massa/ wa
massa (Vo/Waktu)Volume
waktu tinggal rata-rata dalam campuran zone = θu U F o u C C Z Z o U Z F A F C F Cu A H u u C A H FCFu Penentuan θu
Selama tes, massa zat padat dalam silinder tetap Subscript u menyatakan hasil bawah
C menyatakan Compression zone
θc = waktu yang diperlukan sampai mencapai keadaan Compression zone
θc dapat diperkirakan dengan cara sebagai berikut :
Pada awal proses (keadaan free settling) slope tetap Pada tumpukan zat padat (akhir proses) slpoe tetap Titik potong antara 2 slope yang tetap dapat ditentukan
Buat garis bagi sudut yang berbentuk dari perpotongan kedua garis singgung tersebut –θc dan Zc dapat ditentukan
Titik potong antara garis yang melalui Zu dengan garis singung Cc θu
Data pada batch sedimentasi
