5. Filtrasi

21TK2006 Perlakuan Mekanik

5. Filtrasi

Jurusan Teknik Kimia Polban Oleh: Keryanti, S.T., M.T.

Tujuan

Pembelajaran

Mahasiswa dapat memahami dan

menjelaskan definisi filtrasi, jenis-jenis dan perolehan filtasi dan perhitungannya.

Pendahuluan

• Filtrasi atau penyaringan adalah pemisahan partikel zat padat dari fluida (cair atau gas) dengan mengalirkan campuran padat fluida (slurry) melalui suatu medium penyaring sehingga menghasilkan 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.

Pendahuluan

• Slurry yang mengalir melalui medium filter karena adanya gaya dorong antara lain akibat perbedaan tekanan yang melintasi medium tersebut.

• Oleh karena itu, filter dibagi menjadi:

Beroperasi pada tekanan yang lebih tinggi dari atmosfir di bagian hulu dan pada tekanan atmosfir yang beroperasi dibagian hilir

Beroperasi pada tekanan atmosfir dibagian hulu, sedang

dibagian hilir pada tekanan vakum.

Contoh

Penggunaan Filtrasi di Industri

Industri kertas yaitu untuk proses penyaringan pulp

Industri pengolahan air Industri kimia : NaOH

Jenis-jenis Proses

Filtrasi

Proses filtrasi berdasarkan jumlah padatan dalam slurry

Filter klarifikasi (clarifying filter)

digunakan untuk memisahkan zat padat

yang kuantitasnya kecil dan

menghasilkan zat cair atau zat gas yang bersih.

Filter ampas digunakan untuk

memisahkan campuran padatan –cair

(slurry) dengan padatan yang cukup

banyak sehingga membentuk ampas

dan berfungsi sebagai penyaring.

Bed Filter

Plate and Frame

Filter

Press

Plate and Frame

Filter

Press

Leaf

Filter

Continou

s Rotary

Filter

Teori Dasar Filtrasi

Penampang irisan aliran slurry melalui filter

Aliran filtrat yang melalui hamparan ampas dapat

digambarkan

(dianalogikan) aliran fluida mengikuti

hukum Poiseuile,

dengan asumsi terjadi aliran laminer dalam suatu tabung.

Cake filter

Penurunan Tekanan Cairan Melewati Ampas

Pers. Poiseuille’s untuk aliran laminer yang melalui pipa lurus :

(1)

• Tebal filter cake L dalam m atau ft

• Luas filter A dalam m² atau ft²

• Kecepatan linier slurry sepanjang L (v) dalam m/s atau ft/s

• Dari pers. Poiseuille’s untuk aliran laminer yang melalui saluran filter :

L₂ – L₁ = L = ketebalan cake μ = viskositas fluida

v = kecepatan linier rata-rata fluida dalam filter D = diameter dalam pipa

Dimana :

- ΔP_f = (p₁ – p₂)_f

= Pressure loss karena gesekan pada dinding dan ampas (cake)

p₁ = tekanan pada titik-1/tekanan masuk umpan p₂ = tekanan pada titik-2/tekanan keluar filtrat

• Untuk aliran laminer dalam filter identik dengan pers. Kozeny di dalam Packed Bed Particle

(2)

• Hubungan volume(V), massa (m) dan ketebalan cake (L) merupakan neraca massa. Neraca massa dapat dituliskan sebagai berikut :

Tahanan Ampas Spesifik

•

Proses Filtrasi Batch (Tekanan Konstan)

Proses Filtrasi Batch (Tekanan Konstan)

Proses Filtrasi Laju Tetap

• Jika filtratnya mengalir pada laju tetap, kecepatan linear akan tetap, dan dapat dinyatakan sebagai berikut :

Proses Filtrasi Laju Tetap

Grafik

Hubungan

: t/V vs V

Contoh Soal-1

Data percobaan filtrasi menggunakan plate and frame filter press slurry CaCO₃ dalam air pada temperatur 298,2K pada tekanan konstan (-ΔP) 338 k N/m² (7060 lb_f /ft²) dengan luas total frame, A = 0,0439 m² (0,473 ft²), konsentrasi slurry, C_s=23,47 kg/m³ (1,465 lb_m /ft³ ). Hitung konstanta tahanan spesifik ampas (α) dan tahanan filter medium (Rm) dengan menggunakan grafik hubungan t/V vs V dari data berikut:

t (s) 4,4 9,5 16,3 24,6 34,7

V (m³ ) 0,5x10^-3 1x10^-3 1,5x10^-3 2x10^-3 2,5x10^-3

t (s) 46,1 59,0 73,6 89,4 107,3

V (m³ ) 3x10^-3 3,5x10^-3 4x10^-3 4,5x10^-3 5x10^-3

Solusi soal-1

• Dibuat tabel t/V dengan V

t/V (s/m³ ) 8800 9500 10867 12300 13880

V (m³) 0,5x10^-3 1x10^-3 1,5x10^-3 2x10^-3 2,5x10^-3

t/V (s/m³ ) 15367 16857 18400 19867 21460

V (m³) 3x10^-3 3,5x10^-3 4x10^-3 4,5x10^-3 5x10^-3

Dari grafik : t/V vs V diperoleh : Intersep =

Slope = K_p /2 =

Pada temperatur 298,2 K, viskositas air, µ µ = 8,937 x 10^-4 Pa. s = 8,937 x 10^-4 kg/m . S

(-ΔP) = 338 k N/m² =338.000 N/m²(7060 lb_f /ft²)

Substitusi Pers. (12) :

Contoh Soal-2

• Sama seperti pada contoh soal-1, apabila

menggunakan 20 frame dengan luas 0,873 m² (9,4 ft²) per frame. Filter Press Frame and Plate

dioperasikan pada tekanan konstan dengan

pressure drop, filter dan cake sama. Hitung waktu yang dibutuhkan untuk memperoleh produk filtrat 3,37 m³ (119 ft³ )

Dari contoh soal-1 :

A = 0,0439 m² K_p = 6 x10⁶ s/m³ B = 6400 s/m³ α dan Rm sama

K_p sebanding dengan 1/A² Pers.

Luas A baru = 0,873 x 20 = 17,46 m² ( 188 ft² ) K_p baru :

B sebanding dengan 1/A Pers.

Waktu yang dibutuhkan untuk memperoleh volume filtrat, V = 3,37 m³

Pers. (13)

Proses Filtrasi Kontinyu

• Dalam filtrasi kontinyu (jenis rotary drum vacuum filter): umpan, filtrat, dan ampas bergerak pada kecepatan tetap dan stedi

• Proses filtrasi kontinyu permukaan filter sejak rotary drum filter masuk ke dalam bak slurry sampai akhir proses terdiri dari beberapa langkah sebagai berikut:

a. pembentukan ampas

b. pencucian dan pengeringan c. pelepasan cake dan

d. tahapan kosong

Proses Filtrasi Kontinyu

• 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 tangka filtrat oleh sebuah pompa

Proses Filtrasi Kontinyu

• 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:

Proses Filtrasi Kontinyu

• 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:

Proses Filtrasi Kontinyu

Proses Filtrasi Kontinyu

• 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.

(19)

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:

Pers. Pencucian Filter Ampas (Washing

Filter Cake) dan Total Waktu Siklus (Total Cycle Time)

Untuk proses filtrasi pada tekanan tetap dengan tekanan sama, maka laju pencucian filtrasi kebalikan dari pers. (13) :

(20)

V_f = volume filtrat mulai awal s/d akhir filtrasi

Pers. Pencucian Filter Ampas (Washing

Filter Cake) dan Total Waktu Siklus (Total Cycle Time)

Untuk Plate and Frame Filter Press liquid melewati ampas kembar (twice cake) dan luas yang dipakai filtrasi hanya ½ nya, maka diprediksi laju pencucian menjadi ¼ nya:

Pers.(21)

Total waktu satu siklus filtrasi = waktu filtrasi + waktu

pencucian + waktu pembersihan filter cake

Contoh Soal-3

• Pada contoh soal-2 total volume filtrat 3,37 m³ dan waktu filtrasi 269,7 s. Ampas yang dicuci melalui plate and frame filter press menggunakan air sebanyak 10% volume filtrat. Hitung waktu

pencucian dan total waktu satu siklus, bila waktu untuk pembersihan (cleaning) filter cake 20 menit.

Penyelesaian : Dari Pers.(21) :

Substitusi Kp = 37,93 s/m⁶, B = 16,10 s/m³ dan V_f = 3,37 m³, maka laju pencucian :

Air yang digunakan untuk pencucian 10% volume filtrat = 0,10 (3,37 m³) = 0,337 m³

Waktu pencucian, t :

s

Waktu satu siklus = waktu (filtrasi + pencucian + pembersihan)

= menit

menit